工程材料第八章铸钢与铸铁

1、工程材料第八章铸钢与铸铁1 第八章第八章 铸铸 铁铁 碳钢碳钢 合金钢合金钢 铸钢与铸铁铸钢与铸铁 及其合金及其合金 黑色金属黑色金属 工程材料第八章铸钢与铸铁2 第一节第一节 铸铸 铁铁 概概 述述 u灰口铸铁与白口铸铁的区别：灰口铸铁与白口铸铁的区别： u成分不同成分不同白口铸铁是白口铸铁是Fe-CFe-C合金，灰口铸铁是以合金，灰口铸铁是以Fe-Fe- C-Si-MnC-Si-Mn为主要元素的多元合金为主要元素的多元合金 u组织不同组织不同在灰口铸铁中，碳主要以晶态在灰口铸铁中，碳主要以晶态G G存在，组存在，组 织中不存在织中不存在LeLe u性能不同性能不同不存在高脆性的不存在高脆性

2、的LeLe，脆性小，多种工程应，脆性小，多种工程应 用用 工程材料第八章铸钢与铸铁3 人们通常所说的铸铁，指的就是灰口铸铁人们通常所说的铸铁，指的就是灰口铸铁 在机床制造中，铸铁件用量在机床制造中，铸铁件用量6090% 工程材料第八章铸钢与铸铁4 1、碳的三种存在形式：、碳的三种存在形式： 溶于溶于-Fe或或-Fe中形成中形成F 或或A ； 形成渗碳体形成渗碳体(Fe3C)； 游离态游离态石墨石墨(G)。 u石墨强度、硬度和塑性都很差石墨强度、硬度和塑性都很差。 u石墨为稳定相。石墨为稳定相。 u渗碳体为亚稳相，渗碳体为亚稳相， Fe3C3Fe+C 一、一、 铸铁成分铸铁成分（C2.11%；

3、2.5 - 4%） 二、铸铁的的石墨化过程和特点二、铸铁的的石墨化过程和特点 石墨的晶体结构石墨的晶体结构简单六方晶格简单六方晶格 Si ( 1 - 3%）, Mn ( 0.5 1.4%）, P ( 0.01 0.5%）, S ( 0.02 0.2%）; Gr , Ni , Mo , Cu 合金铸铁合金铸铁 （提高机械性能、耐磨、耐腐蚀、耐热）（提高机械性能、耐磨、耐腐蚀、耐热） 工程材料第八章铸钢与铸铁5 亚稳定平衡的亚稳定平衡的Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图和稳定平衡的和稳定平衡的Fe-GFe-G相图相图， 工程材料第八章铸钢与铸铁6 铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化铸

4、铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化 石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳 体分解来获得。体分解来获得。 2 2、铸铁的石墨化过程、铸铁的石墨化过程 u第一阶段：第一阶段： 1154 1154 一次石墨：一次石墨：过共晶铸铁液体结晶过共晶铸铁液体结晶 共晶石墨：共晶石墨： L L4.25 4.25 A A2.082.08+G +G( (共晶 共晶) ) u第二阶段：第二阶段： 1154 738 二次石墨：二次石墨：A G u第三阶段第三阶段: 738 共析石墨：共析石墨： A0.68 Fp+G(共析 共析) 1154 工程材料第八章铸

5、钢与铸铁7 温度和冷却速度温度和冷却速度 缓慢冷却，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。缓慢冷却，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。 影响石墨化的主要因素：影响石墨化的主要因素： 合金元素合金元素 促进石墨化的元素促进石墨化的元素(C、Si、A1、Cu、Ni、Co等）等） 阻碍石墨化的元素阻碍石墨化的元素(Cr、W、Mo、V、Mn等等)两大类。两大类。 S强烈促进白口化，控制强烈促进白口化，控制0.15% 生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的 基本措施。基本措施。 工程材料第八章铸钢与铸铁8 3 3、铸铁的组织特征和分类、铸铁的组织

