金属材料第六讲-难熔金属与合金-铸铁.ppt

铸铁,大作业：选择一种你感兴趣的金属机械零件进行选材，分析其服役环境、性能要求、合金化特征及热处理工艺。不少于1000字，不要介绍课堂中讲过的内容。,铸铁有优良的使用性能和工艺性能，在机械、冶金、矿山、石油化工、交通运输、建筑等领域被广泛应用。使用量仅次于钢，铸铁件占机械总质量的4590%。,1.1、成分特征,含碳量大于2.14%或组织有共晶组织的铁碳合金，以Fe-C-Si元素为主，含有其它元素（质量分数）：2.44.0%C，0.63.0%Si，0.21.2%Mn，0.041.2%P及0.040.2%S，有时加入Al、Cr、Mn、Cu等满足特殊性能。,1.2、C在铸铁中的存在形式,间隙固溶（铁素体、奥氏体）、渗碳体Fe3C、石墨。在大部分的机械制造工业用铸铁，碳主要以游离的石墨形式存在。,1）、白口铸铁：C以渗碳体形式存在，断口为白亮色。因渗碳体存在，硬而脆，不易切削加工，一般不用来制造机械零件，主要作为炼钢原料使用。,1.3、铸铁的分类（按照C析出状态或铸铁特性）,2）、灰口铸铁：C全部或大部分以片状石墨析出，断口为灰暗色。机械性能和加工性能良好，是主要的材料。按石墨或基体组织又可分成：,可锻铸铁：团絮状石墨，与灰口铁相比，塑韧性好，实际上不可锻。,2.1、铁-石墨状态图,图中虚线为Fe-G状态图（也称Fe-C稳定相图），实线部分为Fe-Fe3C状态图（Fe-C不稳定相图）。重合部分都用实线表示。,由于虚线位于实线的左上方，表明Fe-G比Fe-Fe3C更稳定。前者共晶、共析点均高于后者，溶解度线温度高于后者，前者析出石墨，后者析出Fe3CII。,2.2、石墨化过程,铸铁中碳以石墨形式析出的过程叫石墨化,高温铁水凝固时C可以以石墨或Fe3C形式析出。厚壁件冷速小，以石墨形式析出；薄壁件冷速大，以Fe3C形式析出。取决于自由能随温度变化。从自由能曲线上看，形成A+G最有利，1153以下A+G自由能最低，有利于石墨化过程。,实际生产冷速较大时，合金过冷到Tc以下，常常结晶形成莱氏体共晶组织，而非A+G，由于形成G和Fe3C的动力学条件不同。原因：新相产生条件是成分起伏、结构起伏和能量起伏。成分起伏：形成G所需成分起伏大，C由共晶的4.3%100%；Fe3C所需成分起伏小，4.3%6.67%；结构起伏：Fe3C长大，C只是在Fe原子间隙存在，Fe不需要反向长程扩散。从动力学看有利于Fe3C形成。,要获得G，就使液体不要过冷到Tc（A+Fe3C共晶温度）以下。C和Fe才能充分扩散，达到成分起伏，使动力学条件较差的A+G共晶转变得以实现。冷速要慢，厚壁，砂型模具。,2.3、影响铸态组织的因素,铸铁的组织取决于石墨化程度，关键在于控制石墨化进程与石墨尺寸的大小。受化学成分、冷却速度、过热和高温静置以及孕育处理等因素影响。,A：化学成分,C和Si：是铸铁中的基本成分，强烈促进石墨化元素，促进第一和第二阶段石墨化。C量提高，促进石墨化；I:Si含量提高，使共晶和共析点含碳量左移（减小），相当于含C量增加，促进石墨化。含2.08%Si时，共晶和共析含C量分别由4.26%降低3.65%，0.69%到0.65%。,II:Si使共晶和共析转变在一个温度区间进行，有三相区共存。共晶转变区：液态+A+G；共析转变区：A+F+G。随Si含量提高，三相区域增大。有利于G形成；III：Si提高共析和共晶转变温度，利于原子长程扩散，促进石墨化。,综合考虑C和Si的影响，使用碳当量（CE）和共晶度（SC）描述石墨化倾向。CE是把Si和P都折合成C含量，SC是铸铁实际含C量与共晶含C量之比：CE大等于4.26%为过共晶，小于4.26%为亚共晶。,CE和SC越高，铸铁石墨化能力越强，石墨数量多且粗大，F含量多，力学性能下降。