常用合金铸件生产第3部分

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1、1.4 常用合金铸件生产,1.4.1 铸铁件生产,1.4.2 铸钢件生产,1.4.3 非铁合金铸件生产,铸铁是Wc2.11%的铁碳合金。实用的铸铁是FeCSi 为主的多元合金。铸铁具有许多优良性能，且制造简单，成本低廉，是最常用的金属材料之一。,1.4.1 铸铁件生产,1.铸铁的石墨化及影响因素 2.常用的铸铁,铸铁分类,碳部分以石墨的形式存在，部分以Fe3C的形式存在，断口呈黑白相间的麻点。,铸铁的分类,根据碳在铸铁中存在形式分,白口铸铁：,灰口铸铁：,麻口铸铁：,碳主要以Fe3C的形式存在，断口呈银白色；,碳全部或大部分以石墨(G)的形式存在，断口呈暗灰色；,在这三类铸铁中，灰口铸铁用的最

2、多 。,灰口铸铁的分类,灰口铸铁根据组织中石墨形态的不同可分为四类，如表2.5.1所示,表2.5.1灰口铸铁的分类,1.铸铁的石墨化及影响因素,铸铁的石墨化是指铸铁中碳以石墨形式析出的过程。,（1）铸铁的石墨化,图1.4.1铁碳合金双重相图,石墨化过程的两个阶段,共析温度以上的石墨化过程称为第一阶段石墨化； 第一阶段石墨化过程进行的程度决定得到什么铁。第一阶段石墨化过程无法进行，得到白口铸铁；第一阶段石墨化部分进行，得到麻口铸铁；第一阶段石墨化过程能够充分进行，得到灰口铸铁。 共析及共析温度以下的石墨化过程称为第二阶段石墨化。 第二阶段石墨化过程进行的程度决定得到什么基体的铸铁，如表 1 所示

3、。,表 1 铸铁组织与石墨化进行程度之间的关系,（2）影响石墨化的主要因素,化学成分和冷却速度是影响铸铁石墨化的两个主要因素，如图1.4.2所示 。,图1.4.2碳硅含量和铸件壁厚对铸件组织的影响,2.常用的铸铁,（4）可锻铸铁 （5）特殊性能铸铁,（1）灰铸铁 1）组织特征 2）性能特点 3) 牌号及用途 4) 铸造性能 5) 孕育处理 6) 热处理,（2）球墨铸铁,（3）蠕墨铸铁,1）组织特征 2）性能特点 3) 牌号及用途 4）蠕墨铸铁生产 5) 铸造性能,白口铸铁自学,（1）灰铸铁,1）组织特征 灰铸铁的组织由钢的基体+片状石墨所组成，按基体不同，灰铸铁分为三种类型，如图1.4.3所示

4、。,a）铁素体基体 b)铁素体+珠光体基体 c)珠光体基体,图1.4.3 灰铸铁的显微组织, 铸造性能好。,2）性能特点,3) 牌号及用途,按GB9439-88规定，我国灰铸铁分为六个牌号。“HT”表示“灰铁”二字的汉语拼音字头，后面三位数字表示最低抗拉强度值。美国材料与试验协会标准 (ASTM) 中铸铁表示方法见表1.4.3。, 抗拉强度低，塑性差；, 抗压、弯曲强度较高；, 减震性好；, 减磨性好；, 缺口敏感性低；, 切削加工性好；, 不能锻造；, 焊接性差；,表1.4.3A 铸铁的表示方法(ASTM),注: Psi：表示每平方英寸磅力，1000PSi6.9MPa。,表1.4.4灰铸铁的

5、牌号、性能、组织及应用举例,注：括号内材料牌号为ASTM 标准,表2.5.4 灰铸铁的牌号、性能、组织及应用举例,灰铸铁的碳当量接近共晶成分，结晶温度区间小、熔点低，故流动性好，可浇注形状复杂的薄壁铸件； 灰铸铁收缩小、有自身补缩能力，可不用或少用冒口； 灰铸铁熔点低（与铸钢比），对型砂耐火度要求低，适合于湿型铸造。 由于灰铸铁铸造性能好，不需炉前处理，不用冒口和冷铁，铸后一般不需热处理，仅复杂件铸后时效处理，以消除内应力和防止变形，所以应用十分广泛（由上述 得来的结果）。,4) 铸造性能,普通灰铸铁的壁厚越厚，心部的强度、硬度低。 如壁厚为3050mm的铸件，要求b为200MPa时，应选HT

