第二章 常用合金铸件的生产

第二章常用合金铸件的生产2-1铸铁件生产一、铸铁概述:铸铁是含碳量超过2.11%的铁碳合金,在各类铸造合金中应用最广泛.铸铁件产量占铸件总产量的80%左右.工业用铸铁实际上以铁碳、硅为主要元素的多元铁碳合金.大量用于制造机器设备.二、铸铁分类根据碳在铸铁中存在形式不同，可分三大类：1.白口铸铁C的存在形式：渗碳体(Fe3C)，断口为白色。性能：硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料。2.灰口铸铁C的存在形式：石墨，断口为灰黑色。灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。3.麻口铸铁C的存在形式：石墨+渗碳体，断口为黑白色。性能：脆性大，很少使用。•铸铁的性能特点1.机械性能低①石墨的机械性能很低，硬度仅为HB3～5，抗拉强度为20MPa，延伸率接近零。②石墨减小铸铁件的有效承载截面积，同时石墨尖端易使铸件在承载时产生应力集中，形成脆性断裂。因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。③铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。2.良好的耐磨性、高的消振性、低的缺口敏感性、优良的切削加工性和铸造性能。•铸铁的组织特点：1.铸铁中的碳主要有如下三种分布形式：①溶于铁晶格的间隙中，形成间隙固溶体，如铁素体、奥氏体；②与Fe生成化合物，如Fe3C碳化物；③以游离的石墨形式析出。2.铸铁中的碳主要是以石墨的形态存在，组织是由金属基体和石墨所组成的。3.铸铁的金属基体有F、F+P、P，经热处理后有马氏体、贝氏体等组织，它们相当于钢的组织。4.铸铁中石墨的形态可分为四种：片状石墨、球状石墨、蠕虫状石墨、团絮状石墨。•3)灰口铸铁•根据石墨（G）在铸铁中存在形态，可分为：•普通灰铸铁：石墨呈片状•可锻铸铁：石墨呈团絮状•球墨铸铁：石墨呈球状•蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状铸铁石墨形态∴铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。铸铁牌号表示方法铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例灰铸铁片状FHT+一组数字数字表示最低抗拉强度值，单位MPa。“HT”表示灰铸铁代号。HT100F+PHT150PHT200可锻铸铁团絮状FKTH+两组数字KTH、KTB、KTZ分别为黑心、白心、珠光体可锻铸铁代号；第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低伸长率KTH300-06F+PKTB+两组数字KTB350-04PKTZ+两组数字KTZ450-06铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例球墨铸铁球状FQT+两组数字。第一组数字表示最低抗拉强度值；第二组数字表示最低伸长率值。“QT”表示球墨铸铁代号QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨铸铁蠕虫状FRuT+一组数字。数字表示最低抗拉强度值。“RuT”表示蠕墨铸铁代号RuT260F+PRuT300PRuT420三、灰铸铁1.灰铸铁的牌号和生产特点（1）灰铸铁的牌号：灰口铸铁的牌号用ＨＴ＊＊＊表示，ＨＴ～为灰铸铁代号，后面三位数字表示以该种铸铁制成的Φ30mm试棒的最低抗拉强度值Ｎ／mm2（2）生产特点:1)通常在冲天炉内熔炼,大多不需炉前处理2)铸造性好,易铸出薄而复杂的铸件3)铸型一般不需要补缩冒口和冷铁,使工艺简化4)浇注温度较低5)一般不需热处理,仅需时效处理2.