金属材料铸钢与铸铁清华大学工程材料

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1、3.3 铸钢与铸铁 3.3.1 铸钢 用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件，如机车车辆、船舶、重型机械的齿轮、轴，以及轧辊、机座、缸体、外壳等。,重型机械齿轮 轧辊 外壳,一、碳素铸钢的化学成分及机械性能 Fe、C、Si、Mn、S、P 碳是影响铸钢件性能的主要元素。 碳含量增加，屈服强度和抗拉强度增加。 碳质量分数超过0.45%时，屈服强度很少增加，而塑性、韧性显著下降。,硫、磷应控制，硫会增大钢的热裂倾向，磷使钢的脆性增加。,硅、锰可以提高强度。,碳素铸钢牌号： 在生产中使用最多的三种是 ZG230-450(ZG25) ZG270-500(ZG35) ZG310-570(ZG45

2、) ZG表示铸钢，数字分别表示屈服强度和抗拉强度。,碳素铸钢屈服强度为200MPa340MPa， 抗拉强度为400MPa640MPa。,低合金铸钢牌号： ZG45Mn ZG40Cr ZG35CrMo,低合金铸钢 屈服强度为330MPa460MPa， 抗拉强度为600MPa680MPa。,碳素铸钢与铸铁相比，强度和塑性、韧性较高。 但铸钢钢水的流动性差，收缩率较大。 铸钢在浇注时应采取较高的浇注温度，采用大的浇冒口。,铸钢特点,二、铸钢的组织特征和热处理 1.组织特征 铸钢浇注温度很高，冷却较慢，容易得到粗大的奥氏体晶粒。,魏氏组织,在冷却过程中，铁素体首先沿奥氏体晶界呈网状析出，然后沿一定方向

3、以片状生长，形成“魏氏组织”。使钢的塑性和韧性下降，不能直接使用。,(1)扩散退火 成分均匀化 (2)完全退火 消除魏氏组织和铸造应力。 组织：珠光体+铁素体 (3)正火 细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力，改善机械性能。 组织：索氏体+铁素体。,2.铸钢的热处理,3.3.2 铸铁 铸铁是碳质量分数大于2.11%、含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。 铸铁生产设备和工艺简单，价格便宜，具有许多优良的使用性能和工艺性能，应用广泛。,一、铸铁的石墨化过程和特点 1. 铸铁的石墨化过程 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）。,石

4、墨化： 铸铁中碳原子析出形成石墨的过程。 (1)从液体和奥氏体中析出。 (2)渗碳体分解获得。,石墨的晶体结构,石墨(G) 稳定相，简单六方晶格。底面上原子呈六方网格排列，原子间距小（1.4210-10 m），结合力很强； 底面间的间距较大（3.04 10-10 m），结合力较弱。石墨的强度、硬度和塑性很差。,渗碳体 亚稳相，具有复杂的晶体结构，硬而脆。 在一定条件下能分解为铁和石墨 Fe3C3Fe+C 即 Fe3CF+G,Fe3C,石墨的作用： （1）石墨提高铸铁的切削加工性能。,（2）铸件凝固时石墨膨胀，减少铸件体积收缩，降低内应力。铸铁铸造性能良好。,（3）石墨有良好的润滑作用，并能储存

5、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）石墨强度、韧性极低，相当于裂纹或空洞。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。,铁碳合金双重相图 在不同条件下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图。,冷却速度稍快时铁碳合金按亚稳定平衡Fe-Fe3C相图结晶。 含Si较多、冷却速度很慢时铁碳合金按稳定平衡Fe-G相图结晶。,铸铁的石墨化过程： 第一阶段石墨化 形成一次石墨和共晶石墨。 LC G(一次） LC AE + G(共晶）,第二阶段石墨化 奥氏体析出二次石墨。 AE G(二次）,第三阶段石

