05第五章金属材料-2铸钢铸铁

5.3铸钢与铸铁5.3.1铸钢铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件，例如机车车辆、船舶、重型机械齿轮、轴、轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。轧辊环外壳轧辊碳含量是影响铸钢件性能的主要元素，随着碳含量的增加屈服强度和抗拉强度均增加，且抗拉强度比屈服强度增加得更快，但超过0.45%时，屈服强度很少增加，而塑性、韧性却显著下降。从铸造性能来看，适当提高碳含量，可降低钢的熔化温度，增加钢水的流动性，钢中气体和夹杂也能减少。钢中的硫、磷应很好地控制，因硫会提高钢的热裂倾向，而磷则使钢的脆性增加。碳素铸钢与铸铁相比，强度和塑性、韧性较高，但钢水的流动性差，收缩率较大为了改善钢水的流动性，铸钢在浇注时应采取较高的浇注温度；为了补偿收缩必须采用大的浇冒口。碳素铸钢的成分、机械性能及应用旧牌号(二)铸钢的组织特征和热处理铸钢要经过退火或正火处理，以细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力，改善机械性能。退火或正火后的组织为晶粒比较细小的珠光体和铁素体。5.3.2铸铁铸铁是碳含量大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。它可用于制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等启动阀箱体在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：①一是固溶在F、A中，②二是化合物态的渗碳体(Fe3C)，③三是游离态石墨（G）渗碳体为亚稳相，具有复杂的斜方结构。在一定条件下能分解为铁和石墨Fe3C→3Fe+G石墨为稳定相，具有特殊的简单六方晶格，其底面原子呈六方网格排列，原子间距小（1.42×10-10m），结合力很强；而底面之间的间距较大（3.04×10-10m），结合力较弱。所以石墨的强度、硬度和塑性都很差。一.铸铁的石墨化过程和特点1.铸铁的石墨化过程石墨的晶体结构石墨化程度取决于加热、冷却条件石墨化：铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得到。图5-10铁碳合金双重相图Fe0.682.082.114.264.30Fe3CC(%)153891211541148738727DLLAAGFPQSS’EE’CC’A+FL+A0.77F+Fe3C(F+G)A+Fe3C(A+G)L+Fe3C(L+G)按照Fe－G相图，可将铸铁的石墨化过程分为三个阶段：第一阶段石墨化铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶铸铁）和在1154℃（E'C'F'线）通过共晶反应形成共晶石墨。第二阶段石墨化在1154℃～738℃温度范围内奥氏体沿E'S'线析出二次石墨。第三阶段石墨化在738℃（P'S'K'线）通过共析反应析出共析石墨。影响石墨化的主要因素是加热温度、冷却速度及合金元素。影响铸铁石墨化的因素可分为内因和外因两个方面，内因是化学成分，外因是冷却速度。影响石墨化的因素内因---化学成分分为促进石墨化和阻碍石墨化二类。1、C、Si为强烈促进石墨化的元素。在铸铁中，1%Si对石墨化的作用相当于1/3%C，所以有：碳当量CE=C%+1/3Si%内因---化学成分2、S是阻碍石墨化的元素。Mn是阻碍石墨化的元素外因---冷却速度在生产过程中，铸铁的冷却速度越缓慢，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。在其它条件一定的情况下，冷却速度与铸件的壁厚有关，壁厚越大，冷却速度越小，越有利于石墨化，反之亦然；在生产，铸件的表面和薄壁处常形成白口组织，使切削加工困难，就是由于这个原因造成的。影响石墨化的因素铸件壁厚/mm铸件壁厚(冷却速度）和化学成分对铸铁组织的影响碳硅当量102030405060704.06.05.07.0F+GP+GP+F+GFe3CFe3C+P2.铸铁的组织特征和分类石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织铸铁的性能特点强度和塑性都很低①铸铁的切削加工性能优异。②铸铁的铸造性能良好③有很好的耐磨性能。④抗振性能。⑤大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。辅二.常用铸铁1.灰口铸铁灰口铸铁是价格便宜、应用最广泛的铸铁材料。HT150、HT250、HT400“HT”表示“灰铁”，后面的数字表示最低抗拉强度。灰口铸铁有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种基体。灰口铸铁中的碳、硅含量一般控制在以下范围：2.5%～4.0%C;1.0%～2.0%Si。P+G片F+P+G片F+G片（3）灰口铸铁的热处理及应用热处理不能改变石墨的形态和分布，对提高灰口铸铁整体机械性能作用不大，因此生产中主要用来消除铸件内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。①消除内应力退火（又称人工时效）一些形状复杂和尺寸稳定性要求较高的重要铸件，如机床床身、柴油机汽缸等，为了防止变形和开裂，须进行消除内应力退火。