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第7章铸铁 一般情况下 铸铁的抗拉强度低 塑性和韧性差 但由于铸铁的生产成本低 所用设备和工艺简单 而且有优良的铸造性能 良好的切削加工性 减震性 耐磨性等 因此广泛用于现代工业中 机床中铸铁件约占60 90 汽车约占50 70 碳在铸铁中常以两种形式存在 一种是以化合状态的渗碳体 Fe3C 它主要形成白口铸铁 这种铸铁用量少 另一种是游离状态的石墨 常用G表示 由于石墨形态的不同而产生各种铸铁 它们的用量最多 7 1铸铁的石墨化和分类7 1 1铁碳合金的双重相图 铸铁中碳原子的析出 并形成石墨的过程称为石墨化过程 石墨的结构和组织对铸铁的性能有很大影响 铸铁是具有共晶转变的铁碳合金 其含碳量在2 14 6 69 当液态铸铁在冷却时 随着冷却条件的不同 可以从液态中和A中直接结晶出Fe3C 又可直接结晶出石墨 冷却速度较快 结晶出Fe3C 冷却速度较慢结晶出石墨 7 1 1铁碳合金的双重相图 对于Fe C合金的结晶来说 实际上存在着两种相图 即Fe Fe3C相图 虚线表示 Fe G相图 实线表示 随化学成分和冷却速度的不同 铁碳合金液态结晶后各阶段石墨化程度不同 一般可得到F G F P G P G 7 1 2铸铁石墨化的条件 铸铁石墨化的条件 一定成分的铸铁液 当结晶过冷度比较小 冷速非常缓慢 从液态铸铁中可以直接结晶出石墨 实践证明 铸铁的化学成分与结晶时的冷却速度是影响石墨化的主要因素 7 1 2铸铁石墨化的条件 根据铁碳合金双重相图和结晶条件不同 铸铁结晶石墨化分三个阶段第一阶段从液态中直接结晶出一次石墨和通过共晶反应而形成的共晶石墨 也即从液态中生成石墨第二阶段从铸铁的奥氏体A中析出二次石墨第三阶段通过共析反应 形成石墨 所形成的石墨量少 7 1 2铸铁石墨化的条件 Fe3C的含碳量为6 69 而石墨G则是100 因此从液态合金中结晶出Fe3C比G更容易 因为它不需要碳原子作更大的移动和聚集 所以一般冷速下都是形成Fe3C 铁液冷却较慢 铸铁中含促进石墨化元素较多 则铸铁中的碳将会以石墨的形式存在 7 1 3影响石墨化的因素 化学成分C和Si是强烈促进石墨化元素冷却速度冷速越慢 越有利于石墨化 而快冷 则阻止石墨化 7 1 4铸铁的分类 根据铸铁在结晶过程中的石墨化程度和碳在铸铁中存在不同的形式 分为以下几类灰口铸铁在第一和第二阶段石墨化过程中都得到充分石墨化的铸铁 其断口呈灰色 故称为灰口铸铁 具有良好的切削加工性能 无低温莱氏体组织 白口铸铁第一 第二和第三阶段的石墨化全部被抑制 铸铁组织中的碳以Fe3C形式存在 全部为低温莱氏体组织 其断口呈白亮色 故称为白口铸铁 硬而脆 比较难切削加工 工业上很少用 麻口铸铁在第一阶段的石墨化过程中没有得到充分石墨化的铸铁 其织介于灰口与白口之间 断口有黑白相间的麻点 含有不同数量的低温莱氏体 也有很大的脆性 工业上很少用 有部分低温莱氏体组织和部分石墨 7 1 4铸铁的分类 根据铸铁中石墨结晶形态不同 可将铸铁分以下几种灰口铸铁 钢组织基体 片状石墨 球墨铸铁 钢组织基体 球状石墨 蠕墨铸铁 钢组织基体 蠕虫状石墨 可锻铸铁 钢组织基体 团絮状石墨 铸铁分类表 7 1 4铸铁的分类 铸铁的基体有F 铁素体 P 珠光体 和F P 铁素体 珠光体 三种 7 1 