六铸铁PPT课件.ppt

第六章铸铁 1 引言 铸铁 碳的质量分数大于2 11 的一系列由Fe C Si组成的合金的总称 为主要成分且在结晶过程中具有共晶转变的多元铁基合金 化学成分 C 2 4 4 0 Si 0 6 3 0 Mn 0 2 1 2 P 0 1 1 2 S 0 008 0 150 有时还特别加入Si Mn Cr Cu等合金元素 以得到特种性能的铸铁 如耐磨 耐热及耐蚀钢 特点 铸造性能优良 熔化加工简单 成本低 耐磨性能 减震性能好 用途 广泛用于机械制造 冶金矿山 石油化工 交通运输等 2 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 3 铸铁泵体 机盖 农机车轮上的零部件 球墨铸铁及灰铸铁齿轮箱体 4 按化学成分普通铸铁合金铸铁强度的不同分低强度铸铁高强度铸铁按金相组织分珠光体铸铁铁素体铸铁工业生产中通常是按照铸铁中碳的存在形式和石墨的形态进行分类的 铸铁的分类 拖拉机箱体 5 碳在铸铁中除了少量溶于基体外 大部分以是石墨或者碳化物的形式存在 根据碳的存在形式及石墨的存在形式 可将铸铁分为 白口铸铁灰铸铁灰口铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁麻口铸铁 铸铁的分类 续 沧州狮子铸于1953年 重40余吨 拖拉机零部件 6 按石墨存在的形式及石墨形态分类 白口铸铁C全部或大部分以化合态的Fe3C形式存在 呈白亮色 灰铸铁C全部或大部分以游离的片状石墨形式存在 断口呈灰色 可锻铸铁C全部或大部分以团絮状石墨形式存在 好的韧性 塑性 球墨铸铁C全部或大部分以游离的球形石墨形式存在 蠕墨铸铁C全部或大部分以游离的蠕虫状石墨形式存在 麻口铸铁灰口 白口铁的混合组织 冷硬铸铁铸铁表面一定深度是全白口组织 心部是灰口组织 成为冷硬组织 7 图6 1铸铁中的石墨形态a 片状石墨b 团絮状石墨c 球状石墨d 蠕虫状石墨 8 6 1铸铁的石墨化及其控制 铸铁 除白口铁外 的组织都是由金属机体和石墨两部分组成的 石墨的形态 大小 数量和分布状态对铸铁的性能有着重要的影响 铸铁的石墨形态和基体组织都与铸铁的石墨化过程有关 9 Fe Fe3C和Fe G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 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 10 一 铁碳合金的双重相图 按Fe Fe3C相图结晶 得到白口铸铁按Fe C相图结晶的为灰口铸铁 实线为Fe Fe3C相图 虚线为Fe G相图 11 二 铸铁的石墨化过程 铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程 石墨既可以直接从液体和奥氏体中析出 也可以通过渗碳体分解获得 灰铸铁 球墨铸铁和蠕墨铸铁中的石墨主要是从液相中通过冷却凝固结晶过程得到 可锻铸铁中的石墨则是由液体通过冷却凝固结晶过程先得到白口组织 然后经过长时间高温退火使渗碳体分解而得到的 按照Fe G相图分析铁液由高温到室温的冷却过程 可以将铸铁的石墨化过程分为以下三个阶段 12 从液体中析出一次石墨 由共晶反应生成共晶石墨 奥氏体中析出二次石墨 由共析反应生成共析石墨 共晶转变阶段 包括共析转变时奥氏体转变为铁素体 石墨 从分析铸铁石墨化过程可知 在冷却凝固过程中 高温液态中的碳可以以游离态石墨或渗碳体两种方式析出 生产实践也表明 用相同化学成分的铁液浇注不同壁厚的铸件时 或采用不同冷速的铸型时可得到不同的组织 高温铸铁按什么方式进行结晶 取决于石墨化过程的热力学和动力学条件 二 铸铁的石墨化过程 续 13 1 热力学条件 1 当液态合金温度 1154 时 FL最低 不发生任何相变 2 1148 液体合金 1154 只能发生L G3 