,P的影响：促进石墨化元素，不如C强烈，3份P相当1份C。P=0.2%时形成Fe3P相，硬而脆，细小、均匀、弥散分布时对耐磨性有益。若形成网状，降低铸铁强度，增加脆性。耐磨铸铁含量为0.51%，普通铸铁都作为杂质，限制在0.2%以下。,Mn的影响：阻碍石墨化元素。溶于F或渗碳体内增加C和Fe的结合力，降低共析共晶温度，阻碍石墨化。Mn能与S结合形成MnS，削弱S的有害作用。强化基体，促进珠光体形成。含量0.51.4%，若要获得F基体，Mn含量取下限。,S的影响：促进白口元素，共晶白口铁。降低流动性，使铸铁内产生气泡，是有害元素。,所有的合金元素均可分为促进石墨化和阻碍石墨化元素,B：冷却速度,铸铁化学成分确定后，改变冷却速度，可在很大范围改变铸铁组织，可以是灰口铁，也可是白口铁。,冷却速度越慢，过冷度小时，越利于Fe-G状态图进行结晶和相变，有利于石墨化。反之温度越低，冷却速度增大，原子扩散能力减弱，共析阶段石墨化难以完成。,实际铸造过程，铸件冷却速度是综合因素，与浇注温度、铸型条件和铸件壁厚有关。铸件越厚，冷速越小，越容易得到粗大石墨，反之得到细小石墨，壁厚效应很敏感。不同铸型材料有不同的导热系数。干砂型导热慢，湿砂型快，金属型更快。可调整不同砂型，利用不同导热能力获得不同冷却速度，获得所需组织。,C：铸铁过热和高温静置的影响,在一定温度范围内，提高铁水过热温度，延长高温静置时间，都会导致铸铁中的石墨基体组织细化，强度提高。进一步提高过热温度，铸铁成核能力下降，石墨形态变差，甚至出现自由渗碳体，强度下降。存在临界温度。一般灰口铁的临界温度为15001550。化学成分是最基本的因素。,石墨形状为片状，基体组织为F、P、或F+P，断口为灰色的铸铁叫灰口铁。,牌号：HTxxx抗拉强度P基体的抗拉强度高于F基体,孕育铸铁：在铸铁液中加如硅铁或硅钙做孕育剂，提供非均匀形核的核心SiO2，细化石墨，叫孕育铸铁。一般低C（2.83.3%），低Si（1.01.4%），铁水温度高：14201440，孕育剂占铁水总量的0.30.5%。,3.1、灰口铁中片状石墨的生长方式,六方晶格结构：每层为正六边形，相邻两层原子间距大，0.339nm，六角环形面为基面（0001），垂直于基面的叫柱面，结合能为4.1912.56J/mol。基面原子间距为0.142nm，结合能强，419502J/mol。,1、从晶体学和生长方式看，形成新的一层时，由于层间结合力弱，有可能重新溶入铁液中，所以垂直层面方向石墨生长速度慢；2、相反每一层最边缘的原子总有一个共价键没有结合，只有铁液中有一个原子进入到合适位置，会很牢固的粘上，而不易重新溶入铁液中，沿片方向生长速度快；,3、从石墨生长动力学看，其生长会导致周围贫C富Si，促进包围石墨片的A形成。但A并不能完全包围石墨片，仍与铁水接触，进一步长大。但沿层厚方向长大，C和Fe均要扩散，较困难，生长慢。所以沿层片方向生长快，形成片状石墨。,片状石墨生长示意图,3.2、灰口铁的组织特点,1、灰口铁的基体同碳钢基本相似。但由于含Si、Mn量高，基体强度比碳钢高：碳钢F的硬度HBS80，抗拉强度300MPa，而灰口铁的HBS100，抗拉强度400MPa；,2、C以游离态石墨存在。软而脆，强度极低（抗拉强度小于20MPa，延伸率为0），密度低，体积分数大，使金属强度得不到发挥，石墨相当于微小裂纹或空洞；,3、片状石墨对铸铁的性能影响大。孕育处理促进石墨化，减少白口倾向，控制石墨形态（细小、头部钝、较厚、均匀、对基体割裂作用小），促进细片珠光体（索氏体）形成，改善铸铁组织性能；,3.2、灰口铁的组织特点,4、存在非金属夹杂物。硫化夹杂和磷共晶体。FeS降低铸铁强度，形成MnS可消除对Fe强度的影响。