第七章 铸铁 工程材料教案.doc

第七章 铸 铁【重点内容】1.铸铁与碳钢相比其性能特点；2. 铸铁的石墨化过程及影响因素；3.灰口铸铁的分类；4. 铸铁牌号、性能及用途。【本章难点】铸铁的石墨化过程及影响因素、铸铁牌号及性能特点。【基本要求】1.了解铸铁的特点、分类及铸铁的石墨化过程；2.熟悉各常用铸铁的牌号、性能及用途。引 言：从铁碳相图知道，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，工业上常用的铸铁的成分范围是：2.54.0%C，1.03.0%Si，0.51.4Mn，0.010.50%P，0.020.20%S，有时还含有一些合金元素，如：Cr、Mo、V、Cu、Al等，可见在成分上铸铁与钢的主要区别是铸铁的含碳和硅量较高，杂质元素S、P含量较多。虽然铸铁的机械性（抗拉强度、塑性、韧性）较低，但是由于其生产成本低廉，具有优良的铸造性、可切削加工性、减震性及耐磨性，因此在现代工业中仍得到了普遍的应用，典型的应用是制造机床的床身、内燃机的汽缸、汽缸套、曲轴等。铸铁的组织可以理解为在钢的组织基体上分布有不同形状、大小、数量的石墨。【铸铁的石墨化过程】铸铁组织中石墨的形成叫叫“石墨化”过程。在铁碳合金中，碳除了少部分固溶于铁素体和奥氏体外，其余的可以两种形成存在，即化合状态的渗碳体（Fe3C）和游离状态的石墨（G），熔融状态的铁水在冷却过程中，随着冷却条件的不同，既可以从液态中或奥氏体中直接析出Fe3C，也可直接析出石墨。一般是缓慢冷却时析出石墨，快速冷却时析出Fe3C，而且Fe3C在一定条件下又可分解为铁素体和石墨即Fe3C3Fe+G，说明Fe3C是亚稳相而石墨是稳定相。通常在铁碳合金的结晶过程，之所以自液体或奥氏体中析出的是渗碳体而不是石墨，这主是因为渗碳体的含碳量（6.69%C）较之石墨的含碳量（100%C）更接近合金成分的含碳（2.54.0%C），析出渗碳体时所需的原子扩散量较小，渗碳体的晶核形成较易。但在极其缓慢冷却（即提供足够的扩散时间）的条件下，或在合金中含有可促进石墨形成的元素（如Si等）时，那么在铁碳合金的结晶过程中，便会直接从液体或奥氏体中析出稳定的石墨相，而不再析出渗碳体。因此对铁碳合金的结晶过程来说，实际上存在两种相图，即Fe3C-Fe和Fe-G相图，铁碳合金结晶条件不同可以全部或部分地按照其中的一种或另一种相图进行结晶如全部按Fe-G相图进行结晶，则铸铁的石墨化过程可分为如下三个阶段。第一阶段，在液态中析出一次石墨G和1154从共晶反应件产生共晶石墨：图 71 铝合金相图的一般形式第二阶段：1154-738冷却中从奥氏体中析出G 第三阶段：在738从共析反应中形成共析石墨一般情况下，铸铁自高温冷却的过程中，由于具有较高的原子扩散能力，故其第一和第二阶段的石墨化量较容易进行的，即通常是能按照Fe-G相图进行结晶的，凝固后得（A+G）的组织；而随后在较低温度下的第三阶段的石墨化，则常因铸铁的成分及冷却速度等条件的不同，而被全部或部分地抑制，从而会得到三种不同的组织，即：F+G，F+P+G及P+G根据铸铁在结晶过程中的石墨化程度不同，铸铁可分为如下三类：（1）灰口铸铁第一和第二阶段石墨化过程进行充分，其断口为暗灰色，工业上所用的铸铁几乎全部属于这一类。根据第三阶段进行情况的不同有铁素体，铁素体+珠光体及珠光体灰口铸铁。（2）白口铸铁：没有石墨化，完全按Fe-Fe3C相图进行结晶而得到的铸铁（F+Fe3C） Fe3CI+Ld、Ld、P+ Fe3C+ Ld。（3）麻口铸铁：第一阶段石墨化未充分进行，其组织Ld+P+G，含有Ld工业上应用较少（脆、硬）【影响铸铁石墨化的因素】影响铸铁石墨化的主要因素是化学成分和结晶时的冷却速度。1化学成分：C促进石墨化进行，含碳量愈高愈易石墨化，但不能太高，使石墨数量增多，粗化、性能变差，太低易出白口，故2.54.0%C。