07第七章 铸铁与铸钢―北大

机械工程材料•1.理解并掌握铸铁的组织尤其是石墨的形态、分布,性能之间的规律。•2.理解并掌握工程材料尤其是金属的结构，理解材料结构与性能之间的关系，尤其是强化工程材料性能的途径、基本原理与方法。•3.掌握常用铸铁的种类、组织结构特点、性能和应用，了解其应用范围。•4.结合实例，初步具备合理选择铸铁与铸钢材料、正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能力。•5.了解铸钢与铸铁的技术现状，前沿动态及今后的发展方向。第七章铸铁与铸钢机械工程材料•铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。•铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。7.1概述机械工程材料•例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造.铸铁曲轴内燃机汽缸机械工程材料最近10年是我国铸铁业发展最快、最好的时间。•我国铸件产量持续增长，其中，铸铁业以年均20%的速度增长，远高于同期GDP约10%的增长速率。我国铸铁件的材质结构持续改善，球铁在铸件中所占的比重由1998年的14％增至2009年的24.7％；球铁与灰铁的比例由0.226上升到0.51。•目前，我国年产铸铁件10000吨以上，机械工程材料图1、1998～2009年我国铸件、灰铁件、球铁件的产量（近10年来，我国铸件产量持续增长，其中，尤以铸铁件的产量增长最快）050010001500200025003000350040001998年1999年2000年2001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年球铁产量灰铁产量铸件产量机械工程材料1灰铁17002球铁8703可锻铸铁604铸钢4805铸铜606铸铝（镁）3357其它25图7-1中国2009年各材质铸件产量（万吨）2009年我国铸件产量为3530万吨，其中，铸铁件产量占2630万吨（球墨铸铁产量为870万吨，灰铸铁产量1700万吨，蠕墨铸铁产量约30万吨），占我国铸件产量的74.5%，约占当年世界铸铁件产量的39.4％机械工程材料•一、铸铁的石墨化过程•1、Fe-Fe3C和Fe-G(石墨)双重相图•Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：Fe3C→3Fe+C（石墨）共晶白口铸铁F基体球墨铸铁机械工程材料•石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、韧性几乎为零。•铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体(Fe3C)和游离态的石墨(G)两种形式存在。机械工程材料存在两个铁碳相图：Fe-Fe3C和Fe-G双重相图L+GL+Fe3C机械工程材料•2、铸铁的石墨化过程•铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。•铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出,也可以由渗碳体加热时分解得到。机械工程材料•石墨化分两个阶段：•在P’S’K’线以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化。•包括结晶时一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加热时一次渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的分解.P’机械工程材料•在P’S’K’线以下发生的石墨化称为第二阶段石墨化。包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。•石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。P’机械工程材料铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系（以共晶铸铁为例）石墨化进行程度铸铁的显微组织铸铁类型第一阶段石墨化第二阶段石墨化完全进行完全进行F+G灰口铸铁部分进行F+P+G未进行P+G部分进行未进行Le’+P+G麻口铸铁未进行未进行Le’白口铸铁机械工程材料•3、影响石墨化的因素•⑴化学成分的影响•碳和硅是强烈促进石墨化的元素。•碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差。碳、硅含量过高,会使石墨数量多且粗大，基体内铁素体量增多，降低铸件的性能.SiC白口铸铁灰口铸铁麻口铸铁碳、硅含量对铸铁石墨化的影响机械工程材料•⑵冷却速度的影响•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。WC+Wsi(%)铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响快冷时由于过冷度大，结晶将按Fe-Fe3C相图进行,不利于石墨化.机械工程材料二、铸铁的特点及分类•工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。•1、铸铁的组织特点•钢的基体+G（石墨）•基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。F+GF+P+GP+G机械工程材料•⑵耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。•⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。•⑷铸造性能好。由于铸铁硅含量高,成分接近于共晶.•⑸切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。2、铸铁的性能特点⑴力学性能低。由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。铸铁与铸钢的强度比较机械工程材料•铸铁根据石墨的形态进行分类。铸铁中石墨的形态有片状、团絮状、球状和蠕虫状四种，其所对应的铸铁分别为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。机械工程材料7.2灰铸铁•碳大部分是以片状石墨存在，因其断口呈暗灰色而得名。灰铸铁生产工艺简单、价格低廉、应用广泛，其产量约占铸铁总产量的70％•汽车业是灰铸铁的主要应用领域之一，近年来随着汽车轻量化要求的不断提高，薄壁高强度灰铸铁的应用迅速推进机械工程材料(1)灰铸铁的组织机械工程材料灰铸铁的显微组织铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁石墨片的三维形貌机械工程材料•(2)灰铸铁的热处理•热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。