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第八章铸铁 第一节铸铁的石墨化第二节灰铸铁第三节球墨铸铁第四节蠕墨铸铁第五节可锻铸铁 概述 铸铁是碳含量大于2 11 并常含有较多的硅 锰 硫 磷等元素的铁碳合金 铸铁的生产设备和工艺简单 价格便宜 并具有许多优良的使用性能和工艺性能 所以应用非常广泛 是工程上最常用的金属材料之一 它可用于制造各种机器零件 如机床的床身 床头箱 发动机的汽缸体 缸套 活塞环 曲轴 凸轮轴 轧机的轧辊及机器的底座等 第一节铸铁的石墨化 一铁碳合金双重相图二石墨化过程三影响石墨化的因素 返回到章 铁碳合金双重相图 在铁碳合金中 碳可以以三种形式存在 一是固溶在F A中 二是化合物态的渗碳体 Fe3C 三是游离态石墨 G 渗碳体为亚稳相 具有复杂的斜方结构 在一定条件下能分解为铁和石墨 Fe3C 3Fe C 石墨为稳定相 具有特殊的简单六方晶格 其底面原子呈六方网格排列 原子间距小 1 42 10 10m 结合力很强 而底面之间的间距较大 3 04 10 10m 结合力较弱 所以石墨的强度 硬度和塑性都很差 返回到节 铁碳合金双重相图 在不同条件下 铁碳合金可以有亚稳定平衡的Fe Fe3C相图和稳定平衡的Fe G相图 即铁碳合金相图应该是复线相图 Fe Fe3C相图和Fe G相图 铁碳合金究竟按哪种相图变化 决定于加热 冷却条件或获得的平衡性质 亚稳平衡还是稳定平衡 铸铁的石墨化 铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化 石墨既可以从液体和奥氏体中析出 也可以通过渗碳体分解来获得 灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出 可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火 由渗碳体分解而得到 铸铁的石墨化 按照Fe G相图 可将铸铁的石墨化过程分为三个阶段 第一阶段石墨化 铸铁液体结晶出一次石墨 过共晶铸铁 和在1154 通过共晶反应形成共晶石墨 第二阶段石墨化 在1154 738 温度范围内奥氏体沿E S 线析出二次石墨 第三阶段石墨化 在738 通过共析反应析出共析石墨 复习 钢的淬透性与淬硬性淬火钢的回火回火组织转变低温回火中温回火高温回火调质处理 淬透性是指钢在淬火时所能得到的淬硬层 马氏体组织占50 处 深度的能力 是钢材本身固有的属性 钢淬火时获得M的能力 一定条件下 Vk淬透性 淬硬性 可硬性 在理想条件下 钢淬火时所能达到的最高硬度与M中的碳含量有关 wc淬硬性区别 淬透性与淬硬性是两个完全不同的概念 淬透性好的钢 其淬硬性不一定高 钢的淬透性 钢的回火 回火时的组织转变及性能变化 Fe3C ArB下或M回 回火工艺分类 钢的回火 调质处理 淬火 高温回火 复习 一铁碳合金双重相图二石墨化过程 铸铁的石墨化 按照Fe G相图 可将铸铁的石墨化过程分为三个阶段 第一阶段石墨化 铸铁液体结晶出一次石墨 过共晶铸铁 和在1154 通过共晶反应形成共晶石墨 第二阶段石墨化 在1154 738 温度范围内奥氏体沿E S 线析出二次石墨 第三阶段石墨化 在738 通过共析反应析出共析石墨 返回到节 影响铸铁石墨化的因素可分为内因和外因两个方面 内因是化学成分 外因是冷却速度 新课 影响石墨化的因素 内因 化学成分 分为促进石墨化和阻碍石墨化二类 1 C Si为强烈促进石墨化的元素 石墨本身就是碳 所以碳含量越高 石墨化越容易 石墨越多 硅能减弱碳和铁的亲合力 不利于渗碳体的析出 从而促进了石墨化 