06-铸铁

《工程材料与热加工基础》第七章钢铁材料机电系贾伟建铸铁•1.铸铁的石墨化；•2.工业常用铸铁；•灰口铸铁•球墨铸铁•可锻铸铁•3.知识窗；•4.学习指导•目的：•掌握常用铸铁的性能特点；•掌握铸铁的牌号；•了解铸铁的应用；铸铁的分类及石墨化•铸铁是指一系列主要由铁、碳和硅组成的合金总称。成分：铸铁2.11%C的铁碳合金,工业常用铸铁2.11-4.5%C合金元素Si,Mn,S,P;Mo,Cr。1铸铁的分类:根据碳在铸铁中存在形式/石墨化程度：1．白口铸铁2．麻口铸铁3．灰口铸铁石墨形态：（1）灰铸铁碳主要以片状石墨形式出现的铸铁；（2）可锻铸铁碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁；（3）球墨铸铁碳主要以球状石墨形式出现的铸铁；（4）蠕墨铸铁碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。化学成分：铸铁的石墨化•铸铁中石墨的形成过程称为铸铁的石墨化。影响铸铁石墨化的因素较多，其中化学成分和冷却速度是影响石墨化的主要因素。•1．化学成分的影响•碳和硅都是强烈促进石墨化的元素碳和硅都是强烈促进石墨化的元素；磷也是促进石墨化的元素，但其作用较弱；硫是强烈阻碍石墨化的元素•2．温度、冷却速度的影响•冷却速度快，铸铁容易产生白口铸铁组织；•冷却速度慢，碳原子扩散充分，有利于石墨化过程充分进行，铸铁容易获得灰口铸铁组织。复线相图•第一阶段从液相析出石墨（包括共晶）1154℃•第二阶段从奥氏体中析出石墨1154-738℃•第三阶段738℃共析反应生成，从铁素体中析出石墨738℃组织（钢+石墨）：F+G,F+P+G,P+G铸铁的显微组织铸铁的一次结晶过程决定了石墨的形态，二次结晶过程决定了基体组织。铸铁的性能铸铁组织由金属基体和石墨组成，铸铁的性能取决于金属基体的性能和石墨的性质及其数量、大小、形状和分布。石墨对铸铁性能的影响•石墨松软而脆弱，伸长率近于零。•石墨的数量、大小和分布对铸铁的性能有显著影响。如片状石墨，数量越多对基体的削弱作用和应力集中程度越大。•石墨形状影响铸铁性能：片状、团絮状、球状1灰口铸铁•1．灰铸铁的化学成分、组织和性能•（1）化学成分•灰铸铁的化学成分一般为：wC=2.5%～4．0%，wSi=1.0%～2．5%，wMn=O．5%～1.4%，wS≤O.15%，wP≤0.3%。•(2)组织•由于石墨化程度的不同，灰铸铁的组织有三种类型：铁素体(F)+片状石墨(G)；铁素体(F)—珠光体(P)+片状石墨(G)；珠光体(P)+片状石墨(G)。（3）性能力学性能•石墨虽然降低了灰铸铁的力学性能，但却使灰铸铁获得了许多钢所不及的优良性能优良的性能：①良好的铸造性能②良好的减震性③较低的缺口敏感性④良好的切削加工性⑤良好的减摩性⑥良好的抗压性能•灰铸铁的热处理对于灰铸铁，热处理仅能改变基体组织，改变不了石墨形态，热处理不能明显改善灰铸铁的力学性能。1、时效退火（去应力退火=人工时效）分：自然时效和人工时效。2、高温石墨化退火（改善切削性能）3、表面淬火热处理。灰口铸铁牌号、用途类别牌号用途举例铁素体灰铸铁HTl00低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支架等铁索体—珠光体灰铸铁HT150承受中等应力的零件，如底座、床身、工作台、阀体、管路附件及一般工作条件要求的零件珠光体灰铸铁HT200承受较大应力和较重要的零件，如汽缸体、齿轮、机座、床身、活塞、齿轮箱、油缸等HT250孕育铸铁HT300床身导轨，车床、冲床等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮等，高压油缸、泵体、阀体、衬套、凸轮，大型发动机的曲轴、汽缸体、汽缸盖等HT350球墨铸铁•球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种新型铸铁，它是经过球化处理后得到的。球化处理的方法是在铁液出炉后、浇注前加入一定量的球化剂(稀土镁合金等)和孕育剂，使石墨呈球状析出。1．