07第七章 铸铁与铸钢—北大

1 理解并掌握铸铁的组织尤其是石墨的形态 分布 性能之间的规律 2 理解并掌握工程材料尤其是金属的结构 理解材料结构与性能之间的关系 尤其是强化工程材料性能的途径 基本原理与方法 3 掌握常用铸铁的种类 组织结构特点 性能和应用 了解其应用范围 4 结合实例 初步具备合理选择铸铁与铸钢材料 正确确定加工方法 妥善安排加工工艺路线的能力 5 了解铸钢与铸铁的技术现状 前沿动态及今后的发展方向 第七章铸铁与铸钢 铸铁是含碳量大于2 11 并含有较多硅 锰 硫 磷等元素的多元铁基合金 铸铁具有许多优良的性能及生产简便 成本低廉等优点 因而是应用最广泛的材料之一 7 1概述 例如 机床床身 内燃机的汽缸体 缸套 活塞环及轴瓦 曲轴等都可用铸铁制造 铸铁曲轴 最近10年是我国铸铁业发展最快 最好的时间 我国铸件产量持续增长 其中 铸铁业以年均20 的速度增长 远高于同期GDP约10 的增长速率 我国铸铁件的材质结构持续改善 球铁在铸件中所占的比重由1998年的14 增至2009年的24 7 球铁与灰铁的比例由0 226上升到0 51 目前 我国年产铸铁件10000吨以上 图1 1998 2009年我国铸件 灰铁件 球铁件的产量 近10年来 我国铸件产量持续增长 其中 尤以铸铁件的产量增长最快 图7 1中国2009年各材质铸件产量 万吨 2009年我国铸件产量为3530万吨 其中 铸铁件产量占2630万吨 球墨铸铁产量为870万吨 灰铸铁产量1700万吨 蠕墨铸铁产量约30万吨 占我国铸件产量的74 5 约占当年世界铸铁件产量的39 4 一 铸铁的石墨化过程1 Fe Fe3C和Fe G 石墨 双重相图Fe3C是亚稳相 在一定条件下将发生分解 Fe3C 3Fe C 石墨 石墨是碳的单质之一 其强度 塑性 韧性几乎为零 铸铁中的碳除少量固溶于基体中外 主要以化合态的渗碳体 Fe3C 和游离态的石墨 G 两种形式存在 存在两个铁碳相图 Fe Fe3C和Fe G双重相图 2 铸铁的石墨化过程铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化 铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出 也可以由渗碳体加热时分解得到 石墨化分两个阶段 在P S K 线以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化 包括结晶时一次石墨 二次石墨 共晶石墨的析出和加热时一次渗碳体 二次渗碳体及共晶渗碳体的分解 在P S K 线以下发生的石墨化称为第二阶段石墨化 包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解 石墨化程度不同 所得到的铸铁类型和组织也不同 铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系 以共晶铸铁为例 3 影响石墨化的因素 化学成分的影响碳和硅是强烈促进石墨化的元素 碳 硅含量过低 易出现白口组织 力学性能和铸造性能变差 碳 硅含量过高 会使石墨数量多且粗大 基体内铁素体量增多 降低铸件的性能 冷却速度的影响铸件冷却缓慢 有利于碳原子的充分扩散 结晶将按Fe G相图进行 因而促进石墨化 快冷时由于过冷度大 结晶将按Fe Fe3C相图进行 不利于石墨化 二 铸铁的特点及分类 工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁 1 铸铁的组织特点钢的基体 G 石墨 基体组织有铁素体 珠光体和铁素体加珠光体三种 耐磨性能好 由于石墨本身有润滑作用 消振性能好 由于石墨可以吸收振动能量 铸造性能好 由于铸铁硅含量高 成分接近于共晶 切削性能好 由于石墨使车屑容易脆断 不粘刀 2 铸铁的性能特点 力学性能低 由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞 破坏了基体的连续性 且易导致应力集中 铸铁与铸钢的强度比较 铸铁根据石墨的形态进行分类 铸铁中石墨的形态有片状 团絮状 球状和蠕虫状四种 