在铸铁中 1 Si对石墨化的作用相当于1 3 C 所以有 碳当量CE C 1 3Si 内因 化学成分 2 S是阻碍石墨化的元素 硫强烈促进白口化 并使铸铁的铸造性能和机械性能恶化 少量硫即可生成FeS 或MnS FeS与铁形成低熔点 约980 共晶体 沿晶界分布 因此限定硫的含量在0 15 以下 3 锰是阻碍石墨化的元素 能溶于铁素体和渗碳体中 增强铁 碳原子间的结合力 扩大奥氏体区 阻止共析转变时的石墨化 促进珠光体基体的形成 锰还能与硫生成MnS 减少硫的有害作用 锰含量一般为0 5 1 4 内因 化学成分 磷是促进石墨化的元素 铸铁中磷含量增加时 液相线降低 从而提高了铁水的流动性 在铸铁中 磷含量大于0 3 时 常常形成二元或三元磷共晶体 其性能硬而脆 降低铸铁的强度 但提高其耐磨性 所以 要求铸铁有较高强度时 要限制磷含量 一般在0 12 以下 而耐磨铸铁则要求有一定的磷含量 可达0 3 以上 外因 冷却速度 在生产过程中 铸铁的冷却速度越缓慢 或在高温下长时间保温 均有利于石墨化 在其它条件一定的情况下 冷却速度与铸件的壁厚有关 壁厚越大 冷却速度越小 越有利于石墨化 反之亦然 在生产 铸件的表面和薄壁处常形成白口组织 使切削加工困难 就是由于这个原因造成的 影响石墨化的因素 铸件壁厚 mm 铸件壁厚 冷却速度 和化学成分对铸铁组织的影响 碳硅当量 10 20 30 40 50 60 70 4 0 6 0 5 0 7 0 F G P G P F G Fe3C Fe3C P 铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系 以共晶铸铁为例 铸铁的分类 按照石墨的形态 铸铁可分为 石墨呈片状铸铁 称灰铸铁 石墨呈团絮状的铸铁称可锻铸铁 石墨呈球状的铸铁称球墨铸铁 石墨呈蠕虫状的铸铁称蠕墨铸铁 铸铁的分类 第二节常用铸铁一 灰铸铁 灰铸铁的化学成分 组织和性能灰铸铁的孕育处理灰铸铁的牌号和应用灰铸铁的热处理 返回到章 灰铸铁的化学成分 碳含量一般控制在 2 5 4 0 硅含量一般控制在 1 0 2 0 三种基体组织的灰铸铁 1 铁素体灰铸铁 三个阶段石墨化过程都充分进行2 珠光体 铁素体灰铸铁 第一和中间阶段能充分进行 而第二阶段石墨化过程仅部分进行3 珠光体灰铸铁 第一和中间阶段能充分进行 而第二阶段石墨化过程完全没有进行 灰铸铁的组织 灰铸铁的力学性能 灰口铸铁的抗拉强度和塑性都很低 why 这是石墨对基体的严重割裂所致 石墨强度 韧性极低 相当于钢基体上的裂纹或空洞 它减小基体的有效截面 并引起应力集中 石墨越多 越大 对基体的割裂作用越严重 其抗拉强度越低 返回到节 灰铸铁的孕育处理 经孕育处理 亦称变质处理 后的灰铸铁叫做孕育铸铁 孕育的目的是 使铁水内同时生成大量均匀分布的非自发核心 以获得细小均匀的石墨片 并细化基体组织 提高铸铁强度 避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织 提高断面组织的均匀性 孕育铸铁具有较高的强度和硬度 可用来制造机械性能要求较高的铸件 如汽缸 曲轴 凸轮 机床床身等 尤其是截面尺寸变化较大的铸件 返回到节 灰铸铁的工艺性能 石墨的存在 使铸铁具备某些优良的工艺性能因石墨的存在 造成脆性切屑 铸铁的切削加工性能优异 灰铸铁的铸造性能良好 铸件凝固时形成石墨产生的膨胀 减少了铸件体积的收缩 降低了铸件中的内应力 石墨有良好的润滑作用 并能储存润滑油 使铸件有很好的耐磨性能 石墨对振动的传递起削弱作用 使铸铁有很好的减振性能 大量石墨的割裂作用 使铸铁对缺口不敏感 灰铸铁的牌号 灰铸铁的牌号由HT 三位数字组成 