6、特征和分类 名称名称 石墨化程度石墨化程度 显微组织显微组织 第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段 灰口铸铁灰口铸铁 充分进行充分进行 充分进行充分进行 充分进行充分进行 充分进行充分进行 充分进行充分进行 充分进行充分进行 充分进行充分进行 部分进行部分进行 不进行不进行 F F+G+G F+PF+P+G+G P P+G+G 麻口铸铁麻口铸铁部分进行部分进行部分进行部分进行不进行不进行LeLe+P+G+P+G 白口铸铁白口铸铁不进行不进行不进行不进行不进行不进行LeLe+P+Fe+P+Fe3 3C C 表表3-20 3-20 铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织铸铁经不同程度石墨化

7、后所得到的组织 铸铁组织：铸铁组织：石墨石墨和和基体（基体（F、P、F+P） 工程材料第八章铸钢与铸铁9 l根据根据石墨形态石墨形态： 普通普通灰口铸铁灰口铸铁 片状片状； 可锻铸铁可锻铸铁 团絮状团絮状； 球墨铸铁球墨铸铁 球状球状； 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 蠕虫状蠕虫状。 球状石墨球状石墨 各种铸铁的石墨形态（未腐蚀）各种铸铁的石墨形态（未腐蚀） 片状石墨片状石墨 団絮状石墨団絮状石墨蠕虫状石墨蠕虫状石墨 工程材料第八章铸钢与铸铁10 由于石墨的存在，使铸铁具备下列由于石墨的存在，使铸铁具备下列特殊性能特殊性能： 优良的切削加工性；优良的切削加工性；脆性切屑脆性切屑 铸造性能好；铸造性能好；石墨

8、膨胀石墨膨胀 减磨性及耐磨性很高；减磨性及耐磨性很高；石墨有好润滑作用石墨有好润滑作用, ,并能存油并能存油 优异的消振性；优异的消振性；石墨削减振动的传递石墨削减振动的传递 低的缺口敏感性。低的缺口敏感性。大量石墨的割裂作用大量石墨的割裂作用 4、 铸铁的性能特点铸铁的性能特点 石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效截石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效截 面，并引起应力集中。石墨对基体的严重割裂致灰口铸铁面，并引起应力集中。石墨对基体的严重割裂致灰口铸铁 的的抗拉强度和塑性都很低抗拉强度和塑性都很低。压缩强度不受影响压缩强度不受影响 工程材料第八章铸钢与铸铁11 第二

9、节第二节 灰口铸铁（灰口铸铁（80%） （1）牌号）牌号 “HT”“灰铁灰铁”，数字，数字最低抗拉强度最低抗拉强度。 HT100、HT200、HT300（表（表3-22） u性能：性能：强度较低，韧性较差强度较低，韧性较差 u应用：应用：承压件承压件，如床身，机架，箱体，缸体，壳体，如床身，机架，箱体，缸体，壳体 等等 u、和和+三种基体三种基体 工程材料第八章铸钢与铸铁12 图图3-14 灰口铸铁的显微组织灰口铸铁的显微组织 F+G片F+P+G片P+G片 石墨片的三维形貌石墨片的三维形貌 工程材料第八章铸钢与铸铁13 （2 2）影响灰铸铁组织和性能的因素）影响灰铸铁组织和性能的因素 冷却速度

10、冷却速度: 铸件壁厚越薄，冷速越快，越易铸件壁厚越薄，冷速越快，越易 形成白口铁形成白口铁 化学成分化学成分:控制化学成分是控制铸铁组织和性能的基本方法控制化学成分是控制铸铁组织和性能的基本方法 n主要主要C（2.54.0%）、Si（1.02.0%）促进石墨化促进石墨化。 nMn （0.51.4%）：）：阻止石墨化阻止石墨化，促进，促进P基体的形成。生成基体的形成。生成MnS; nP：促进石墨化，：促进石墨化，强度强度(0.12%)，耐磨性耐磨性(0.3%); nS(0.15%):有害，强烈促进白口化。有害，强烈促进白口化。 不同不同C+Si含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织含量，不同壁厚（

