工程材料与热加工技术第6章.ppt

第6章铸铁 6 1铸铁的分类及石墨化6 2常用铸铁知识窗 合金铸自测习题 6 1铸铁的分类及石墨化 6 1 1铸铁的分类铸铁的种类很多 根据铸铁中碳的存在形式不同 铸铁可分为以下几种 1 白口铸铁 指碳主要以游离碳化物形式出现的铸铁 断口呈白色 故称为白口铸铁 因为白口铸铁硬度高 脆性大 难切削 所以很少用来制造机械零件 工业中应用较少 2 麻口铸铁 碳部分以游离碳化物 部分以石墨形式出现的铸铁 断口呈灰白相间 故称麻口铸铁 因其硬度高 脆性大 工业中很少应用 3 灰口铸铁 指碳主要以石墨形式出现的铸铁 断口呈灰色 故称为灰口铸铁 根据石墨形态不同 灰口铸铁又分为以下几类 灰口铸铁 碳主要以片状石墨形式出现的铸铁 可锻铸铁 碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁 球墨铸铁 碳主要以球状石墨形式出现的铸铁 蠕墨铸铁 碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁 6 1 2铸铁的石墨化1 铸铁的石墨化在铁碳合金中 碳主要有两种存在形式 一是渗碳体 其碳的质量分数为6 69 二是自由状态的石墨 用符号G表示 其碳的质量分数为100 渗碳体在高温下进行长时间加热时 可分解为铁和石墨 即Fe3C 3Fe G 这说明渗碳体是一种亚稳定相 而石墨是一种稳定相 石墨的晶格类型为简单六方晶格 如图6 1所示 层面的碳原子间距为1 42 10 10m 两层面之间的间距为3 40 10 10m 其层面间距较大 结合力弱 因此 石墨受力时容易沿层面间滑动 故其强度 塑性和韧性都很低 接近于零 硬度只有3HBS 其结晶形态容易形成片状 图6 1石墨的晶体结构 当铸铁以极缓慢速度冷却时 碳以石墨析出 冷却速度快时就会析出渗碳体 铸铁中石墨的形成称为铸铁的石墨化 铸铁冷却析出石墨得到的相图称为Fe G相图 通常将Fe Fe3C和Fe G相图画在一起 就成为铁碳合金双重相图 如图6 2所示 图6 2铁碳合金双重相图 石墨化过程可以分为以下三个阶段 第一阶段石墨化是指从液态中析出石墨 主要指共晶石墨G晶 即LC AE G晶 这个阶段石墨是在高温下析出的 原子扩散能力强 容易析出 中间阶段石墨化是指奥氏体冷却时析出的二次石墨G 即AE AS G 第二阶段石墨化是指共析转变奥氏体转变为铁素体和共析石墨G析 即AS FP G析 这个阶段由于温度较低 就需要更长的时间 如果冷却快就会得到珠光体 即AS P FP Fe3G析 石墨化过程进行的程度不同 铸铁将获得不同的组织 石墨化完全进行 铸铁将获得铁素体 F 石墨 G 组织 如果第二阶段石墨化受到阻碍 就将获得铁素体 F 珠光体 P 石墨 G 组织 第二阶段完全受阻 将得到珠光体 P 石墨 G 组织 2 影响铸铁石墨化的因素 1 化学成分的影响 化学成分是影响石墨化过程的主要因素 碳和硅都是强烈促进石墨化的元素 铸铁中碳和硅的质量分数越大 石墨化越容易 但铸铁中碳和硅的质量分数过大会使石墨数量增多并粗化 从而导致铸铁力学性能下降 磷也是促进石墨化的元素 但其作用较弱 磷在铸铁中会增加铸铁的硬度和脆性 但能改善铸铁的铸造性能 硫是强烈阻碍石墨化的元素 且会降低铸铁的铸造性能 锰也是阻碍石墨化的元素 但其作用较弱 锰会减弱硫对石墨化的有害作用 2 冷却速度的影响 冷却速度是影响石墨化过程的工艺因素 冷却速度快 碳原子扩散不充分 