液态合金的温度 1148 虽然能形成莱氏体 但由于液态金属与奥氏体 石墨的自有能差更大 有利于生成 G 铁结晶时 热力学条件对石墨化有利 14 2 动力学条件 当共晶成分液态铸铁合金以较快的冷却速度过冷到1148 时 将发生莱氏体的共晶转变 而不是析出 G两相混合物 这是由于形成石墨与Fe3C的动力学条件不同 1 由液态形成石墨的过程是通过石墨的形核和长大进行的 共晶成分的液态合金的Wc 为4 3 渗碳体为6 67 而石墨为100 相比渗碳体的与液相的浓度差小 石墨需更大的浓度起伏条件 15 因此 从动力学条件看 有利于渗碳体的形成 2 动力学条件 续 2 石墨的形核与长大 不仅需要考虑碳原子的扩散 还需要Fe原子做反向长距离迁移 因Fe原子扩散较慢 故石墨长大困难 渗碳体的长大 主要依赖碳原子的扩散 需要Fe原子做长距离迁移 长大速度快得多 3 从晶体结构看 渗碳体晶体结构比石墨更接近液相 16 三 铸铁石墨化的控制 通过控制铸铁的石墨化过程可以获得所需要的组织和性能 铸铁的石墨化过程受化学成分 熔炼条件及铸造时的冷却条件等一系列因素的影响 其中化学成分和冷却速度是影响组织和性能的主要因素 铸铁中常见的合金元素有 C Si Mn P S五大元素 它们对铸铁的石墨化过程和组织均有较大影响 C Si 强烈促进石墨化 调整其含量可控制铸铁的组织和性能 17 1 化学成分的控制 续 Mn S 阻碍石墨化 Mn溶于Fe3C中 增加Fe与C的结合力 从而阻止石墨化 少量的S就能形成FeS或MnS 以FeS Fe共晶形式分布于晶界 阻碍C原子扩散 S可以降低铁水的流动性 恶化铸件性能 P P能促进石墨化 作用较小 18 按合金元素对石墨化得影响程度的不同 可以将其分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素两大类 促进石墨化的元素依次为Zr Cu Ni Si C Al 阻碍石墨化的元素依次为W Mn Mo S Cr V Fe Mg B等 1 化学成分的控制 续 19 2 冷却速度的影响 冷速快碳原子来不及扩散 有利于形成白口铁 冷速慢有利于按Fe C相图进行结晶 石墨化容易进行 化学成分 铸件壁厚 冷却速度 对铸件组织的影响 铸造时的冷却速度是一个综合因素 它与浇注温度 铸型材料的导热能力以及铸件的壁厚等因素有关 在铸铁生产中 同一铸件的厚壁处易获得灰铸铁组织 而薄壁处易获得白口组织 20 3 石墨的形成及生长机理 片状石墨铸铁的凝固过程就是其初生相和共晶相在铁液中的形核及长大过程 液固相转变结束后 即形成凝固组织 由于铸铁组织具有二重性和形态多样性 使它的凝固过程比较复杂 图6 5石墨的晶体结构 21 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 Si 促进A生长 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 22 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 23 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 24 2 球状G的形成条件 球化剂Mg Ce Ca 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 球状石墨生成的必要条件 球化处理 浇注前加入一定量球化剂 如Mg 铈 镧 钙 稀土 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 25 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 26 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 