机械工程材料7铸铁课件

1、机械工程材料7铸铁1 l铸铁是含碳量大于铸铁是含碳量大于2.11%并含并含 有较多硅、锰、硫、磷等元素有较多硅、锰、硫、磷等元素 的多元铁基合金。的多元铁基合金。 l铸铁具有许多优良的性能及生铸铁具有许多优良的性能及生 产简便、成本低廉等优点，因产简便、成本低廉等优点，因 而是应用最广泛的材料之一。而是应用最广泛的材料之一。 机械工程材料7铸铁2 l例如，机床例如，机床 床身、内燃床身、内燃 机的汽缸体机的汽缸体、 缸套、活塞缸套、活塞 环及轴瓦、环及轴瓦、 曲轴等都可曲轴等都可 用铸铁制造用铸铁制造. 铸铁曲轴铸铁曲轴 内燃机汽缸内燃机汽缸 机械工程材料7铸铁3 机械工程材料7铸铁4 l一、

2、铸铁的石墨化过一、铸铁的石墨化过 程程 l1、Fe-Fe3C 和和 Fe-G (石石 墨墨)双重相图双重相图 lFe3C是亚稳相，在一定是亚稳相，在一定 条件下将发生分解：条件下将发生分解： Fe3C3Fe+C（石墨）（石墨） 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 F基体球墨铸铁基体球墨铸铁 机械工程材料7铸铁5 l石墨是碳的单质之石墨是碳的单质之 一，其强度、塑性一，其强度、塑性、 韧性几乎为零。韧性几乎为零。 l铸铁中的碳除少量铸铁中的碳除少量 固溶于基体中外，固溶于基体中外， 主要以化合态的渗主要以化合态的渗 碳体碳体(Fe3C)和游离和游离 态的石墨态的石墨(G)两种两种 形式存在。形式存在。 机

3、械工程材料7铸铁6 L+G L+Fe3C 机械工程材料7铸铁7 l2、铸铁的石墨化过、铸铁的石墨化过 程程 l铸铁中的碳原子析出铸铁中的碳原子析出 形成石墨的过程称为形成石墨的过程称为 石墨化石墨化。 l铸铁中的石墨可以在铸铁中的石墨可以在 结晶过程中直接析出结晶过程中直接析出, 也可以由渗碳体加热也可以由渗碳体加热 时分解得到。时分解得到。 机械工程材料7铸铁8 l石墨化分两个阶段：石墨化分两个阶段： l在在PSK线以上发生线以上发生 的石墨化称为的石墨化称为第一阶第一阶 段石墨化段石墨化。 l包括包括结晶时结晶时一次石墨一次石墨、 二次石墨、共晶石墨二次石墨、共晶石墨 的析出的析出和和加热

4、时加热时一次一次 渗碳体、二次渗碳体渗碳体、二次渗碳体 及共晶渗碳体的分解及共晶渗碳体的分解. P 机械工程材料7铸铁9 l在在PSK线以下发线以下发 生的石墨化称为生的石墨化称为第第 二阶段石墨化二阶段石墨化。包包 括冷却时共析石墨括冷却时共析石墨 的析出和加热时共的析出和加热时共 析渗碳体的分解。析渗碳体的分解。 l石墨化程度不同，石墨化程度不同， 所得到的铸铁类型所得到的铸铁类型 和组织也不同。和组织也不同。 P 机械工程材料7铸铁10 石墨化进行程度石墨化进行程度 铸铁的显微组织铸铁的显微组织 铸铁类型铸铁类型 第一阶段第一阶段 石墨化石墨化 第二阶段第二阶段 石墨化石墨化 完全进行完

5、全进行 完全进行完全进行F+G 灰口铸铁灰口铸铁 部分进行部分进行F+P+G 未进行未进行P+G 部分进行部分进行未进行未进行Le+P+G麻口铸铁麻口铸铁 未进行未进行未进行未进行Le白口铸铁白口铸铁 机械工程材料7铸铁11 Si C 白口铸铁白口铸铁灰口铸铁灰口铸铁 麻口麻口 铸铸铁铁 共晶共晶 碳、硅含量对铸铁石墨化的影响碳、硅含量对铸铁石墨化的影响 机械工程材料7铸铁12 l碳、硅量控制范围：碳、硅量控制范围：2.54.0%C，1.03.0%Si。 lAl、Cu、Ni、Co等元素对石墨化有促进作用。等元素对石墨化有促进作用。 lS、Mn、Cr、W、Mo、V等元素阻碍石墨化。等元素阻碍石墨