6、250。,图1.4.4 铸铁件截面上的硬度分布,但是，普通灰铸铁石墨呈粗大的片状，力学性能 差，而且，薄壁易产生白口，厚壁晶粒粗大。,影响铸态组织的因素：原始炉料、冷却速度、孕育处理。,5) 孕育处理,目前应用最多的孕育剂是含硅75%的硅铁。 孕育处理常用的方法在出铁槽内加孕育剂。孕育衰退-近年发展了瞬时孕育（后孕育）-如浇口杯、型内孕育。,孕育铸铁石墨仍为片状，塑形、韧性仍很低，本质仍属灰口铸铁。另外，含碳、硅量低，浇注温度高，收缩大，有时要冒口补缩，铸造性能比普通灰口铸铁差，工艺较复杂。,粗大的片状石墨是普通灰口铸铁力学性能差的原因之一， 因此，可以通过工艺手段使石墨片变得细小、均匀。 晶

7、粒粗大时间太长；晶核太少。,（1）限制石墨晶核过早生成-尽量降低原铁水含碳量， 同时适当降低硅含量；此时易生成渗碳体，得到珠光体基 体。但易形成白口或麻口，（2）因此在浇注前的铁水中加 硅铁或硅钙合金，产生大量的人工晶核，促进石墨形核和结晶。,6) 热处理,常用的热处理方法如下： 去应力退火-人工时效（也有自然时效） 加热500600，保温、缓冷，消除铸件中残余应力，防止铸件变形或开裂，保证铸件加工精度； 软化退火（消除表面硬化层） 加热850950，保温、缓冷，使Fe3C分解成铁和石墨，改善铸件的切削加工性； 表面淬火 提高表面硬度和耐磨性，如机床导轨面采用接触电阻加热表面淬火，使用寿命可提

8、高1.5倍。,(2) 球墨铸铁,球墨铸铁是通过球化处理和孕育处理使石墨呈现球状，并配合适当的热处理改善基体组织，从而使铸铁的性能产生了质的飞跃，尽管球墨铸铁的历史（1947年英国人偶然发现了铸铁中的球状石墨，1949年成功利用Mg进行球化）很短，却在国内外得到迅速发展，在一些工业发达国家，其产量已超过铸钢，仅次于灰铸铁。我国1950年开始生产球墨铸铁，20世纪60年代又结合国内丰富的稀土资源开发了稀土镁球墨铸铁，使我国球墨铸铁生产处于世界前列。,球墨铸铁,本节主要讲述以下几个问题：,1）组织特征 2）性能特点 3）牌号及用途,4）球墨铸铁的生产 5）铸造性能 6）热处理,1）组织特征,球墨铸铁

9、的显微组织是由球状石墨和钢的基体所组成，显微组织如图1.4.5所示。在铸态下，金属基体通常是铁素体-珠光体的混合组织，铁素体位于石墨球周围呈现“牛眼状”，如图1.4.5b）。通过热处理还可以得到铁素体基体、珠光体基体或下贝氏体基体的球铁。目前，人们已经通过各种工艺手段在铸态下直接获得铁素体或珠光体基体，使球墨铸铁的生产周期缩短，成本降低。,a）F球铁250x,b)F+P球铁250x,c)P球铁200x,d)B下球铁500x,图1.4.5球墨铸铁的显微组织,2）性能特点,由于球状石墨对基体的割裂作用小，从而使基体强度的利用率从灰铸铁的30%50%提高到70%90%，其力学性能远远超过灰铸铁，抗拉

10、强度可与钢媲美，塑性、韧性明显提高，尤其是屈强比（0.2/b）高，更增加了使用的可靠性。球墨铸铁仍具有良好的铸造性能、减震性、耐磨性、切削加工性能及低的缺口敏感性等性能。,3）牌号及用途,球墨铸铁的牌号、力学性能和用途见表2.5.5，其中“QT”表示“球铁”二字的汉语拼音字头，后面的两组数字分别表示最低抗拉强度和最小伸长率数值。(ASTM标准中的表示方法见表1.4.5)。,表 1.4.5球墨铸铁的牌号、力学性能和用途,注：括号内材料牌号为ASTM A53684标准,铁素体球墨铸铁 塑性、韧性较高，强度较低，因而可代替可锻铸铁制造承受振动和冲击的零件，如汽车、拖拉机底盘、后桥壳等。 铁素体珠光体

11、球墨铸铁 强度和韧性配合较好，多用于生产汽车、农机、冶金设备的零部件。 珠光体球墨铸铁 强度和硬度较高，耐磨性较好，具有一定的韧性，其屈强比高于45锻钢，表1.4.6是两者性能的比较，珠光体球墨铸铁可代替非合金钢制造承受交变载荷及耐磨损的零件，典型件是内燃机曲轴、连杆、齿轮，并广泛用于制造车床主轴等机床耐磨件。,表1.4.6珠光体球墨铸铁和45力学性能比较,贝氏体球墨铸铁 具有强度、塑性、韧性都很高的综合力学性能。开发于20世纪70年代后期的奥贝球铁抗拉强度高达9001400MPa，明显优于珠光体球铁，并具有一定的伸长率。如适当降低抗拉强度，伸长率可高达10%以上，尤其是具有高的弯曲疲劳性能和