6、墨化 形成共析石墨和F中析出三次石墨。 AE FP + G(共析） F G(三次）,影响石墨化的主要因素： (1) 温度和冷却速度 在生产过程中，铸铁在高温下长时间保温，或缓慢冷却，有利于石墨化。,老师提示 :生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。,(2) 合金元素 C、Si、Al、Cu、Ni、Co等非碳化物形成元素促进石墨化，碳和硅最强烈。 Cr、W、Mo、V、Mn、S等碳化物形成元素阻碍石墨化。,铸铁分类,2.灰口铸铁的组织特征和分类 铸铁组织由基体和石墨组成。 基体：铁素体、珠光体或铁素体加珠光体 石墨：片状、球状、蠕虫状、团絮状,灰口铸铁的分类,二、常用铸铁 1. 灰

7、铸铁 价格便宜、应用最广。 （1）灰铸铁的牌号 HT150、HT250、HT400 “HT”表示“灰铁”，数字表示最低抗拉强度。灰铸铁有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种基体。 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%Si。,灰铸铁的显微组织,F+G片 F+P+G片 P+G片,（2）影响灰铸铁组织和性能的因素 成分的影响 锰：阻碍石墨化，促进珠光体基体形成。提高铸铁强度。与硫生成MnS，减少硫有害作用。锰质量分数一般为0.5%1.4%。,硫：有害元素，强烈促进白口化，使铸造性能和机械性能恶化。硫的质量分数在0.15%以下。,磷：促进石墨化。提高铁水流动

8、性。量大时形成磷共晶体，硬而脆，降低铸铁强度，但提高耐磨性。要求铸铁有较高强度时，磷质量分数0.3%。,冷却速度的影响 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，依次出现珠光体灰口铁、珠光体加铁素体灰口铁和铁素体灰口铁。,不同C+Si含量，不同壁厚（冷却速度） 铸件的组织,（3）灰铸铁的热处理及应用 热处理不能改变石墨的形态和分布。 消除内应力退火 形状复杂和尺寸稳定性要求较高的铸件 （机床床身、柴油机汽缸），为防止变形和开裂，须进行500 550 消除内应力退火。, 消除铸件白口、降低硬度的退火 灰铸铁件表层和薄壁处产生白口组织难以切削加工，需要退火(850 90

9、0 保温25 h)，使渗碳体分解成石墨，降低硬度。, 表面淬火 机床导轨、缸体内壁等，需要提高硬度和耐磨性，进行表面淬火。淬火后表面硬度可达50 HRC55 HRC。,灰铸铁的应用,叶轮 发动机飞轮,箱体 启动阀,灰铸铁铸造性能优良、价格便宜，但强度较低、韧性差。制造机床床身、床头箱、阀体、叶轮、飞轮等。,（4）孕育铸铁 孕育处理（亦称变质处理）后的灰铸铁叫做孕育铸铁。 孕育处理目的：铁水中生成大量均匀分布的非自发核心，获得细小均匀的石墨片，细化基体组织，提高铸铁强度；避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织均匀性。 孕育铸铁具有较高的强度和硬度。,应用：制造机械性能要求较高的铸件，如

10、汽缸、曲轴、凸轮等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。,2. 球墨铸铁 球墨铸铁的石墨呈球状。 具有很高的强度，良好的塑性和韧性。综合机械性能接近于钢，铸造性能好，成本较低，生产方便，得到广泛应用。,F+G球 F+P+G球 P+G球,(1) 球墨铸铁的成分和球化处理 成分：要求比较严格。3.6%3.9%C, 2.2%2.8%Si, 0.6%0.8%Mn, 0.07%S, 0.1%P。,球化处理：在铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂，获得细小、均匀分布的球状石墨。 使用稀土镁球化剂。,镁强烈阻碍石墨化。为了避免白口，并使石墨球细小、均匀分布、一定要加入孕育剂。 常用的孕育剂为硅铁和硅钙合金等。,(2)

