工程材料学第6章铸铁课件

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1、第六章 铸铁,一 铸铁及其分类 概念：铸铁是碳含量大于2.11 的铁碳合金，并且还含有较多量的硅锰硫 磷元素 铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，并具有许多优良的使用性能和工艺性能，所以应用非常广泛，是工程上最常用的金属材料之一。 用于制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等。,箱体,启动阀,在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在： 固溶在F、A中 化合物态的渗碳体(Fe3C)， 游离态石墨（G） 分类：根据碳在铸铁中的存在形式（G or Cem）分为 白口铸铁-碳主要以游离碳化物的形式析出，断口呈银白色 灰口铸铁-碳大部分或全部

2、以石墨的形式析出，断口呈暗灰色 麻口铸铁-碳部分以游离碳化物形式析出，部分以石墨形式析出，断口灰、白色相间,二 复线铁碳相图 在铁碳相图中，碳可以化合态的渗碳体的形式和游离态的石墨(G)的形式存在。渗碳体具有复杂的斜方结构。石墨具有特殊的简单六方晶格，其底面碳原子呈六方网络排列，原子间为共价键结合，间距小（1.42）结合力很强；底面层之间为分子键，面间距离大（3.04），结合力弱，所以石墨的强度和硬度不高，韧性很低。石墨的晶体结构如图,渗碳体为亚稳定相，在一定条件下能分解为铁和石墨（Fe3C3Fe+G）; 石墨为稳定相。所以在不同情况下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图，以及稳定平

3、衡的铁石墨相图。即铁碳合金相图应该是复合相图，见图。其中，实线表示Fe-Fe3C相图，虚线表示铁碳合金.究竟按哪种相图变化，决定于其加热或冷却条件或获得的平衡的性质（亚稳定平衡还是稳定平衡）。虚线相图的分析方法，与前面讨论过的实线相图完全相同。,三铸铁的石墨化过程 石墨化-铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程。 石墨既可以直接从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间高温退火，由渗碳体的高温分解来获得。,按照铁石墨相图，可将铸铁的石墨形成过程（石墨化）分为三个阶段。 第一阶段石墨化 铸铁液体结晶出一次石墨（

4、过共晶铸铁）和在 1154(ECF线) 通过共晶反应形成共晶石墨，其反应式为： LcAE+G（共晶） 第二阶段石墨化 在1154 738温度范围内奥氏体沿ES线析出二次石墨。 第三阶段石墨化 在738 （PSK）通过共析反应析出石墨，其反应方程式为： AsFp+G(共析) 含3的亚共晶铸铁石墨相图进行转变的过程如图所示,四影响石墨化的主要因素 (一)温度及冷却速度 铸铁的结晶，在高温慢冷的条件下，由于碳原子能充分扩散，通常按铁石墨相图进行。碳以石墨的形式析出。当冷速较快时，由液体析出的是渗碳体而不是石墨，因为渗碳体的含碳量（669）比石墨（100）更接近于合金的含碳量（2540），析出渗碳体所

5、需的碳原子扩散量较少。在低温（共晶反应温度）条件下，碳原子扩散能力较差，铸铁的石墨化过程往往难以进行。 铸铁加热时，到550以上，共析渗碳体开始分解为石墨和铁素体。加热温度越高，保温时间越长，分解越强烈。在共析温度以下，二次渗碳体共晶渗碳体和一次渗碳体先后分解成奥氏体和石墨。 因此，在实际生产中，铸铁的缓慢冷却，或在高温下长时间保温，都有利于石墨化进程。,（二）合金元素 按对石墨化的作用，合金元素可分为两大类： 促进石墨化的元素-CSiAlCuNiCo等。 阻碍石墨化的元素-CrWMoVMn 等，以及杂质元素S。一般来说，非碳化物形成元素阻碍石墨化。在促进石墨化的元素中，C和Si最强烈。生产中

6、，调整碳硅含量，是控制铸铁组织与性能的基本措施。碳不仅促进石墨化，而且还影响石墨的数量大小和分布。S强烈促进石墨的白口化，并使机械性能和铸造性能恶化，因此一般控制在015以下。 生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。,CE来评价铸铁成份的石墨化能力： CE=Wc+1/2W(Si+P) 同时用共晶度（表示铸铁的碳含量接近共晶点浓度的程度，Sc=1共晶铸铁；Sc1过共晶铸铁。Sc CE-石墨化能力),五.铸铁的组织特征和分类 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同,铸铁经不同程度石墨化后所得的组织,组织构成：常用各类铸铁的组织是两部分组成的，一部分是石墨，另一部分是基体。基