27 3 蠕虫状石墨 形核机理在向铁液中加蠕化剂 如稀土镁硅合金 稀土镁钙钛铝合金等 后 石墨会以蠕虫状形态析出 蠕墨的形成方式主要有两种 一是有片状石墨转变为蠕墨 二是由球墨畸变长成蠕墨 28 6 2灰铸铁 灰铸铁中石墨呈片状 断口呈灰色 是使用最多的铸铁 占铸铁总量的80 以上 化学成分 灰铸铁的化学成分范围一般为 Wc 2 5 3 6 Wsi 1 1 2 5 WMn 0 6 1 2 Wp 0 15 Ws 0 15 组织特点 组织 片状G 金属基体 F F P P 石墨形态 有A B C D E F6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 29 灰铸铁的显微组织 30 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6 9片状石墨的分布类型 31 二 灰铸铁的孕育处理 由于普通灰铁G片粗大 强度低 从而发展了孕育铸铁 孕育铸铁 在浇铸前向铁水中加入少量可以成为G结晶核心的物质 孕育剂 使铸铁中片状石墨细化 称为孕育处理 经孕育处理的铸铁称为孕育铸铁 孕育剂 Si Fe合金 75 Si Si Ca合金 Si Ca Re合金 Si Ba Ca合金等 硅铁 硅钙 32 孕育铸铁的化学成分一般控制在普通灰铸铁和白口铸铁之间 孕育后形成数量较少 细小且均匀分布在珠光体机体上的片状石墨 孕育铸铁与普通铸铁相比 壁厚敏感性较小 同一铸件不同壁厚处的组织性能均匀一致 强度 硬度和耐磨性以及吸收能量 断后伸长率均得到提高 所以 孕育处理可以应用于动载荷较小 而静载荷强度要求较高的重要零件 如缸体 齿轮及机床铸件等 二 灰铸铁的孕育处理 续 33 三 灰铸铁的牌号 性能及应用 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 灰铸铁的力学性能主要取决于机体组织以及石墨的数量 形态 大小及分布特点 主要有以下四个特点 34 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30 50 表现为 b很低 塑性和韧性几乎为零 35 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 36 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 37 灰铸铁的应用 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 39 四 灰铸铁的熔炼 冲天炉感应电炉冲天炉 感应电炉双联熔炼炉 40 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 热处理的目的主要有消除内应力和白口组织 稳定尺寸 提高工件表面的硬度和耐磨性 灰铸铁常用的热处理有 去应力退火 又称人工时效 消除白口组织退火 正火 表面热处理 41 6 3球墨铸铁 球墨铸铁是将铁液经过球化处理 使片状石墨转化为球状石墨而获得的一种铸铁 最早使用的球化剂是纯镁 我国由于具有丰富的稀土资源 开发了稀土镁球化剂 球墨铸铁应用广泛 其产量仅次于灰铸铁 一 球墨铸铁的成分 组织 性能和用途 成分特点 C 3 6 3 8 Si 2 0 2 8 Mn 0 6 0 8 P 0 1 S 0 07 Mg0 3 0 5 稀土元素 0 02 0 04 42 为避免白口 并使石墨细小均匀 在球化处理同时还进行孕育处理 常用孕育剂为硅铁和硅钙合金 组织特点 基体 F F P P 球状G 43 球墨铸铁的显微组织 44 珠光体基体球墨铸铁金相组织 45 铁素体球墨铸铁金相 46 混合基体球墨铸铁金相组织 47 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 