灰铸铁铁水成分与金相组织、力学性能之间的关系

铁水成分与金相组织、力学性能之间的关系（1）灰铸铁的定义：在铸铁的金相组织中，碳以片状石墨的形式存在，这种铸铁称为灰铸铁。（2）灰铸铁的金相组织石墨的形态：1）石墨ABCDEFA型石墨1、分布特征均匀无向性分布2、形成条件1）共晶成分（亚共晶）2）冷速较慢3、对性能的影响好B型石墨1、分布特征菊花状分布2、形成条件1）共晶成分（比A低）2）冷速较快3、对性能的影响较好C型石墨1、分布特征板条状分布2、形成条件1）过共晶成分2）冷速慢3、对性能的影响不好D型石墨1、分布特征晶间无向性分布（点状石墨）2、形成条件1）亚共晶成分2）冷速快3、对性能的影响不好（现在观点：好）E型石墨1、分布特征晶间有向性分布2、形成条件1）亚共晶成分（比D低）2）冷速较慢3、对性能的影响不好F型石墨1、分布特征星状分布2、形成条件1）过共晶成分2）冷速较快3、对性能的影响不好3）根据石墨尺寸的大小，将它分为八级，见表2.4。2）基体组织：（3）铸铁的共晶团（4）灰铸铁的牌号（5）灰铸铁的使用性能特点1）机械性能特点片状石墨2）灰铸铁的硬度特点3）灰铸铁的基体强度特点、。4）灰铸铁的其它性能特点a.良好的铸造性能b.良好的减振性c.良好的耐磨性能d.良好的切削加工性能e.低的缺口敏感性片状石墨相当于许多微小缺口，从而减小了铸件对缺口的敏感性，因此表面加工质量不高或组织缺陷对铸铁疲劳强度的不利影响要比对钢的影响小得多。（5）铸铁的化学成分对组织和性能的影响铸铁的化学成分是很复杂的，在铸铁中除铁以外，主要元素有碳、硅、锰、磷、硫等五种，其它还有随炉料和熔炼过程中进入铸铁内的许多微量元素和各种杂质，以及有时为了使铸铁获得某些特殊性能而加入的一些合金元素如铬、铜、镍、钼、钒等。所有这些元素都对铸铁的结晶组织和力学性能有着很大的影响。1）碳和硅对铸铁组织与力学性能的影响碳和硅是灰铸铁中最主要的两个元素，它们对铸铁的组织与性能起着决定性的作用。碳在铸铁中是促进石墨化的元素。增加含碳量，可使铸铁的石墨化程度增加，形成石墨的碳量增加，石墨也变得粗大，基体中珠光体数量减少，铁素体增加。适当降低含碳量，提高铸铁的强度。硅对Fe-C相图的影响1、包晶转变出现了三相区。2、缩少奥氏体相区。3、共晶转变出现了三相区。4、降低了E、C、S点的含碳量。5、共析转变出现了三相区。总之，碳、硅都是促进石墨化的重要元素，它们对铸铁的组织与性能有着决定性的影响。图3.6显示了碳硅量（碳当量）对石墨的作用。提高铸铁的碳当量，可使石墨数量增多，石墨粗大，共晶团颗粒增大。降低碳当量，可减少石墨的数量，使石墨细化。若碳当量过低，因增大了铸铁的结晶范围，使晶间石墨增多。2）硫和锰对铸铁组织与性能的影响硫在铸铁中因能增强Fe-C原子间的结合力，所以促使铸铁按介稳定系统进行结晶，能较强烈的阻碍石墨化。特别当冷却速度较高，碳硅量较低时，硫阻碍石墨化的作用就更显著，铸铁白口化的倾向也越大。3.5.2孕育处理的目的孕育处理目的在于：促进石墨化，降低白口倾向；降低断面敏感性；控制石墨形态，消除过冷石墨（晶间石墨）；适当增加共晶团数和促进细片状珠光体的形成；从而达到改善铸铁强度性能及其它性能的目的。3.5.3生产孕育铸铁的主要条件（1）选择合理的化学成分孕育铸铁的成分选择和普通灰铸铁一样，要和铸件的壁厚密切结合起来考虑。一般为：碳当量选择在灰口和麻口之间。（2）铁液要有一定的过热温度铁液温度越高，铁液的纯净度越高，越有利于提高铸造性能，更主要的是，如果在一定范围内提高铁液温度，能使石墨细化，基体组织细密，抗拉强度提高。要做好孕育铸铁，要最大程度地改变自身的凝固特点，就比须有相当高的过热温度（1450℃～1470℃）。3）磷对铸铁组织与性能的影响磷完全溶于铁水。结晶时，从Fe-C-P三元状态图(图3.9)可以看出，Fe-Fe3C和Fe-Fe3P也有共晶点e3，图中Ee1，、Ee2：和Ee3三线皆下斜汇集于最低点E发生共晶反应。E点为三元共晶点，其成分为6.89％P，2.40％C，90.71％Fe，共晶温度为950℃。4）铸铁中合金元素对组织与性能的影响第一组如镍、铜、钴、铝等元素，一般都有促进一次结晶石墨化的作用。在这些合金元素中，如镍、铜等又能阻碍珠光体分解，稳定珠光体，因此可使珠光体数量增多和细化强化铸铁基体，在铸铁中既能提高强度和硬度(见图3.11)，又能防止白口的产生。第二组如铬、钼、钒等都以渗碳体为基础形成固镕体，如(Fe，Cr)3C，（Fe，Mo)3C，(Fe，v)3C也可以形成一些特殊碳化物。因为这些合金元素能增强铁和碳的结合力，故强烈地阻碍石墨化。第三组如钛等元素在铸铁中多形成特殊碳化物，如TiC等。钛在灰铸铁中一般加入量很小，它有轻微促进石墨化的作用，有的资料指出，钛可促使高碳硅铸铁中粗大片状石墨细化，因而有利于提高铸铁的强度。