金属材料学 第7章 铸铁.ppt

第7章 铸铁,铸铁是指含碳量大于2.14%或组织中具有共晶 组织的铁碳合金。实际上是以铁-碳-硅为主的多 元合金。如再加入铝、铬、锰、铜等元素,则是 各种特殊性能铸铁.,铸铁可分为以下几类：灰口铸铁，球墨铸铁， 蠕墨铸铁，可锻铸铁，白口铸铁等,上图 沧州铁狮子 铸于953年，重40余吨。 右图 当阳铁塔 铸于1061年，八棱13层， 塔体分段铸造,中国曾发现陨铁制兵器3件,2件被盗卖至美国,7.1 铸铁石墨化及影响因素,1 铸铁的石墨化过程 渗碳体是介稳定相，而石墨才是稳定相。 热力学条件：有利于石墨化的过程 动力学条件：主要有成分起伏、结构起伏和 原子扩散.有利于渗碳体的形成. 为了使G化进行,可人为地改变热力学和动力 学条件.,图 铁碳双重相图（G石墨， Fe3C渗碳体）,成分起伏,L 4.3%C,Fe3C（6.67%C）+ A,G（100%C）+ A,结构起伏,L（或-Fe） Fe、C并存(面心),Fe3C （复杂斜方结构）,G （六角形层状结构）,比较接近,浓度差小,原子扩散,G长大，不但要C原子扩散集中，而 且Fe原子要从G生长前沿逆向扩散。 而Fe3C长大只要C扩散，Fe原子局部 移动即可。G长大较难。,有利于Fe3C长大,2、影响铸态组织的因素 （1）化学成分的影响,C Si,C和Si是基本成分，是G元素。石墨来源 于C。Si含量一般在0.83.5%之间，Si的加入对 Fe-G相图发生变化。,Si 作 用, 共晶点和共析点碳量随硅含量的而； 使共晶和共析转变在一温度范围内进行； 共晶和共析温度。共析温度提高更 多，大约每1 Si ，可使共析温度28； Si促进铸铁石墨化的作用相当于1/3C。,G化，1/3C作用。0.2%后，出现硬脆Fe3P， 呈孤立、细小、均匀分布时，可耐磨性。若粗大 连续网状分布，将强度，铸件脆性。 除在耐磨铸铁中可达0.51.0%外，在普通铸铁中 都作为杂质，通常灰铁中P含量控制在0.2%。,G化；Mn能与S结合生成MnS，削弱硫的有害 作用。铸铁中含锰量一般在0.51.4%范围内，如要 获得铁素体基体，含锰量应取下限。,P,Mn,白口；铁水流动性，恶化铸造性；形成FeS， 分布晶界，使铸铁变脆。S是有害元素，其含量应 尽量低，一般将S限制在0.15%以下,S,促进石墨化元素,阻碍石墨化元素,+ Al、C、Si、Ni、Cu,W、Mn、Mo、S、Cr、Fe、Mg ,（2）冷却速度的影响,化学成分选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，可以 在很大范围内改变铸态组织。V冷越缓慢，越有利于按 Fe-C状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段G化，通 常情况下，共析阶段的G化难以完全进行,在生产中，铸件冷却速度是一个综合因素，它与浇 注温度、铸型条件以及铸件壁厚均有关系。同一铸件不 同壁厚处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效 应。铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁厚铸件， 可调整化学成分来保证获得所需组织.,G化过程可分为两个阶段：发生在PSK线以上的G 化为第一阶段；发生在PSK线以下的G化为第二阶段， 实际是以共析线为界。第一阶段G化决定G形态,第二阶段G 化决定基体组织. 石墨化阶段与组织 第一阶段 第二阶段 组织 铸铁名称 完全进行 完全进行 F+G 不同基体的灰 部分进行 F+P+G 铁、球铁、蠕铁、 未进行 P+G 可锻铁 部分进行 未进行 Ld+P+G 麻口铸铁 未进行 未进行 Ld 白口铸铁,7.2 石墨的形成及生长 1、片状石墨的生长方式,内 在 因 素,G为六方点阵层状结构。层面原子间距小，较 强共价键结合，层间C原子间距较大，原子作用 力弱。层面方向生长速度就大，石墨是在与铁 水相接触的条件下以片状方式生长的。,外 在 因 素,G形成会导致周围铁水C浓度,凝固点生成 包围G片的A体壳。但G片端生长速度超过A结晶速 度, G片端总是和铁水直接接触。,石墨晶体结构,片状石墨生长机理,如G片向两侧加厚生长，须依靠C从铁水中先扩散到A层 再扩散到G；而Fe还必须向A层外作反方向扩散，显然是较 难的G片增厚是较慢的.最后形成了立体花朵状,球状石墨内部的年轮状结构,球状石墨的结构示意图,2、球状G的形成过程 （1）球状石墨的结构,G呈多边形轮廓，内部呈放射 状。中心是G核心。