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1、第7章 铸 铁,主编,第7章 铸 铁,1.铸铁和钢有什么区别？ 2.铸铁还需要热处理吗？ 3.国际冶金行业过去一直认为球墨铸铁是英国人于1947年发明的。 4.为什么大部分机床床身及导轨要用铸造制造？ 7.1 概述 7.2 常用普通铸铁 7.3 合金铸铁,7.1 概述,7.1.1 铸铁的特点 7.1.2 铸铁的分类 7.1.3 铸铁的石墨化及其影响因素,7.1.1 铸铁的特点,1.铸铁的化学成分特点 2.铸铁的组织特点 3.铸铁的性能特点,1.铸铁的化学成分特点,铸铁是w(C)2.11%的铁碳合金，其五大元素及质量分数为：w(C)=2.50%4.00%， w(Si)=1.00%3.00%,w(
2、Mn)=0.4%1.50%，w(S)=0.02%0.25%,w(P)=0.05%1.00%。由此可见，其特点是碳、硅含量较高，杂质元素硫、磷含量也高。有时为了进一步提高铸铁的性能或得到某些特殊性能，还加入Cr、Mo、V、Cu、Al或提高Si、Mn、P的含量，以获得合金铸铁。,2.铸铁的组织特点,铸铁中碳含量很高，碳既可能以化合物Fe3C的形式存在，也可能以游离态石墨的形式存在，具体形式取决于相变时的热力学条件和动力学条件。如果铸铁的结晶过程按铁-渗碳体相图进行，则铸铁的组织可能为珠光体+莱氏体、莱氏体或莱氏体+渗碳体；若结晶过程按铁-石墨相图进行，组织可能为珠光体+石墨、珠光体+铁素体+石墨或
3、铁素体+石墨，即钢的基体上分布着不同形态的石墨。,3.铸铁的性能特点,(1)抗拉强度低，塑、韧性差，抗压强度高 石墨与基体相比，由于其强度、硬度和塑性极低，可看成是分布在钢的基体上的空洞。 (2)耐磨性、减振性好，缺口敏感性低 铸铁表面石墨易脱落，可作为固体润滑剂；脱落后留下的显微孔洞可储存润滑油，也可容留磨损产生的磨粒。 (3)铸造性能优良，切削加工性好，压力加工及焊接性差 铸铁的熔点低，接近共晶成分，铁液的流动性好，铸造收缩率小，故其铸造性能优良。,7.1.2 铸铁的分类,(1)灰铸铁 碳全部或大部分以游离状态的石墨形式存在于铸铁中，其断口呈暗灰色。 (2)白口铸铁 碳除了少量的固溶于铁素
4、体外，其余全部以渗碳体的形式存在于铸铁中，断口呈银白色。 (3)麻口铸铁 碳一部分以石墨形式存在，另一部分以渗碳体形式存在，断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨。,7.1.3 铸铁的石墨化及其影响因素,1.Fe-Fe3C和Fe-G(石墨)双重相图 2. 铸铁的石墨化过程 3. 影响石墨化的因素,1.Fe-Fe3C和Fe-G(石墨)双重相图,图7-1 铁碳合金的双重相图,2. 铸铁的石墨化过程,铸铁中的石墨可以在结晶中直接析出，也可以由渗碳体加热时分解得到。铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化(graphitizing)。 铸铁的石墨化过程分为三个阶段：液相至共晶反应阶段发生的石墨化为第一
5、阶段石墨化，包括从过共晶的铁液中直接析出初生石墨(或一次石墨)、在共晶转变过程中形成的共晶石墨及一次渗碳体或共晶渗碳体在高温退火时分解为奥氏体+石墨；第二阶段石墨化发生在共晶温度和共析温度之间，包括从奥氏体中析出的二次石墨或者二次渗碳体高温退火时分解为奥氏体+石墨；在共析线及其以下发生的石墨化为第三阶段石墨化，包括共析转变过程中形成的共析石墨及共析渗碳体分解成铁素体+石墨。,3. 影响石墨化的因素,(1)化学成分 铸铁中的碳和硅是强烈促进石墨化的元素，3%的硅相当于1%碳(质量分数)的作用。 (2)冷却速度 铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe-G相图进行，因而促进石墨化；而快冷