7、体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，相当于铁或钢的组织。所以，铸铁的组织可以看成是铁或钢的基体上分布着石墨夹杂。 石墨形态：不同类型铸铁组织中的石墨形态是不同的 灰铸铁和变质铸铁中的石墨呈片状； 可锻铸铁中石墨呈团絮状； 球墨铸铁中的石墨呈球状； 蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。,六.铸铁的性能特点 灰铸铁的抗拉强度和塑性都很低，石墨对基体严重割裂。石墨强度、韧性极低，相当于裂纹或空洞，它减小基体的有效截面，并引起应力集中。 石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，铸铁抗拉强度越低。 变质处理可细化石墨片，提高铸铁的强度，但塑性无明显改善。 石墨的存在使铸铁具备下列特殊性能： （1）石墨造成脆性

8、切削，铸铁的切削加工性能优异。 （2）铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少铸件体积的收缩，降低铸件中的内应力。 （3）石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。 （4）石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。 （5）大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。 各种铸铁的机械性能,第二节 灰口铸铁,灰口铸铁是价格便宜应用最广泛的铸铁材料。在各类铸铁的总产量中，灰口铸铁占80以上。 一铸铁的牌号 我国灰口铸铁的牌号见表。“HT”表示“灰铁”，后面的数字表示最低抗拉强度。灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以下范围：2.5%4.0%C; 1.0%2.0%

9、Si。 二、灰铸铁的组织 灰口铸铁有铁素体基体珠光体基体和铁素体加珠光体基体三种铸铁，其组织见图。,三 灰口铸铁的性能 1、优良的铸造性能 由于灰铸铁的化学成分接近共晶点，所以铁水流动性好，可以铸造非常复杂的零件；另外由于石墨比容较大，使铸件凝固时的收缩量减少可简化工艺，减轻铸件的应力，并可得到致密的组织。 2、优良的耐磨性 石墨本身具有润滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和储存润滑油，使铸件有良好的耐磨性；此外由于铸件中带有硬度很高的磷共晶：又能使抗磨能力进一步 提高，这对于制备活塞环气缸套等受摩擦零件具有重要意义， 3、消震性好 石墨可以阻止震动的传播灰铸铁的消震能力是钢的10倍，常用来制作承

10、受振动的机床底座。,4、较低的缺口敏感姓和良好的切削加工性能 灰铸铁中由于石墨的存在，相当于存在很多小的缺口对表面的缺陷、缺口等几乎没有敏感性因此，表面的缺陷对铸铁的疲劳强度影响较小，但其疲劳强度比钢要低； 由于灰铸铁中的石墨可以起断屑作用相对刀具的润滑起减摩作用、所以其切削加工性是良好的 5、灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳素铸钢 灰铸铁的抗压强度和硬度主要取决于基体组织；灰铸铁的抗压强度一般比抗拉强度高出3-4倍，这是灰铸铁的一种特性，因此与其把灰铸铁用作抗拉零件还不如做耐压零件更适合：这就是广泛用作机床床身和支柱受耐压零件的原因，灰铸铁的硬度与同样基体的正火钢相近,四.影响

11、灰铸铁组织和性能的因素 1.成分对铸铁的影响锰是阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体中，增强铁、碳原子间的结合力，扩大奥氏体区，阻止共析转变时的石墨化，促进珠光体基体的形成。锰还能与硫生成MnS，减少硫的有害作用。锰质量分数一般为0.5%1.4%。磷是促进石墨化的元素。铸铁中磷含量增加时，液相线降低，从而提高了铁水的流动性。在铸铁中，磷质量分数大于0.3%时，常常形成二元或三元磷共晶体，其性能硬而脆，降低铸铁的强度，但提高其耐磨性。所以，要求铸铁有较高强度时，要限制磷含量（一般在0.12%以下），而耐磨铸铁则要求有一定的磷含量（可达0.3%以上）。 硫是有害元素，它强烈促进白口化，并使铸铁的