11、冷却速度）铸件的组织 灰口铸铁的机械性能主要取决于石墨的形态、含量和分布灰口铸铁的机械性能主要取决于石墨的形态、含量和分布 工程材料第八章铸钢与铸铁14 （3 3）孕育铸铁）孕育铸铁 n经孕育处理（变质处理）后的灰铸铁叫孕育铸铁。经孕育处理（变质处理）后的灰铸铁叫孕育铸铁。 n孕育的目的：获得细小均匀的石墨片，细化基体组织，孕育的目的：获得细小均匀的石墨片，细化基体组织， 提高强度和硬度提高强度和硬度 n常用的孕育剂常用的孕育剂: :硅铁和硅钙合金、碳类硅铁和硅钙合金、碳类 孕育处理前孕育处理前孕育处理后孕育处理后 工程材料第八章铸钢与铸铁15 b消除铸件白口、降低硬度的退火（高温退火）消除铸

12、件白口、降低硬度的退火（高温退火） 在在共析温度以上共析温度以上进行，使渗碳体分解成石墨；进行，使渗碳体分解成石墨； c表面淬火表面淬火 高频、火焰、激光，高频、火焰、激光，50HRC55HRC （4）灰铸铁的热处理及应用）灰铸铁的热处理及应用 a去应力退火（人工时效）去应力退火（人工时效） 500 550 ，防止变形和开裂防止变形和开裂 热处理只改变基体组织，不能改变石墨的形态和分布，对热处理只改变基体组织，不能改变石墨的形态和分布，对 提高灰铸铁整体机械性能作用不大，提高灰铸铁整体机械性能作用不大，消除铸件内应力、改善消除铸件内应力、改善 切削加工性能和提高表面耐磨性。切削加工性能和提高表

13、面耐磨性。 船用柴油机汽缸体船用柴油机汽缸体(HT-300) 工程材料第八章铸钢与铸铁16 第三节、第三节、 球墨铸铁球墨铸铁 石墨呈球状石墨呈球状，综合机械性能接近钢且铸造性好，成本低，综合机械性能接近钢且铸造性好，成本低 廉；廉； （1）球墨铸铁的成分和球化处理）球墨铸铁的成分和球化处理 成分要求比较严格：成分要求比较严格： 3.63.9%C，2.22.8%Si，0.60.8%Mn, 0.07%S， 0.1%P 球化处理必须伴随着孕育处理球化处理必须伴随着孕育处理 球化剂球化剂（稀土镁），石墨球化（稀土镁），石墨球化 孕育剂孕育剂（硅铁和硅钙），石墨球细小、均匀分布（硅铁和硅钙），石墨球细

14、小、均匀分布 工程材料第八章铸钢与铸铁17 图图3-16 球墨铸铁的显微组织球墨铸铁的显微组织 例：例：QT420-10、QT600-2、QT800-2 “QT”，球铁球铁， 最低抗拉强度最低抗拉强度和和延伸率延伸率。 （2 2）球墨铸铁的牌号、组织和性能）球墨铸铁的牌号、组织和性能 工程材料第八章铸钢与铸铁18 u性能特点：强度是碳钢的性能特点：强度是碳钢的7090%。球墨铸铁的突出特点是。球墨铸铁的突出特点是 屈强比屈强比( 0.2 / b)高高, 约为约为0.70.8, 而钢一般只有而钢一般只有0.30.5， 疲劳强度较好疲劳强度较好 牌号牌号基体基体 机械性能机械性能 b MPa 0.

15、2 MPa 5 % ak kJ/m2 HB QT400-17F40025017600179 QT420-10F42027010300207 QT500-5F+P5003505147-241 QT600-2P6004202229-302 QT700-2P7004902229-302 QT800-2P8005602241-321 QT1200-1下下B12008401300 38HRC u代替钢代替钢制造某些重要零件，如制造某些重要零件，如曲轴曲轴、连杆、凸轮轴、轧辊等。、连杆、凸轮轴、轧辊等。 工程材料第八章铸钢与铸铁19 铸铁曲轴铸铁曲轴 (3) 球墨铸铁的热处理球墨铸铁的热处理 退火：退火：