合金元素：促进石墨化，Si、P等，铸铁中每增加1%的Si共晶点的含碳量相应降低1/3，保证2.54.0%C的铸铁具有好的铸造性能。P含量大于0.3%后出现Fe3P，硬而脆，细小均匀分布时，提高铸铁的耐磨性，反之连成网，降低铸铁的强度，除耐磨铸铁外，（0.51.0%P）通常铸铁P含量0.3%。阻碍石墨化Mn、S等。S不仅阻碍石墨化，还会降低铸铁的强度和流动性，故其含量应尽量低，一般在0.15%以下，而錳因为可与硫形成MnS，减弱硫的有害作用，同时可促进珠光体基体的形成，从而提高铸铁的强度，故可充许其含量在0.51.4%2冷却速度的影响：冷却速度愈慢，即过冷度愈小，愈有利于按照Fe-G相图进行结晶，对石墨化愈有利，反之冷却速度愈快，过冷度增大，不利于铁和碳原子的长距离扩散，愈有利于按Fe-Fe3C相图进行结晶，不利于石墨化的进行。生产中铸铁冷却速度可由铸件的壁厚来调态，图7-2综合了铸铁化学成分和冷却速度对铸铁组织的影响，可见，碳硅含量增加，壁厚增加易得到灰口组织，石墨化愈完全；反之，碳硅含量减少，壁厚愈小，愈易得到白口组织，石墨化过程越不易进行。图7-2 铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸件组织的影响【灰口铸铁的组织分类及性能特点】1.灰口铸铁的基体组织，F、F+P、P。灰铸铁组织可简单看成“钢基体”和“石墨夹杂”共同构成。石墨可以有不同的形态：自然情况下从液态析出的石墨均呈片状，因为石墨呈六方结构，底面上原子排列密度大，原子键已达到饱和，而侧面上的原子键未达到饱和，易于吸收碳原子，故沿侧面长大速度快，其结果使其呈片状。当在浇注前向铁水中加入球化剂或蠕化剂时，石墨可呈球状或蠕虫状。此外由Fe3C在适当高温下（9001000）下分解产生的石墨还可呈团絮状。2.按照石墨的形状不同，可将灰铸铁分为四类：即灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。灰铸铁：基体组织（F、F+P、P）+片状G球墨铸铁：基体组织（F、F+P、P）+球状G蠕墨铸铁：基体组织（F、F+P、P）+蠕状G可锻铸铁：基体组织（F、F+P、P）+团絮状G灰铸铁 可锻铸铁球墨铸铁 蠕墨铸铁图 7-2 四种铸铁示意图3性能特点：（1）优良的铸造性能含碳量高，（2.54.0%C），成分接近共晶点，熔点比钢低得多，流动性好，分散缩孔少，偏析程度小。且在凝固过程中会析出比容较大的石墨，所以收缩率也小，凡无法用锻造成型的形状复杂的零件，汽缸体，变速箱外壳等均可用灰口铸铁铸造而成。（2）良好的切削加性石墨使切削容易脆断，同时石墨本身润滑作用减轻刀具的磨损。（3）优良的耐磨性与减震性石墨有利于滑润和贮油，磷含量的增加还可形成硬而脆的磷共晶等使铸铁有好的耐磨性。铸铁中的石墨能将震动能转变为热能，从而消震。（4）较低的机械性灰口铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和疲劳强度都比钢低得多，因为石墨的强度、塑性几乎为零，石墨的存在减小了基体的有效面积，且石墨本身可以看成是一个个孔洞和裂纹，破坏了基体的连续性，所以可把灰口铸铁看成是布满孔洞和裂纹的钢。铸铁的硬度和抗压强度主要取决于基体组织，而与石墨无关，抗压强度大大超过抗拉强度（2.54倍），在压力负荷下石墨不起裂纹作用。此外，由于石墨可以看成是孔洞和裂纹，故灰口铸铁对零件表面缺陷和缺口不敏感，即缺口敏感度小。若提高灰口铸铁的机械性能必须从两方面着手：一是在铸造时通过孕育处理（或变质处理）、球化处理、蠕化处理等方法，改变石墨的形态、大小、数量及分布状况；二是通过合金化的热处理改变基体组织。【各类灰口铸铁的牌号及用途】1灰铸铁灰铸铁由铁水直接浇注而得，组织（F、F+P、P），可见，生产过程最简单，且成本低故应用广泛，典型的应用如汽缸和汽缸套，机床床身、卡盘等。