铸铁的结构原理及应用

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1、课题四 铸 铁,1 铸铁的分类及石墨化 2 灰 铸 铁 3 球墨铸铁 4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,引 言,从铁碳相图知道，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，工业上常用的铸铁的成分范围是2.54.0%C，1.03.0%Si，0.51.4Mn，0.010.50%P，0.020.20%S，有时还含有一些合金元素，如：Cr、Mo、V、Cu、Al等。 虽然铸铁的机械性（抗拉强度、塑性、韧性）较低，但是由于其生产成本低廉，具有优良的铸造性、可切削加工性、减震性及耐磨性，因此在现代工业中仍得到了普遍的应用，典型的应用是制造机床的床身、内燃机的汽缸、汽缸套、曲轴等。 铸铁的组织可以理解为在钢的组织基体上分布

2、有不同形状、大小、数量的石墨。,1 铸铁的分类及石墨化,铸铁是指一系列主要由铁、碳和硅组成的合金总称。在这些合金中，碳的质量分数超过了共晶温度时奥氏体中碳的最大固溶量，即wC2.11%。铸铁中除铁、碳和硅以外还含有锰、磷、硫等元素；有时为了提高铸铁的力学性能或获得某种特殊性能，还需向普通铸铁中加入铬、钼、钒、钢、铝等合金元素，从而形成合金铸铁。铸铁的化学成分范围一般为：wC=2.5%4.0%，wSi=1.0%3.0%，wMn =0.4%1.4%，wP =0.1%0.5%，wS =0.020.20%。,1 铸铁的分类及石墨化,铸铁的分类 白口铸铁指碳主要以游离碳化物形式出现的铸铁，断口呈白色，故

3、称为白口铸铁。因为白口铸铁硬度高，脆性大，难切削，所以很少用来制造机械零件，工业中应用较少。,1 铸铁的分类及石墨化,灰口铸铁指碳主要以石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色，故称为灰口铸铁。根据石墨形态不同，灰口铸铁又分为以下几类：(1)灰口铸铁。碳主要以片状石墨形式出现的铸铁。(2)可锻铸铁。碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁。(3)球墨铸铁。碳主要以球状石墨形式出现的铸铁。(4)蠕墨铸铁。碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。,1 铸铁的分类及石墨化,麻口铸铁碳部分以游离碳化物、部分以石墨形式出现的铸铁，断口呈灰白色相间，故称麻口铸铁。因其硬度高，脆性大，工业中很少应用。,1 铸铁的分类及石墨化,铸铁

4、的石墨化 1石墨的结构石墨为稳定相，具有特殊的简单六方晶格，其底面原子呈六方网格排列，原子间距小（1.4210-10m），结合力很强；而底面之间的间距较大（3.0410-10m），结合力较弱。所以石墨的强度、硬度和塑性都很差。,1 铸铁的分类及石墨化,1 铸铁的分类及石墨化,Fe-G相图,1 铸铁的分类及石墨化,对铁碳合金的结晶过程来说，实际上存 在两种相图，即Fe3C-Fe和Fe-G相图，铁碳 合金结晶条件不同可以全部或部分地按照其 中的一种或另一种相图进行结晶.,1 铸铁的分类及石墨化,铸铁的石墨化过程 铸铁组织中石墨的形成叫叫“石墨化”过程。第一阶段 共晶石墨 第二阶段 二次石墨 第三阶

5、段 共析石墨,1 铸铁的分类及石墨化,影响石墨化的主要因素化学成分的影响 C促进石墨化进行，含碳量愈高愈易石墨化，但不能太高，使石墨数量增多，粗化、性能变差，太低易出白口，故2.54.0%C。 合金元素：促进石墨化，Si、P等，铸铁中每增加1%的Si共晶点的含碳量相应降低1/3，保证2.54.0%C的铸铁具有好的铸造性能。,P含量大于0.3%后出现Fe3P，硬而脆，细小均匀分布时，提高铸铁的耐磨性，反之连成网，降低铸铁的强度，除耐磨铸铁外，（0.51.0%P）通常铸铁P含量0.3%。阻碍石墨化Mn、S等。S不仅阻碍石墨化，还会降低铸铁的强度和流动性，故其含量应尽量低，一般在0.15%以下，而錳

6、因为可与硫形成MnS，减弱硫的有害作用，同时可促进珠光体基体的形成，从而提高铸铁的强度，故可充许其含量在0.51.4% .,1 铸铁的分类及石墨化,1 铸铁的分类及石墨化,冷却速度的影响冷却速度愈慢，即过冷度愈小，愈有利于按照Fe-G相图进行结晶，对石墨化愈有利，反之冷却速度愈快，过冷度增大，不利于铁和碳原子的长距离扩散，愈有利于按Fe-Fe3C相图进行结晶，不利于石墨化的进行。生产中铸铁冷却速度可由铸件的壁厚来调态，综合了铸铁化学成分和冷却速度对铸铁组织的影响，可见，碳硅含量增加，壁厚增加易得到灰口组织，石墨化愈完全；反之，碳硅含量减少，壁厚愈小，愈易得到白口组织，石墨化过程越不易进行。,化