12、铸造性能和机械性能恶化。少量硫即可生成FeS(或MnS)。FeS与铁形成低熔点(约980 )共晶体，沿晶界分布。因此限定硫的质量分数在0.15%以下。,2.冷却速度的影响 在一定的铸造工艺（如浇注温度、铸型温度、造型材料种类等）条件下，铸件的冷却速度对石墨化程度影响很大。 随着铸件壁厚增加，冷却速度减慢，依次出现珠光体、珠光体加铁素体和铁素体灰口铸铁组织。 不同C+Si含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织,五孕育处理 孕育处理：就是变质处理，孕育处理后的灰口铸铁叫做孕育铸铁。常用的孕育剂有两种。一种为硅类合金，例如最常用的含75硅的硅铁合金含6065硅和2535钙的硅钙合金等，后者石墨化能力比

13、前者高1.53倍，但价格较贵。另一类是碳类，例如石墨粉电极粒等。 孕育处理的目的是： 1 使铁水内同时生成大量均匀的非自发形核，以获得细小均匀的石墨片，并细化基体组织，提高铸铁的强度； 2 避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的均匀性。 应用： 孕育铸铁具有较高的强度和硬度，可用来制造机械性能要求较高的铸件，如气缸曲轴凸轮机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。,六灰口铸铁的热处理 热处理不能改变石墨的形状和分布，对提高灰口铸铁机械性能作用不大，因此生产中主要用来消除内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。 1.消除内应力退火（又称人工时效） 一些形状复杂和尺寸稳定性要求较高

14、的重要铸件，如机床床身柴油机气缸等，为了防变形和开裂，需进行消除内应力退火。工艺规定是：加热温度500550，加热速度为60120/h。温度不宜过高，以免发生共析渗碳体的球化和石墨化。保温时间则取决于加热温度和铸件壁厚，一般是：壁厚20mm时，保温时间为2h，壁厚每增加25mm，保温时间增长1h。冷却速度为2050/h，到150220后出炉空冷。,2.消除铸件白口降低硬度的退火 灰口铸铁件表面和薄壁处产生的白口组织难以切削加工，需要退火降低硬度。退火在共析温度以上进行，使渗碳体分解成石墨，所以又称高温退火。工艺是：加热到850900，保温25h，然后随炉冷却，至250400后出炉空冷。退火铸件

15、的硬度可下降HB2040。 3.表面淬火 有些铸件如机床导轨缸体内壁等，因需要提高硬度和耐磨性，可进行表面淬火处理，如高频表面淬火火焰表面淬火等。淬火后表面硬度可达HRC50。,第三节 球墨铸铁,球墨铸铁是本世纪50年代发展起来的一种高强度材料，其综合机械性能接近于钢，因铸造性能很好，成本很低，生产方便，在工业生产中得到了广泛的应用。 一球墨铸铁的成分和球化处理 球墨铸铁的成分： 要求比较严格，一般范围是：3.63.9%C,2.02.8%Si,0.60.8%Mn,0.07%S,0.1%P。与灰口铸铁相比，它的碳当量较高，一般为过共晶成分，通常在4.54.7%范围内变动，以利于石墨球化。,球墨铸

16、铁的球化处理： 必须伴随以孕育处理，通常是在铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂。国外使用球化剂主要是金属镁，实践证明，铁水中含0.040.08镁时，石墨就能完全球化。我国普遍使用稀土镁球化剂。镁是强烈的反石墨化元素，为了避免白口，并使石墨球细小均匀分布光园，一定要加入孕育剂。常用的孕育剂为75硅铁和硅钙合金等。,二、球墨铸铁的牌号、组织和性能 1.牌号 我国球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数字表示最低抗拉强度极限和延伸率，见表 由表中数据可知，球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰口铸铁，而与钢相当。其突出特点是屈强比（0.2/b）高，约为0.70.8，而钢一般只有0.30.5。在一般的机械设计中，材料的许用应力根据0.2确定，因此对于承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，重量更轻。,2.组织 不同的基体的球墨铸铁见图，性能差别很大。珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体的高50以上，而铁素体基的球墨铸铁的延伸率为珠光体基的35倍。 3.性能 球墨铸铁具有较好的疲劳强度。表中给出了球墨铸铁和45