材料科学与工程基础教案第九章 铸铁

第九章铸铁CastIron 铸铁是历史上使用得较早的材料 也是最便宜的金属材料之一 同时它具有很多优点 比如 在汽车发动机中 铸铁占80 同钢一样 铸铁也是Fe C元素为主的铁基材料 但是它含碳量很高 碳含量大于2 11 达到亚共晶 共晶或过共晶成分 而且铸铁成型制成零件毛坯只能用铸造方法 不能用锻造或轧制方法 铸铁中碳元素按主要存在方式不同可分为两大类 一是白口铸铸铁 断口呈现白色 碳的主要存在形式是化合物 如渗碳体 没有石墨 另一是灰口铸铁 断口呈现黑灰色 碳的主要存在形式是碳的单质 即游离状态石墨 介于白口铸铁与灰口铸铁之间为麻口铸铁 其中的碳既有游离石墨又有渗碳体 第一节铸铁的石墨化GraphitizationofCastIron 一 Fe Fe3C和Fe C双重相图在前面介绍过Fe Fe3C相图 按这张相图自液态冷却下来的Fe C合金固态一般为铁素体及渗碳体两相 实际上渗碳体只是一个亚稳定相 石墨才是稳定相 因此描述铁碳合金组织转变的相图实际上有两个 一个是Fe Fe3C系相图 另一个是Fe C系相图 把两者迭合在一起 就得到一个双重相图 二 铸铁的石墨化过程按Fe C相图铸铁液冷却过程中 碳溶解于铁素体外均以石墨形成析出 石墨形成 或石墨化 分为如下两个阶段 第一阶段 包括自低于液相线C D 以下温度冷却自液体中析出 一次石墨 低于共晶线E C F 温度1154 共晶成分 C 点含4 26 C 液体转变为奥氏体与共晶石墨组成的共晶组织 以及低于共晶温度E C F 以下冷却沿E S 线从奥氏体中析出 二次石墨 第二阶段 略低于共析温度 738 的P S K 线以下 共析成分 S 点 含0 68 C 奥氏体转变为由铁素体与石墨组成的共析组织 三 影响石墨化程度的主要因素由于铁的晶体结构与石墨的晶体结构差异很大 而铁与渗碳体的晶体结构要接近一些 所以普通铸铁在一般铸造条件下只能得到白口铸铁 而不易获得灰口铸铁 因此 必须通过添加合金元素和改善铸造工艺等手段来促进铸铁石墨化 形成灰口铸铁 化学成分的影响碳 硅 锰 硫 磷对石墨化有不同影响 其中碳 硅 磷是促进石墨化的元素 锰和硫是阻碍石墨化的元素 温度及冷却速度的影响铸铁中碳石墨化过程除受化学成分的影响外 还受铸造过程中铸件冷却速度影响 当冷却速度较快时 由液态析出的是渗碳体而不是石墨 一般铸件冷却速度越慢 石墨化进行愈充分 冷却速度快 碳原子很难扩散 石墨化进行困难 第二节常用铸铁UsualCastIron 铸铁中的石墨形态 尺寸以及分布状况对性能影响很大 铸铁中石墨状况主要受铸铁的化学成分及工艺过程的影响 通常 铸铁中石墨形态 片状或球状 在铸造后即形成 也可将白口铸铁通过退火 让其中部分或全部的碳化物转化为团絮状形态的石墨 工业上使用的铸铁很多 按石墨的形态和组织性能 可分为普通灰口铸铁 蠕墨铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁和特殊性能铸铁等 一 灰口铸铁灰口铸铁是价格最便宜 应用最广泛的一种铸铁 在各类铸铁的总产量中 灰口铸铁占80 以上 灰口铸铁的化学成分和组织特征在生产中 为浇注出合格的灰铸铁件 一般应根据所生产的铸铁牌号 铸铁壁厚 造型材料等因素来调节铸铁的化学成分 这是控制铸铁组织的基本方法 灰口铸铁的成分大致范围为 2 5 4 0 C 1 0 3 0 Si 0 25 1 0 Mn 0 02 0 20 S 0 05 0 50 P 具有上述成分范围的液体铁水在进行缓慢冷却凝固时 将发生石墨化 析出片状石墨 其断口的外貌呈浅烟灰色 所以称为灰口铸铁 普通灰口铸铁的组织是由片状石墨和钢的基体两部分组成的 根据不同阶段石墨化程度的不同 灰口铸铁有三种不同的基体组织 铁素体基 珠光体基 铁素体 珠光体基 灰口铸铁的牌号 性能及用途灰口铸铁灰口铸铁的牌号以 HT 数字 的方式表示 灰口铸铁的性能与普通碳钢相比 具有如下特点 1 力学性能低 其抗拉强度和塑性韧性都远远低于钢 但是 灰口铸铁在受压时石墨片破坏基体连续性的影响则大为减轻 其抗压强度是抗拉强度的2 5 4倍 所以常用灰口铸铁制造机床床身 底座等耐压零部件 2 耐磨性与消震性好 由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油 所以耐磨性好 同样 由于石墨的存在 灰口铸铁的消震性优于钢 3 工艺性能好 由于灰口铸铁含碳量高 接近于共晶成分 故熔点比较低 流动性良好 收缩率小 因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件 另外 由于石墨使切削加工时易于形成断屑 所以灰口铸铁的可切削加工性优于钢 灰口铸铁的孕育处理HT250 HT300 