材料科学基础_铸铁.ppt

工程上最常用的金属材料 主讲 热处理教研室时间 2003年11月11日 铸铁 概论 1什么是铸铁 铸铁是含碳量大于2 11 的铁碳合金 常含有较多量的Si Mn S P等元素 工业上常用铸铁 应用广泛 历史久远的重要工程材料 机械制造 冶金 石油化工 交通运输 农机 40 60 汽车 50 70 机床制造 60 90 特点 生活设备及工艺简单 价格比金属便宜 优良的使用性能及工艺性能 如减震性 耐磨性 耐蚀性 铸造工艺性及切削加工性 复线铁碳相图 渗碳体与石墨的晶体结构有何差别 复杂斜方与简单六方 引起性能上的差异分析铁碳合金的复线相图相图 分析亚稳平衡的Fe Fe3C及稳定平衡的Fe G决定因素 加热冷却及其它 铸铁的石墨化 石墨化及其三个阶段结晶析出 或共晶反应生成 1154 LC AE G 共晶 奥氏体析出 1154 738 共析 738 AS FP G 共析 结合图12 7简单进行分析 影响石墨化的因素 温度及冷却速度 温度越高 保温时间越长 G化越易进行 因此 一般来讲从铸铁液相中结晶时G化最易进行 而低温下G化则难进行 实际生产中 铸铁慢冷 或高温下长时间退火 都可促进G化 合金元素 单纯靠高温长时间保温来实现G化是困难的 对G化发生最强烈作用的是合金元素 促进石墨化的元素 C Si Al Cu Ni Co等 C Si最强烈 尤其是Si 因此 除白口铸铁外 所有铸铁的硅含量均较高 阻碍石墨化的元素 Cr W Mo V Mn及杂质S等 C和Si 强烈促进G化每增加1 Si 相当于增加0 33 的C S 强烈阻止G化 严格控制 Mn 阻止G化 但形成MnS 减少了S的影响 因而需要控制 P 微弱促进G化 但脆性 故严格控制 铸铁的组织与分类 分类 灰口铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁 石墨的晶体结构 铸铁性能的特点 简单六方晶体结构石墨的强度 塑性 韧性 0石墨相当于裂纹 铸铁性能的特点 铸铁性能的特点 铸铁性能的特点 铸铁性能的特点 灰口铸铁的牌号 HT150 HT350等 灰口铸铁 G化能力评价标准 碳当量Ce C Si P 3共晶度Sc C 4 26 Si P 3 化学成分 基本因素 C 2 7 3 6 Si 1 0 2 5 Mn 0 5 1 3 P 0 3 0 12 高强 0 3 耐磨S 0 15 灰口铸铁的孕育处理 孕育剂75 Si的硅铁合金或60 65 Si 25 35 Ca的硅钙合金 碳类 如G粉 电极粒目的大量均匀非自发晶核 细化G片及基体组织避免边缘及薄断面处白口组织性能特点及应用提高强度及硬度汽缸 曲轴 凸轮 机床床身 灰口铸铁的热处理 目的消除内应力 改善切削加工性能 提高尺寸稳定性消除内应力退火 人工时效 形状复杂 尺寸稳定性要求高的重要铸铁工艺 60 120 h 500 550 2 x h 20 50 h 150 220 后空冷 消除白口 降低硬度退火850 900 2 5h 炉冷至250 400 空冷表面淬火机床导轨 缸体内壁等要求表面硬度及耐磨性调频表面淬火 火焰表面淬火 50 55HRC 成分 牌号 组织和性能 3 6 4 0 C 2 0 2 8 Si 0 6 0 8Mn 0 07 S 0 1 P 碳当量4 