灰铸铁的组织和性能特点（1）灰铸铁的组织：灰铸铁的显微组织由金属基体和石墨片组成，金属基体与碳钢组织完全相同，所以可以把灰铸铁的组织看成为在钢的基体中嵌入大量石墨片，石墨片是影响铸铁性能的决定性因素。（2）灰铸铁性能特点优点：1）耐磨性好原因：a石墨磨掉后形成大量显微凹坑，可储存润滑油b石墨本身也是一种润滑剂工作在磨擦下的零件：机床导轨、刀架、发动机缸等2）减振性好减振性定义：指材料在交变负荷作用下本身吸收（衰减）振动的能力。原因：石墨片割裂了金属基体，可阻止振动传播，并能把它转化为热能而消失。常用来制造机床床身、机座等零件，以减小机床运动过程中的振动，保证零件加工精度。3）缺口敏感性小缺口敏感性定义：材料在有缺口时的强度明显低于无缺口时的强度，这种现象叫缺口敏感性。原因：灰铸铁中的石墨片，相当于金属基体存在大量裂口，使其对外来缺口的敏感度变小。4）铸造性能和切削加工性能良好原因：灰铸铁是共晶型合金，具有良好的流动性；同时灰铸铁结晶时有石墨析出，石墨析出体积膨胀，抵消了部分收缩，因此铸造性能良好。石墨的润滑及割裂作用使灰铸铁很易切削加工良好的上述工艺性能是灰铸铁获得广泛应用的主要原因之一不足：1).机械性能较差（抗拉强度、塑性低）原因：石墨机械性能差，灰铸铁的组织如同在钢的基体中分布着的大量裂纹和孔洞，大大减少了基体的有效承载面积；同时石墨片尖角处因应力集中现象而成为裂纹源,在较小的拉应力下，裂纹会迅速扩展导致铸件断裂。石墨片对承受压应力的有害影响较小，故灰铸铁的抗压强度、硬度仍同基体组织差不多。2).不能锻造和冲压；3).焊接性能差；4).热处理性能差3.灰铸铁的分类1、按照铁水处理方法的不同分类（1）普通灰铸铁（低强度灰铸铁）铁水不经任何处理:HT100、HT150牌号属此类HT100强度、硬度低，应用少；HT150虽强度低,但铸造性能、切削加工性能良好，应用很广。普灰铸铁主要不足：壁厚敏感性较大，故此类灰铸铁不宜做壁厚大件，适用于受力较小，形状复杂的中小铸件如：机座、箱体、支架、阀体、带轮等。壁厚敏感性:随着壁厚的增加,石墨片数量和尺寸都增加,铸铁强度和硬度反而下降,这种现象称壁厚对机械性能的敏感性.（2）孕育铸铁（高强度灰铸铁）铁水需经孕育处理HT200以上的牌号组织特点：细小珠光体基体上均匀分布着细小的石墨片，由于石墨缩减及割裂作用减弱，强度和硬度明显提高，但塑性,韧性仍很差。孕育铸铁适用于动载荷较小、静载荷较大，要求耐磨性和减震性好的重要铸件，尤其是厚大铸件。如：机床床身、发动机气缸体等。2、按照灰铸铁基体显微组织不同分类：•珠光体灰铸铁：珠光体基体+细石墨片•珠光体——铁素体灰铸铁：（混合基体）+细石墨片铁素体灰铸铁：铁素体基体+粗石墨片4.影响铸铁石墨化的因素(影响铸铁组织和性能的因素)石墨析出的过程称为石墨化.灰铸铁显微组织不同,实质上是碳在铸铁中的存在形式不同,即化合碳与石墨碳所占比例不同.石墨析出多少决定了铸铁的组织和性能,因而影响铸铁石墨化的因素就是影响铸铁组织和性能的因素.想要控制铸铁的组织和性能就要控制其石墨化.(1)化学成分的影响铸铁中碳、硅为主要元素,对石墨化起决定性作用1)碳和硅的影响两者是强烈促进石墨化的元素,碳是产生石墨的元素,硅促进石墨析出.碳、硅含量愈高,石墨数量愈多,尺寸愈粗大,基体中铁素体也愈多,结果铸铁强度和硬度愈低;反之亦然.但碳硅含量过低会使石墨化无法进行,反而形成白口组织.两者中硅的影响更大,硅含量小于0.5%时,含碳再高也不能进行石墨化.一般含碳量:(2.7---3.9)%,含硅量(1.1---2.6)%,改变碳硅总含量,可使铸铁获得不同的组织2)锰的影响微弱阻止石墨化的元素,可促进珠光体基体形成,提高铸铁强度和硬度;锰还能与硫作用生成MnS,从而消除硫的有害作用.