北京大学张铁军机械工程材料.doc

第七章 铸铁与铸钢 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。 7.1 概 述 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。 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. 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。 目前，我国年产铸铁件10000吨以上， 图1、19982009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） 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： Fe3C3Fe+C（石墨） 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。 存在两个铁碳相图： Fe-Fe3C和Fe-G双重相图 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。 石墨化分两个阶段： 在PSK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. 在PSK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。 铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系（以共晶铸铁为例） 3、影响石墨化的因素 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。 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。 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。 耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。 消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。 铸造性能好。由于铸铁硅含量高, 成分接近于共晶. 切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。 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。 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 1 灰铸铁的组织 灰 铸铁 的显 微组 织 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3050%，热处理强化效果不大。 灰铸铁常用的热处理有： 消除内应力退火 又称人工时效 消除白口组织退火 表面淬火 12.9L 6缸蠕铁柴油机缸体（2008，Brazil） 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。 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b200MPa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。 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 DN 2600X 8150 热模法球铁管 （新兴铸管公司生产. 单重14.76吨，壁厚28mm） 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 :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） 135吨机床球铁件 用途 承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。 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。 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Rm600MPa，A3%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 1 球墨铸铁的组织 球墨铸铁的显微组织 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7090，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 s/b 高，约为0.70.8，而钢一般只有0.30.5。 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 3 球墨铸铁的热处理 球墨铸铁的热处理特点是： 奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高; 淬透性比碳钢高; 奥氏体中碳含量可控。 Austempered Ductile Iron 简称ADI ADI是一种具有较高性价比的新型工程材料，等温淬火热处理后有很好的综合性能。与同等韧性的普通球墨铸铁相比，其强度提高一倍，与合金钢相当，但其弹性模量最低20%（减少接触应力），且减震性及抗磨性好等许多优点，发展很快，应用范围逐步扩大，产量不断增加，2007年世界产量已近30万吨，其中美国最多，达20万吨，欧洲2.5万吨，中国约7万吨；去年我国ADI年产量约8万吨，约占世界年产量50万吨的1/61/5； 我国所生产的ADI铸件中，要求不高的抗磨件如磨球、衬板、锤头等占35%，重型卡车底盘上悬挂件、支架件、拖钩件等零件、铁路机车衬套、支架、垫板、风镐缸体、榨油机榨螺，小型柴油机曲轴、凸轮轴等一般机械承载件占50%，精度要求较高的齿轮和增压发动机曲轴等不到5%。 在北美和欧洲ADI应用市场中，汽车占了主要位置，约占ADI总量的50%以上，特别是重卡的底盘零件，应用很多。美国每辆重卡至少有500公斤以上的ADI零件；欧洲ADI在风力发电零件和工程机械上的应用取得较大进展。 ADI取代原球墨铸铁件、铸钢件、锻钢焊接件和某些铝合金件，在载重汽车、小轿车、柴油机、建筑机械、铁路（机车）、农业机械、闸门工程等领域得到越来越多的应用，用来制造曲轴、齿轮、齿轮架、钢板弹簧支架、支撑座、衬套、发动机固定支架、连杆、缸体、风镐机头、万向连轴节、闸瓦、火车斜楔、销套、磨耗板、汽车轮毂等要求高强度、耐冲击、耐磨和有疲劳性能要求的零件。 7.4蠕墨铸铁 国外（主要是欧洲）每年生产大约50万台内燃机用的缸体、缸盖等蠕铁件，重量约10万吨，约占欧洲蠕铁产量的2/3，其余是钢锭模、排气管、支架、飞轮、制动毂、液压阀等。在欧洲，柴油发动机的比例比较高，约占50% 四、蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁. 蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的