工程材料教案-8铸铁

课程名称：《工程材料》第周，第讲次摘要授课题目（章、节）本讲目的要求及重点难点：【目的要求】1.了解铸铁的特点、分类及铸铁的石墨化过程；2.熟悉各常用铸铁的牌号、性能及用途【重点】1.铸铁与碳钢相比其性能特点；2.铸铁的石墨化过程及影响因素；3.灰口铸铁的分类；4.铸铁牌号、性能及用途【难点】铸铁的石墨化过程及影响因素、铸铁牌号及性能特点。内容【本讲课程的引入】铸铁是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。在这些合金中，碳含量超过了在共晶温度时能保留在奥氏体固溶体中的量。铁、碳、硅是它的主要合金元素，除此之外，还含有比碳钢较多的硫、磷和锰。铸铁价格便宜，并具有一系列的优良性能，故而它广泛用于机械制造业。据统计，在各类机器中铸铁件约占重量的40～70%，在重型机械中其重量可达80～90%。【本课程的内容】第一节概述一、铸铁的分类根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为如下几类：1、白口铸铁：碳分主要以游离碳化铁形式出现的铸铁，断口呈银白色，故得名为白口铸铁。白口铸铁中存有大量的渗碳体，性硬而脆，难于进行切削加工，故很少用它来制造机器零件。通常白口铸铁用来制造一些要求高耐磨件，如轧钢机的轧辊、球磨机的磨球，以及农村用的犁铧等。目前，白口铸铁主要用来做为炼钢生铁和生产可锻铸铁的毛坯。2、灰口铸铁：碳全部或大部以自由态—石墨（G）的形式存在于铸铁中，其断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。在机器制造业中所应用的铸铁基本上是灰口铸铁。3、麻口铸铁：碳分部分以游离碳化铁形式出现，部分以石墨形式出现的铸铁，断口灰白色相间，尤如麻点，故称麻口铸铁。此类铸铁有较大的硬脆性，工业上也很少使用。工业上应用最广的是灰口铸铁，其碳大部分或全部以石墨形式存在。根据石墨的形态不同，灰口铸铁亦可分为如下几类：1、普通灰口铸铁，亦称灰铸铁：碳分主要以片状石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色，代号HT。此类铸铁的机械性能不高，但生产工艺简单，价格低廉，工业上应用最广，在各类铸铁的产量中其可占80%以上。2、可锻铸铁：白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳可锻化处理，改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁。可锻铸铁中的石墨以团絮状形式存在，它具有一定的塑性和韧性，但并非真正可锻。其代号KT。3、球墨铸铁：铁液经过球化处理而不是在凝固后经过热处理，使石墨大部分或全部呈球状，有时少量为团絮状的石墨。此类铸铁的机械性能较好，且可通过热处理进一步提高性能，其应用日趋广泛。其代号QT。4、蠕墨铸铁：大部分石墨为蠕虫状石墨的铸铁，其代号为RuT。这种铸铁是七十年代发展起来的一种新型铸铁，它廉有灰铸铁的良好铸造性能和机械性能，又有较高的强度，它的应用越来越受到人们的重视。从以上介绍我们不难看出，为了改善铸铁的性能，人们在铸铁的石墨形态上大做文章。那么，铸铁中的石墨又是如何得到的呢？灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁图7-2四种铸铁示意图二、铸铁的石墨化实践证明，当铁水中的碳、硅含量较高，而其冷却速度缓慢时，将从铁水中直接析出石墨，当渗碳体在高温下长时间的停留也能分解出石墨。可见，渗碳体是一个亚稳定相，石墨才是一个稳定相。因此，描述铁碳合金的相图应有两个，即Fe-Fe3C相图和Fe-G相图。（一）铁碳双重相图图8-1是铁碳双重相图。（二）石墨化过程石墨化过程是指铸铁中析出碳原子形成石墨的过程，亦即按Fe—G相图结晶的过程。铸铁中析出石墨的途径有三条：1、第一阶段石墨化：高于共析转变温度的石墨化过程，它包括从液态中直接结晶出石墨（过共晶铁水析出一次石墨，共晶转变中形成的共晶石墨），从奥氏体中析出的石墨以及由一次渗碳体、共晶渗碳体和二次渗碳体分解析出的石墨。