其所对应的铸铁分别为灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁和蠕墨铸铁 7 2灰铸铁 碳大部分是以片状石墨存在 因其断口呈暗灰色而得名 灰铸铁生产工艺简单 价格低廉 应用广泛 其产量约占铸铁总产量的70 汽车业是灰铸铁的主要应用领域之一 近年来随着汽车轻量化要求的不断提高 薄壁高强度灰铸铁的应用迅速推进 1 灰铸铁的组织 灰铸铁的显微组织 2 灰铸铁的热处理热处理只改变基体组织 不改变石墨形态 灰铸铁强度只有碳钢的30 50 热处理强化效果不大 灰铸铁常用的热处理有 消除内应力退火 又称人工时效 消除白口组织退火 表面淬火 12 9L6缸蠕铁柴油机缸体 2008 Brazil 3 用途制造承受压力和震动的零件 如机床床身 各种箱体 壳体 泵体 缸体 3 灰铸铁的牌号及用途 灰铸铁牌号中 HT 为灰铁汉语拼音字首 其后数字表示该材料的最低抗拉强度 MPa 例如HT200表示抗拉强度 b 200MPa的灰铸铁 灰铸铁的强度与铸件的壁厚大小有关系 因此在根据性能要求选择铸铁牌号时 必须注意到铸件的壁厚 如铸件的壁厚超出表中所列的尺寸时 应根据基体情况适当提高或降低铸铁的牌号 灰铸铁主要用于制造承受压力和振动的零部件 灰铸铁的牌号 力学性能 显微组织及用途 实例7 1乘用车的刹车盘通常是使用HT250或相近的低合金灰铸铁 要求材料具有良好的导热性和冷热疲劳性能 所以要求A型石墨 以利于热传导 国内发动机的一些缸体已采用HT300甚至HT350铸铁制作 我国一汽铸造公司已稳定地采用HT300生产6DL道依茨发动机缸体 同时也储备了HT350的生产技术 7 3球墨铸铁 中国从1950年开始研究和生产球铁 是世界上较早生产球铁的国家之一 从2005年起 我国球铁产量连续五年居世界第一 2008年已达820万吨 约占当年世界球铁产量的1 3 比世界第2 3 4名美国 360万吨 日本 200万吨 和德国 185万吨 的总和还多2004到2008年 世界球铁铸件的产量从1870万吨增加到2384万吨 年均增长率为5 5 中国球铁与灰铁的比例为0 50 世界平均水平为0 55 美国的比例为1 0 我国球铁产量的提升空间还很大 图7 6中国球铁件应用领域 其中铸管和管件年产量约280万吨 占33 汽车铸件约280万吨 为33 约占我国工程结构球铁产量 不包括铸管 的50 其他如工程机械 农机 机床 建筑 冶金 矿山 能源工业部门等约占33 DN2600X8150热模法球铁管 新兴铸管公司生产 单重14 76吨 壁厚28mm 东汽生产的QT400 18 LT风电球铁铸件要求低温冲击性能 20 V型缺口试样冲击韧性 12 一汽铸造公司用壳型背丸工艺生产的球铁曲轴 尺寸精度高 外观精美 综合废品率在0 5 以下 90吨重高延伸率和高低温冲击韧性球铁铸件 135吨机床球铁件 注塑机头板 二板与尾板 用途承受震动 载荷大的零件 如曲轴 传动齿轮等 核燃料贮存运输容器 QT350 22 铸铁曲轴 实例7 2发动机曲轴是球铁在我国应用最典型的零件 研究开发最早 应用范围最广 产量最多 汽车 拖拉机 船用及工程机械上的许多发动机曲轴以及空压机 空调压缩机上的曲轴都是球墨铸铁的 据统计 我国年产用于发动机的各类球铁曲轴约20万吨 1000万根以上 一汽铸造公司用壳型背丸工艺年产球铁曲轴约50万只 综合废品率在0 2 以下 4 球墨铸铁的牌号及用途 球墨铸铁的牌号是由球铁汉语拼音字首 QT 及其后的两组数字组成 这两组数字分别表示该材料的最低抗拉强度 单位为MPa 和最低伸长率 例如QT600 3表示Rm 600MPa A 3 的球墨铸铁 球墨铸铁主要用于制造受力复杂 强度 韧性和耐磨性要求高的零件 如在机械制造业中 珠光体球墨铸铁常用于制造拖拉机或柴油机的曲轴 连杆 凸轮轴 各种齿轮 机床的主轴 蜗杆 蜗轮 轧钢机的轧辊 大齿轮及大型水压机的工作缸 缸套 活塞等 铁素体球墨铸铁常用于制造受压阀门 机器底座 汽车后轮壳等 表7 4球墨铸铁的牌号 组织 力学性能及用途 1 球墨铸铁的组织 由基体和球状石墨组成的 铸态下的基体有三种 球状石墨是液态铁水经球化处理得到的 加入到铁水中能使石墨结晶成球形的物质称为球化剂 常用的球化剂为稀土镁合金 球墨铸铁的显微组织 2 球墨铸铁的性能 由于球状石墨 对基体的割裂作用和产生的应力集中小 