6、化。 铸铁中的磷共晶铸铁中的磷共晶 l磷虽然可促进石墨化磷虽然可促进石墨化, 但其含量高时易在晶但其含量高时易在晶 界上形成硬而脆的磷界上形成硬而脆的磷 共晶，降低铸铁的强共晶，降低铸铁的强 度，只有耐磨铸铁中度，只有耐磨铸铁中 磷含量偏高磷含量偏高 (达达0.3% 以上以上)。 机械工程材料7铸铁13 l 冷却速度的影响冷却速度的影响 l铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶 将按将按Fe - G相图进行，因而促进石墨化。相图进行，因而促进石墨化。 WC + Wsi (%) 铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响 l

7、快冷时由快冷时由 于过冷度于过冷度 大，结晶大，结晶 将按将按 Fe- Fe3C相图相图 进行进行, 不利不利 于石墨化于石墨化. 机械工程材料7铸铁14 l工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。 l1、铸铁的组织特点、铸铁的组织特点 l钢的基体钢的基体+G（石墨）（石墨） l基体组织有基体组织有铁素体、珠光体铁素体、珠光体和和铁素体加珠光体铁素体加珠光体三种三种。 F+GF+P+GP+G 机械工程材料7铸铁15 l 耐磨性能好。耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。由于石墨本身有润滑作用。 l 消振性能好。消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。由于石墨可以吸收振动能量

8、。 l 铸造性能好。铸造性能好。由于铸铁硅含量高由于铸铁硅含量高, 成分接近于共晶成分接近于共晶. l 切削性能好。切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。 l2、铸铁的性能特点、铸铁的性能特点 l 力学性能低。力学性能低。由于由于 石墨相当于钢基体中石墨相当于钢基体中 的裂纹或空洞，破坏的裂纹或空洞，破坏 了基体的连续性，且了基体的连续性，且 易导致应力集中。易导致应力集中。 铸铁与铸钢的强度比较铸铁与铸钢的强度比较 机械工程材料7铸铁16 铸铁铸铁 名称名称 石墨石墨 形态形态 基体基体 组织组织 编编 号号 方方 法法 牌号实例牌号实例 灰灰 铸铸 铁

9、铁 片片 状状 FHT + 一组数字一组数字 数字表示最低抗拉强度值，数字表示最低抗拉强度值， 单位单位MPa。 “HT”表示灰铸铁代号。表示灰铸铁代号。 HT100 F+P HT150 P HT200 可可 锻锻 铸铸 铁铁 团团 絮絮 状状 F KTH + 两组数字两组数字 KTB + 两组数字两组数字 KTZ + 两组数字两组数字 KTH300- 06 表表F 心心P KTB350- 04 P KTZ450- 06 KTH、KTB、KTZ 分别为黑心、白心、分别为黑心、白心、 珠光体可锻铸铁代号；珠光体可锻铸铁代号； 第一组数字表示最低第一组数字表示最低 抗拉强度值，抗拉强度值，MPa；

10、 第二组数字表示最低第二组数字表示最低 伸长率值，伸长率值，% 机械工程材料7铸铁17 铸铁铸铁 名称名称 石墨石墨 形态形态 基体基体 组织组织 编编 号号 方方 法法 牌号实例牌号实例 球球 墨墨 铸铸 铁铁 球球 状状 FQT + 两组数字两组数字 第一组数字表示最低抗拉第一组数字表示最低抗拉 强度值，强度值，MPa； 第二组数字表示最低伸长第二组数字表示最低伸长 率值，率值，%。 “QT”表示表示 球墨铸铁代球墨铸铁代 号号 QT400-15 F+PQT600-3 PQT700-2 蠕蠕 墨墨 铸铸 铁铁 蠕蠕 虫虫 状状 FRuT + 一组数字一组数字 数字表示最低抗拉强度值数字表示

11、最低抗拉强度值, MPa。 “RuT”表示蠕墨铸铁代表示蠕墨铸铁代 号号 RuT260 F+PRuT300 PRuT420 机械工程材料7铸铁18 工业铸铁的成分范围工业铸铁的成分范围 温度温度 快冷中速冷却中速冷却缓冷缓冷 缓冷快冷 白口铸铁珠光体灰铸铁铁素体灰铸铁铁素体 球墨铸铁 珠光体 球墨铸铁 珠光体 可锻铸铁 铁素体 可锻铸铁 石墨化退火 中速冷却缓冷 珠光体 蠕墨铸铁 铁素体 蠕墨铸铁 Si/Mg/Ce 返返 回回 机械工程材料7铸铁19 l一、灰铸铁一、灰铸铁 l灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约 占铸铁总产量的占铸铁总产量的