球墨铸铁的化学成分球墨铸铁的化学成分是：wC=3.6%～3.9%，wSi=2.0%～2.8%，wMn=0.6%～0.8%，wS0.04%，wP≤0.1%,wMg=0.03%～0.05%球墨铸铁2．组织球墨铸铁的组织可分为四种类型：•铁素体(F)+球状石墨(G)，•铁索体(F)-珠光体(P)+球状石墨(G)，•珠光体(P)+球状石墨(G)，•下贝氏体(B下)+球状石墨(G)。•为铁素体球墨铸铁的显微组织。图铁素体球墨铸铁显微组织球墨铸铁3．性能球墨铸铁的力学性能与基体的类型以及球状石墨的大小、形状及分布状况有关。由于球状石墨对基体的割裂作用最小，又无应力集中作用，球墨铸铁基体的强度、塑性和韧性可以充分发挥，所以，球墨铸铁与灰铸铁相比，有高的强度和良好的塑性与韧性。它的某些性能可以与钢相媲美，如屈服点比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。同时，它还具有灰铸铁的减震性、减磨性和小的缺口敏感性等优良性能。球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好，球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的力学性能就越好。球墨铸铁球化处理球化剂：球墨铸铁的生产中，能使石墨结晶成球状的物质。球化剂：纯镁和稀土镁合金球墨铸铁的热处理1、高温退火和低温退火退火目的：获得铁素体基体的球墨铸铁。球墨铸铁•2、正火•高温正火：获得珠光体组织•低温正火：获得珠光体+铁素体组织•3、等温淬火•适用于形状复杂易变形，同时要求综合力学性能高的球墨铸铁。获得下贝氏体+少量残余奥氏体+球状石墨。•4、调质处理•应用于受力复杂、截面较大、综合性能要求高的重要零件。获得回火索氏体球墨铸铁牌号、用途基体类型牌号用途举例铁素体QT400-15QT400-10阀体，汽车、内燃机车零件，机床零件，减谴器壳铁素体+珠光体QT500-7机油泵齿轮，机车、车辆轴瓦珠光体QT700-2QT800-2柴油机曲轴、凸轮轴．汽缸体、缸套，活塞环，部分磨床、铣床、车床的主轴等下贝氏体QT900-2汽车的螺旋锥齿轮，拖拉机减速齿轮．柴油机凸轮轴可锻铸铁•可锻铸铁俗称玛钢、马铁。蠕墨铸铁的生产过程是：首先浇注成白口铸铁件，然后经可锻化退火（可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨）而获得可锻铸铁件。可锻铸铁1．可锻铸铁的化学成分、组织和性能•1）可锻铸铁的化学成分是:wC=2.2%～2.8%，wP≤0.1%，wSi=1.0%～1.8%，wMn=0.3%～0.8%，wS≤0.2%。•2）可锻铸铁的组织有二种类型：•铁素体(F)+团絮状状石墨(G)；珠光体(P)+团絮状石墨(G)。•3)性能由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小，因此它的力学性能比灰铸铁高，塑性和韧性好，但可锻铸铁并不能进行锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性。可锻铸铁类别牌号应用举例黑心可锻铸铁KTH300-06KTH330-08KTH350—10KTH370—12汽车、拖拉机的后桥外壳、转向机构、弹簧钢板支座等，机床上用的扳手，低压阀门，管接头，铁道扣板和农具等珠光体可锻铸铁KTZ550-04KTZ700-02曲轴，连杆，齿轮，凸轮轴，播臂，活塞环等蠕墨铸铁RuT420蠕墨铸铁是一种新型铸铁材料，石墨大部分呈蠕虫状，间有少量球状，兼备灰铸铁和球墨铸铁的某些优点。化学成分化学成分要求与球墨铸铁相似：3.5%-3.9%C，2.1%-2.8%Si,0.4%-0.8%Mn,SP0.1%知识窗：合金铸铁•1．耐磨铸铁•耐磨铸铁是指不易磨损的铸铁。根据工作条件的不同，分为以下两类：•(1)抗磨铸铁•在干摩擦及抗磨料磨损条件下工作的零件，如轧辊、犁铧、抛丸机叶片、球磨机磨球等，应具有均匀的高硬度和必要的韧性。•①白口铸铁•白口铸铁生产简便，价格低廉，但脆性大，适用于冲击载荷不大的犁铧等抗磨铸件和清理抛丸机中的铁丸等。