5 4 7 过共晶QT400 18 抗拉强度 屈强比高 0 7 0 8 对于承载静载的零件 比铸钢省材 重量更轻 较好的疲劳强度 曲轴 连杆 凸轮轴 球化处理 球化剂 稀土镁 0 04 0 08 孕育剂 75 硅铁或硅钙合金 球墨铸铁 球墨铸铁的性能特点 较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限相当良好的塑性 韧性及耐磨性球铁是力学性能最好的铸铁这是由于球形石墨对金属基体截面削弱作用较小 使得基体比较连续 且在拉伸时引起应力集中的效应明显减弱 从而使基体的作用可以从灰铸铁的 30 50 提高到 70 90 球铁的刚性也较灰铸铁好 球铁的消震能力比灰铸铁低很多 用于制造承载较大 受力复杂的机器零件 如铁素体球铁常用于制造受压阀门 机器底座 减速器壳等 珠光体球铁常用于制作汽车 拖拉机的曲轴 连杆 凸轮轴及机床主轴 蜗轮蜗杆 轧钢机辊 缸套 活塞等重要零件 下贝氏体球铁可制造汽车拖拉机的蜗轮 伞齿轮等 牌号 QT800 2 球墨铸铁的热处理 正火 目的是为了在球铁中获得珠光体基体组织 并使晶粒细化 组织均匀 从而提高零件强度硬度及耐磨性 高温正火时将工件加热至 900 950 C保温 1 3 h后空冷或风冷或喷雾冷却 获得完全珠光体基体的球铁 中温正火则是将工件加热至 850 900 C保温 1 4 h 然后空冷获得珠光体 少量铁素体基体的球铁 正火后 为了消除正火时铸铁的内应力 通常再进行一次 550 600 C的去应力退火处理 淬火及回火 为了提高球墨铸铁件的机械性能 可将球铁进行淬火和回火处理 淬火及回火后的组织 除有球状石墨外 其它与碳钢的淬火组织相同 需要指出的是球铁的淬透性好 但也只宜用油淬 以防淬裂 回火时最好快冷 缓冷易造成球铁冲击韧性急剧下降 等温淬火 为了满足日益发展的高速 大马力机器中受力复杂件 如齿轮 曲轴 凸轮轴等 的要求 常把球铁件进行等温淬火获得下贝氏体基体组织以提高它的综合机械性能 实践证明 球铁经等温淬火后可获得高强度 同时具有较好的塑性和韧性 表面热处理 对于要求表面耐磨或抗氧化或耐腐蚀的球铁件 可以采用类似于钢的表面热处理 如氮化 渗硼 渗硫 渗铝等化学热处理以及表面淬火硬化处理 以满足性能要求 其处理工艺与钢的类似 可锻铸铁是由一定成分的白口铁经过可锻化 石墨化 退火而获得的具有团絮状石墨的铸铁 其大致成分范围为 2 4 2 7 C 1 4 1 8 Si 0 5 0 7 Mn 0 008 P 0 025 S 同时为缩短石墨化退火周期 还往往向铸铁中加入B Al Bi等孕育剂 可缩短一半多时间 可锻铸铁 牌号中 KTH 和 KTZ 分别表示铁素体基体可锻铸铁和珠光体基体可锻铸铁的代号 代号后的第一组数字表示铸铁的最低抗拉强度 第二组数字表示其最低延伸率 如KTZ700 02表示珠光体可锻铸铁 其最低抗拉强度为700MPa 最低延伸率为2 石墨化工艺不同 可锻铸铁的组织状态就不同 若对可锻铸铁进行完全石墨化退火 则可得到铁素体 团絮状石墨的组织 称其为铁素体基体可锻铸铁 若只进行了第一阶段石墨化退火 则得到的组织为珠光体 团絮状石墨 将其称为珠光体基体可锻铸铁 上述两种可锻铸铁中的团絮状石墨表面不规则 表面积与体积比较大 使可锻铸铁的力学性能比灰铸铁高 