16、，高温退火或低温退火，高温退火或低温退火 正火：正火：，并细化组织，提高强度和耐磨性，并细化组织，提高强度和耐磨性 调质：调质：回火回火，好的综合性能，好的综合性能 等温淬火：等温淬火：下下，高强度及良好的塑韧性，高强度及良好的塑韧性 球墨铸铁管道接口球墨铸铁管道接口 与钢大致相同与钢大致相同 核燃料贮存核燃料贮存 运输容器运输容器 (QT350-22(QT350-22) ) 工程材料第八章铸钢与铸铁20 第四节、蠕墨铸铁第四节、蠕墨铸铁 u牌号牌号RuT300、RuT420 RuT，蠕铁，蠕铁+最低抗拉强度最低抗拉强度 u组织：蠕虫状组织：蠕虫状，短片较钝，短片较钝 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 u20

17、20世纪世纪6060年代发展起来的一种新型高强铸铁材料。强度接年代发展起来的一种新型高强铸铁材料。强度接 近于球墨铸铁，一定的韧性、较高的耐磨性；和灰口铸铁近于球墨铸铁，一定的韧性、较高的耐磨性；和灰口铸铁 一样的良好的铸造性能和导热性。一样的良好的铸造性能和导热性。 u蠕墨铸铁是液态铁水经蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理蠕化处理和孕育处理得到的得到的. . 蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中的石墨 工程材料第八章铸钢与铸铁21 n蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学蠕墨铸铁的强度、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。性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。 灰

18、铸铁灰铸铁 灰铸铁灰铸铁 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 灰铸铁灰铸铁 蠕墨蠕墨铸铁铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 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。如高压热交换器、汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀等铸件。如高压热交换器、汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀等 工程材料第八章铸钢与铸铁22 由白口铸铁通过退火处理得到的由白口铸铁通过退火处理得到的 石墨石墨团絮状团絮状 较高的强度、塑性和冲击韧性，较高的强度、塑性和冲击韧性，不可锻不可锻，部分代替碳钢，部分代替碳钢 第五节、第五节、 可锻铸铁可

19、锻铸铁 u牌号牌号 KT350-10 ，可锻铸铁；可锻铸铁；KTZ600-3，可锻铸铁可锻铸铁 工程材料第八章铸钢与铸铁23 u可锻铸铁的生产和热处理：可锻铸铁的生产和热处理： 第一步，第一步，铸造纯白口铸铁铸造纯白口铸铁 第二步，第二步，长时间石墨化退火处理长时间石墨化退火处理 G完全由渗碳完全由渗碳 体分解得到体分解得到 工程材料第八章铸钢与铸铁24 u可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的薄薄 壁零件壁零件，如，如轮毂，减速器壳轮毂，减速器壳、汽车拖拉机的后桥外壳、管接、汽车拖拉机的后桥外壳、管接 头、低压阀门等。头、低压阀门等。

20、 可锻铸铁管件可锻铸铁管件 工程材料第八章铸钢与铸铁25 灰口铸铁灰口铸铁可锻铸铁可锻铸铁球墨铸铁球墨铸铁 石墨形态石墨形态片状片状团絮状团絮状球状球状 基体组织基体组织F F，F FP P，P PF F，P PF F，F FP P，P P，B B下 下 牌号及含义牌号及含义HTHTKTKT（Z Z）- -QTQT- - 工艺工艺铁水经缓冷，铁水经缓冷，GG化化 去应力退火去应力退火 表面淬火表面淬火 先浇注成白口，后石先浇注成白口，后石 墨化墨化 退火退火 铁水铁水+ +球化球化+ +孕育孕育 热处理与钢同热处理与钢同 性能特点性能特点强度较低，韧性较强度较低，韧性较 差差 韧性较好，但不可

21、锻韧性较好，但不可锻 造造 强度高，韧性好，可强度高，韧性好，可 与钢媲美与钢媲美 应用应用承压件，如床身承压件，如床身， 机架，箱体，缸机架，箱体，缸 体，壳体等体，壳体等 制造形状复杂、承受制造形状复杂、承受 冲击和振动载荷的薄冲击和振动载荷的薄 壁零件，如：壁零件，如：车轮外车轮外 壳，管接头、活塞环壳，管接头、活塞环 可用球铁代替钢制造可用球铁代替钢制造 某些重要零件，如某些重要零件，如曲曲 轴、连杆、凸轮轴轴、连杆、凸轮轴等等 工程材料第八章铸钢与铸铁26 第六节第六节 合金铸铁合金铸铁 n耐磨铸铁耐磨铸铁 在生产中常采用激冷的办法来获得激冷铸铁。在生产中常采用激冷的办法来获得激冷铸