知识窗：合金铸铁•②冷硬铸铁•在造型时，在铸件要求抗磨的部位作成金属型，其余部位用砂型，并适当调整化学成分(如降低含硅量)，使其要求抗磨处得到白口组织，而其余部位韧性较好，可承受一定的冲击。生产中采用此类“激冷”方法获得的抗磨铸铁称为冷硬铸铁，主要用于制造轧辊、车轮、凸轮轴等。•③高铬白口铸铁•向白口铸铁中加入少量的铬、钼、钨、钒、硼等元素，使之形成合金渗碳体，可提高其抗磨性，但韧性改善不多。高铬白口铸铁合金元素含量高，价格昂贵，但用其制造的零件比高锰钢提高寿命几倍甚至十几倍，最终经济效益十分显著。知识窗：合金铸铁•④中锰耐磨球墨铸铁•含有wMn=5%～9．5%，wSi=3.3%～5%的中锰耐磨球墨铸铁，铸态组织为马氏体、奥氏体、碳化物和球状石墨，具有较高的耐磨性和较好的强度与韧性，不需贵重合金元素，可用冲天炉熔炼，成本低，可代替高锰钢或锻钢制造受冲击的一些抗磨零件。中锰耐磨球墨铸铁适用于制造犁铧、粉碎机锤头、球磨机磨球、衬板等。知识窗：合金铸铁•(2)减摩铸铁•在润滑条件下工作的零件，如机床导轨、汽缸套、活塞环、轴承等，其组织应为软基体上分布硬质点(强化相)。软基体磨损后形成沟槽，起储油和润滑作用，硬质点起支承作用。常用的减摩铸铁有普通高磷铸铁和合金高磷铸铁。•在孕育铸铁中加入磷(wP=0.4%～0.6%)，磷在铸铁中以磷共晶形式存在，呈断续网状分布，形成坚硬骨架，能大大提高铸铁的耐磨性，这种铸铁称为普通高磷铸铁。在普通高磷铸铁基础上加入适量的铬、钼、钨、铜、钒、钛等元素，以细化组织，增加珠光体含量，形成高硬度的碳化和氮化物，提高铸铁的韧性、强度和耐磨性，这种铸铁称为合金高磷铸铁，可制作发动机缸套、机床导轨等零件。知识窗：合金铸铁•2．耐热铸铁•耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。“生长”是指由于氧化性气体沿石墨片边界和裂纹渗入铸铁内部造成的氧化，以及因Fe3C分解而发生的石墨化引起铸件体积膨胀。向铸铁中加入铝、硅、铬等元素，使铸件表面形成一层致密的SiO2、Al2O3、CrO3等氧化膜，能明显提高高温下的抗氧化能力，同时能够使铸铁的基体变为单相铁素体。此外，硅、铝可提高相变点，使其在工作温度下不发生固态相变，可减少由此而产生的体积变化和显微裂纹。铬可形成稳定的碳化物，提高铸铁的热稳定性。•常用的耐热铸铁有中硅铸铁、高铬铸铁、镍铬硅铸铁等，主要用于制造加热炉附件，如炉底板、送链构件、换热器等。知识窗：合金铸铁•3．耐蚀铸铁•耐蚀铸铁是指能耐化学、电化学腐蚀的铸铗。在铸铁中加入铬、硅、铝、钼、铜、镍等合金元素，可使铸件表面形成一层致密的保护膜，还可提高铁索体的电位，增加铸铁的耐蚀能力。耐蚀铸铁种类很多，应用较广的是高硅(wSi＝10%～18%)铸铁，其组织为：含硅铁素体+石墨+Fe3Si2。高硅铸铁广泛用于制造化工、石油、化纤、冶金等工业设备。学习指导•本章基本要求：•本章主要介绍铸铁的分类、组织、性能和应用等内容。通过本章的学习，要求学生掌握铸铁的分类；学生要理解铸铁的组织与性能的关系，特别要理解铸铁中的石墨对铸铁性能的影响；学生要熟悉常用铸铁的牌号、性能特点及应用范围。•本章学习要点：•1．铸铁分类：白口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁和合金铸铁•2．影响石墨化的因素：化学成分和冷却速度•3．灰铸铁的孕育处理：在浇注前向铁水中加入少量的孕育剂（如硅铁、硅钙合金等），改变铁水的结晶条件，从而得到细小均匀分布的片状石墨和细小的珠光体组织。目的是提高灰铸铁的强度。•4．常用铸铁（灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁）的牌号、组织特征及用途。•学习方法建议：•1.牢固记忆铸铁的分类和各种铸铁的牌号。•2.各种铸铁的性能特点和用途等内容不能死记硬背，要注意对铸铁组织、性能、用途三者关系的理解。•3．学习过程中，要注意各种铸铁的组织、性能、用途的比较和对比，加深对各种铸铁的印象，以便在生产实践中正确使用铸铁材料。