6、时由于过冷度大，结晶将按Fe-Fe3C相图进行，不利于石墨化。,图7-2 铸件壁厚和碳、硅含量对铸铁组织的影响,7.2 常用普通铸铁,7.2.1 灰铸铁 7.2.2 可锻铸铁 7.2.3 球墨铸铁 7.2.4 蠕墨铸铁,7.2.1 灰铸铁,1. 灰铸铁的成分 2. 灰铸铁的组织 3. 灰铸铁的热处理 4. 灰铸铁的牌号、性能及用途,1. 灰铸铁的成分,灰铸铁的成分范围是w(C)=2.5%3.6、w(Si)=1.1%2.5、w(Mn)=0.61.2、w(P)0.3、w(S)0.15。碳、硅促进石墨化，其成分范围的选择是为了保证获得灰铸铁；锰可阻止石墨化过程，抵消硫的有害作用；硫强烈阻止石墨的形成
7、，降低铁液的流动性，应尽量减少；磷对石墨化无大的影响，可增加铁液流动性，提高耐磨性。但高磷铁的缺点是脆性大，因此磷为限制元素。,2. 灰铸铁的组织,图7-3 三种基体组织的灰铸铁 a) 铁素体基体 b) 铁素体+珠光体基体 c) 珠光体基体,3. 灰铸铁的热处理,(1)去应力退火(或人工时效) 主要是为了消除铸件在铸造冷却过程中产生的内应力，防止铸件变形或开裂。 (2)石墨化退火 主要是为了消除白口，使渗碳体分解为奥氏体+石墨。 (3)表面淬火 对于一些表面需要高硬度和高耐磨性的铸件，如床身导轨、缸体内壁等，可进行表面淬火处理，经表面淬火和低温回火后表层组织为回火马氏体+片状石墨。,7.2.2
8、 可锻铸铁,1. 可锻铸铁的成分 2. 可锻铸铁的组织 3.可锻铸铁的热处理 4.可锻铸铁的牌号、性能及应用,1. 可锻铸铁的成分,可锻铸铁成分选择的原则是既要保证铸态毛坯的全部断口为白口组织，即要求低的碳当量，又要在随后的石墨化退火处理中缩短退火周期，即要求高的碳当量，此外还要满足铸件的铸造性能、力学性能和组织要求。其成分范围为w(C)=2.4%2.7、w(Si)=1.4%1.8、w(Mn)=0.5%0.7、w(P)0.08、w(S)0.06。可见，可锻铸铁的碳、硅含量比其他铸铁都低。碳当量过高在铸态组织中会出现片状石墨，在石墨化退火时Fe3C分解的石墨将依附在片状石墨上长大，从而得不到团絮
9、状的石墨；碳当量过低会使退火时的石墨化困难，延长退火周期。,2. 可锻铸铁的组织,图7-4 铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁 a) 铁素体可锻铸铁 b) 珠光体可锻铸铁,3.可锻铸铁的热处理,图7-5 可锻铸铁的退火工艺曲线,4.可锻铸铁的牌号、性能及应用,常用牌号有黑心可锻铸铁KTH300-06(KTH为黑心可锻铸铁的代号，300-06代表抗拉强度为300MPa、断后伸长率为6%)、KTH350-10；珠光体可锻铸铁KTZ450-06、KTZ700-02(KTZ为珠光体可锻铸铁的代号)；白心可锻铸铁KTB350-04、KTB450-07等。 由于可锻铸铁中的团絮状石墨对基体的割裂程度及引起的应
10、力集中比灰铸铁小，因此其强度、塑性和韧性均比灰铸铁高，接近于铸钢。(要注意的是：可锻铸铁并不可锻)可锻铸铁的生产过程是先浇注成白口铸件，铸造生产与冷速无关。因此，可锻铸铁非常适于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机前后轮壳、管接头、低压阀门等。这些零件如用铸钢制造则铸造性能差，用灰铸铁则韧性等性能达不到要求。,7.2.3 球墨铸铁,1. 球墨铸铁的球化处理和孕育处理 2. 球墨铸铁的成分 3. 球墨铸铁的组织 4. 球墨铸铁的热处理 5. 球墨铸铁的牌号、性能及应用,1. 球墨铸铁的球化处理和孕育处理,球化处理和孕育处理是球墨铸铁生产中两个不可缺少的重要工艺环节，孕育处理(i
11、noculation)是为了促使石墨的形核，通过外加的孕育剂，促使非自发形核产生大量的石墨晶核。因此，孕育剂必须含有强烈促进石墨化的元素，通常应用的是含质量分数为75%Si的硅铁。球化处理(spheroidizing)影响石墨晶核的生长形态，促使石墨晶核生长成球状。常用的球化剂为镁系球化剂、稀土硅铁或稀土硅铁+镁系球化剂。在孕育剂和球化剂的共同作用下，可获得球径小、数量多、圆整度高、分布均匀的球状石墨。,2. 球墨铸铁的成分,球墨铸铁的成分选择应当在有利于石墨球化的前提下，根据铸件的壁厚、组织与性能的要求来决定。其碳当量一般控制在4.3%4.6%之间。碳当量过低会导致石墨球化不良；而碳当量过高