4铸铁的分类 铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系 共晶铸铁为例 7 1 4铸铁的分类 石墨石墨强度和塑性很低 硬度也很低 因此石墨的存在 对铸铁的抗拉强度造成危害 石墨形状不同 对铸铁造成的危害也不同 一般情况下 从液态铸铁中结晶出来的石墨均呈片状 层与层之间的结合力较弱 容易分离 生产上常在浇注前向铸铁水中加入孕育剂 Si铁 Si Ca合金 表面活性元素 Mg等 和利用冷却速度来调整和控制石墨的生核率和改变石墨的形态 7 2灰口铸铁 铸铁组织中的石墨形态呈片状 称为灰铸铁 广称为灰口铸铁 占铸铁总量的75 以上 这种铸铁性能不太高 但生产工艺简单 成本低 价格低 故在工业上应用广泛 主要用于中等负荷的结构件 复杂形状的薄壁件及润滑条件下的受磨件 7 2 1灰口铸铁的牌号和化学成分 国家标准规定灰口铸铁牌号 HT 是 灰铁 二字汉语拼音的第一个字母 后面的数字为最小抗拉强度 MPa 例如 HT100HT150HT250灰口铸铁按其中石墨片的粗细不同 可分为普通灰口铸铁和孕育铸铁普通灰口铸铁的基体主要有 F P F P三种 F灰口铸铁的强度及硬度低 很少应用 多数用F P P组织 灰铸铁的显微组织 7 2 1灰口铸铁的牌号和化学成分 由于有片状石墨的存在 灰口铸铁脆性大 抗压强度是抗拉强度的3 4倍 有相当数量的磷存在 一方面加大脆性 另一方面有利于耐磨 灰口铸铁的耐蚀性在很多环境下均优于碳钢 在城市建设中 灰口铸铁制造水管道系统寿命可达百年以上 7 2 2灰口铸铁的孕育处理 普通灰口铸铁主要缺点石墨片粗大 强度低 塑性差 在铸件的薄截面处可能白口化 而在厚截面处可能出现粗大的石墨 使铸件各部分机械性能不一致 为改善和提高灰口铸铁的性能 在浇注前向灰口铸铁铁水中加入少量的孕育剂 Si铁或Si Ca合金 进行孕育处理 产生大量人工形核 以改变石墨片的大小 数量 形状和分布善 获得均匀的P类型基体分布着细小片状石墨的灰口铸铁 这种铸铁称为孕育铸铁或变质铸铁孕育铸铁的塑性和韧性虽然有所提高 但由于石墨仍为片状 所以其塑性和韧性仍然较低 7 2 2灰口铸铁的孕育处理 HT250以上的灰口铸铁均属于孕育铸铁 HT300HT350 孕育铸铁适用于要求强度 耐磨性较高的铸件 特别是薄厚不一的大型铸件 例如机床床身 发动机缸体 7 2 3灰口铸铁的热处理 热处理不能改变石墨的形状和分布 对提高灰口铸铁的机械性能作用不大 但它可以消除内应力和改善切削加工性能 消除内应力退火 又称人工时效 铸件各部位由于薄厚均匀 冷却时容易产生较大的内应力 容易开裂和变形 对于形状复杂和要求较高的铸件 如机床床身 柴油机缸体 需要消除内应力 一般选用加热温度500 550 保温一定时间后冷却150 200 再空冷 消除铸件白口 改善切削加工性的退火灰口铸铁件表层和薄壁处 由于冷速快 容易形成白口组织 难以切削加工 需要退火 加热到850 900 保温使渗碳体分解成石墨 又称为高温退火 冷却250 400 再空冷 7 2 3灰口铸铁的热处理 表面淬火灰口铸铁有时需要提高表面硬度和耐磨性 比如机床导轨 缸体内壁等 常用高频表面淬火 火焰表面淬火和电接触表面淬火等 淬火后表面硬度可达50 55HRc 组织晶粒越细 淬火后表面硬度越高 7 2 4灰口铸铁的特性和用途 见教材表7 3 7 3球墨铸铁 