磷共晶常沿着共晶团晶界呈网状分布，硬而脆，降低韧性。限制含磷量。,3.3、灰口铁的性能和热处理,灰口铁性能有两个决定因素：金属基体和石墨。石墨是主要因素，有双重作用：1）力学性能下降，2）改善其他性能。,3.3、灰口铁的性能和热处理,1、抗拉强度低，塑韧性差：虽然基体的性能与钢相当，但有石墨存在，整体性能下降。石墨减少有效受载面积（缩减作用，基体强度利用率只有3050%），强度下降；同时石墨的尖角效应，视为缺口，应力集中。一般产生脆性断裂；,2、存在壁厚敏感效应：凝固速度对石墨的尺寸、形状、分布有关，进而影响铸铁性能。壁厚处冷速慢，石墨大，强度低；同一铸件壁厚处强度比壁薄处低，称为铸件壁厚敏感性。可通过孕育处理改善之；,3.3、灰口铁的性能和热处理,3、硬度和强度：抗压强度与钢接近，是抗拉强度的35倍，拉力下缺口敏感。硬度一般在HB130270；,4、良好的减震和减摩性：这是铸铁最大的优点。减震是指材料吸收震动能力的能力，片状石墨降低了基体的连续性，阻止振动的传播，转变成热能发散；软石墨是润滑剂，被磨掉的地方存储润滑油，减摩；,5、良好的铸造、切削性：铸铁化学成分接近共晶，流动性好，不易形成缩孔和缩松，可铸造形状很复杂的零件（发动机气缸）。石墨润滑作用使切削容易。,3.3、灰口铁的性能和热处理,6、热处理：1）500550低温退火，消除铸件内应力，减少变形、开裂等；2）石墨化退火：当有白口组织时或自由碳化物较多，通过高温900950石墨化退火，降低硬度改善切削加工性能。,铁水经过球化处理，把片状石墨变成球状的叫球墨铸铁,采用纯镁，近年用稀土镁做球化剂，用量仅次于灰口铁。牌号为QTXXX-XX。前面XXX代表抗拉强度，后一个XX代表延伸率。球状石墨对基体割裂程度小，性能主要取决于基体组织性能,4.1、球状石墨的形成过程,一定成分的铁液，加入球化剂（镁、铈、钙、稀土镁等）后，硫和氧含量下降，石墨就会以球状析出。球化元素在铁液中有一定的残留量，在共晶凝固过程中形成球状石墨。,（1）、球状石墨的结构,低倍呈球形，高倍呈多边形轮廓，内部成放射状。内部呈年轮状结构，有一个核心。从核心向外，碳原子形成年轮状堆积。这个核心就是球状石墨形成和长大的策源地。每一个多边形就是一个（0001）为底面的年轮，从内部向外部形成一个锥形单晶体，球状石墨的多边外形就是由不同取向的（0001）面所构成。除球状，还有其他形态的变态石墨。,（2）、球状石墨的形成条件,铁液凝固时要有a：较大的过冷度、b：较大的铁液与石墨间的界面张力。,第一个条件：任何球化剂（Mg、Ce、Y、La等）均使铁液的过冷度加大，为球状石墨的形成提供第一条件；第二个条件：球化剂与表面活性物质S、O反应，使其含量降低，提高铁液表面张力和铁液/石墨界面张力，提供第二条件。,（3）、球状石墨的形核机理,无论亚、共和过共晶成分，石墨都是从铁水中直接析出，并长大到一定尺寸。球状石墨中心有直径约1mm的杂质微粒，是球状石墨的晶核，有双层结构：晶核最中心由Mg和Ca的硫化物组成，尺寸为0.05mm，外层则由Mg、Al、Si、Ti的氧化物组成。Mg、Ca除去了铁液中活性的S、O，形成非自发形核核心，分别构成了核的内外层。,（4）、球状石墨的生长机理,经Mg或Ce处理的铸铁熔体，熔体和石墨棱面间的界面能大于熔体与石墨晶体基面的界面能，为石墨沿（0001）基面的生长奠定基础。而含硫较多的灰口铁，相反。,球墨生长时有大量缺陷，螺位错起主导作用。碳原子优先在螺位错的螺旋出口处作为生长的最有利位置，沿（0001）方向螺旋上升发展，见图7.5。若各个晶体按同样速度长大，晶体形成近似球面的多面体。若某些活性元素（S，O）吸附在螺旋台阶的螺旋出口处，降低铁液/石墨的界面张力，抑制该处螺旋生长，而其他处的螺旋晶体依然保持一定速度生长，使等轴方式遭到破坏，球墨形状发生异变。