•灰铸铁强度只有碳钢的30~50%，热处理强化效果不大。•灰铸铁常用的热处理有：•①消除内应力退火(又称人工时效)•②消除白口组织退火•③表面淬火灰铸铁件汽缸套活塞环机械工程材料12.9L6缸蠕铁柴油机缸体（2008，Brazil）机械工程材料•3、用途•制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身(HT-250)变速箱体机械工程材料(3)灰铸铁的牌号及用途•灰铸铁牌号中“HT”为灰铁汉语拼音字首，其后数字表示该材料的最低抗拉强度（MPa）。例如HT200表示抗拉强度σb≥200MPa的灰铸铁。灰铸铁的强度与铸件的壁厚大小有关系，因此在根据性能要求选择铸铁牌号时，必须注意到铸件的壁厚。如铸件的壁厚超出表中所列的尺寸时，应根据基体情况适当提高或降低铸铁的牌号。灰铸铁主要用于制造承受压力和振动的零部件。机械工程材料灰铸铁的牌号、力学性能、显微组织及用途牌号铸件壁厚/mm力学性能基体组织Rm/MPaσbb/MPaσbc/MPaHBWHT100所有尺寸100260＜140FHT15015～30150330650150～200F+PHT20015～30200400750170～220PHT25020～302504701000190～240HT30015～303005401100187～225细PHT35015～303506101200197～269HT40020～30400680－207～269细P机械工程材料•实例7-1•乘用车的刹车盘通常是使用HT250或相近的低合金灰铸铁，要求材料具有良好的导热性和冷热疲劳性能，所以要求A型石墨，以利于热传导。国内发动机的一些缸体已采用HT300甚至HT350铸铁制作。我国一汽铸造公司已稳定地采用HT300生产6DL道依茨发动机缸体，同时也储备了HT350的生产技术，机械工程材料7.3球墨铸铁•中国从1950年开始研究和生产球铁，是世界上较早生产球铁的国家之一。•从2005年起，我国球铁产量连续五年居世界第一，2008年已达820万吨，约占当年世界球铁产量的1/3，比世界第2、3、4名美国（360万吨）、日本（200万吨）和德国（185万吨）的总和还多•2004到2008年，世界球铁铸件的产量从1870万吨增加到2384万吨，年均增长率为5.5%。中国球铁与灰铁的比例为0.50，世界平均水平为0.55，美国的比例为1.0。•我国球铁产量的提升空间还很大机械工程材料球铁管33%汽车铸件33%其它球铁件34%•图7-6中国球铁件应用领域•其中铸管和管件年产量约280万吨，占33%；汽车铸件约280万吨，为33%，约占我国工程结构球铁产量（不包括铸管）的50%；其他如工程机械、农机、机床、建筑、冶金、矿山、能源工业部门等约占33%机械工程材料•DN2600X8150热模法球铁管（新兴铸管公司生产.单重14.76吨，壁厚28mm）机械工程材料•东汽生产的QT400-18-LT风电球铁铸件要求低温冲击性能-20℃，V型缺口试样冲击韧性≥12机械工程材料•:一汽铸造公司用壳型背丸工艺生产的球铁曲轴（尺寸精度高，外观精美，综合废品率在0.5%以下）机械工程材料90吨重高延伸率和高低温冲击韧性球铁铸件机械工程材料•135吨机床球铁件机械工程材料注塑机头板、二板与尾板机械工程材料•用途•承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。核燃料贮存运输容器(QT350-22)铸铁曲轴机械工程材料实例7-2发动机曲轴是球铁在我国应用最典型的零件，研究开发最早，应用范围最广，产量最多。汽车、拖拉机、船用及工程机械上的许多发动机曲轴以及空压机、空调压缩机上的曲轴都是球墨铸铁的。据统计，我国年产用于发动机的各类球铁曲轴约20万吨，1000万根以上。一汽铸造公司用壳型背丸工艺年产球铁曲轴约50万只，综合废品率在0.2%以下。机械工程材料(4)球墨铸铁的牌号及用途•球墨铸铁的牌号是由球铁汉语拼音字首“QT”及其后的两组数字组成。这两组数字分别表示该材料的最低抗拉强度（单位为MPa）和最低伸长率。例如QT600-3表示Rm≥600MPa，A≥3%的球墨铸铁。•球墨铸铁主要用于制造受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件。如在机械制造业中，珠光体球墨铸铁常用于制造拖拉机或柴油机的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮、机床的主轴、蜗杆、蜗轮、轧钢机的轧辊、大齿轮及大型水压机的工作缸、缸套、活塞等；铁素体球墨铸铁常用于制造受压阀门、机器底座、汽车后轮壳等机械工程材料表7-4球墨铸铁的牌号、组织、力学性能及用途牌号Rm/MPaRp0。2/MPaA/%硬度／HBW基体组织应用举例QT350-22L35022022≤160汽车、拖拉机底盘零件；阀门的阀体和阀盖等QT350-22R35022022≤160QT350-2235022022≤160QT400-18L4001818130～180FQT400-18R4001515130～180FQT400-184501010160～210FQT400-15QT450-10QT500-750077170～230F+P机油泵齿轮等QT550-5QT600-360033190～270F+P柴油机、汽油机的曲轴；磨床、铣床、车床的主轴；空压机、冷冻机的缸体、缸套QT700-270022225～305PQT800-280022245～335P或回火组织QT900-290022280～360B或回火M汽车、拖拉机传动齿轮等机械工程材料(1)球墨铸铁的组织•由基体和球状石墨组成的，铸态下的基体有三种。球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。加入到铁水中能使石墨结晶成球形的物质称为球化剂，常用的球化剂为稀土镁合金机械工程材料球墨铸铁的显微组织铁素体加珠光体球墨铸铁铁素体球墨铸铁珠光体球墨铸铁球墨铸铁中的石墨球机械工程材料(2)球墨铸铁的性能•由于球状石墨，对基体的割裂作用和产生的应力集中小，基体强度利用率可达70％～90％，接近于碳钢，塑性和韧性比灰铸铁和可锻铸铁都高。球墨铸铁的突出特点是屈强比(σs/σb)高，约为0.7～0.8，而钢一般只有0.3～0.5。•球墨铸铁还具有较高的疲劳强度。带孔和带台肩球墨铸铁件的疲劳强度与45钢的相当(表7-3)。因此，多数带孔和台肩的重要零件可用球墨铸铁代替钢来制造。试验还表明，球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过45钢机械工程材料表7-3球墨铸铁和45钢的疲劳强度材料对称弯曲疲劳强度/MPa光滑试样光滑带孔试样带台肩试样带孔、带台肩试样珠光体球墨铸铁25520517515545钢305