12、良好的耐磨性，可制造承受重载荷的齿轮、大功率内燃机的曲轴、连杆、凸轮轴等。因而被看作20世纪70年代以来铸造领域的重大成就。,4）球墨铸铁的生产,（1）优质铁液 （2）球化处理 （3）孕育处理,优质铁液,球铁所用铁液的成分特点是：在高碳当量前提下，保证高碳、低硅的原则，此外还要低锰、少磷、硫。高碳（3.6%4%）可提高铁液的流动性和球化效果；硅和锰降低铸铁韧性（固溶强化）；磷增加冷脆性；因此，低硅（2.2%2.8%）、低锰（0.4%0.6%）、低磷（0.1%）可提高球铁塑性和韧性。硫与球化剂亲和力强，生成的硫化物不仅消耗球化剂，还会产生球化衰退和皮下气孔，因此要求硫越低越好（0.06%）。,球

13、化处理,指向铁液中加入球化剂，促使石墨成球状的过程。,孕育处理,孕育处理的目的是促进石墨化，消除白口倾向，使石墨细化、圆整，提高球铁力学性能。,（1）球墨铸铁有较宽的共晶凝固温度范围 由于球墨铸铁共晶凝固时石墨-奥氏体两相的生长特点，使球墨铸铁的共晶团生长到一定程度后，其生长速度即明显减慢(在球墨铸铁共晶转变开始时，石墨首先在铁液中形核并长大，石墨的析出使其周围的铁液贫碳，造成了有利于奥氏体析出的浓度条件，奥氏体在石墨周围析出并将石墨包围。此后碳通过奥氏体向石墨球扩散，石墨和奥氏体一起长大。此时石墨的长大受碳在奥氏体内扩散速度的限制,石墨球在长大后期被奥氏体壳包围，其长大需要通过碳原子的扩散进

14、行，因而凝固过程进行较慢 )，或基本不生长。此时共晶凝固的进行要借助于温度进一步降低来获得动力，产生新的晶核。因此，共晶转变需要在一个大的温度区间内才能完成。据测定，通常，球墨铸铁的共晶凝固温度范围是灰铸铁的一倍以上。,5) 铸造性能,（2）球墨铸铁的糊状凝固特性 由于球墨铸铁的共晶凝固温度范围较灰铸铁宽，从而使得铸件凝固时，在温度梯度相同的情况下，球墨铸铁的液固两相区宽度比灰铸铁大的多，这种大范围液固两相区，使球墨铸铁件表现出具有较强的糊状凝固性。此外，大的共晶凝固范围，也使得球墨铸铁的凝固时间比灰铸铁及其它合金要长。,(1)球墨铸铁的流动性比灰铸铁差：球化、孕育-铁水温度下降，-浇注温度要

15、高，浇口尺寸要大； (2)球铁铸件收缩大：易产生缩孔、缩松冒口冷铁、顺序凝固； （3）球状石墨：会胀型提高铸型刚度； （4）易夹渣（MgS,MgO）和皮下气孔半封闭式（外浇口内浇口大中间小），滤渣网，集渣包：,图1.4.6 两种铸铁件结晶示意,6) 热处理（略）,钢常用的热处理方法球墨铸铁也常用：,退火 目的是使渗碳体分解获得铁素体基体。主要用于QT400-18和QT450-10的生产。,正火 目的是获得珠光体基体。主要用于珠光体球墨铸铁件（QT600-3，QT700-2，QT800-2）。,调质 得到回火索氏体基体。调质为获得比正火更高的综合力学性能，用于某些要求较高或截面较大的球墨铸铁件（

16、QT800-2），如大型船用柴油机曲轴、连杆等。 等温淬火 可获得贝氏体基体，具有高强度或超高强度以及较好的塑性和韧性，主要用于QT900-2的生产。,(3) 蠕墨铸铁,1）组织特征 蠕墨铸铁的组织由钢的基体和蠕虫状的石墨组成。 石墨短而厚，头部较圆，形似蠕虫，如图1.4.7所示。,图1.4.7蠕墨铸铁的石墨形式,2) 性能特点 蠕墨铸铁的性能：强度、塑性、韧性优于灰铸铁，接近于铁素体球墨铸铁。 壁厚敏感性比灰铸铁小得多，厚大截面上的力学性能均匀。 （孕育处理） 突出的优点是屈强比在铸造合金中最高（0.720.82）。 导热性，铸造性，切削加工性优于球墨铸铁接近灰铸铁。 耐磨性优于高磷耐磨铸铁，与磷铜钛耐磨铸铁相近。,3) 牌号及应用 蠕墨铸铁的牌号和力学性能见表1.4.7，其中“RuT”为“蠕铁”汉语