石墨化难以充分进行 铸铁容易产生白口铸铁组织 冷却速度慢 碳原子扩散充分 有利于石墨化过程充分进行 铸铁容易获得灰口铸铁组织 冷却速度受造型材料 铸造方法 铸件壁厚等因素的影响 例如 薄壁铸件在成型过程中冷却速度快 容易产生白口铸铁组织 厚壁铸件在成型过程中冷却速度慢 容易获得灰口铸铁组织 图6 3化学成分和壁厚对石墨化的影响 6 2常用铸铁 6 2 1灰口铸铁1 灰口铸铁的化学成分 组织和性能1 化学成分灰口铸铁的化学成分一般为 wC 2 5 4 0 wSi 1 0 2 5 wMn 0 5 1 4 wS 0 15 wP 0 3 2 组织由于石墨化程度的不同 灰口铸铁的组织有三种类型 铁素体 F 片状石墨 G 铁素体 F 珠光体 P 片状石墨 G 珠光体 P 片状石墨 G 铁素体灰口铸铁的显微组织见图6 4 图6 4铁素体灰口铸铁显微组织 3 性能灰口铸铁的性能主要取决于基体的性能和石墨的数量 形状 大小及分布状况 当石墨的状态相同时 基体中的珠光体越多 灰口铸铁的强度越高 石墨对灰口铸铁的性能起着决定性作用 是导致灰铸铁抗拉强度低 塑性和韧性差的主要原因 由于石墨本身的强度 硬度和塑性都很低 因此灰口铸铁中存在的石墨就相当于在钢的基体上分布了大量的孔洞和裂缝 割裂了基体组织的连续性 减小了基体的有效承载面积 当基体组织相同时 灰口铸铁中片状石墨愈多 愈粗大 分布愈不均匀 则其强度 塑性和韧性就愈低 值得注意的是 铸件在承受压应力时 由于石墨的有害作用减小 故灰口铸铁的抗压强度与钢相近 石墨虽然降低了灰口铸铁的力学性能 但却使灰口铸铁获得了许多钢所不及的优良性能 归纳起来有以下几个方面 1 良好的铸造性能 灰口铸铁熔点较低 流动性好 铸件在凝固过程中析出比容较大的石墨 减小了收缩率 故灰口铸铁具有良好的铸造性能 2 良好的减震性 由于石墨松软 能阻止震动的传播 因此灰口铸铁具有良好的减震性 灰口铸铁的减震能力约是钢的数倍 因此 灰口铸铁广泛用于制造机床床身 机器底座等 3 较低的缺口敏感性 灰口铸铁中由于石墨的存在 就相当于零件上存在很多小的缺口 因而使加工形成的缺口作用降低 故灰口铸铁具有较低的缺口敏感性 4 良好的切削加工性 灰口铸铁在进行切削加工时 石墨起着减摩和断屑作用 刀具磨损小 故灰口铸铁切削加工性能好 5 良好的减摩性 由于石墨本身的润滑作用 以及它从铸铁表面脱落后留下的孔洞具有储存润滑油的能力 故灰口铸铁具有良好的减摩性 2 灰口铸铁的孕育处理 变质处理 为了提高灰口铸铁的力学性能 在铁液浇注之前 往铁液中加人少量的孕育剂 如硅铁或硅钙合金 使铁液中同时生成大量均匀分布的石墨晶核 改变铁液的结晶条件 使灰口铸铁获得细晶粒的珠光体基体和细片状石墨组织 这种处理称为孕育处理 经过孕育处理的灰口铸铁称为孕育铸铁 也叫变质铸铁 孕育铸铁的强度有很大的提高 并且塑性和韧性也有所提高 常用来制造力学性能要求较高 截面尺寸变化较大的大型铸件 3 灰口铸铁的牌号及用途灰口铸铁的牌号由 HT 及数字组成 其中 HT 是 灰 铁 两字汉语拼音的第一个字母 其后的数字表示最低的抗拉强度 如HT100表示灰口铸铁 最低抗拉强度是100MPa 灰口铸铁具有一定的强度 还具有优良的工艺性能 而且价格低廉 是应用最广泛的铸铁材料 常用来制造各种承受压力及要求有较好的减震性 减摩性和机构复杂的箱体 床身 导轨等 常用灰口铸铁的牌号 力学性能及用途见表6 1 表6 1灰口铸铁的牌号 力学性能及用途 4 灰口铸铁的热处理热处理只能改变铸铁的基体组织 