7、学成分和壁厚对石墨化的影响,1 铸铁的分类及石墨化, 灰铸铁,灰铸铁的化学成分、基体组织及类型 灰铸铁的化学成分：wC=2.5%4.0%，wSi=1.0%2.5%，wMn=0.5%1.4%，wS0.15%，wP0.3%。 灰铸铁的基体组织：F、F+P、P。灰铸铁组织可简单看成“钢基体”和“石墨夹杂”共同构成。 灰铸铁的组织有三种类型： 铁素体(F)+片状石墨(G)； 铁素体(F)-珠光体(P)+片状石墨(G)； 珠光体(P)+片状石墨(G)。, 灰铸铁,灰铸铁的显微组织：可以看成是在钢的基体上分布着一些片状石墨, 灰铸铁,灰铸铁的性能特点 1）优良的铸造性能 含碳量高，（2.54.0%C），成

8、分接近共晶点，熔点比钢低得多，流动性好，分散缩孔少，偏析程度小。且在凝固过程中会析出比容较大的石墨，所以收缩率也小，凡无法用锻造成型的形状复杂的零件，汽缸体，变速箱外壳等均可用灰铸铁铸造而成, 灰铸铁,2）良好的切削加性石墨使切削容易脆断，同时石墨本身润滑作用减轻刀具的磨损。3）优良的耐磨性与减震性石墨有利于滑润和贮油，磷含量的增加还可形成硬而脆的磷共晶等使铸铁有好的耐磨性。铸铁中的石墨能将震动能转变为热能，从而消震。, 灰铸铁,4）较低的机械性 灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和疲劳强度都比钢低得多，因为石墨的强度、塑性几乎为零，石墨的存在减小了基体的有效面积，且石墨本身可以看成是一个个孔洞和裂

9、纹，破坏了基体的连续性，所以可把灰铸铁看成是布满孔洞和裂纹的钢。 铸铁的硬度和抗压强度主要取决于基体组织，而与石墨无关，抗压强度大大超过抗拉强度（2.54倍），在压力负荷下石墨不起裂纹作用。, 灰铸铁,5）缺口敏感性较低 由于石墨可以看成是孔洞和裂纹，故灰铸铁对零件表面缺陷和缺口不敏感，即缺口敏感度小。, 灰铸铁,提高灰铸铁的机械性能的途径孕育处理(变质处理) 为了提高灰铸铁的力学性能，在铁液浇注之前，往铁液中加人少量的孕育剂(如硅铁或硅钙合金)，使铁液中同时生成大量均匀分布的石墨晶核，改变铁液的结晶条件，使灰铸铁获得细晶粒的珠光体基体和细片状石墨组织。这种处理称为孕育处理。经过孕育处理的灰铸

10、铁称为孕育铸铁，也叫变质铸铁。孕育铸铁的强度有很大的提高，并且塑性和韧性也有所提高，常用来制造力学性能要求较高、截面尺寸变化较大的大型铸件。, 灰铸铁,灰铸铁的牌号及用途：灰铸铁的牌号由“HT”及数字组成。其中“HT”是“灰铁”两字汉语拼音的第一个字母，其后的数字表示最低的抗拉强度，如HTl00表示灰铸铁，最低抗拉强度是100MPa。灰铸铁具有一定的强度，还具有优良的工艺性能，而且价格低廉，是应用最广泛的铸铁材料。常用来制造各种承受压力及要求有较好的减震性、减摩性和机构复杂的箱体、床身、导轨等。常用灰铸铁的牌号、力学性能及用途见表。, 灰铸铁,灰铸铁的牌号、力学性能及用途, 灰铸铁,灰铸铁的组

11、织示意图,(a)F+G片,(b)F+P+G片,(c)P+G片, 灰铸铁,灰铸铁的热处理热处理只能改变铸铁的基体组织，而不能改变石墨的形状、大小和分布情况。因此，灰铸铁的热处理一般都用于消除铸件的内应力和白口组织，稳定铸件尺寸、改善切削加工性和提高铸件工作表面的硬度及耐磨性。由于石墨的导热性差，铸铁热处理的加热速度比非合金钢要稍慢些。, 灰铸铁,(1)消除内应力退火(时效处理)铸件在冷却过程中因各部位的冷却速度不同，往往会产生一定的内应力。铸造应力会引起铸件的变形甚至开裂，因此必须消除铸造应力。消除铸造应力的方法有消除内应力退火和自然时效。消除内应力退火是将铸件缓慢加热到500600，保温一定时

