关于“教学目的 掌握铸铁的成分”的点评

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1、关于“教学目的掌握铸铁的成分”的点评关于“教学目的:掌握铸铁的成分”的点评2011年05月08日亮亮：铸铁的魅力就在于不能塑性变性，铸件恰恰利用铸铁的刚性特点，这是优点，不是缺点。如果需要塑性直接用钢，何必用铸铁呢。球墨铸铁的延伸率也可以达到12%，主要目的是提高抗疲劳性。 教学目的:掌握铸铁的成分 铸代锻的领域越来越多.二,铸铁中的石墨化过程 石墨化过程 石墨组织的形成,称为铸铁的石墨化过程. Fe-C合金中,C的存在方式有两种: Fe3C G(graphite) Fe3C是一. 关于“教学目的:掌握铸铁的成分”的点评 第七章铸铁 教学目的:掌握铸铁的成分,组织和性能之间的关系及铸铁的常用热

2、处理工艺;熟悉铸铁的石墨化过程;了解灰口铸铁,球墨铸铁及特殊性能铸铁的特性. 本章重点:1,铸铁的成分,组织和性能之间的关系 2,铸铁的石墨化过程 3,铸铁的常用热处理工艺 本章难点:铸铁的石墨化过程 参考文献:1,戴起勋,金属材料学,化学工业出版社,2005 2,史美堂,金属材料及热处理,上海科学技术出版社,2001 3,史美堂,金属材料及热处理习题集与实验指导书,上海科学技术出版社,1997 概论 一,铸铁的成分,组织和性能特点 1,铸铁的成分特点 a,含碳量 理论上含C:2.11%6.69%的铁碳合金都属于铸铁,但工业上常用铸铁的含碳量一般在:2.50%4.00%之间. 亮亮：以化学成分

3、定义铸铁的错误是很具有影响力的，可以说所有的教材都在重复这种错误。工业上用的是铁碳硅三元合金，铁碳二元合金在工业是上基本没有用途的。 b,含硅量 铸铁是以铁-碳-硅为主的多元铁基合金,Si:1.003.00%. c,其它元素含有较多的硫,磷杂质,P:0.010.50%,S:0.020.20% S:热脆 FeS 989 P:冷脆 为了提高铸铁的性能,添加少量Cr,Ni,Cu,Al,Mo,V等. 2,铸铁的组织特点 铸铁组织与钢相比,最大的不同就是含有石墨,决定了铸铁与钢不同的性能(石墨:简单六方晶格,两底面间距较大,结合力弱,易形成片状碎片,强度,塑性极低,接近于零). 3,铸铁的性能特点 碳当

4、量:C%+1/3Si%(3%Si可使共晶成分含C量降低1%). 含c量高,接近共晶合金成分,使得铸铁具有熔点低,流动性好等优点, 具有良好的铸造性. 亮亮：不是含碳量高，是碳当量接近共晶成分的亚共晶成分。铁碳二元合金含碳量高也是白口组织，碳对铸铁石墨化不是决定因素，硅是。 较低的强度及塑,韧性,良好的减摩性,减震性,切削加工性及对裂纹不敏感(组织中含有石墨). c,不能进行变形加工 较高的S:FeS(989),不能热变形. 亮亮：铸铁的魅力就在于不能塑性变性，铸件恰恰利用铸铁的刚性特点，这是优点，不是缺点。如果需要塑性直接用钢，何必用铸铁呢。球墨铸铁的延伸率也可以达到12%，主要目的是提高抗疲

5、劳性。 较高的P:溶入F,塑,韧性低,冷脆转变温度高,不能冷变形. d,价格低廉,生产工艺简单,成品率高,在机械工业中应用广泛.尤其近年 来,由于稀土镁球墨铸铁的发展,使铸铁的应用范围大大拓宽,以铁代钢, 以铸代锻的领域越来越多. 亮亮：元素是不可替代才叫元素。以铁代钢的说法，不科学，球墨铸铁只是扩大使用范围，原来可锻铸铁的一些零件用球墨铸铁铸造，是为了降低成本，并不是因为性能更好。以球墨铸铁生产柴油机曲轴，也是为了降低成本，汽车的曲轴还是锻钢曲轴的质量稳定耐用，高档汽车不会为降低成本用不如锻钢安全的球墨铸铁曲轴。 二,铸铁中的石墨化过程 石墨化过程 石墨组织的形成,称为铸铁的石墨化过程. F