②消除铸件白口、降低硬度的退火灰口铸铁件表层和薄壁处产生向口组织难以切削加工，需要退火以降低硬度。退火在共析温度以上进行，使渗碳体分解成石墨，所以又称高温退火。③表面淬火有些铸件如机床导轨、缸体内壁等，因需要提高硬度和耐磨性，可进行表面淬火处理，如高频表面淬火，火焰表面淬火和激光加热表面淬火等。淬火后表面硬度可达50HRC～55HRC。2.球墨铸铁球墨铸铁的石墨呈球状，使其具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性。其综合机械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。(1)球墨铸铁的成分和球化处理球墨铸铁的成分要求比较严格，一般范围是：3.6%～3.9%C,2.2%～2.8%Si,0.6%～0.8%Mn,0.07%S,0.1%P。球墨铸铁的的球化处理必须伴随着孕育处理，通常是在铁水中同时加入一定量的球化剂和孕育剂。我国普遍使用稀土镁球化剂。镁是强烈阻碍石墨化的元素，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75%硅铁和硅钙合金等。2)球墨铸铁的牌号、组织和性能QT420-10、QT600-2、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极限和延伸率。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，而铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体基的3-5倍。球墨铸铁具有较好的疲劳强度。表中给出了球墨铸铁和45钢试验的对称弯曲疲劳强度。可以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。球墨铸铁的应用(3)球墨铸铁的热处理①退火900℃～950℃、2h～5h目的在于获得铁素体基体。球化剂增大铸件的白口化倾向，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，并改善切削性能，消除铸造应力。②正火880℃～920℃，空冷。目的在于得到珠光体基体（占基体75%以上），并细化组织，提高强度和耐磨性。③调质要求综合机械性能较高的球墨铸铁零件，如连杆、曲轴等，可采用调质处理。其工艺为：加热到850℃～900℃，使基体转变为奥氏体，在油中淬火得到马氏体，然后经550℃～600℃回火，空冷，获得回火索氏体+球状石墨。回火索氏体基体不仅强度高，而且塑性、韧性比正火得到的珠光体基体好。④等温淬火球墨铸铁经等温淬火后可获得高的强度，同时具有良好的塑性和韧性。等温淬火工艺为：加热到奥氏体区（840℃～900℃左右），保温后在300℃左右的等温盐溶中冷却并保温，使基体在此温度下转变为下贝氏体+球状石墨。等温处理后，球墨铸铁的强度可达1200MPa～1450MPa,冲击韧性为300kJ/m2～360kJ/m2,硬度为38HRC-51HRC。等温盐浴的冷却能力有限，一般只能用于截面不大的零件，例如受力复杂的齿轮、曲轴、凸轮轴等。球墨铸铁管道接口球墨铸铁淬火G球+M+Aˊ球墨铸铁组织G球+P3.蠕墨铸铁RuT300、RuT420蠕墨铸铁牌号、性能以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形态，在光学显微镜下为互不相连的短片，与灰口铸铁的片状石墨类似。所不同的是，其石墨片的长厚比较小，端部较钝。蠕墨铸铁的组织蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的，其方法与程序与球墨铸铁基本相同。蠕化剂目前主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器。内燃机、汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。排气管进气管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。它有较高的强度、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；(1)可锻铸铁的牌号和用途可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体。可锻铁的牌号、机械性能和化学成分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。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率可锻铸铁的显微组织可锻铸铁组织G团絮+F可锻铸铁常用来制造形状复杂、受力薄壁零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。(2)可锻铸铁的生产和热处理可锻铸铁生产分两个步骤。第一步，先铸造纯白口铸铁，第二步，进行长时间的石墨化退火处理5.特殊性能铸铁－－合金铸铁在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合金铸铁。(1)耐磨铸铁(2)耐热铸铁（3）耐蚀铸铁衬板