强度是碳钢的70 90 球墨铸铁的突出特点是屈强比 0 2 b 高 约为0 7 0 8 而钢一般只有0 3 0 5 力学性能 应用 承受震动 载荷大的零件 如曲轴 传动齿轮等 48 制品 轧辊与辊环 三 球墨铸铁的熔炼设备与灰铸铁相似 49 曲轴 底盘位置示意图 贝氏体基球墨铸铁 球墨铸铁管道接口 50 四 球墨铸铁的热处理 1 退火高温石墨化退火消除游离渗碳体低温石墨化退火消除共析渗碳体 2 正火高温正火低温正火 3 调质处理获得索氏体为基体的球墨铸铁 4 等温淬火处理得到下B体 少量残余奥氏体 马氏体 球状石墨 5 表面淬火 6 化学热处理氮化 渗硼和渗硫等 51 6 4可锻铸铁 是由白口铁经过退火而制得的一种高强度铸铁 石墨呈团絮状的灰口铸铁 性能优于灰铸铁 耐磨性和减震性优于普通碳素钢 可部分代替碳钢 合金钢和有色金属 可锻铸铁实际并不能锻造加工 只是塑性较好而已 一 可锻铸铁的化学成分及组织 可锻铸铁的化学成分 w 52 化学成分特点是 由于C Si强烈促进石墨化 所以含量不能太高 加少量孕育剂Al Bi 可锻铸铁生产分两个步骤 第一步 先铸造纯白口铸铁 不允许有石墨出现 否则在随后的退火中 碳在已有的石墨上沉淀 得不到团絮状石墨 第二步 进行长时间的石墨化退火处理 将白口铸铁加热到900 960 长时间保温 使共晶渗碳体分解为团絮状石墨 完成第一阶段的石墨化过程 随后以较快的速度得到铁素体或者珠光体基体组织的可锻铸铁 53 两种可锻铸铁的显微组织 54 二 可锻铸铁的牌号 性能及应用 用 可铁 两字汉语拼音的第一个大写字母 KT 表示 其后面的H表示黑心可锻铸铁 Z表示珠光体可锻铸铁 B表示白心可锻铸铁 符号后面的两组数字分别表示其最小的抗拉强度和伸长率 如KTH300 06 KTZ450 06 TB350 04 1 可锻铸铁的牌号 2 可锻铸铁的性能和应用 55 黑心可锻铸铁 将白口铸铁在密封的退火炉中进行热处理 即在中性炉中气氛条件下退火时 共晶渗碳体在高温下分解为团絮状石墨 然后通过不同的热处理工艺 使基体成为铁素体或者珠光体组织 这种可锻铸铁因组织中有石墨存在 所以断面呈暗灰色 在表层因经常有薄的脱碳层而呈亮白色 故称黑心可锻铸铁 白心可锻铸铁 在长期氧化性气氛中退火 发生氧化脱碳得到的 在完全脱碳层即表层为铁素体 心部具有发亮光泽的组织 珠光体 团絮状石墨 其断口颜色表层呈黑绒色 心部白色 故称白心可锻铸铁 56 可锻铸铁的生产 补充 白口铸铁 石墨化退火 可锻铸铁 黑心可锻铸铁 石墨化可锻铸铁 白心可锻铸铁 脱碳可锻铸铁 KTH300 06KTZ450 06KTB350 04 KTH 一 二阶段石墨化充分 F G 表白 脱碳 心黑 团絮G 称黑心 KTZ 一阶段石墨化后快冷 P G 表白 脱碳 心黑 团絮G少 仍称黑心 KTB 一阶段石墨化时间长脱碳气氛下脱碳严重 表白F深 心白P G 团絮G少 统称白心 生产少 57 可锻铸铁的石墨化退火 补充 一般可锻铸铁的退火周期长达60 80h 为了缩短退火周期和提高力学性能 最有效的办法是孕育处理 常用的孕育剂元素是Si B Bi Al等 孕育剂的加入一方面能强烈地阻止液体结晶时的石墨化过程 防止白口铸件中出现片状石墨 另一方面又能在退火过程中形成极大量的石墨化晶核 最终得到具有细小石墨团的可锻铸铁 图可锻铸铁的石墨化退火工艺 58 五 可锻铸铁的性能 组织特点 性能特点 石墨团絮状分布 对基体割裂和破坏少 石墨尖端引起的应力集中小 因而可锻铸铁力学性能比灰铸铁高 接近球墨铸铁 适宜生产形状复杂 薄壁铸件 生产周期长 一般退火周期长达60 80h 工艺复杂 成本高 除了管件及建筑手脚架扣件外 近年来不少传统可锻铸件逐渐被球墨铸件所代替 白心可锻铸铁力学性能差 生产工艺复杂 应用较少 59 用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件 