11、 球墨铸铁的牌号、组织和性能 QT400-15、QT600-3、QT800-2 球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。,不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。 珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体高50%以上。 铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体基的3 5倍。,(3) 球墨铸铁的热处理 退火 900 950 、2 h5 h。 当铸件薄壁处出现渗碳体和珠光体时，退火可获得塑性好的铁素体基体，改善切削性能，消除铸造应力。, 正火 880 920 ，空冷。 得到珠光体基体（占基体75%以上），并细化组织，提高强度和耐磨性。, 调质 加热到850 900 ，使基体转变为奥氏体，在油

12、中淬火得到马氏体，然后经550 600 回火，空冷。 组织：回火索氏体+球状石墨,调质后强度高，塑性、韧性好。 用于要求综合机械性能较高的球墨铸铁零件，如连杆、曲轴等， 表面要求耐磨的零件可以再进行表面淬火及低温回火。, 等温淬火 加热到奥氏体区（840 900 左右），保温后在300 左右的等温盐浴中冷却并保温，使基体在此温度转变为下贝氏体。 组织：下贝氏体+球状石墨。,性能：获得高的强度，具有良好的塑性和韧性。强度1200 MPa1450 MPa, 冲击韧性300 kJ/m2360 kJ/m2, 硬度38HRC51HRC。 等温盐浴的冷却能力有限，一般只能用于截面不大的零件，例如受力复杂的

13、齿轮、曲轴、凸轮轴等。,球墨铸铁的应用： 用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件。 如曲轴、连杆、凸轮轴等。,曲轴 管道接口,3. 蠕墨铸铁 RuT300、RuT420 蠕墨铸铁以“RuT”表示， 数字表示最低抗拉强度。,蠕墨铸铁组织,蠕墨铸铁是新型高强铸铁。强度接近于球墨铸铁，有一定的韧性、较高的耐磨性；又有和灰铸铁一样良好的铸造性能和导热性。,蠕墨铸铁的石墨在光学显微镜下为蠕虫状，长厚比小，端部较钝。,蠕墨铸铁的生产： 在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂形成。蠕化剂主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。,4. 可锻铸铁 可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。 有较高的强

14、度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可锻铸铁依靠石墨化退火获得。 可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体。,铁素体可锻铸铁 珠光体可锻铸铁,(1) 可锻铸铁的牌号 KT350-10、KTZ600-3 铁素体可锻铸铁以“KT”表示。 珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。 两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。,(2) 可锻铸铁的生产和热处理 第一步 先铸造成白口铸铁。 不允许有石墨出现，否则在随后的退火中，碳在已有的石墨上沉淀，得不到团絮状石墨；,第二步 石墨化退火处理。 将白口铸铁加热到900 960 ，长时间保温，使共晶渗碳体分解为团絮状石墨，完成第一阶段的石墨化过程。 若第一阶段石墨化后慢冷，完成第二

15、阶段、第三阶段石墨化，在650 700 出炉冷却至室温，得到铁素体基体可锻铸铁。 若第一阶段石墨化后以较快的速度 （100 /h）冷却通过共析转变温度区，得到珠光体基体可锻铸铁。,可锻化退火时间要几十小时，为缩短时间，并细化组织，提高机械性能，可在铸造时采取孕育处理。 孕育剂能强烈阻碍凝固时形成石墨，退火时促进石墨化。,可锻铸铁应用： 制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。 这些零件用铸钢生产时，因铸造性不好，工艺困难；用灰铸铁时，性能不能满足要求。,与球墨铸铁比，可锻铸铁成本低、质量稳定、铁水处理简单、容易组织流水生产。尤其对于薄壁件，若采用球墨铸铁易生成白口，需要进行高温退火，采用可锻铸铁更为适宜。,5. 特殊性能铸铁 铸铁中加入合金元素，得到具有特殊性能的合金铸铁。 (1) 耐磨铸铁 激冷铸铁 白口铸铁耐磨。采用激冷的办法使铸件表面获得白口铸铁。 用金属型铸造铸件的耐磨表面，其它部位采用砂型。调整铁水化学成分（高碳、低硅），保证白口层的深度。表面为白口