2、第二阶段石墨化：低于共析转变温度的石墨化过程，它包括共析转变过程形成的石墨，共析渗碳体分解而形成的石墨以及由铁素体中析出的石墨。铸铁的石墨化过程如图8-3、8-4所示。（三）铸铁石墨化的影响因素1、化学成分的影响：碳和硅是强烈促进石墨化的元素，C↑Si↑G↑只有碳而没有硅，则难于进行石墨化，灰铸铁中碳含量为3.2-4%，硅含量为1-3%；硫是强烈阻止石墨化的元素，硫的增加将导致白口倾向增加、流动性下降、热脆性增加，故应严格限制，铁水中硫的含量应小于0.15%。通常冲天炉铁水硫在0.1%左右，电炉铁水硫量在0.04%；锰阻止石墨化，但其减弱硫的有害作用，故能间接地促进石墨化，所以铸铁中的锰量要适当，通常锰量在0.6-1.3%之间；磷对石墨化的影响不大，但磷的存在造成铸铁的冷脆性，故一般铸铁中视为有害元素，应加以限制，磷含量小于0.3%。2、冷却速度的影响：在生产中往往发现，同一包铁水浇厚件是灰口，而浇小件则可能得到白口，甚至浇注同一铸件，厚处是灰口，而薄处或飞边处则可能是白口。铸件厚薄不同，其冷却速度不同，石墨化程度就不一样。即铸件厚度增加，冷却速度下降，石墨化程度增加。工业生产中，为获得不同程度的石墨化组织，不能调整铸件的壁厚，但可调整铁水的碳、硅含量，如图8-6所示。下面我们将逐一介绍各种铸铁。第二节常用铸铁一、灰铸铁在灰铸铁中碳全部或大部分以片状自由态（石墨）形式存在。HT是应用最广的一种铸铁，在各种铸铁的总产量中，其可占80%以上。（一）灰铸铁的成分、组织、性能和用途1、化学成分：不同牌号、不同用途的灰铸铁件，其化学成分也不尽相同，铸铁中五大元素的含量一般为：C=2.7-3.6%Si=1.1-2.5%Mn=0.5-1.3%S0.15%P0.3%2、组织和用途：HT的组织是由金属基体加片状石墨所组成，即：P+G（片状）P+F+G（片状）F+G（片状）根据基体的不同，灰铸铁可以分为三类：1）珠光体灰铸铁：在共析钢的基体上分布着细小均匀的片状石墨，图8-5c所示。在HT中，这类铸铁的强度、硬度最高，主要用来制造重要铸件，如汽缸体、活塞及机床床身等。2）P-F灰铸铁：在亚共析钢的基体上分布着较前者粗大的片状石墨，图8-5b所示。强度、硬度较差，但铸造时易控制，且切削性能好，用途很广，例如机座、支架、箱体、阀体、泵体以及缝纫机等。3）铁素体基体灰铸铁：在铁素体基体上分布着粗大的片状石墨，图8-5a所示，强度、硬度最低，很少用来制造机器零件。但它的铸造性能好，故用来生产一些没有强度要求的机件，如小手柄、盖板、重锤等。3、灰铸铁的性能：HT的机械性能主要取决于金属基体的强度和石墨的数量、大小、形状和分布，但是基体对性能的影响远没有G的作用大，故而我们着重介绍G对HT机械性能的影响。1）石墨的性质：石墨的晶格形式为简单六方晶格，如图8-2所示。晶格的两基面间距较大，结合力弱，易滑移。故石墨的强度、塑性和韧性极低，其σb=20MPaδ=0HB=3。故石墨存在于铸铁，尤如钢基体上的空洞，石墨的这种特性是造成灰铸铁性能的主要原因。2）灰铸铁的性能：a.机械性能：抗拉强度比钢低的多，塑性差。共析钢：σb=800Mpaδ=12%铸铁：σb=120～250Mpaδ=0原因：G的存在，在基体中形成了大量的空洞，减少了有效承载面积，使实际应力大大增加；片状石墨的存在，易造成应力集中，使尖角处的应力远远大于实际应力，使材料形成脆性断裂；石墨的数量越多、越粗大、分布越不均匀，对基体的割裂作用就越严重，机械性能就越差。但石墨对基体的割裂作用和形成的应力集中对压应力的有害作用较小，例如铸铁的抗压强度为650Mpa，45钢的抗压强度为700Mpa，两者相接近。故而铸铁广泛用做承受压载荷的零件，如机座、轴承座以及各种箱体。b.减摩性好：灰铸铁中的石墨本身是一种良好的润滑剂，摩擦过程中脱落的石墨将起到润滑作用；同时，摩擦面上脱落的石墨构成大量的显微凹坑，起储存润滑油的作用，维持油膜的连续性。故灰铸铁有良好的减摩性。所以某些摩擦零件如机床导轨、滑动轴承等可用灰铸铁制造。c.减震性好：石墨组织松软，可对震动起到缓冲作用，HT的减震能力约比钢大十倍，故常用于承受震动的机器零件如机床的床身、机座等。