铸铁组织中的石墨形态呈球状 称为球墨铸铁 是20世纪50年代发展起来的优良铸铁 其特点是在钢的基体上分布着球状石墨 其综合性能接近于钢 又保持良好的铸造性能 生产方便 在工业部门应用广泛 在一定条件下可代替碳钢和合金钢的铸件 7 3 1球墨铸铁的牌号和化学成分 国家标准规定球墨铸铁牌号 QT 是 球铁 二字汉语拼音的第一个字母 后面的数字分别表示为最低抗拉强度 MPa 和最低延伸率 例如 QT400 18QT450 10QT900 2球墨铸铁的机械性能好 强度提高 同时其塑性和韧性也有较大的改善 接近与它相应基体组织的铸钢 同时 保留灰口铸铁的一些优点 如消振 耐磨 切削加工性和铸造流动性较好 7 3 2球化处理 球墨铸铁生产中 能使石墨结晶成球状的物质称为球化剂 将球化剂加入铁液的处理过程称为球化处理 目前我国常用的球化剂有稀土镁合金和纯镁球化处理时必须进行孕育处理球化处理时 铁液镁及稀土元素的加入会强烈地阻止石墨化 易出现白口 为了消除这一倾向 必须立即进行孕育处理 孕育剂多采用硅铁 还加入少量的硅钙或铝 7 3 3球墨铸铁的热处理 退火 降低硬度 提高塑性和韧性 高温退火 退火前的组织物为F P Fe3C G 由于球墨铸铁的白口倾向大 在铸态组织内常有自由渗碳体 高温退火把自由渗碳体进行分解 获得铁素体和石墨 F G 加热至900 950 保温 随炉冷至600 出炉空冷 获得组织为铁素体基体上分布着球状石墨 F G 低温退火 退火前的组织物为F P G 球墨铸铁一般都有铁素体和珠光体 为了获得较高的塑性和韧性 必须对珠光体中的渗碳体分解 加热至720 760 随炉冷至600 保温 出炉空冷 获得组织为铁素体基体上分布着球状石墨 F G 消除内应力退火加热至500 600 保温 缓冷后出炉空冷 对铸体的力学性能影响不大 7 3 3球墨铸铁的热处理 正火 增加珠光体数量并细化 提高强度和耐磨性 高温正火 A化正火 加热至880 920 保温 出炉空冷 强度较高低温正火 不完全A化正火 加热至840 860 保温 出炉空冷 强度比高温正火略低 但塑性和韧性较高球墨铸铁正火后有较大内应力 故在正火后还要去应力退火 7 3 3球墨铸铁的热处理 调质处理 对于受力比较复杂 要求综合机械性较好的小尺寸球墨铸铁件 加热至860 900 保温后油冷 再在550 600 回火2 4小时 获得S回 等温淬火 要求机械性能较高 且外形又较复杂 热处理易变形或开裂的零件 加热至860 900 保温 迅速移至250 300 的盐浴中等温 使之转变为下贝氏体 不再回火 其组织是在下贝氏体基体上分布着球状石墨 强度 硬度和韧性均较好 7 3 4球墨铸铁的特征和性能 球墨铸铁的球状石墨使其机械性能有了提高 其抗拉强度可与中碳钢相媲美 弯曲疲劳强度也有改善 还有良好的塑性和韧性 通过合金化和热处理还可使它的性能得到进一步改善和提高 在生产上已用球墨铸铁代替中碳钢及中碳合金钢 如45钢 42CrMo钢等 仅球光体球墨铸铁就常用于制造曲轴 连杆 凸轮轴 机床主轴等 教材表7 5 球墨铸铁的特性和用途举例 7 4蠕墨铸铁 铸铁组织中的石墨形态呈蠕虫状 称为蠕墨铸铁 是20世纪60年代开始研究和应用的一种新型铸铁 我国已有很多单位生产多种蠕墨铸铁 标志着我国蠕墨铸铁的发展时入一个新阶段 蠕墨铸铁强度和塑性介于灰口铸铁和球墨铸铁之间 铸造性 耐热疲劳性比球墨铸铁好 