金属材料学 第7章 铸铁

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1、第7章 铸铁铸铁是指含碳量大于2.14%或组织中具有共晶 组织的铁碳合金。实际上是以铁-碳-硅为主的多 元合金。如再加入铝、铬、锰、铜等元素,则是 各种特殊性能铸铁.铸铁可分为以下几类：灰口铸铁，球墨铸铁，蠕墨铸铁，可锻铸铁，白口铸铁等上图 沧州铁狮子铸于953年，重40余吨。右图 当阳铁塔铸于1061年，八棱13层，塔体分段铸造中国曾发现陨铁制兵器3 件,2件被盗卖至美国7.1 铸铁石墨化及影响因素 1 铸铁的石墨化过程 渗碳体是介稳定相，而石墨才是稳定相。 热力学条件：有利于石墨化的过程 动力学条件：主要有成分起伏、结构起伏和 原子扩散.有利于渗碳体的形成.为了使G化进行,可人为地改变热力

2、学和动力 学条件.图 铁碳双重相图（G石墨， Fe3C渗碳体）成分起伏L 4.3%CFe3C（6.67%C）+ AG（100%C）+ A结构起伏L（或-Fe） Fe、C并存(面心)Fe3C （复杂斜方结构）G （六角形层状结构）比较接近浓度差小原子扩散G长大，不但要C原子扩散集中，而 且Fe原子要从G生长前沿逆向扩散。而Fe3C长大只要C扩散，Fe原子局部 移动即可。G长大较难。 有利于Fe3C长大2、影响铸态组织的因素 （1）化学成分的影响 C SiC和Si是基本成分，是G元素。石墨来源 于C。Si含量一般在0.83.5%之间，Si的加入对 Fe-G相图发生变化。Si 作 用 共晶点和共析点

3、碳量随硅含量的而； 使共晶和共析转变在一温度范围内进行； 共晶和共析温度。共析温度提高更 多，大约每1 Si ，可使共析温度28； Si促进铸铁石墨化的作用相当于1/3C。G化，1/3C作用。0.2%后，出现硬脆Fe3P， 呈孤立、细小、均匀分布时，可耐磨性。若粗大 连续网状分布，将强度，铸件脆性。除在耐磨铸铁中可达0.51.0%外，在普通铸铁中 都作为杂质，通常灰铁中P含量控制在0.2%。G化；Mn能与S结合生成MnS，削弱硫的有害 作用。铸铁中含锰量一般在0.51.4%范围内，如要获得铁素体基体，含锰量应取下限。PMn白口；铁水流动性，恶化铸造性；形成FeS， 分布晶界，使铸铁变脆。S是有

4、害元素，其含量应 尽量低，一般将S限制在0.15%以下S促进石墨化元素 阻碍石墨化元素+ Al、C、Si、Ni、CuW、Mn、Mo、S、Cr、Fe、Mg （2）冷却速度的影响化学成分选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，可以 在很大范围内改变铸态组织。V冷越缓慢，越有利于按 Fe-C状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段G化，通 常情况下，共析阶段的G化难以完全进行在生产中，铸件冷却速度是一个综合因素，它与浇注温度、铸型条件以及铸件壁厚均有关系。同一铸件不 同壁厚处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效 应。铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁厚铸件， 可调整化学成分来保证获得所需组织.G化过程可分

5、为两个阶段：发生在PSK线以上的G 化为第一阶段；发生在PSK线以下的G化为第二阶段， 实际是以共析线为界。第一阶段G化决定G形态,第二阶段G 化决定基体组织.石墨化阶段与组织 第一阶段 第二阶段 组织 铸铁名称 完全进行 完全进行 F+G 不同基体的灰部分进行 F+P+G 铁、球铁、蠕铁、未进行 P+G 可锻铁 部分进行 未进行 Ld+P+G 麻口铸铁 未进行 未进行 Ld 白口铸铁 7.2 石墨的形成及生长1、片状石墨的生长方式内 在 因 素G为六方点阵层状结构。层面原子间距小，较强共价键结合，层间C原子间距较大，原子作用 力弱。层面方向生长速度就大，石墨是在与铁 水相接触的条件下以片状方

6、式生长的。外 在 因 素G形成会导致周围铁水C浓度,凝固点生成 包围G片的A体壳。但G片端生长速度超过A结晶速 度, G片端总是和铁水直接接触。石墨晶体结构 片状石墨生长机理 如G片向两侧加厚生长，须依靠C从铁水中先扩散到A层 再扩散到G；而Fe还必须向A层外作反方向扩散，显然是较 难的G片增厚是较慢的.最后形成了立体花朵状球状石墨内部的年轮状结构 球状石墨的结构示意图 2、球状G的形成过程 （1）球状石墨的结构G呈多边形轮廓，内部呈放射 状。中心是G核心。球面是单 晶体锥形G（0001）底面.(2) 球状G的形成条件球化剂 Mg/Ce/ Y/La等铁液的过冷度球化剂与铁液中氧、硫发生反应，含

7、 氧、硫量，铁液表面张力， 铁液/石 墨间的界面张力球化处理: 浇注前加入一定量球化剂,如稀土-硅铁-镁系等 孕育处理: 加入高硅铁，获得很多的非自发晶核，细化G(3) 球状石墨的形核机理 G都是从铁水中直接析出的。球状G的形核 以硫化物及氧化物夹杂微粒作为结晶中心。螺旋位错理论:由于螺旋位错存在，碳原子 优先在晶体表面造成的螺旋台阶旋出口作为开 始生长的最有利位置。理想情况下晶体将长成 一个近似球状的多面体，形成年轮状结构。生长机理,有许多学说,难以完美解释. (4) 球状石墨的生长机理 图 球状石墨晶体生长示意图a)0001方向生长；b)长成球状多面体7.3 灰铸铁 牌号 意义有HT100

