【2019年整理】商业资料第21章铸铁

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1、A thesis submitted toin partial fulfillmentof the requirementfor the degree ofMaster of Engineering第二一章铸铁第_节 铸铁的分类、石墨化及影响因素一、铸铁的特点与分类从铁碳合金相图知道，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁（cast iron）。虽然铸铁的强度、塑性和韧性较差，不能进行锻造，但 它却具有优良的铸造性、减摩性、切削加工性等一系列的性能特点， 加上它的生产设备和工艺简单、价格低，因此广泛应用于机械制造、 石油、化工、冶金、矿山、交通运输、国防工业等部门。据统计，按 重量百分比计算，

2、在农业机械中铸铁件约占（4060）% ;汽车、拖拉机中约占（5070）% ;机床中约占（6090）%。特别是近年来由于稀土 镁球墨铸铁的发展，更进一步打破了钢与铸铁的使用界限，不少过去 使用碳钢和合金钢制造的重要零件，如曲轴、连杆、齿轮等，如今已 可采用球墨铸铁来制造“以铁代钢”、“以铸代锻”。这不仅为国家节 约了大量的优质钢材，而且还大大减少了机械加工的工时，降低了产 品的成本。铸铁之所以具有这些特性，除了因为它具有接近共晶的成分，熔 点低，流动性好，易于铸造外，还因为它的C、Si含量较高，使碳大部分不以化合（Fe3C）而是呈游离的石墨状态存在，石墨有润滑作用和吸油能力，因而铸铁有良好的减摩

3、性和切削加工性。根据碳在铸铁 组织中存在形式不同，可分为以下几类：1. 白口铸铁(white cast iron)简称为白口铁，完全按照Fe-FesC相图进行结晶而得到的铸铁。 其中碳全部以渗碳体(FesC)形式存在，断口呈银白色。由于存在有大 量硬而脆的FesC,硬度高，脆性大，彳艮难切削加工。很少用来直接制 造机器，主要用于炼钢原料或制造可锻铸铁的毛坯。2. 灰口铸铁(gray cast iron)碳主要结晶成游离状态的石墨。其中碳大部分或全部以片状石墨 形状存在，断口为暗灰色，常见的铸铁件多数是灰口铸铁。3. 可锻铸铁(malleable iron)由一定成分的白口铸铁经石墨化退火处理而

4、获得，其中碳大部分 或全部以团状石墨形式存在，由于具有较灰口铸铁周得多的塑性和韧 性，习惯上称为可锻铸铁，实际上不能锻。4. 球墨铸铁(nodular cast iron)铁水在浇注前经球化处理，其中碳大部分或全部以球状石墨形式 存在，机械性能高，生产工艺比可锻铸铁简单，近年来日益得到广泛 的应用。5. 蠕墨铸铁碳以蠕虫状石墨形式存在，介于片状和球状石墨之间，是近十几 年发展起来的新型铸铁。此外，为了满足一些特殊要求，向铸铁中加入一些合金元素，如 Cr、Cu、Al、B等，可得到耐蚀铸铁、耐热铸铁及耐磨铸铁等合金铸铁。二、铸铁的石墨化及影响因素从以上各种铸铁的组织可见，铸铁中的碳可能以化合状态(

5、FeC)或白由状态(石墨)两种形态存在。铸铁在结晶过程中，碳以石墨形态 析出的现象称为石墨化。铸铁中石墨化程度直接决定了铸铁的组织和 性能。影响铸铁中石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度。1. 化学成分(1)碳和硅碳和硅是强烈促进石墨化的元素。铸铁中C、Si越高，石墨化越容易进行，越容易得到灰口组织。但过高，石墨多而粗大，组织中铁 素体量增多，珠光体量减少，力学性能降低。因此，为了保证得到一 定数量的石墨，避免形成白口铸铁，灰口铸铁中 C 一般控制在(2.5 4.0) % , Si控制在(1.03.0) %,厚壁件取下限，薄壁件取上限。砂型 铸造时，碳硅含量与铸铁组织的关系如图 21-2所示。