而不能改变石墨的形状 大小和分布情况 因此 灰口铸铁的热处理一般都用于消除铸件的内应力和白口组织 稳定铸件尺寸 改善切削加工性和提高铸件工作表面的硬度及耐磨性 由于石墨的导热性差 铸铁热处理的加热速度比非合金钢要稍慢些 1 消除内应力退火 时效处理 铸件在冷却过程中因各部位的冷却速度不同 往往会产生一定的内应力 铸造应力会引起铸件的变形甚至开裂 因此必须消除铸造应力 消除铸造应力的方法有消除内应力退火和自然时效 消除内应力退火是将铸件缓慢加热到500 600 保温一定时间 然后随炉缓冷至300 以下出炉空冷 这种退火方法也称为人工时效 对大型铸件可采用自然时效 即将铸件在露天下放置一年以上 使铸造应力缓慢松弛 2 消除白口组织的退火将铸件加热到850 950 保持一定时间 一般为2 5h 然后随炉冷却至400 500 出炉空冷 使渗碳体在高温和缓慢冷却中分解 用于消除白口 降低硬度 改善切削加工性 3 表面淬火表面淬火的目的是提高铸件表面硬度和耐磨性 常用的表面淬火有火焰加热表面淬火 高频与中频感应加热表面淬火和电接触加热表面淬火等 如对机床导轨进行中频感应加热表面淬火 使表面淬火层获得细马氏体基体 石墨的组织 其耐磨性就会显著提高 6 2 2球墨铸铁1 球墨铸铁的化学成分 组织和性能1 化学成分球墨铸铁的化学成分是 wC 3 6 3 9 wSi 2 0 3 2 wMn 0 6 0 8 wS 0 04 wP 0 1 wMg 0 03 0 05 wRE 0 03 0 05 等 2 组织按基体组织的不同 球墨铸铁的组织可分为四种类型 铁素体 F 球状石墨 G 铁素体 F 珠光体 P 球状石墨 G 珠光体 P 球状石墨 G 下贝氏体 下 球状石墨 G 图6 5所示为铁素体球墨铸铁的显微组织 图6 5铁素体球墨铸铁的显微组织 3 性能球墨铸铁的力学性能与基体的类型以及球状石墨的大小 形状及分布状况有关 由于球状石墨对基体的割裂作用最小 又无应力集中作用 球墨铸铁基体的强度 塑性和韧性可以充分发挥 因此球墨铸铁与灰铸铁相比 具有高的强度和良好的塑性与韧性 它的某些性能可以与钢相媲美 如屈服点比碳素结构钢高 疲劳强度接近中碳钢 同时 它还具有灰铸铁的减震性 减摩性和小的缺口敏感性等优良性能 球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好 球径越小 分布越均匀 则球墨铸铁的力学性能就越好 2 球墨铸铁的牌号及用途球墨铸铁的牌号用 QT 符号及其后面两组数字表示 QT 是 球铁 两字汉语拼音的第一个字母 两组数字分别代表其最低抗拉强度和最低断后伸长率 如QT700 2表示球墨铸铁 最低抗拉强度为700MPa 最低断后伸长率为2 表6 2所示为部分球墨铸铁的牌号 力学性能及用途 表6 2球墨铸铁的牌号 力学性能及用途 3 球墨铸铁的热处理球墨铸铁通过各种热处理 可以明显地提高其力学性能 球墨铸铁的热处理工艺性能较好 凡是钢的热处理工艺 一般都适合于球墨铸铁 球墨铸铁常用的热处理工艺有 1 退火 退火的主要目的是为了得到铁素体基体的球墨铸铁 提高其塑性和韧性 改善切削加工性能 消除内应力 2 正火 正火的目的是为了得到珠光体基体的球墨铸铁 提高其强度和耐磨性 3 调质 调质的目的是为了得到回火索氏体基体的球墨铸铁 从而获得高的综合力学性能 该工艺适应于受力复杂 要求综合力学性能高的球墨铸铁铸件 如连杆 曲轴等 4 贝氏体等温淬火 