因它还能提高铸铁的耐磨性(加入量0.1%Ti以下)，所以可用于有润滑下的耐磨铸铁。（6）冷却速度及其它工艺因素对铸铁组织性能的影响1）冷却速度的影响a.铸件结构的影响在铸造生产实际中，冷却速度的影响常常通过铸件壁厚、铸型条件以及浇注温度等因素体现出来。图3.15说明铸件壁厚与铸铁组织的关系。从图中可以看出：随着铸件壁厚的减小，铸件的冷却速度增加，铸铁组织中的石墨变得细小，石墨化程度降低，基体中珠光体数量增加且更细密，铁素体数量减少，铸铁的强度、硬度都有所增加，但铸件过薄，易使铸件局部或全部出现白口组织。例如，铸铁炉前检验时常用的三角试片，它的断面组织变化见图3.16。三角试片一端厚，另一端是尖角，试片两端冷却速度相差很大，因而同一铁水浇注后，试样断面上一般就能出现灰口、麻口和白口铸铁的不同组织区域。b.浇注温度的影响浇注温度与冷却速度也有密切的关系，见图3.17。图中实线表示高温tpⅠ浇注时的情况，虚线表示低温tPⅡ浇注时的情况。从图中可以看出：当铸件冷却到结晶温度tK时，高温铁液浇注的铸型已被加热至较高温度tFⅠ，而低温铁液浇注的铸型tFⅡ尚在较低温度。因此铁液在tK温度下进行凝固时，高温浇注的（tK－tFⅠ）温度差却小于低温浇注的（tK－tFⅡ）温度差，故高温浇注有促进石墨化的作用。c.铸型材料的影响铸型材料的不同也能影响铸件的冷却速度，湿砂型冷却速度大于干砂型，干砂型冷却速度又大于预热型。金属型冷却速度更大。有些局部过厚的铸件，为避免过厚的部位组织过粗而影响使用，可放置随形的金属冷铁，以加速该部位的冷却，获得理想的组织。d.铁液的过热和高温静置的影响在一定范围内提高铁液的过热温度，延长高温静置的时间，都会导致铸铁的石墨及基体组织的细化，使铸铁强度提高；进一步提高过热温度，铸铁的成核能力下降，因而使石墨形态变差，甚至出现自由渗碳体，使强度性能反而下降。临界温度：一般认为，普通灰铸铁的临界温度约在1500℃～1550℃。经高温过热的铁液，过热效果便会局部或全部消失。铁液的纯净度提高了，含气量降低了。e.孕育的影响铁液浇注以前，在一定的条件下（过热温度、化学成分、合适的加入方法等），向铁液中加入一定量的物质（称为孕育剂）以改变铁液的凝固过程，改善铸态组织，从而达到提高性能的目的，这种处理方法称为孕育处理。f.炉料的影响遗传性：铁液的主要化学成分不变，更换炉料后，铸铁的组织（石墨化程度、白口倾向以及石墨形态甚至基体组织）都会发生变化，炉料与铸件组织之间的这种关系，习惯上称为炉料的遗传性。消除炉料遗传性的措施有两种：1）提高铁液的过热温度；2）用两种以上的原生铁进行配料，可减弱炉料的遗传性。（7）铸铁的计算1）共晶点碳量考虑各元素对相图中共晶点的影响后，共晶点的实际含碳量，称为共晶点碳量。Cc’%=4.26%-1/3(Si+P)%比较方法:过共晶C%=Cc’%共晶亚共晶例：C3.2,Si1.9Mn0.8P0.12S0.12Cc’%=4.26%-1/3(Si+P)%=Cc’%=4.26%-1/3(1.9+0.12)%=4.26%-0.67%=3.59%因为3.2%3.59%，所以该铸铁是亚共晶例：C3.4,Si2.5Mn0.8P0.15S0.12Cc’%=4.26%-1/3(Si+P)%=Cc’%=4.26%-1/3(2.5+0.15)%=4.26%-0.88%=3.38%因为3.4%3.38%，所以该铸铁是过共晶2）碳当量比较方法:过共晶CE=4.26共晶亚共晶例：C3.2,Si1.9Mn0.8P0.12S0.12CE=C+1/3(Si+P)%=3.2%+1/3(1.9+0.12)%=3.2%+0.67%=3.87%因为3.874.26，所以该铸铁是亚共晶例：C3.4,Si2.5Mn0.8P0.15S0.12CE=C+1/3(Si+P)%=3.4%+1/3(2.5+0.12)%=3.4%+0.88%=4.28%因为4.28%4.26%，所以该铸铁是过共晶3）共晶度比较方法:过共晶Sc=1共晶亚共晶例：C3.2,Si1.9Mn0.8P0.12S0.12Sc=C/4.26-1/3(Si+P)%=3.2%/4.26-1/3(1.9+0.12)%=3.2%/4.26-0.67%=3.2%/3.59%=0.89因为0.891，所以该铸铁是亚共晶例：C3.4,Si2.5Mn0.8P0.15S0.12Sc=C/4.26-1/3(Si+P)%=3.4%/4.26-1/3(2.5.9+0.12)%=3.4%/4.26-0.88%=3.4%/3.38%=1.01因为1.011，所以该铸铁是过共晶例：C2.8,Si1.5Mn1.0P0.08S0.10Sc=C/4.26-1/3(Si+P)%=2.8%/4.26-1/3(1.5+0.08)%=2.8%/4.26-0.53%=2.8%/3.73%=0.75因为0.751，所以该铸铁是亚共晶