6、硫S是强烈阻碍石墨化的元素，S阻碍C原子的扩散，S还能增强 Fe、C原子的结合力。强烈的阻碍石墨化，S能使铁水的流动性降低， 收缩量增大，使铸铁有较大的热裂倾向，因此铸铁中S含量越低越好， 一般要控制在0.1新以下。(3) 猛Mn本身是阻碍石墨化的元素，但它能与 S结合，形成MnS浮集 到渣中，从而削弱了 S阻碍石墨化作用，Mn 一般为(0.51.4)%。(4) 磷P对石墨化稍起促进作用，改善铸造性能。但 P具有冷脆性，是 有害元素，要控制使用。2. 冷却速度冷却速度对铸铁石墨化的影响很大。 冷却越慢，原子扩散越充分， 越有利于石墨化进行。而快冷阻止石墨化越容易得到白口组织。冷却速度的大小主要

7、取决于浇注温度、铸件壁厚和铸型导热能力 等多种因素。浇注温度愈高，使得铁水凝固前铸型吸收的热量愈多， 铸件冷却就愈慢；各种造型材料的导热性不同，铸件在金属型中的冷 却比在砂型中快。同是砂型，湿型的冷却速度大于干型和预热的铸型； 铸件壁厚是影响冷却速度的一个重要因素，铸件壁越厚，则冷却速度 越小，石墨化就越完全。所以，在实际生产中常常发现同一厚壁处为 灰口，而薄壁处出现白口的现象。铸铁的化学成分 (C+Si)和冷却速度 对组织的影响如图21-3所示。生产中就是利用这一关系，对于不同 壁厚的铸件通过调整C和Si的含量以保证得到所需要的灰口组织。第二节灰口铸铁灰口铸铁(简称为灰铁)是价格便宜，应用最

8、广的一种铸铁，占各 种铸铁总含量的80%以上。一、灰口铸铁的成分、组织与性能(一)灰口铸铁的成分与组织灰口铸铁的化学成分大致为：(2.63.6) % C, (1.23.0) % Si, (0.41.2) %Mn, v0.1%S, v0.3%P。灰口铸铁组织特点是石墨呈片状分布在金属的基体组织上。按金 属基体组织的不同，灰口铸铁分为三种类型：铁素体灰口铸铁；铁素 体珠光体灰口铸铁；珠光体灰口铸铁。1. 铁素体灰口铸铁它是在铁素体的金属基体上分布着粗大的片状石墨。此铸铁的强度、硬度最低，很少用来制造机器零件，但质软，易加工，铸造性能 好，可用来制造少数要求不高的铸件或薄件。2. 铁素体-珠光体灰口

9、铸铁它是在珠光体和铁素体组成的金属基体上分布着片状石墨，其石 墨片稍粗大，数量也较多，因此，其强度、硬度较差，此种铸造时易 控制，切削性能较好，用途广。3. 珠光体灰口铸铁它是在珠光体的基体上分布着细小而均匀的片状石墨。强度、硬 度最高，主要用于制造重要机件。（二）灰口铸铁的性能1. 机械性能灰口铸铁组织是钢的基体上分布有片状石墨，石墨的密度为铸铁 的1/3,其体积约占铸铁的（710） % ,石墨的抗拉强度小于20MPa, 塑性近于零，硬度3HBS,石墨的这种特性是改变灰口铸铁机械性能 的主要因素。由于片状石墨象刀口一样对金属基体的严重割裂作用，减少了基 体受力的有效面积，使铸件金属基体的作用

10、不能充分发挥，据统计灰 口铸铁金属基体强度的利用率一般不超过（3050） % ,这表现为铸 铁抗拉强度比碳钢低得多，（T b为（120250）MPa,塑隹、韧性较差， 并且几乎没有延伸率（3 Q 0）,使普通灰口铸铁成为脆性材料，故常把灰口铸铁看成具有大量微小裂纹或孔洞的碳钢。但石墨对基体的割 裂作用和造成的应力集中对压应力的有害影响较小，所以灰口铸铁的 抗压强度较高。石墨数量愈多，愈粗大，分布愈不均匀，对基体的割 裂就愈严重，其机械性能愈差。由上可知，普通灰铁性能好坏的关键是组织中的石墨，即其性能取决于铸铁的石墨化程度2. 工艺性能由于铸铁很脆，因此不能进行锻造和冲压，焊接时易于产生裂纹，

11、并出现白口组织，使切削加工增加困难，所以说焊接性能差。灰口铸铁接近共晶成分，铸造时流动性好，又由于石墨膨胀可使 收缩减小，铸造性能最好。由于石墨具有割裂基体连续性的作用，从而使铸件的切削屑易脆 断成碎片，具有良好的切削加工性。3. 减振性铸铁中的石墨对振动能起缓冲作用，阻止晶粒间振动能的传递， 并将振动能量转变为热能。所以，灰口铸铁具有很好的减振性。并且, 粗大片状石墨的减振能力大于球状石墨，因此对于承受振动较大的零 件，在强度允许时应先米用具有片状石墨的普通灰口铸铁。4. 耐磨性石墨对铸铁耐磨性的影响主要表现在储油与润滑两个方面。铸铁 摩擦面上的石墨构成大量的显微凹坑，起储油作用，可维持油膜