d.缺口敏感性低：e.导热性好：f.工艺性能：铸造性能好；切削性好；可焊性差；不能进行锻造。（二）灰铸铁的牌号HT100HT150HT200HT250HT300HT350（三）灰铸铁的热处理热处理只能改变基体的组织，而不以能改变石墨的形态，故用热处理来提高铸铁的机械性能效果不大。灰铸铁常用的热处理方法有：1、消除内应力退火2、改善切削加工性的退火3、表面淬火综上所述，灰铸铁有着一系列的优良性能，但略显不足的是它的机械性能特别是抗拉强度低，原因在于石墨的存在，G越多、越粗大，则抗拉强度越低。为了提高HT的强度，人们在石墨的形状上大做文章，发明了各种各样的铸铁。二、可锻铸铁我国是最早发明和使用可锻铸铁的国家，早在三千多年的战国时期，就开始使用了可锻铸铁，而西方国家直到1782年才开始制造使用可锻铸铁，比我国晚了二千多年。但是由于长期的封建统治，这项技艺反而衰落失传，不得不于1933年重新从国外引进了此项生产技术，同时将名字也换成了洋的，叫什么“马铁”，“马钢”！（一）可锻铸铁的组织金属基体+G（团絮状），即：F+G（团絮状）和P+G（团絮状），后一种可锻铸铁国内很少使用。（二）性能和应用1、性能：由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，故而大大减轻了对基体的割裂作用，提高了铸铁的机械性能。其抗拉强度为30-70Mpa,延伸率2-12%，但此种铸铁仍不可锻；耐腐蚀性能较强；铸造性能较灰铸铁差。2、应用：由于可锻铸铁具有一定的强度和较高的塑性和韧性，故KT可用在承受冲击和震动的场合，例如汽车、拖拉机的前后桥壳，转向机构，弹簧钢板的支座，马车轮圈等。另外，机床的搬手、各种阀体及管件也都广泛使用KT制造。（三）可锻铸铁的制取可锻铸铁的制取分两部进行：生产白口铸件；高温退火，渗碳体分解成团絮状石墨，即Fe3C—F+G（团絮状）。为浇注出白口铸件，及方便续后的退火操作，则需严格地控制铁水。为保证纯白口，则需采用低碳、低硅的铁水；而另一方面，碳、硅含量又不能太低，否则将使退火时间大大延长，增加生产成本。白口铸件的高温石墨化退火工艺见图8-8。（四）可锻铸铁的牌号墨心可锻铸铁：KTH300-06KTH330-08KTH350-10KTH370-12珠光体可铁：KTZ450-06KHZ550-04KHZ650-02KTZ700-02白心可锻铸铁：KTB350-04KTB380-12KTB400-05KTB450-07三、球墨铸铁可锻铸铁的强度高于普通灰铸铁，又具有较高的塑性和韧性，根本原因就在于G形状由片状变成了团絮状，减轻了石墨对基体的割裂作用，使之机械性能有了大幅度的提高。能否进一步改变石墨的形状，使其对基体的割裂作用减低到最小，从而更进一步提高铸铁的性能呢？基于这一想法，经过科学家们的大量工作，于1047年英国科学家首先发现了第一个石墨球。从此，一种新型的铸铁材料—球墨铸铁便以极快的速度发展起来了。采用高碳低硅的铁水，向里面加入一定量的球化剂（如镁、稀土元素等）进行球化处理，并加加入少量的孕育剂（常用硅铁）而制得球墨铸铁。（一）QT的组织和成分1、组织：金属基体+G（球状）金属基体主要是铁素体和珠光体，通过热处理也可以得到M、B等基体，以满足不同的使用要求。2、成分：P129（二）性能：1、在QT中，由于石墨成球状，对基体的割裂作用和应力集中大大减轻，故而能充分发挥基体的作用，其机械性能为：σb接近于钢，σ0.2高于45钢，热处理后的塑性可达δ=20-25%，但其冲击韧性低于钢。2、具有铸铁的优良性能。3、成本低于钢。4、易出铸造缺陷，如缩孔、皮下气孔等。5、可通过热处理进一步改善机械性能。（三）牌号和用途：1、牌号：QT400-15QT450-10QT500-7QT600-3QT700-2…2、用途：由于QT具有较高的机械性能，且成本比较低，故在机器制造业中得到了越来越广泛的应用，成功地代替了不少碳钢、合金碳和可锻铸铁，用来制造一些受力复杂，强度等机性要求高的零件，如曲轴、连杆等。（四）QT的热处理球墨铸铁中的石墨呈球状，对基体的割裂作用较小，故能充分发挥基体的作用，发改变基体组织的热处理可以大幅度地提高