贝氏体等温淬火的目的是为了得到贝氏体基体的球墨铸铁 从而获得高强度 高硬度和高韧性的综合力学性能 该工艺适用于形状复杂 易变形或易开裂的球墨铸铁铸件 如齿轮 凸轮轴等 6 2 3蠕墨铸铁1 蠕墨铸铁的化学成分 组织和性能1 化学成分蠕墨铸铁碳硅含量较高 化学成分一般为 wC 3 5 3 9 wSi 2 2 2 8 wMn 0 4 0 8 wS 0 1 wP 0 1 2 组织蠕墨铸铁中的石墨呈短小的蠕虫状 其形状介于片状石墨和球状石墨之间 蠕墨铸铁的显微组织有三种类型 铁素体 F 蠕虫状石墨 G 珠光体 P 铁素体 F 蠕虫状石墨 G 珠光体 P 蠕虫状石墨 G 铁素体蠕墨铸铁的显微组织如图6 6所示 图6 6铁素体蠕墨铸铁的显微组织 3 性能蠕墨铸铁的力学性能优于基体相同的灰铸铁而低于球墨铸铁 蠕墨铸铁在铸造性能 减震性 耐热性能等方面比球墨铸铁好 切削加工性与球墨铸铁相似 比灰铸铁稍差 2 蠕墨铸铁的牌号及用途蠕墨铸铁的牌号用 RuT 符号及其后面数字表示 RuT 是 蠕 铁 两字汉语拼音的第一个字母 其后数字表示最低抗拉强度 如RuT300表示蠕墨铸铁 最低抗拉强度为300MPa 常用的蠕墨铸铁的牌号与力学性能见表6 3 表6 3蠕墨铸铁的牌号 力学性能 6 2 4可锻铸铁1 可锻铸铁的化学成分 组织和性能1 化学成分为了保证铸件在一般冷却条件下获得白口组织 又要在退火时容易使渗碳体分解为团絮状石墨 要求严格控制铁水的化学成分 与灰口铸铁相比 可锻铸铁中碳 硅的质量分数低一些 可锻铸铁的化学成分是 wC 2 2 2 8 wSi 1 0 1 8 wMn 0 3 0 8 wS 0 2 wP 0 1 2 组织可锻铸铁的组织有两种类型 铁素体 F 团絮状状石墨 G 珠光体 P 团絮状石墨 G 将白口铸铁件加热到910 960 经长时间保温 使组织中的渗碳体分解为奥氏体和石墨 团絮状 然后缓慢降温 奥氏体将在已形成的团絮状石墨上不断析出石墨 当冷却至共析转变温度范围 720 770 时 缓慢冷却 得到以铁素体为基体的黑心可锻铸铁 称为铁素体可锻铸铁 如果在通过共析转变温度时的冷却速度较快 则得到以珠光体为基体的可锻铸铁 称为珠光体可锻铸铁 可锻化退火工艺曲线如图6 7所示 黑心可锻铸铁的显微组织如图6 8所示 图6 7可锻铸铁可锻化退火工艺曲线 图6 8黑心可锻铸铁的显微组织 3 性能由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状 对基体的割裂作用较小 因此它的力学性能比灰铸铁高 塑性和韧性好 但可锻铸铁并不能进行锻压加工 可锻铸铁的基体组织不同 其性能也不一样 其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性 而珠光体可锻铸铁具有较高的强度 硬度和耐磨性 2 可锻铸铁的牌号及用途可锻铸铁的牌号是由三个字母及两组数字组成 其中前两个字母 KT 是 可 铁 两字汉语拼音的第一个字母 第三个字母代表类别 其后的两组数字分别表示最低抗拉强度和最低断后伸长率 KTH300 06表示黑心可锻铸铁 最低抗拉强度为300MPa 最低断后伸长率为6 KTZ700 02表示珠光体可锻铸铁 最低抗拉强度为700MPa 最低断后伸长率为2 表6 4列出了可锻铸铁的牌号 力学性能及主要用途 表6 4可锻铸铁的牌号 力学性能及用途 可锻铸铁主要用于制造形状复杂 要求韧性好 承受冲击和震动 耐腐蚀的薄壁 小于25mm 中小型铸件 与球墨铸铁相比 