因此可用来制造大型复杂的铸件 以及在较大温度梯度下工作的铸件 7 4 1蠕墨铸铁的牌号和化学成分 国家标准规定蠕墨铸铁牌号 RuT 是 蠕铁 二字汉语拼音的第一个字母 后面的数字分别表示为最低抗拉强度 MPa 例如 RuT420球墨铸铁的化学成分成球墨铸铁相近 7 4 2蠕墨化处理 在浇注灰口铸铁前向铁水中加入一定量的蠕化剂 Mg Ca Ti和Re铼 和少量的孕育剂 Si铁或Si Ca合金等 其作用是使石墨的长厚变小 其形状介于片状石墨和球状石墨之间 即石墨变短而粗 且尖角变钝 呈弯曲状 外形似蠕虫 故称为蠕状石墨 常用的孕育剂为Si铁 其作用是避免白口化 促进石墨生成 蠕墨铸铁中的石墨一般约为70 80 为蠕虫石墨 其余为球状石墨组成 7 4 3蠕墨铸铁的性能特点和应用 蠕墨铸铁性能介于灰口铸铁和球墨铸铁之间 蠕墨铸铁抗拉强度 延伸率 弯曲疲劳强度等均优于灰口铸铁 而接近于铁素体球墨铸铁蠕墨铸铁断面敏感性较普通灰口铸铁小得多蠕墨铸铁导热性和抗热疲劳性比球墨铸铁高 蠕墨铸铁减振性比球墨铸铁好 但不如灰口铸铁蠕墨铸铁加工性和铸造性优于球墨铸铁 接近于灰口铸铁 7 4 3蠕墨铸铁的性能特点和应用 蠕墨铸铁常用于制造在热循环载荷条件下工作的零件 如钢锭模 玻璃汽缸 柴油机汽缸 排气管 也用于制造结构复杂的高强度铸件 如液压阀的阀体和耐压泵的泵体 7 5可锻铸铁 铸铁组织中的石墨形态为团絮状或雪花状 称为可锻铸铁 具有较高的强度 并有一定的塑性和韧性 其机械性能比普通灰口铸铁高 可锻铸铁的塑性和韧性虽然比灰口铸铁高 名称虽然为可锻铸铁 但实际上并不可锻造 可锻铸铁生产工艺较复杂 成本高 不少的可锻铸铁已被球墨铸铁所代替 7 5 1可锻铸铁的牌号和化学成分 国家标准规定可锻墨铸铁牌号 KT 是 可铁 二字汉语拼音的第一个字母 可锻铸体分为三种 KTH 表示黑心可锻铸铁 KTZ 表示珠光体可锻铸体 KTB 表示为白心可锻铸铁 其中白心可锻铸铁由于生产工艺复杂 而且性能和黑心可锻铸铁差不多 故很少应用 KTH 和 KTZ 后面的数字分别表示最低抗拉强度和延伸率 KTH330 08HTZ700 02 7 5 2可锻铸铁的石墨化 获得可锻铸铁必须经过两个步骤 首先是浇铸成白口铸铁 不允许有石墨出现 否则在随后的退火处理过程中 由Fe3C分解的石墨将沿着已有的石墨片析出并长大 得不到团絮状石墨 为保证通常冷却条件下获得完全的白口铸铁 必须使铸铁的成分有较低的碳和硅 其次 要进行长时间的石墨化退火处理 以获得可锻铸铁 7 5 2可锻铸铁的石墨化 可锻铸铁石墨化退火工艺图 首先把白口铸铁加热到900 1000 并长时间保温 使Fe3C分解为A和G 团絮状 然后慢冷过程中 从A中不断析出二次G 并附在团絮状的石墨上 使石墨长大 当冷却至共析转变温度时 A又分解为F和G 团絮状 得到的是F G 团絮状 称为黑心可锻铸铁 若冷至共析转变温度时冷却速度较快时 则A转变为P和G 团絮状 得到P G 团絮状 称珠光体可锻铸铁 若将白口铸铁放在氧化性介质中退火 得到白心可锻铸铁 很少使用 7 5 3可锻铸铁的特性和用途 可锻铸铁的性能优于灰口铸铁 接近于同类基体的球墨铸铁 经过长时间退火处理 组织和性能均匀 且具有良好的切削性能 通常用于铸造形状复杂受动载荷薄壁件 这种薄壁件若采用灰口铸铁不能满足韧性要求 若采用铸钢 则铸造性能不利 可锻铸铁性能