12、间，然后随炉缓冷至300以下出炉空冷。这种退火方法也称为人工时效。对大型铸件可采用自然时效，即将铸件在露天下放置一年以上，使铸造应力缓慢松弛。, 灰铸铁,(2)消除白口组织的退火 将铸件加热到850950，保持一定时间(一般为25h)，然后随炉冷却至400500出炉空冷，使渗碳体在高温和缓慢冷却中分解，用于消除白口，降低硬度，改善切削加工性。 (3)表面淬火 表面淬火的目的是提高铸件表面硬度和耐磨性。常用的表面淬火有火焰加热表面淬火、高频与中频感应加热表面淬火和电接触加热表面淬火等。如对机床导轨进行中频感应加热表面淬火，使表面淬火层获得细马氏体基体石墨的组织，其耐磨性就会显著提高。,3 球墨铸

13、铁,球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种新型铸铁，它是经过球化处理后得到的。球化处理的方法是在铁液出炉后、浇注前加入一定量的球化剂(稀土镁合金等)和孕育剂，使石墨呈球状析出。,3 球墨铸铁,化学成分：球墨铸铁的化学成分是：wC=3.6%3.9%，wSi=2.0%3.2%，wMn=0.6%0.8%，wS0.04%，wP0.1%, wMg=0.03%0.05%，wRE=0.03%0.05%等。 组织：按基体组织的不同，球墨铸铁的组织可分为四种类型：铁素体(F)+球状石墨(G)，铁素体(F)-珠光体(P)+球状石墨(G)，珠光体(P)+球状石墨(G)，下贝氏体(下)+球状石墨(G)。,。,3 球

14、墨铸铁,图为铁素体球墨铸铁的显微组织,3 球墨铸铁,性能：球墨铸铁的力学性能与基体的类型以及球状石墨的大小、形状及分布状况有关。由于球状石墨对基体的割裂作用最小，又无应力集中作用，球墨铸铁基体的强度、塑性和韧性可以充分发挥，所以，球墨铸铁与灰铸铁相比，有高的强度和良好的塑性与韧性。它的某些性能可以与钢相媲美，如屈服点比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。同时，它还具有灰铸铁的减震性、减磨性和小的缺口敏感性等优良性能。球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好，球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的力学性能就越好。,3 球墨铸铁,球墨铸铁的牌号及用途球墨铸铁的牌号用“QT”符号及其后面两组数字表示“QT”是“球铁

15、”两字汉语拼音的第一个字母，两组数字分别代表其最低抗拉强度和最低断后伸长率。如QT700-2表示球墨铸铁，最低抗拉强度为700MPa，最低断后伸长率为2%。,3 球墨铸铁,表为部分球墨铸铁的牌号、力学性能及用途,3 球墨铸铁,球墨铸铁的热处理球墨铸铁通过各种热处理，可以明显地提高其力学性能。球墨铸铁的热处理工艺性能较好，凡是钢的热处理工艺，一般都适合于球墨铸铁。球墨铸铁常用的热处理工艺有：(1)退火：退火的主要目的是为了得到铁素体基体的球墨铸铁，提高其塑性和韧性，改善切削加工性能，消除内应力。,3 球墨铸铁,(2)正火： 正火的目的是为了得到珠光体基体的球墨铸铁，提高其强度和耐磨性。 (3)调

16、质： 调质的目的是为了得到回火索氏体基体的球墨铸铁，从而获得高的综合力学性能。该工艺适应于受力复杂、要求综合力学性能高的球墨铸铁铸件，如连杆、曲轴等。 (4)贝氏体等温淬火： 贝氏体等温淬火是为了得到贝氏体基体的球墨铸铁，从而获得高强度、高硬度和高韧性的综合力学性能。该工艺适用于形状复杂、易变形或易开裂的球墨铸铁铸件，如齿轮、凸轮轴等。,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,蠕墨铸铁蠕墨铸铁是20世纪60年代开发的一种铸铁材料。它是用高碳、低硫、低磷的铁液加入蠕化剂(镁钛合金、镁钙合金等)，经蠕化处理后获得的高强度铸铁。,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,蠕墨铸铁的组织示意图,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,蠕墨铸铁的化学成分 蠕墨铸铁碳硅含量较高，化学成分一般为：wC=3.5%3.9%，wSi=2.2%2.8%，wMn=0.4%0.8%，wS0.1%，wP0.1%。 蠕墨铸铁的组织蠕墨铸铁中的石墨呈短小的蠕虫状，其形状介于片状石墨和球状石墨之间。蠕墨铸铁的显微组织有三种类型：铁素体(F)+蠕虫状石墨(G)；珠光体(P)-铁素体(F)+蠕虫状石墨(G)；珠光体(P)+蠕虫状石墨(G)。,