12、，易出现石墨漂浮现象。各成分范围为w(C)=3.84.0、w(Si)=2.02.8、w(Mn)=0.60.8、w(P)0.10、w(S)0.04。,3. 球墨铸铁的组织,图7-6 不同基体的球墨铸铁 a) 铁素体基体 b) 铁素体+珠光体基体 c)珠光体基体,4. 球墨铸铁的热处理,(1)热处理特点 球墨铸铁热处理时，其基体的相变与钢相似。 (2)热处理工艺,(2)热处理工艺,1)退火。 2)正火。 3)淬火加回火。 4)等温淬火。,1)退火。,其目的是获得铁素体基体。当铸件薄壁处出现自由渗碳体和珠光体时，为了获得塑性好的铁素体基体，改善切削性能，消除铸造内应力，应对铸件进行退火处理。,2)正
13、火。,其目的是获得珠光体基体(占基体75%以上，体积分数)，细化组织，从而提高球墨铸铁的强度和耐磨性。,3)淬火加回火。,其目的是获得回火马氏体或回火索氏体基体。对于要求综合力学性能好的球墨铸铁件，可采用调质处理；而对要求高硬度和耐磨性的铸件，则采用淬火加低温回火处理。,4)等温淬火。,其目的是得到下贝氏体基体，获得最佳的综合力学性能。由于盐浴的冷却能力有限，一般仅用于截面不大的零件。,5. 球墨铸铁的牌号、性能及应用,球墨铸铁的常见牌号有铁素体基体的QT400-15、铁素体+珠光体基体的QT500-7、珠光体基体的QT700-2、贝氏体或回火马氏体基体的QT900-2(QT为球墨铸铁的代号，
14、400-15代表最低抗拉强度为400MPa、最低断后伸长率为15%)等。与灰铸铁相比，球墨铸铁的强度、塑性和韧性要高得多，并保持有减振、耐磨、缺口不敏感等特性，但是铸造收缩率比灰铸铁大了近34倍。与可锻铸铁相比，除具有更高的力学性能外，还具有生产工艺简单、生产周期短且不受铸件尺寸限制的特点。与铸钢相比，由于球墨铸铁中硅、锰含量较高，基体的硬度、强度优于相应成分的碳素钢，尤其是屈服强度和屈强比要高很多，但是其塑性和韧性不如铸钢。球墨铸铁在汽车、机车、机床、矿山机械、动力机械、工程机械、冶金机械、机械工具、管道等方面得到广泛应用，可部分代替碳素钢，制造受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件。,7
15、.2.4 蠕墨铸铁,1. 蠕墨铸铁的成分 2. 蠕墨铸铁的组织 3. 蠕墨铸铁的牌号、性能及用途,1. 蠕墨铸铁的成分,蠕墨铸铁的成分范围与球墨铸铁的成分基本相似，即高碳，低硫，有一定的Si、Mn含量。一般情况下为w(C)=3.53.9、w(Si)=2.22.8、w(Mn)=0.40.8、w(P)0.1、w(S)0.1。,2. 蠕墨铸铁的组织,图7-7 蠕墨铸铁,3. 蠕墨铸铁的牌号、性能及用途,蠕墨铸铁的常见牌号有铁素体基体的RuT260、铁素体+珠光体基体的RuT300、珠光体基体的RuT420等(RuT为蠕墨铸铁代号，420代表抗拉强度为420MPa)。蠕墨铸铁的抗拉强度、伸长率、弹性模
16、量等优于灰铸铁；其导热性、抗热疲劳性、铸造性、减振性、切削加工性等优于球墨铸铁。因其综合性能好，组织致密，蠕墨铸铁广泛应用于一些经受热循环载荷的铸件及一些结构复杂、强度要求高、组织致密的铸件，如柴油机缸盖、气缸套、机座、电机壳、机床床身、液压阀等零件。,7.3 合金铸铁,7.3.1 耐热铸铁 7.3.2 耐磨铸铁(wear-resistant cast iron) 7.3.3 耐蚀铸铁 一、名词解释 二、选择题 三、是非题 四、综合题,7.3.1 耐热铸铁,1.铸铁在高温下的损坏形式 2.提高铸铁耐热性的途径 3.常用耐热铸铁的牌号、性能及应用,1.铸铁在高温下的损坏形式,铸铁在高温下反复加热、冷却后体积会发生膨胀，这种体积胀大的现象称为铸铁的生长。此时，体积胀大，失去精度，密度减小，强度下降，组织松散变脆，产生微小裂纹而损坏。其产生的原因主要是发生了内氧化，即加热到550以上时，氧沿石墨片渗入内部，使石墨与基体交界面上的铁氧化，生成疏松的氧