6、e-C合金中,C的存在方式有两种: Fe3C G(graphite) Fe3C是一种亚稳定相,G是一种稳定的相. Fe3C 高温 3 Fe +C Fe -Fe3C 亚稳系状态图 ,Fe- G 稳定系状态图 Fe C合金结晶过程中为什么一般形成Fe -Fe3C而不是Fe- G 因为Fe3C:6.69%C,比G:100% C更接近于合金成分的含C量(6.69%C),因此形成Fe3C时所需的原子扩散量较少,晶核更容易形成. 如果Fe C合金在极其缓慢的冷却条件下(使原子有足够的扩散时间),或合金中有可以促进石墨化的元素(Si),则会直接析出稳定的G相. 石墨化的元素Si的作用机理 Si在Fe C合金

7、中不与C化合,而是溶入铁素体(奥氏体)中,形成固溶体.这样就排挤出一部分C,使之呈游离状态,从而形成石墨. 3,铁碳合金稳定系状态图 Fe- G相图 凡虚线与实线重合的线条,都用实现表示,这种重合说明相变与高碳相无关. 铁石墨化过程的三个阶段 第一阶段;在1154通过共晶反应,形成石墨,LcAE + G . 第二阶段:在1154738范围冷却过程中,由于随温度的降低C在奥氏体中的溶解度下降,多余的碳以石墨方式析出G(二次). 第三阶段:在738,通过共析反应,形成石墨,AsFp+ G. 铸铁结晶过程中,第一,二阶段由于温度较高,原子具有较高的扩散能力.石墨化容易实现,即结晶按Fe-G进行,得到

8、A+G组织.而第三阶段由于温度较低,石墨化过程可能被部分或完全抑制,结果可获得三种不同的组织: F+G (第三阶段完全进行) F+P+G (第三阶段部分抑制) P+G (第三阶段完全抑制) 影响铸铁的石墨化因素 亮亮：这一段是最值得讨论的部分。看到他的论述，知道没有从事过铸造生产实践。 “Fe-C合金中,C的存在方式有两种: Fe3C G(graphite)”这是不可能的，铁碳二元合金中的碳结晶过程中，只有一种形式渗碳体，不会有第二种，即使在极其缓慢的冷却条件下也不可能，不然铁碳二元相图就错了。这是学习铸铁的核心概念。 “Fe3C 高温 3 Fe +C”这是白口组织的铸铁石墨化退火过程的理论依

9、据。所有铸铁的白口组织，包括普通灰铸铁，可锻铸铁，球墨铸铁，蠕墨铸铁的白口组织的坯件，都可以进行石墨化退火工艺得到灰口组织的铸件，并且石墨形状都趋于球状。这是石墨化理论的核心内容。铁碳合金稳定系状态图 Fe- G相图就是说明这个石墨化退火工艺过程。 铸造生产实践中应用的是铁碳硅三元合金，也就是铁碳二元合金中加入13%硅，最合适的是2%。在铸造生产条件下，冷却快为白口组织，冷却慢为灰口组织，包括普通灰铸铁，可锻铸铁，球墨铸铁，蠕墨铸铁都是这样的一个道理。 那么为什么造成混乱呢？三元相图使用不方便，为了简化，将硅元素以1/3折算成碳的含量来进行碳当量的计算，简化成铁碳二元相图，便于生产中配料计算碳

10、的含量。结果许多老师并不知道这个过程，直接简化成铁碳相图，来解释铸铁化学成分，说铁碳合金冷却快为白口组织，冷却慢为灰口组织，这绝对是误解。如果没有2%的硅存在，铁碳二元合金不管冷却速度有多慢也不会从铁水中直接结晶出石墨的。这是现代铸铁冶金原理的核心理论。 化学成分 冷却速度 三,铸铁的分类 根据铸铁在结晶过程中石墨化程度不同,可分为三种: 灰口铸铁(普通铸铁) 第一,二阶段石墨化过程充分进行的铸铁,其断口为暗灰色,工业上所用铸铁几乎全部属于这类铸铁.灰口铸铁又根据第三阶段石墨化程度的不同分为:铁素体灰铁,F+P灰铁,P灰铁. 白口铸铁(炼钢生铁) 第一,二,三阶段石墨化过程完全被抑制,Fe-C