其中HT是灰铁的汉语拼音缩写 数字代表铸铁的抗拉强度 如HT200表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁 最小的灰铁是HT100 往上以50为间隔递增 最大为HT350 返回到节 热处理 不能改变石墨的形态去应力退火 500 550 防止机加工 使用时变形或开裂 高温退火 850 900 表面 薄壁等白口处Fe3C G 硬度 切削加工性 表面淬火 提高导轨表面 汽缸体内壁等的耐磨性 应用 如 机床床身 导轨 汽缸体等 水泵叶轮 发动机飞轮 灰铸铁的热处理 二 可锻铸铁 玛钢 牌号 如KT300 6 表示 b 300 6 组织 钢基体 团絮状G 可锻铸铁 白口铸铁经长时间石墨化退火 900 960 使 Fe3CG 分解 铁素体可锻铸铁 珠光体可锻铸铁 性能 强度 塑韧性优于HT 低于QT 铁素体可锻铸铁 有一定的强度 塑性 韧性较好珠光体可锻铸铁 强度 硬度 耐磨性好 有一定的塑性 韧性 12 有一定的塑性变形能力 但不能锻造 应用 形状复杂 承受冲击和振动载荷的零件 汽车拖拉机的后桥外壳 管接头 低压阀门等 可锻铸铁 玛钢 三 球墨铸铁 球墨铸铁的石墨呈球状 使其具有很高的强度 又有良好的塑性和韧性 其综合机械性能接近于钢 因其铸造性能好 成本低廉 生产方便 在工业中得到了广泛的应用 返回到章 球墨铸铁的的球化处理 球墨铸铁的的球化处理必须伴随着孕育处理 通常是在铁水中同时加入一定量的球化剂和孕育剂 我国普遍使用稀土镁球化剂 镁是强烈阻碍石墨化的元素 为了避免白口 并使石墨球细小 均匀分布 一定要加入孕育剂 常用的孕育剂为75 硅铁和硅钙合金等 球铁的组织 球铁的性能 球墨铸铁是一种具有优良机械性能的灰口铸铁 球铁的强度和韧性比其他铸铁高 不同基体的球墨铸铁 性能差别很大 珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体高50 以上 而铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体基体的3 5倍 球墨铸铁还具有较好的疲劳强度 返回到节 球墨铸铁的牌号 球墨铸铁牌号用 QT 标明 其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率 如QT420 10 QT600 2 QT800 2 返回到节 球墨铸铁的应用 有时可代替铸钢和可锻铸铁在机械制造工业中得到了广泛应用 可以用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件 如曲轴 连杆 轴等 球墨铸铁的应用 退火 去应力退火 500 600 低温退火 720 760 P G F 塑韧性 切削加工性 高温退火 900 950 P Cm G F 塑韧性 切削加工性 正火 P 细化组织 强度 耐磨性 低温正火 840 860 P F G 塑韧性较好 高温正火 880 920 P G 少量F 强度较高 调质 850 900 油淬 550 600 回火 回火S G等温淬火 840 900 300 等温 下B G调质 等温淬火后综合机械性能好 但仅适于小尺寸零件 球墨铸铁热处理 蠕墨铸铁 蠕墨铸铁 在铁水浇注前加蠕化剂而得 牌号 如RuT420 表示 b 420组织 钢基体 蠕虫状G 性能 强度 塑韧性优于灰铸铁 应用 高压热交换器 汽缸盖 液压阀等 蠕墨铸铁 课堂练习 灰口铸铁中C主要以 石墨 形式存在 可制造 床身 导轨 可锻铸铁中G的形态为 团絮状 可制造 管接头 阀门 球墨铸铁中G的形态为 球状 可制造 曲轴 连杆 蠕墨铸铁中G的形