可锻铸铁具有铁液处理简单 质量稳定 容易组织流水线生产和低温韧性好等优点 广泛应用于汽车 拖拉机等机械制造行业 但其可锻化退火的时间太长 几十小时 能源消耗大 生产率低 成本高 故其应用受到限制 近年来 不少可锻铸铁件已被球墨铸铁件代替 知识窗 合金铸铁 1 耐磨铸铁耐磨铸铁是指不易磨损的铸铁 根据工作条件的不同 分为以下两类 1 抗磨铸铁 在干摩擦及抗磨料磨损条件下工作的零件 如轧辊 犁铧 抛丸机叶片 球磨机磨球等 应具有均匀的高硬度和必要的韧性 抗磨铸铁主要有以下几类 白口铸铁 白口铸铁生产简便 价格低廉 但脆性大 适用于冲击载荷不大的犁铧等抗磨铸件和清理抛丸机中的铁丸等 冷硬铸铁 在造型时 把铸件要求抗磨的部位作成金属型 其余部位用砂型 并适当调整化学成分 如降低含硅量 使其要求抗磨处得到白口组织 而其余部位韧性较好 可承受一定的冲击 生产中采用此类 激冷 方法获得的抗磨铸铁称为冷硬铸铁 主要用于制造轧辊 车轮 凸轮轴等 高铬白口铸铁 向白口铸铁中加入少量的铬 钼 钨 钒 硼等元素 使之形成合金渗碳体 可提高其抗磨性 但韧性改善不多 若加入大量铬 15 后 在铸铁中形成团块状的Cr7C3 Cr7C3硬度高于Fe3C 团块状可明显改善铸铁韧性 这种铸铁称为高铬白口铸铁 wCr 15 的高铬白口铸铁用于生产冷 热轧辊 球磨机磨球等 wCr 26 28 的高铬白口铸铁不但抗磨性好 而且耐蚀性好 用于生产制砖模 轧钢导板等 高铬白口铸铁合金元素含量高 价格昂贵 但用其制造的零件比高锰钢提高寿命几倍甚至十几倍 最终经济效益十分显著 中锰耐磨球墨铸铁 含有wMn 5 9 5 wSi 3 3 5 0 的中锰耐磨球墨铸铁 铸态组织为马氏体 奥氏体 碳化物和球状石墨 具有较高的耐磨性和较好的强度与韧性 不需贵重合金元素 可用冲天炉熔炼 成本低 可代替高锰钢或锻钢制造受冲击的一些抗磨零件 中锰耐磨球墨铸铁适用于制造犁铧 粉碎机锤头 球磨机磨球 衬板等 2 减摩铸铁 在润滑条件下工作的零件 如机床导轨 汽缸套 活塞环 轴承等 其组织应为软基体上分布硬质点 强化相 软基体磨损后形成沟槽 起储油和润滑作用 硬质点起支承作用 常用的减摩铸铁有普通高磷铸铁和合金高磷铸铁 在孕育铸铁中加入磷 wP 0 4 0 6 磷在铸铁中以磷共晶形式存在 呈断续网状分布 形成坚硬骨架 能大大提高铸铁的耐磨性 这种铸铁称为普通高磷铸铁 在普通高磷铸铁的基础上加入适量的铬 钼 钨 铜 钒 钛等元素 以细化组织 增加珠光体含量 形成高硬度的碳化和氮化物 提高铸铁的韧性 强度和耐磨性 这种铸铁称为合金高磷铸铁 可制作发动机缸套 机床导轨等零件 2 耐热铸铁耐热铸铁是指可以在高温下使用 其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁 生长 是指由于氧化性气体沿石墨片边界和裂纹渗入铸铁内部造成的氧化 以及因Fe3C分解而发生的石墨化引起铸件体积膨胀 向铸铁中加入铝 硅 铬等元素 使铸件表面形成一层致密的Fe2SiO4 Al2O3 Cr2O3等氧化膜 能明显提高高温下的抗氧化能力 同时能够使铸铁的基体变为单相铁素体 此外 硅 铝可提高相变点 使其在工作温度下不发生固态相变 可减少由此而产生的体积变化和显微裂纹 铬可形成稳定的碳化物 提高铸铁的热稳定性 常用的耐热铸铁有中硅铸铁 高铬铸铁 镍铬硅铸铁等 主要用于制造加热炉附件 如炉底板 送链构件 换热器等 3 耐蚀铸铁耐蚀铸铁是指能耐化学 电化学