一般锰含量:(0.4---1.2)%3)硫的影响强烈阻止石墨化的元素,促进白口化并使铸铁产生热脆性,增加热裂倾向.希望含硫量愈低愈好,一般小于(0.1----0.15)%4)磷的影响促进石墨化的元素,含量超过0.3%时,易形成冷脆性,使铸铁强度下降,一般而言属有害元素,含量应小于0.2%(2)冷却速度的影响减小冷却速度可以促进石墨化,增大冷却速度则阻止石墨化铸铁的冷却速度主要取决于铸型材料和铸件壁厚.铸件壁厚是与冷却速度有关的主要工艺因素,当其他条件一定时,铸件愈厚,冷却速度愈慢,石墨化倾向愈大,反之则倾向愈小.铸件壁厚小到一定程度时,因冷速过快,石墨化不能进行,将产生白口组织.铸型材料的导热能力不同,铸件冷速不同,石墨化倾向不同例如:用同一包铁水浇注不同铸型时:金属型铸件和薄壁铸件往往出现不希望的白口组织;砂型铸件和厚壁铸件易得到所需的灰口组织.5.孕育处理：处理的目的：为了有效提高灰铸铁强度且不至于造成白口组织，需对灰铸铁进行孕育处理。•处理的实质：浇注前向铁水内加入少量促进石墨化元素（孕育剂），大大增加了结晶核心，使共晶团细小，石墨片尺寸及分布状况得到改善。孕育铸铁性能：强度、硬度提高。冷速对其组织性能影响小。四、可锻铸铁•可锻铸铁：石墨呈团絮状的灰口铸铁，是由白口铸铁经石墨化退火获得的。名为可锻，实不可锻（较灰铸铁有一定的韧性）。•组织：基体(F、P)＋团絮状G；铁素体基体可锻铸铁又称黑心可锻铸铁。•性能：强度为碳钢的40~70%，接近于铸钢。•用于制造形状复杂且承受振动载。•荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等五、球墨铸铁•球墨铸铁是在浇注前往铁水中加入一定量的球化剂（Mg、稀土）进行球化处理，并加入少量的孕育剂（硅铁或硅钙合金）以促进石墨化，浇注后得到球状石墨的铸铁。•组织：由球状石墨和钢基体两部分组成。如果将铸件进行调质或等温淬火，则基体组织可转变为回火索氏体或下贝氏体组织。•球墨铸铁与其它铸铁相比，抗拉强度高，屈服强度高。且由于石墨为球状使其疲劳强度与高（团絮状的次之，片状的最低）。塑性与韧性虽低于钢，但却高于其它各类铸铁。•球墨铸铁以可以代替部分锻钢、铸钢、某些合金钢及可锻铸铁等，用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求较高的零件；•如制造拖拉机或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮、机床的主轴、蜗杆、蜗轮、缸套、活塞、受压阀门、机器底座等。六、蠕墨铸铁•蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁。蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的。蠕化剂为稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。•组织：基体（F、F+P、P）+蠕虫状G•蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。铸造性能、减振性、导热性及切削加工性等均优于球墨铸铁，•由于蠕墨铸铁的综合性能好，组织致密，所以它主要应用在一些经受热循环载荷的铸件（如钢锭模、玻璃模具、柴油机缸盖、排气管、刹车件等）和组织致密零件（如一些液压阀的阀体、各种耐压泵的泵体等）。七、合金铸铁•随着铸铁在现代工业中的广泛应用，对其性能的要求愈来愈高，不仅要求具有更高的机械性能，有时还应具有某些特殊的性能如耐热性、耐蚀性及耐磨性等，为使其具有这些特殊性能，向铸铁中加入合金元素，这种加入了合金元素的铸铁即合金铸铁，如：高强度合金铸铁，耐热合金铸铁、耐磨合金铸铁、耐蚀合金铸铁等。