如汽车 拖拉机的前后轮壳 管接头 低压阀门等 可锻铸铁的用途 60 6 5蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是将铁液经过蠕化剂处理后所得到的一种具有蠕虫状石墨组织的铸铁 一 铸铁的化学成分及组织 蠕墨铸铁的成分范围一般为 Wc 3 5 3 9 Wsi 2 1 2 8 WMn 0 4 0 8 Wp 0 1 Ws 0 1 化学成分要求与球墨铸铁相似 即要求高碳 高硅 低硫 低磷 并含有一定量的稀土与镁 在上述成分的铁液中加入适量的蠕化剂进行蠕化处理和孕育剂进行孕育处理 化学成分 61 球墨铸铁的组织特点 图蠕墨铸铁的显微组织 蠕墨铸铁与灰铸铁的不同之处在于 灰铸铁中片状石墨的特征是片长而薄 端部较尖 蠕虫状石墨的特点是石墨片短而厚 端部较钝 组织也是由钢基体 F F P及P 和蠕虫状石墨组成 62 二 蠕墨铸铁的牌号 性能及应用 1 蠕墨铸铁的牌号 用 RuT 表示蠕墨铸铁 后面三位数字表示其最小抗拉强度值 如RuT420表示最小抗拉强度为420MPa的蠕墨铸铁 2 蠕墨铸铁的性能 力学性能介于相同基体组织的灰铸铁和球墨铸铁之间 其强度 韧性 疲劳极限 耐磨性及抗热疲劳性能都比灰铸铁高 接近于铁素体球墨铸铁 导热性 切削加工性 铸造性能及减振性等均优于球墨铸铁 并与灰铸铁相近 因此蠕墨铸铁是一种具有良好综合性能的铸铁 63 由于蠕墨铸铁的综合性能好 组织致密 所以它主要应用在一些经受热循环载荷的铸件 如钢锭模 玻璃模具 柴油机缸盖 排气管 刹车件等 和组织致密零件 如一些液压阀的阀体 各种耐压泵的泵体等 以及一些结构复杂而设计又要求高强度的零件 3 蠕墨铸铁的应用 64 6 6特殊性能铸铁 随着工业的发展 各个领域对于铸铁性能的要求也越来越高 为满足高性能的需求 在铸铁中添加合金元素成为制取高性能铸铁的手段之一 如耐磨钢 耐热钢 耐蚀钢等 这类钢一般被称为特殊性能钢 也成合金铸铁 合金元素的作用主要通过改变铸铁组织而改变其性能 如合金元素促进珠光体形成并细化 提高铸铁强度和硬度 有些合金元素可以促进铁素体形成使铸铁的塑韧性得到改善 或者使铸铁基体得到单一奥氏体组织 合金铸铁的作用 65 用于铸铁的合金的种类很多 他们的作用和用量也不尽相同 有些元素可以单独加入即可有良好的效果 有些则需要集中元素共同加入才能达到改善性能的目的 合金元素对铸铁组织的影响一般发生在两个阶段 凝固阶段 合金元素影响初生奥氏体的生长 共晶转变方式以及共晶相的形态特点 固态相变阶段 即由共晶阶段结束到奥氏体转变完成结束 在这个阶段 合金元素会影响奥氏体的转变速率 转变方式以及所形成的组织特征 66 一 耐磨合金铸铁 耐磨铸铁根据工作条件的不同 可分为减摩铸铁和抗磨铸铁两类 减摩铸铁是在有润滑 受粘着磨损的条件下工作 例如机床导轨和拖板 发动机的缸套和活塞环 各种滑块和轴承等 这类铸铁希望摩擦系数要小 抗磨铸铁是在无润滑 受磨料磨损的条件下工作 例如轧锟 犁铧 抛丸机叶片 球磨机磨球等 这类铸铁眼球摩擦系数要大 67 进一步提高减摩类铸铁的耐磨性的途径主要是合金化和孕育处理 常用的合金元素为Cu Mo 稀土 Mn Si P Cr Ti等 常用的孕育剂为硅铁合金 目前生产中常用的合金减摩铸铁有 高磷铸铁 磷铜钛铸铁 铬钼铜铸铁 铬铜铸铁 钪铜铸铁 铜钪钛铸铁 稀土钪钛铸铁等 1 减摩铸铁 68 通常金相组织应为莱氏体 贝氏体或马氏体 抗磨白口铸铁是在普通白口铸铁的基础上加入适量的Cr Mo Cu W Ni Mn等合金元素形成 抗磨白口铸铁的牌号用汉语拼音字母 KmTB 表示 后面为合金元素及其含量 抗磨铸铁包括普通白口铸铁 高韧性白口铸铁 中锰球磨铸铁 高铬白口铸铁 铬钒钛开口铸铁和激冷铸铁等 2 抗磨铸铁 69 二 耐热铸铁 1 铸铁的耐热性铸铁的耐热性主要是指铸铁在高温