工程材料第7章

第七章铸铁 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 5 4 0 C 1 0 3 0 Si 0 5 1 4Mn 0 01 0 50 P 0 02 0 20 S 有时还含有一些合金元素 如 Cr Mo V Cu Al等 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 按断口颜色分 1 灰铸铁这种铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在 其断口呈暗灰色 有一定的力学性能和良好的被切削性能 普遍应用于工业中 2 白口铸铁是组织中完全没有或几乎完全没有石墨的一种铁碳合金 其断口呈白亮色 硬而脆 不能进行切削加工 很少在工业上直接用来制作机械零件 由于其具有很高的表面硬度和耐磨性 又称激冷铸铁或冷硬铸铁 3麻口铸铁是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁 其断口呈灰白相间的麻点状 性能不好 极少应用 灰铸铁 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可锻铸铁 由白口铸铁退火后获得 石墨呈团絮状分布 简称韧铁 其组织性能均匀 耐磨损 有良好的塑性和韧性 用于制造形状复杂 能承受强动载荷的零件 球墨铸铁 将灰口铸铁铁水经球化处理后获得 析出的石墨呈球状 简称球铁 比普通灰口铸铁有较高强度 较好韧性和塑性 用于制造内燃机 汽车零部件及农机具等 蠕墨铸铁 将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得 析出的石墨呈蠕虫状 力学性能与球墨铸铁相近 铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间 用于制造汽车的零部件 根据石墨形状的不同 可将铸铁分为 铸铁的结晶 一次结晶A的析出与共晶转变 二次结晶A中碳的脱溶与共析转变 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 第一阶段共晶石墨第二阶段二次石墨第三阶段共析石墨 影响石墨化的主要因素 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 5 4 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 5 4 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 5 1 0 P 通常铸铁P含量 0 3 阻碍石墨化Mn S等 2 冷却速度 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 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 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 灰口铸铁 灰口铸铁的基体组织 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 2 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 3 此外由Fe3C在适当高温下 900 1000 下分解产生的石墨还可呈团絮状 灰铸铁的组织示意图 a F G片 b F P G片 c P G片 灰铸铁的性能特点 1 优良的铸造性能2 良好的切削加性3 优良的耐磨性与减震性4 较低的机械性5 缺口敏感性较低 提高灰口铸铁的机械性能的途径 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 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 可锻铸铁的组织示意图 当白口铸铁加热到高温 900 1000 并长时间的15 30h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 通过共析转变区时的冷却速度较快 则A P 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 可锻铸铁的性能特点 较高的强度 塑性和冲击韧性 可以部分代替碳钢 比灰口铸铁性能优越 与球墨铸铁相比 可锻铸铁质量稳定 薄壁件不易生成白口 铁素体可锻铸铁常作汽车 拖拉机的前后轮壳 减速器 中低压阀门 管接头及农具等 珠光体可锻铸铁常用作曲轴 连杆 齿轮等 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 可锻铸铁的牌号及用途 其牌号 KT 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 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 可部分替代钢 球墨铸铁的牌号及用途 QT表示 球铁 二字汉语音的字首 第一组数字代表最低抗拉强度值 第二组数字代表最低伸长率 QT40 70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 蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料 强度接近于球墨铸铁 并有一定的韧性 较高的耐磨性 良好铸造性和导热性 用于高压热交换器 内燃机 液压阀等铸件 合金铸铁 随着铸铁在现代工业中的广泛应用 对其性能的要求愈来愈高 不仅要求具有更高的机械性能 有时还应具有某些特殊的性能如耐热性 耐蚀性及耐磨性等 为使其具有这些特殊性能 向铸铁中加入合金元素 这种加入了合金元素的铸铁即合金铸铁 如 高强度合金铸铁 耐热合金铸铁 耐磨合金铸铁 耐蚀合金铸铁等 灰铸铁