图7-3 不同基体组织（F、F+P、P）的灰口铸铁的组织图由于石墨呈片状，对基体的割裂作用最大，其强度、塑性、韧性远比基体钢低，而且粗大的石墨的割裂作用更大，通常对灰铸铁采取变质处理（孕育处理）：在浇注前加少量的孕育剂（硅铁或硅钙合金），使铁水中形成大量的人工石墨晶粒，细化石墨片，减小对基体的割裂作用，使其强度可有所提高。其牌号用HT+抗拉强度（最小） 汉语拼音“灰铁”如HT100表示最小抗拉强度为100Mpa的灰铸铁。2可锻铸铁它是将铁水先浇注成白口铸铁件，然后经石墨化退火而得到石墨呈团絮状形态的一种铸铁，其强度较灰铸铁高，塑性比灰铸铁好，且有一定的塑性变形能力，因此又被称为展性铸铁韧性铸铁，其可锻铸铁也是由此而得名，实际上也是不能经过锻造加工的，只是因为其较灰铸铁有一定的韧性，才称为可锻铸铁的所有的铸铁都不能经锻造加工，通常用在形状复杂，要求承受冲击载荷的薄壁零件，如：汽车拖拉机的前后轮壳，减速器壳等。退火工艺：当白口铸铁加热到高温（9001000），并长时间的1530h保温，渗碳体分解为A+团絮状石墨，缓慢冷却时A中不断析出二次石墨，使团絮状石墨不断长大，直到冷却到共析转变温度时，A分解为F+G，得到铁素体基体的可锻铸铁，组织F+G团絮，固其断口心部存在大量的石墨而呈灰黑色，表层因退火脱碳呈白色，故称黑心可锻铸铁，若通过共析转变区时的冷却速度较快，则AP，而得到珠光体基体的可锻铸铁，显微组织，P+G团絮状，称珠光体可锻铸铁。此外，如果将白口铸铁件在氧化性介质中退火，使表面层完全脱碳得到F组织，心部仍为珠光体组织加上团絮状石墨，其断口心部呈白亮色，表面呈暗灰色称白心可锻铸铁，白心可锻铸铁工艺复杂，性能与黑心差不多，故应用较少。所有的可锻铸铁生产周期长，工艺复杂，成本高，所以目前不少可锻铸铁件渐渐被球块所代替。图7-4 可锻铸铁组织图其牌号“KT”“可锻铸铁”、“KTH”黑心可锻铸铁。“KTB”白心可锻铸铁，“KTZ”珠光体可锻铸铁。它们后面的数字分别表示最低抗拉强度（Mpa）和最低延伸率。如：KTH350-10表示最小抗拉强度为350Mpa，最低延伸率为10的黑心可锻铸铁。KTB380-12 bmin=380 Mpa min=12白心可锻铸铁。KTZ450-06 bmin=450 Mpa min=6的珠光体可锻铸铁。3球墨铸铁球墨铸铁是在浇注前往铁水中加入一定量的球化剂（Mg、Ce及其他烯土）进行球化处理，并加入少量的孕育剂（硅铁或硅钙合金）以促进石墨化，浇注后得到球状石墨的铸铁。组织（F、F+P、P）+G球状。由于石墨呈球状，对基体的割裂作用最小，应力集中小，其基体的强度能够得到充分的发挥，因此球墨铸铁既具有灰铸铁的优点如良好的铸造性、耐磨性、可切削加工性及低的缺口敏感性，又有可与钢化的机械性能，即有较高的抗拉强度及良好的塑性与韧性，还可通过合金化和热处理来进一步提高它的性能，在所有的铸铁中机械性能最好，但其韧性仍比钢差，可部分替代中磷钢，某些合金钢和可锻铸铁，用于制造载荷较大，受力复杂的重要零件，如：汽车、拖拉机、或煤油机乃至火车的曲轴凸轮轴、机床中的主轴，轧钢机的轧辊等。其牌号“QT”+最低抗拉强度（Mpa）最小延伸率。如QT400-18 bmin=400 Mpa min=18的球墨铸铁。图7-5 球墨铸铁组织图【铸铁的热处理及合金铸铁】灰口铸铁热处理的目的：(1)消除铸件中的内应力；(2)减少铸件中的内应力；(3)提高铸铁的强度、硬度及耐磨性。热处理只改变灰口铸铁的基体组织，而不改变原始组织中的石墨形态和分布，对于灰铸铁，由于片状石墨显著降低机械性能，因此对它进行调质，等温淬火等强化型热处理，效果不显著，故灰铸铁的热处理主要有退火、正火和表面热处理，相反对球铁则不同，石墨的割裂作用大大减小，基体可充分发挥作用，因此可以通过热处理可