12、的连 续性，同时石墨本身又是良好的润滑剂，脱落在摩擦面上也起润滑作 用。所以灰口铸铁具有良好的耐磨性。5. 缺口敏感性小石墨在铸铁中形成大量的小切口，从而减少了它对外来切口 （孔 洞、断面的急剧过渡、非金属夹杂等）的敏感性。因此， 表面加工质 量不高对铸铁疲劳强度的不利影响要比对钢的影响小得多。由于灰口铸铁具有以上一系列的特点，故被广泛地用来制造各种 承受压力和要求消振性好的床身、机架、箱体、壳体和经受摩擦的导轨、缸体、活塞环等。二、灰口铸铁的孕育处理普通灰口铸铁的最大弱点是强度低，这是因为一般灰口铸铁的C、 Si含量较局，石墨片和基体组织比较粗大。提局灰口铸铁机械性能的有效方法之一是采用孕育

13、处理(inoculation)的方法。它是把作为 孕育剂(inoculant)的硅铁或硅钙合金(加入量一般为铁水总质量的 0.4%左右)冲入到C、Si含量稍低的铁水中，经搅拌去渣后进行浇注， 以获得大量的人工晶核，从而得到石墨片极为细小且均匀分布的珠光 体灰口铸铁，这种铸铁又常称为“孕育铸铁”(inoculated cast iron)。 其强度、硬度比普通灰口铸铁有显著提高。孕育铸铁具有较高的强度和硬度，可用来制造力学性能要求较高 的铸件，如汽缸、曲轴、凸轮、机床床身等，尤其是截面尺寸变化较 大的铸件。另外，工厂里常用去应力退火和软化退火来消除铸件内应力和白 口组织。三、灰口铸铁的牌号和应用

14、灰口铸铁的牌号由“灰铁”汉语拼音的字首“ HT”和后面的三位 数字组成。后续数字表示最低抗拉强度(MPa)的数值。表21-1列出灰 口铸铁的牌号、性能和用途。第三节可锻铸铁可锻铸铁又称马铁或玛钢，实际并不可以锻造，这些名称只表示 它具有一定的塑性5 =(212) %和韧性aKu 30J/cm2 ,故称为展性铸 铁或韧性铸铁。可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理使渗碳体分解而 得到团絮状石墨的一种高强度铸铁。按退火方法不同有黑心和白心两 种类型铸铁。黑心可锻铸铁依靠石墨化退火获得，白心可锻铸铁利用 氧化脱碳退火来制取。后者已很少生产，我国主要生产黑心可锻铸铁。可锻铸铁的化学成分为：(2.42.7)%

15、 C , (1.41.8)% Si, (0.50.7)%Mn, 0.08%P, 0.25%S。C、Si含量很低，就是为了保证在通 常冷却条件下得到白口铸铁件。根据基体组织的不同，可分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸 铁，其显微组织如图21-5所示。由于石墨呈团状，对基体的割裂破坏作用比片状石墨小得多，因 此有较高的强度。b= (300700) MPa,以及较好的塑性和韧性，适 于生产对机械性能要求较高，承受冲击负荷的薄壁(厚度不超过25mm)形状复杂的小型铸件，如各种管接头、阀门及汽车上的一些小 零件。但可锻铸铁生产周期长，工艺复杂，成本较高，近年来有些可 锻铸铁件已部分地被球墨铸铁所代替。表21-2列出常用可锻铸铁的牌号、性能和用途。牌号中“ KT ” 代表可锻铸铁，其后的两组数字，分别表示最低抗拉强度和最低伸长 率；“KTH ”表示黑心可锻铸铁；“KTZ ”表示珠光体可锻铸铁。例如, KTH350-10，表示Ob最低值为350MPa, 3最低值为1倏 的铁素体 黑心可锻铸铁。第四节球墨铸铁一、球墨铸铁的组织和性能球墨铸铁(简称为球铁)是近几十年来铸铁生产发展的一个重要方 面，结合我国资源特点，于六十年代创造了稀土镁球墨铸铁。目前已 成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地