11、合金完全按照Fe-Fe3C结晶而得到的铸铁,C以Fe3C形式存在.组织中存在莱氏体组织,其断口呈白亮色,故得名白口铸铁.白口铸铁硬脆,主要作为炼钢原料. 麻口铸铁 第一阶段石墨化过程未充分进行的铸铁,其组织介于白口与灰口之间,含有不同程度的莱氏体,有较大的脆性,工业上很少应用. 根据铸铁中石墨的形态,铸铁分为:灰口铸铁,可锻铸铁,球墨铸铁. 灰口铸铁 石墨呈片状,典型灰口铸铁,这类铸铁机械性能不高,但生产工艺简单,价格低廉,应用最广. 亮亮：如果我们接受了以上的铸铁分类方法，那么冲天炉熔炼经常在炉前使用的一种叫做“三角试片”的检验，在一个断面上同时出现白口，麻口和灰口，怎么解释？ 白口铸铁是炼

12、钢生铁，那里来的这种概念？高炉生铁一般分为两类，一种叫炼钢生铁，一种叫铸造生铁，都是生铁，区别是含硅量小于1%叫炼钢生铁，一个是含硅量大于1%叫铸造用生铁。生铁不是铸铁，是完全不同的概念，铸造生铁是在生产铸造生铁高炉中由铁矿石直接炼出的铁水，通常只用来浇注铸生铁锭，这个过程是在炼铁厂进行的。铸铁是将铸造生铁、废钢、回炉铁，铁合金按比例混合配料，在比高炉小的多的冲天炉中熔炼中熔炼，球墨铸铁还要经过球化处理，然后才能浇注铸型，得到球墨铸铁的铸件，这个过程是在铸造厂进行的。 铸铁的麻口组织，是生产过程中出现的一种组织，而不是单独的一种铸铁，在今天生产实践中是没有应用的。在三角试片中见到的更多。是铸铁

13、生产中的一种控制不好时，出现的组织。 可锻铸铁(韧性铸铁,玛钢) 石墨呈团絮状,用白口铸铁经长时间高温退火后,Fe3C分解而得到团絮状石墨组织的铸铁. 由于石墨呈团絮状,对基体的割裂作用比片状石墨小一些,故机械性能(尤其冲击韧性)高于灰口铸铁. 可锻铸铁由于生产工艺复杂,成本较高,应用很少. 球墨铸铁 石墨组织呈球状. 这种铸铁强度高,生产工艺比可锻铸铁简单,且可通过热处理进一步提高强度. 球墨铸铁既保持了铸铁的特点,又具钢的高强度,高韧性,故应用越来越多. 灰口铸铁 在各类铸铁的总产量中,灰口铸铁占80%以上. 按片状石墨的粗细,分为8级:1级最粗,8级最细. 14级粗大片状,机械性能较低.

14、 58级细小蠕虫状石墨,机械性能较高. 按石墨片的粗细分:普通铸铁 孕育铸铁(变质铸铁). 一,灰口铸铁的组织与性能 铁素体+片状石墨 组织 铁素体+珠光体+片状石墨 珠光体+片状石墨 铁素体灰口铸铁,强度,硬度低,尽管铁素体本身塑性,韧性高,但由于片状石墨的割裂作用,引起应力集中,致使该类铸铁的延伸率,冲击韧性均不高. 珠光体会口铸铁,强度,硬度较高,塑性,韧性与铁素体灰铁相差不大. 铁素体-珠光体灰口铸铁,机械性能介于二者之间. 实际生产中,获得百分之百珠光体灰口铸铁很困难.常用的是珠光体-铁素体灰口铸铁. 总体,灰口铸铁抗拉强度,塑性,韧性较低,抗压强度较高,具有良好的铸造性能,切削加工

15、性能,减摩性能,消震性能. 用途:机床,床身,机架,箱体,导轨,缸体等. 二,灰口铸铁的牌号 HT 20- 40 最低抗弯强度的十分之一,MN/m2 最低抗拉强度值得十分之一,MN/m2 灰铁 三,孕育铸铁(变质铸铁) 为了细化片状石墨,提高铸铁的机械性能,铸铁时常进行变质处理.向铁水中加入少量变质剂(孕育剂),使铸铁结晶时产生大量人工晶核,以促进石墨的成核和结晶,使石墨片显著细化. 常用的变质剂:硅铁合金,硅钙合金,.为了防止石墨化程度过大,石墨片长大(获得珠光体基体),应控制原铁水中的C,Si含量. 经变质处理的铸铁,具有较高的强度,塑,韧性显著改善.对冷却速度不敏感(壁厚敏感性),铸件各部位都得到均匀组织. 壁厚敏感性:冷速越慢,石墨片越粗大,基体组织粗化.