8、、HT150、HT200、HT250、 HT300、HT350六个国家标准牌号。 “HT”表示“灰铁” ，后面的数字表示抗 拉强度（不低于, MPa）组织：片状G+ 金属基体（F，F+P，P）。石墨形态:有A、B、C、D、E、F 6种类型， 其中A型最好。经孕育处理的灰铸铁为孕育铸 铁。实际生产，大部分铸铁都经过孕育处理.孕育处理目的 ?1、灰铸铁组织特点（a）A型石墨 (b)B型石墨 (c) C型石墨 (d)D型石墨(e) D型石墨 (f) F型石墨图 片状石墨的分布类型 2、灰铸铁性能及热处理 （1）抗拉强度低、塑韧性很差G相当于空洞 有效截面积G片端似裂口 应力集中基体强度不能充分 发挥

9、，其强度利用率 仅3050%，表现为 b很低，塑性和韧性几乎为零（2）缺口敏感性小, 可切削性好大量G相当于已经存在了许多缺口,工件的人 为缺口就不太敏感了。 G在机加工时可以起到 断屑和对刀具润滑作用可切削性是优良的（3）良好的铸造性灰铁成分接近共晶点，铁水流动性好，可铸 造出形状复杂零件。且不易形成缩孔和缩松， 能获得较致密的铸件。（4）良好的减震性和减摩性灰铁内部存在大量片状G，它割裂基体，破 坏连续性，阻止振动传播，并能转化为热能而 发散，因而灰铁具有很好的减振性。常用于机床底座,效果很好.一方面G本身是良好的润滑剂，另一方面G 脱落后的显微“口袋”,可以储存润滑油和收集微 小麿粒,因

10、此具有良好的减摩性。如机床导轨7.4 球墨铸铁 牌号 意义例如QT400-15，QT为球铁代号，400 表示抗拉强度不低于400MPa，15表示 伸长率不低于15%。组织：球状G + 金属基体（F，F+P，P，S回， B下等）。球状G孤立分布，理想的是 “小、匀、 圆、适量”。1、球铁组织与性能表 球墨铸铁的力学性能注意 不小于球状G应力集中 基体的缩减作用 割裂基体作用球铁基体的利用 率可大大提高，达 到7090。对灰口铸铁来说，主要的矛盾是片状G， 改变基体组织无明显作用。当G变为球状时，矛盾的主要方面发生了变化，基体成为 决定性的主导因素，基体性能可得到较大的 发挥。退火球铁组织铁素体

11、+ 球状石墨铸态球铁组织(“牛眼”状 )珠光体+铁素体+球状石墨2、 球墨铸铁的热处理特点（1）共析转变不是在恒定的温度下进行，而是在一个较宽的温度范围内进行(下图)改变热处理 T和t不同比例的F 和P基体组织较大幅度地调整铸 铁的力学性能图 Fe-C-Si三元合金状态图变温截面a)含2.4%Si b)含4.8%Si（2）奥氏体含C量可在较宽范围内变化石墨是C的“仓库”,既可在高温时”输出给奥 氏体,也可在冷却时容纳奥氏体中析出的C（3）G参与相变,但一般不能改变G形状与分布（4）一般热处理工艺方法基本上可采用3、球墨铸铁的热处理（1）消除内应力退火（2）高温石墨化退火 消除游离渗碳体（3）低

12、温石墨化退火 消除共析渗碳体 （4）正火处理和调质处理 获得珠光体的组织和提高珠光体的分散度（5）等温淬火处理 得到B体或AB体基体组织。提高综合机械性能 （6）表面淬火（7）化学热处理 氮化、渗硼和渗硫等 本章小结铸铁中G参与相变过程，但热处理不能改变石墨形态和分布。石墨形状、大小、数量、 分布影响了铸铁基体性能的发挥程度， 基本上决定了铸铁宏观力学性能。从片状石墨到球 状石墨，使铸铁中石墨和基体的组织配合发生 了质的变化。不同类型G形成主要取决于成分和冷却速度球墨铸铁基体的性能可得到较大的利用，钢的各种热处理强化工艺基本上都可以在球墨铸铁中应用。不同类型铸铁有不同用途， 根据零部件的工作条

13、件和技术要求，可合理 地选择铸铁类型及其处理工艺。通过成分组 织和工艺的特殊设计，可得到相应的耐热、耐磨、耐蚀等特种铸铁。铸铁中心问题： G形状、大小、数量、分布石墨化过程决定G形态决定基体热力学自由焓 有利于石墨 化动力学成分、结构、 扩散有利于 Fe3C析出影响因素化学成分 C、Si促进 石墨化； Mn、S阻止 石墨化冷却速度 薄壁表面易 白口。壁厚 敏感性，性 能差异牌号及数字意义HT200 QT400-18 KTZ450-06铸铁性能强度、伸长率、冲 击韧度比钢低；耐 磨；切削性好；消 振性好；缺口敏感 性低；铸造性好。灰口铸铁：片G， 性能特点与用途。 孕育处理可锻铸铁：团絮状 G，由白口铁经石 墨化得到，性能与 用途球墨铸铁：球状G ，球化处理。热处 理工艺：与灰铁不 同，与钢区别。不 同工艺得到不同基 体组织。性能与用 途蠕铁：蠕虫状G 特殊性能铸铁：耐 蚀、耐磨、耐热