HT350属于较高强度的孕育铸铁 也称变质铸铁 这是普通铸铁通过孕育处理而得到的 由于在铸造之前向铁液中加入了孕育剂 或称变质剂 结晶时石墨晶核数目增多 石墨片尺寸变小 更为均匀地分布在基体中 所以其显微组织是在细珠光体基体上分布着细小片状石墨 铸铁变质剂或孕育剂一般为硅铁合金或硅钙合金小颗粒或粉 当加入铸铁液内后立即形成SiO2的固体小质点 铸铁中的碳以这些小质点为核心形成细小的片状石墨 铸铁经孕育处理后不仅强度有较大提高 而且塑性和韧性也有所改善 同时 由于孕育剂的加入 还可使铸铁对冷却速度的敏感性显著减少 使各部位都能得到均匀一致的组织 二 球墨铸铁灰口铸铁经孕育处理后虽然细化了石墨片 但未能改变石墨的形态 改变石墨形态是大幅度提高铸铁机械性能的根本途径 而球状石墨则是最为理想的一种石墨形态 为此 在浇注前向铁水中加入球化剂和孕育剂进行球化处理和孕育处理 则可获得石墨呈球状分布的铸铁 称为球墨铸铁 简称 球铁 球墨铸铁的化学成分和组织特征球墨铸铁常用的球化剂有镁 稀土或稀土镁 孕育剂常用的是硅铁和硅钙 由于球化剂的加入将阻碍石墨化 并使共晶点右移造成流动性下降 所以必须严格控制其含量 球墨铸铁的显微组织由球形石墨和金属基体两部分组成 随着成分和冷却速度的不同 球铁在铸态下的金属基体可分为铁素体 铁素体加珠光体 珠光体三种 见下图 球墨铸铁的牌号 性能特点及用途球墨铸铁的牌号以 QT 数字 数字 牌号中的 QT 表示 球铁 二字汉语拼音的大写字头 在 QT 后面两组的数字分别表示最低抗拉强度和最低延伸率 与灰口铸铁相比 球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限 也具有相当良好的塑性及韧性 球铁的刚性也比灰口铸铁好 但球铁的消震能力比灰口铸铁低很多 由于球铁中金属基体是决定球铁机械性能的主要因素 所以球铁可通过合金化和热处理强化的方法进一步提高它的机械性能 因此 球铁可以在一定条件下代替铸钢 锻钢等 用以制造受力复杂 负荷较大和要求耐磨的铸件 三 其它类型的铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁是近年来发展起来的一种新型工程材料 它是由液体铁水经变质处理和孕育处理随之冷却凝固后所获得的一种铸铁 通常采用的变质元素 又称蠕化剂 有稀土硅铁镁合金 稀土硅铁合金 稀土硅铁钙合金或混合稀土等 蠕墨铸铁的石墨形态介于片状和球状石墨之间 灰口铸铁中石墨片的特征是片长 较薄 端部较尖 球铁中的石墨大部分呈球状 即使有少量团状石墨 基本上也是互相分离的 而蠕墨铸铁的石墨形态在光学显微镜下看起来像片状 但不同于灰口铸铁的是其片较短而厚 头部较圆 形似蠕虫 所以可以认为 蠕虫状石墨是一种过渡型石墨 蠕墨铸铁的牌号以 RuT 数字 表示 牌号中 RuT 表示 蠕铁 二字汉语拼音的大写字头 在 RuT 后面的数字表示最低抗拉强度 可锻铸铁可锻铸铁是由白口铸铁经长时间石墨化退火而获得的一种高强度铸铁 又叫玛钢 白口铸铁中的渗碳体在退火过程中分解出团絮状石墨 所以明显减轻了石墨对基体的割裂 与灰口铸铁相比 可锻铸铁的强度和韧性有明显提高 可锻铸铁的牌号以 KT H或Z 数字 数字 表示 牌号中的 KT 表示 可铁 二字汉语拼音的大写字头 H 表示 黑心 Z 表示珠光体基体 牌号后面的两组数字分别表示最低抗拉强度和最低延伸率 可锻铸铁的石墨是通过白口铸件退火形成的 通常是将白口铸件加热到900 980 温度 一般保温60 80小时 炉冷使其中渗碳体分解让 第一阶段石墨化 充分进行形成团絮状石墨 待炉冷至770 650 再长时间保温让 第二阶段石墨化 充分进行 这样处理后获得 黑心可锻铸铁 若取消第二阶段的770 650 长时间保温 只让第一阶段石墨化充分进行炉冷后便获得珠光体基体或珠光体与少量铁素体共存的基体加团絮状石墨的 白心可锻铸铁 第三节铸铁的热处理HeatTreatmentofCastIron 除了可锻铸铁退火将渗碳体分解为团絮状石墨外 铸铁的热处理目的在于两方面 一是改变基体组织 改善铸铁性能 二是消除铸件应力 值得注意的是 铸件的热处理不能改变铸件原来的石墨形态及分布 即原来是片状或球状的石墨热处理后仍为片状或球状 同时它的尺寸不会变化 分布状况不会变化 一 时效铸造过程中铸铁件由表及里冷却速度不一样 形成铸造内应力 若不消除 在切削加工及使用过程中它会使零件变形甚至开裂 为释放应力常采用人工时效及自然时效两种办法 将铸件加热到大约500 560 保温一定时间 接着随炉冷取出铸件空冷 这种时效为人工时效 自然时效是将铸铁件存放在室外6 18个月 让应力自然释放 这种时效可将应力部分释放 但因用的时间长 效率低 已不太采用 二 改善铸铁件整体性能为目的热处理为改善铸铁件整体性能常有消除