22、铁。 即用金属型铸造铸件的耐磨表面，其它部位采用砂型。即用金属型铸造铸件的耐磨表面，其它部位采用砂型。 n 常将铸铁的磷的质量分数提高，生成磷共晶，硬度高，常将铸铁的磷的质量分数提高，生成磷共晶，硬度高， 有利于耐磨。还可加入有利于耐磨。还可加入CrCr、MoMo、W W、CuCu等合金元素，改善组织，等合金元素，改善组织， 提高基体强度和韧性。如高铬耐磨铸铁、奥贝球墨铸铁等。提高基体强度和韧性。如高铬耐磨铸铁、奥贝球墨铸铁等。 n耐热铸铁耐热铸铁 在高温下工作的铸铁（炉底板、换热器、坩埚、在高温下工作的铸铁（炉底板、换热器、坩埚、 炉内运输链条等），加入炉内运输链条等），加入AlAl、SiS

23、i、CrCr等元素，主要形成致密的氧等元素，主要形成致密的氧 化膜，阻碍继续氧化。化膜，阻碍继续氧化。 n耐蚀铸铁耐蚀铸铁 主要用于化工部件（阀门、管道、泵、容器主要用于化工部件（阀门、管道、泵、容器 等）。加入等）。加入Si、Cr、Al、Mo、Cu、Ni等合金元素形成保护膜，等合金元素形成保护膜， 或使基体电极电位升高，可以提高铸铁的耐蚀性能。常用耐蚀铸或使基体电极电位升高，可以提高铸铁的耐蚀性能。常用耐蚀铸 铁有高硅、高硅钼、高铝、高铬等耐蚀铸铁。铁有高硅、高硅钼、高铝、高铬等耐蚀铸铁。 工程材料第八章铸钢与铸铁27 第七节第七节 铸钢铸钢 1.碳素铸钢的化学成分及机械性能碳素铸钢的化学成

24、分及机械性能 从机械性能看：从机械性能看： W(c) 屈服强度和抗拉强度屈服强度和抗拉强度 W(c) 0.45%时，屈服强度增加很少，但塑性和韧性时，屈服强度增加很少，但塑性和韧性 下降下降 从铸造性能看：从铸造性能看： W(c) 降低钢的熔化温度，增加钢水的流动性，钢降低钢的熔化温度，增加钢水的流动性，钢 中气体、夹杂也能减少。中气体、夹杂也能减少。 工程材料第八章铸钢与铸铁28 ZG 25、ZG 35、ZG45 铸钢铸钢W(C)=0.35% 牌号：牌号：ZG+平均碳质量分数平均碳质量分数 工程材料第八章铸钢与铸铁29 牌号牌号：ZG + s - b 工程材料第八章铸钢与铸铁 2 2. .试

25、述石墨形态对铸铁性能的影响。试述石墨形态对铸铁性能的影响。 答：片状石墨对基体有割裂作用，引起应力答：片状石墨对基体有割裂作用，引起应力 集中，抗拉强度和塑性都低。集中，抗拉强度和塑性都低。 细片状石墨：减轻对基体有割裂作用，提高细片状石墨：减轻对基体有割裂作用，提高 强度。强度。 球状石墨：应力集中较低，具有很高的强度，球状石墨：应力集中较低，具有很高的强度， 又有良好的塑性和韧性。又有良好的塑性和韧性。 蠕虫状石墨：强度接近于球墨铸铁，有一定蠕虫状石墨：强度接近于球墨铸铁，有一定 的韧性和耐磨性。的韧性和耐磨性。 团絮状石墨：应力集中较低，具有较高的强团絮状石墨：应力集中较低，具有较高的强 度、塑性和冲击韧性。度、塑性和冲击韧性。 工程材料第八章铸钢与铸铁 3 3. .试比较各类铸铁之间的性能的优劣顺试比较各类铸铁之间的性能的优劣顺 序，与钢相比有什么优缺点？序，与钢相比有什么优缺点？ 答：答： 灰口铸铁是价格便宜，是应用最广泛的铸铁材灰口铸铁是价格便宜，是应用最广泛