消除活性元素对球墨的干扰。,4.2、球墨铸铁的组织与性能,球墨铸铁的组织是细小圆整的石墨+金属基体，按分布和形态变化石墨化程度共分为6级。石墨化程度越好，越细小，对基体的缩减和切割作用越小，球铁的综合性能越好。基体利用率可达7090%。,铸态条件下金属通常是F+P的混合组织，F通常位于球墨的周围，形成“牛眼”状组织，通过适当的热处理，可得到F、P、S、B等组织，获得不同性能。,1、铁素体球铁的基体是以铁素体为主。QT400-18、QT400-15、QT450-10，强度较低，塑韧性较好，制造承受冲击、振动的件，如汽车和拖拉机底盘等。2、珠光体球铁的基体是以珠光体为主。QT700-2、QT800-2，可铸态或正火下获得，强度硬度高，有一定韧性，耐磨性好，耐冲击性好，适合制造重载荷耐磨的零件，如小功率内燃机曲轴，立式机床主轴及滑动摩擦件。3、F-P混合球铁。QT500-7，QT600-3，性能介于F和P球铁之间，通过热处理改变F和P的数量和分布，获得不同性能。用于制造汽车、农机、冶金设备的一些部件。4、奥氏体-贝氏体球铁。高强度（9001400MPa）、高塑韧性（延伸率可达10%以上）。高冲击韧性、抗点蚀、抗弯曲疲劳和耐磨，是近几十年铸铁冶金的重大成就，用于制造高承载能力的曲轴、齿轮、连杆等部件。,4.3、球墨铸铁的热处理特点,球墨铸铁和钢件一样可以进行各种热处理。其共析转变不是恒温，而是在一个温度范围，A、F、石墨共存。各温度下三相具有不同平衡数量，A中含碳量也是变量。改变热处理温度、时间冷却速度，可获得不同比例的F和P，较大幅度调整铸铁力学性能。热处理时，石墨是“碳库”，不发生相变，但共析温度以上加热时，随保温时间延长，C原子源源不断地向A中扩散，冷却时，A中溶解度降低，C又向石墨上析出。调整温度、时间和冷却速度，可调节A中C量，获得不同组织。,1、消除热应力退火：内应力比灰口铁高23倍，要消除应力。一般消除应力退火温度为550650，铁素体基球铁取上限600650，珠光体基球铁取下限550600，保温时间28h，冷却到200250空冷。2、石墨化退火：消除铸态组织中的自由渗碳体。球铁的白口倾向大，生产游离渗碳体，硬度高脆性大、不易切削，要进行石墨化退火处理。高温石墨化处理：900950加热/保温24h，A+G，缓慢冷却至600650空冷，获得铁素体基体+G。,4.4、球墨铸铁的热处理工艺,低温石墨化处理：适合于处理高的低温韧性的铁素体球铁。消除少量的共析渗碳体，提高韧性。A:Ac1以上加热获得A，再以缓慢冷却通过共析转变区，形成F+G；B:Ac1以下加热退火（720750），是P分解成F+G。550600后空冷。,3、正火处理和调质处理：目的在于获得P组织和提高P的分散度，从而提高铸铁的性能。分为完全A化正火（高温正火）和部分A化正火（中温正火）。正火温度越高、保温时间越长、冷却速度越快，基体组织中P数量越多。也可淬火+高温回火（调质处理），得到回火索氏体，具有高强度和良好的韧性。,4、等温淬火处理：高速、大功率机器中受力复杂件，用等温淬火提高零件综合机械性能，获得奥氏体-贝氏体基体组织。较低温度等温可获得下贝氏体基体，较高温等温可获得A+上贝氏体组织。影响因素：1）等温温度：A化后进行等温处理，等温温度高（350370），A+上B，韧性好，强度损失。等温温度低（300330），获得下B组织，强度高，耐磨性好；2）等温时间：时间过短，A转变为B少，未转变A分解成M，韧性变差；时间过长，析出K，残A减少，也降低韧性。等温时间要适当，避免M或K的产生。,5、表面淬火与化学处理：提高铸铁表面硬度、耐磨性、耐蚀和疲劳强度，可表面感应淬火、激光表面硬