基体强度利用率可达70 90 接近于碳钢 塑性和韧性比灰铸铁和可锻铸铁都高 球墨铸铁的突出特点是屈强比 s b 高 约为0 7 0 8 而钢一般只有0 3 0 5 球墨铸铁还具有较高的疲劳强度 带孔和带台肩球墨铸铁件的疲劳强度与45钢的相当 表7 3 因此 多数带孔和台肩的重要零件可用球墨铸铁代替钢来制造 试验还表明 球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过45钢 表7 3球墨铸铁和45钢的疲劳强度 3 球墨铸铁的热处理 球墨铸铁可进行各种热处理 如退火 正火 淬火加回火 等温淬火等 球墨铸铁的热处理特点是 奥氏体化温度比碳钢高 由于硅含量高 淬透性比碳钢高 奥氏体中碳含量可控 AustemperedDuctileIron简称ADI ADI是一种具有较高性价比的新型工程材料 等温淬火热处理后有很好的综合性能 与同等韧性的普通球墨铸铁相比 其强度提高一倍 与合金钢相当 但其弹性模量最低20 减少接触应力 且减震性及抗磨性好等许多优点 发展很快 应用范围逐步扩大 产量不断增加 2007年世界产量已近30万吨 其中美国最多 达20万吨 欧洲2 5万吨 中国约7万吨 去年我国ADI年产量约8万吨 约占世界年产量50万吨的1 6 1 5 我国所生产的ADI铸件中 要求不高的抗磨件如磨球 衬板 锤头等占35 重型卡车底盘上悬挂件 支架件 拖钩件等零件 铁路机车衬套 支架 垫板 风镐缸体 榨油机榨螺 小型柴油机曲轴 凸轮轴等一般机械承载件占50 精度要求较高的齿轮和增压发动机曲轴等不到5 在北美和欧洲ADI应用市场中 汽车占了主要位置 约占ADI总量的50 以上 特别是重卡的底盘零件 应用很多 美国每辆重卡至少有500公斤以上的ADI零件 欧洲ADI在风力发电零件和工程机械上的应用取得较大进展 ADI取代原球墨铸铁件 铸钢件 锻钢焊接件和某些铝合金件 在载重汽车 小轿车 柴油机 建筑机械 铁路 机车 农业机械 闸门工程等领域得到越来越多的应用 用来制造曲轴 齿轮 齿轮架 钢板弹簧支架 支撑座 衬套 发动机固定支架 连杆 缸体 风镐机头 万向连轴节 闸瓦 火车斜楔 销套 磨耗板 汽车轮毂等要求高强度 耐冲击 耐磨和有疲劳性能要求的零件 实例7 4东风汽车公司在5吨高机动性越野车试制中 采用ADI代替传统的45号铸钢的底盘零件 使14个零件采用ADI后 总重量由630 62kg减轻至380kg 减重率达39 6 并在后续的改进中进一步增加ADI零件的数量 使整车ADI件重量达到了550 4kg 7 4蠕墨铸铁 国外 主要是欧洲 每年生产大约50万台内燃机用的缸体 缸盖等蠕铁件 重量约10万吨 约占欧洲蠕铁产量的2 3 其余是钢锭模 排气管 支架 飞轮 制动毂 液压阀等 在欧洲 柴油发动机的比例比较高 约占50 四 蠕墨铸铁蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁 蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的 蠕化剂为稀土硅铁镁合金 稀土硅铁合金 稀土硅铁钙合金等 蠕墨铸铁的组织 基体 F F P P 蠕虫状G 蠕墨铸铁中的石墨 蠕墨铸铁的显微组织 蠕墨铸铁的强度 塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁 其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间 蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂 强度要求高的铸件 如钢锭模 玻璃模具 柴油机汽缸 汽缸盖 排气阀 液压阀的阀体 耐压泵的泵体等 制动鼓 返回 可锻铸铁石墨化退火工艺曲线 7 5可锻铸铁石墨呈团絮状的灰口铸铁 是由白口铸铁经石墨化退火获得的 1 组织 基体 F P 团絮状G铁素体基体可锻铸铁又称黑心可锻铸铁 2 性能 强度为碳钢的 0 0 接近于铸钢 名为可锻 实不可锻 可锻铸铁的显微组织 黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁 可锻铸铁的石墨化退火 3 用途用于制造形状复杂且