球面是单 晶体锥形G（0001）底面.,(2) 球状G的形成条件,球化剂 Mg/Ce/ Y/La等,铁液的过冷度,球化剂与铁液中氧、硫发生反应，含 氧、硫量，铁液表面张力， 铁液/石 墨间的界面张力,球化处理: 浇注前加入一定量球化剂,如稀土-硅铁-镁系等 孕育处理: 加入高硅铁，获得很多的非自发晶核，细化G,(3) 球状石墨的形核机理,G都是从铁水中直接析出的。球状G的形核 以硫化物及氧化物夹杂微粒作为结晶中心。,螺旋位错理论:由于螺旋位错存在，碳原子 优先在晶体表面造成的螺旋台阶旋出口作为开 始生长的最有利位置。理想情况下晶体将长成 一个近似球状的多面体，形成年轮状结构。 生长机理,有许多学说,难以完美解释.,(4) 球状石墨的生长机理,图 球状石墨晶体生长示意图 a)0001方向生长；b)长成球状多面体,7.3 灰铸铁,牌号 意义,有HT100、HT150、HT200、HT250、 HT300、HT350六个国家标准牌号。 “HT”表示“灰铁” ，后面的数字表示抗 拉强度（不低于, MPa）,组织：片状G+ 金属基体（F，F+P，P）。 石墨形态:有A、B、C、D、E、F 6种类型， 其中A型最好。经孕育处理的灰铸铁为孕育铸 铁。实际生产，大部分铸铁都经过孕育处理. 孕育处理目的 ?,1、灰铸铁组织特点,（a）A型石墨,(b)B型石墨,(c) C型石墨,(d)D型石墨,(e) D型石墨,(f) F型石墨,图 片状石墨的分布类型,2、灰铸铁性能及热处理 （1）抗拉强度低、塑韧性很差,G相当于空洞 有效截面积,G片端似裂口 应力集中,基体强度不能充分 发挥，其强度利用率 仅3050%，表现为 b很低，塑性和韧 性几乎为零,（2）缺口敏感性小, 可切削性好,大量G相当于已经存在了许多缺口,工件的人 为缺口就不太敏感了。 G在机加工时可以起到 断屑和对刀具润滑作用可切削性是优良的,（3）良好的铸造性,灰铁成分接近共晶点，铁水流动性好，可铸 造出形状复杂零件。且不易形成缩孔和缩松， 能获得较致密的铸件。,（4）良好的减震性和减摩性,灰铁内部存在大量片状G，它割裂基体，破 坏连续性，阻止振动传播，并能转化为热能而 发散，因而灰铁具有很好的减振性。 常用于机床底座,效果很好.,一方面G本身是良好的润滑剂，另一方面G 脱落后的显微“口袋”,可以储存润滑油和收集微 小麿粒,因此具有良好的减摩性。如机床导轨,7.4 球墨铸铁,牌号 意义,例如QT400-15，QT为球铁代号，400 表示抗拉强度不低于400MPa，15表示 伸长率不低于15%。,组织：球状G + 金属基体（F，F+P，P，S回， B下等）。球状G孤立分布，理想的是 “小、匀、 圆、适量”。,1、球铁组织与性能,表 球墨铸铁的力学性能,注意 不小于,球状G应力集中 基体的缩减作用 割裂基体作用,球铁基体的利用 率可大大提高，达 到7090。,对灰口铸铁来说，主要的矛盾是片状G， 改变基体组织无明显作用。当G变为球状 时，矛盾的主要方面发生了变化，基体成为 决定性的主导因素，基体性能可得到较大的 发挥。,退火球铁组织 铁素体 + 球状石墨,铸态球铁组织(“牛眼”状) 珠光体+铁素体+球状石墨,2、 球墨铸铁的热处理特点,（1）共析转变不是在恒定的温度下进行，而是在 一个较宽的温度范围内进行(下图),改变热处理 T和t,不同比例的F 和P基体组织,较大幅度地调整铸 铁的力学性能,图 Fe-C-Si三元合金状态图变温截面 a)含2.4%Si b)含4.8%Si,（2）奥氏体含C量可在较宽范围内变化,石墨是C的“仓库”,既可在高温时”输出给奥 氏体,也可在冷却时容纳奥氏体中析出的C,（3）G参与相变,但一般不能改变G形状与分布,（4）一般热处理工艺方法基本上可采用,3、球墨铸铁的热处理,（1）消除内应力退火 （2）高温石墨化退火 消除游离渗碳体 （3）低温石墨化退火 消除共析渗碳体 （4）正火处理和调质处理 获得珠光体的组 织和提高珠光体的分散度 （5）等温淬火处理 得到B体或AB体基体 组织。提高综合机械性能 （6）表面淬火 （7）化学热处理 氮化、渗硼和渗硫等,本章小结,铸铁中G参与相变过程，但热处理不能改 变石墨形态和分布。石墨形状、大小、数量、 分布影响了铸铁基体性能的发挥程度， 基本 上决定了铸铁宏观力学性能。从片状石墨到球 状石墨，使铸铁中石墨和基体的组织配合发生 了质的变化。,不同类型G形成主要取决于成分和冷却速度,球墨铸铁基体的性能可得到较大的利用， 钢的各种热处理强化工艺基本上都可以在球 墨铸铁中应用。不同类型铸铁有不同用途， 根据零部件的工作条件和技术要求，可合理 地选择铸铁类型及其处理工艺。通过成分组 织和工艺的特殊设计，可得到相应的耐热、 耐磨、耐蚀等特种铸铁。,铸铁中心问题： G形状、大小、数量、分布,石墨化过程 决定G形态 决定基体,热力学,自由焓 有利于石墨化,动力学,成分、结构、扩散有利于Fe3C析出,影响因素,化学成分 C、Si促进石墨化；Mn、S阻止石墨化,冷却速度 薄壁表面易白口。壁厚敏感性，性