强度 塑性和韧性都有明显的提高 特殊性能铸铁 耐热铸铁 普通灰铸铁的耐热性较差 只能在小于400 C左右的温度下工作 研究表明 铸铁在高温下的损坏形式 主要是在反复加热冷却过程中相变和氧化引起铸铁的生长和微裂纹形成扩展以致失效 提高铸铁耐热性的途径可以采取如下措施 1 合金化 在铸铁中加入硅 铝 铬等合金元素 可使铸铁表面形成一层致密的稳定性很高的氧化膜 阻止氧化气氛渗入铸铁内部产生内氧化 通过合金化获得单相铁素体或奥氏体基体 使其在工作温度范围内不发生相变 从而减少因相变而引起的铸铁生长和微裂纹 2 球化处理或变质处理 经过球化处理或变质处理 使石墨转变成球状和蠕虫状 提高铸铁金属基体的连续性 减少氧化气氛渗入铸铁内部的可能性 有利于防止铸铁内氧化和生长 常用耐热铸铁有 中硅耐热铸铁 RTSi 5 5 中硅球墨铸铁 RTQSi 5 5 高铝耐热铸铁 RTA1 22 高铝球墨铸铁 RTQA1 22 低铬耐热铸铁 RTCr 1 5 和高铬耐热铸铁 RTCr 28 等 常用作炉栅 水泥培烧炉零件 辐射管 退火罐 炉体定位板 中间架 炼油厂加热耐热件 锅炉燃烧嘴等 耐蚀铸铁 提高铸铁耐蚀性的主要途径是合金化 在铸铁中加入硅 铝 铬等合金元素 能在铸铁表面形成一层连续致密的保护膜 在铸铁中加入铬 硅 钼 铜 镍 磷等合金元素 可提高铁素体的电极电位 另外 通过合金化还可以获得单相金属基体组织 减少了铸铁中的腐蚀微电池 广泛用于制造化工管道 阀门 泵 反应器及存贮器等 目前应用多的耐蚀铸铁有高硅铸铁 STSi15 高硅钼铸铁 STSi15Mo4 铝铸铁 STA15 铬铸铁 STCr28 抗碱球铁 STQNiCrRE 等 例如 高硅铸铁有优良的耐酸性 但不耐热的盐酸 常用作耐酸泵 蒸馏塔等 高铬铸铁具有耐酸耐热耐磨的特点 用于化工机械零件 如离心泵 冷凝器等 的制造 耐磨铸铁 耐磨铸铁主要用于制造要求高耐磨性的零件 根据组织可分下面几类 耐磨灰铸铁 在灰铸铁中加入少量合金元素磷 钒 铬 钼 锑 稀土等 可以增加金属基体中珠光体数量 且使珠光体细化 同时也细化了石墨 使铸铁的强度和硬度升高 大大提高了铸铁的耐磨性 这类灰铸铁如磷铜钛铸铁 磷钒钛铸铁 铬钼铜铸铁 稀土磷铸铁 锑铸铁等 具有良好的润滑性和抗咬合抗擦伤的能力 可广泛用于制造要求高耐磨的机床导轨 汽缸套 活塞环 凸轮轴等零件 抗磨白口铸铁 通过控制化学成分 如加入Cr Mo V等促进白口化元素 和增加铸件冷却速度 可以使铸件获得没有游离石墨而只有珠光体 渗碳体和碳化物组成的组织 这种白口组织具有高硬度和高耐磨性 例如 含铬大于12 的高铬白口铸铁 经热处理后基体可为高强度的马氏体 加上高硬度的铬碳化物 具有优异的抗磨料磨损性能 抗磨白口铸铁广泛应用于制造犁铧 杂质泵叶轮 泵体 各种磨煤机 矿石破碎机 水泥磨机 抛丸机的衬板 磨球 叶片等零件 冷硬铸铁 激冷铸铁 冷硬铸铁实质上是一种加入少量硼 铬 钼 碲等元素的低合金铸铁经表面激冷处理 工艺中用冷的金属铸模成型即可 获得的 其表面有一定深度的白口层 而心部仍为正常铸铁组织 如冶金轧辊 发动机凸轮 汽门摇臂及挺杆等零件 要求表面应具有高硬度和耐磨性且心部应具有一定的韧性 就可以采用冷硬铸铁 中锰抗磨球墨铸铁 中锰抗磨球墨铸铁是一种含锰为 4 5 9 5 的抗磨合