12、80%以上。以上。 l1、组织、组织 l灰铸铁的组织是由液态铁水缓灰铸铁的组织是由液态铁水缓 慢冷却时通过石墨化过程形成慢冷却时通过石墨化过程形成 的，其基体组织有的，其基体组织有铁素体铁素体、珠珠 光体光体和和铁素体加珠光体铁素体加珠光体三种。三种。 机械工程材料7铸铁20 铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁 珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁 铁素体加珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁 石墨片的三维形貌石墨片的三维形貌 机械工程材料7铸铁21 l常对灰铸铁进行孕育处理，以细化片常对灰铸铁进行孕育处理，以细化片 状石墨。状石墨。 l常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。 l经孕育处理的灰铸铁

13、称为经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁孕育铸铁。 孕育处理前孕育处理前孕育处理后孕育处理后 硅铁硅铁 硅钙硅钙 机械工程材料7铸铁22 l2、热处理、热处理 l热处理只改变基体组织，不改变热处理只改变基体组织，不改变 石墨形态。石墨形态。 l灰铸铁强度只有碳钢的灰铸铁强度只有碳钢的3050%， 热处理强化效果不大。热处理强化效果不大。 l灰铸铁常用的热处理有：灰铸铁常用的热处理有： l 消除内应力退火消除内应力退火(又称人工时效又称人工时效) l 消除白口组织退火消除白口组织退火 l 表面淬火表面淬火 灰铸铁件灰铸铁件 汽缸套汽缸套 活塞环活塞环 机械工程材料7铸铁23 l3、用途、用途 l制造制

14、造承受压力和震动的零件承受压力和震动的零件, 如如机床床身、各种箱体、壳机床床身、各种箱体、壳 体、泵体、缸体体、泵体、缸体。 大型船用柴油机汽缸体大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身重型机床床身(HT-250) 变速箱体变速箱体 机械工程材料7铸铁24 可锻铸铁石墨化退火工艺曲线可锻铸铁石墨化退火工艺曲线 l石墨呈团絮状的灰口石墨呈团絮状的灰口 铸铁，是由白口铸铁铸铁，是由白口铸铁 经石墨化退火获得的。经石墨化退火获得的。 l1、组织、组织： 基体基体(F、P)团絮状团絮状G l铁素体基体可锻铸铁又称铁素体基体可锻铸铁又称黑心可锻铸铁。黑心可锻铸铁。 l2、性能、性能：强度为碳钢

15、的强度为碳钢的00%，接近于铸钢。，接近于铸钢。 l名为可锻，实不可锻名为可锻，实不可锻 机械工程材料7铸铁25 黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁 可锻铸铁的石墨化退火可锻铸铁的石墨化退火 机械工程材料7铸铁26 l3、用途、用途 l用于制造形状复杂且承受振用于制造形状复杂且承受振 动载荷的薄壁小型件，如动载荷的薄壁小型件，如汽汽 车、拖拉机的前后轮壳车、拖拉机的前后轮壳、管管 接头、低压阀门接头、低压阀门等。等。 可锻铸铁管件可锻铸铁管件 机械工程材料7铸铁27 l三、三、 球墨铸铁球墨铸铁 l石墨呈球形的灰口铸铁。由液态铁水经石墨化得到石墨呈球形的灰口铸铁。由液态铁水

16、经石墨化得到. l1、组织：、组织：基体（基体（F、F+P、P）+ 球状球状G l球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。 l球化剂为镁、稀土和稀土镁。球化剂为镁、稀土和稀土镁。 硅铁硅铁 硅硅 钙钙 稀土镁稀土镁 l为避免白口，并使石墨细小均为避免白口，并使石墨细小均 匀，在球化处理同时还进行孕匀，在球化处理同时还进行孕 育处理。育处理。 l常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。 机械工程材料7铸铁28 铁素体加珠光体球墨铸铁铁素体加珠光体球墨铸铁 铁素体球墨铸铁铁素体球墨铸铁 珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁 球墨铸铁中的石墨球球墨铸铁中的石墨

17、球 机械工程材料7铸铁29 l2、性能与热处理、性能与热处理 l强度是碳钢的强度是碳钢的7090%。球墨铸铁的突出特点是屈球墨铸铁的突出特点是屈 强比强比( 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。 l球墨铸铁球墨铸铁 可进行各可进行各 种热处理种热处理, 如如退火退火、正正 火火、淬火加淬火加 回火回火、等温等温 淬火淬火等等。 机械工程材料7铸铁30 l球墨铸铁的热处理特点是：球墨铸铁的热处理特点是： l 奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高; l 淬透性比碳钢高淬透性比碳钢高; l 奥氏体中碳含量可控。奥氏体中

18、碳含量可控。 制品制品(轧辊与辊环轧辊与辊环) 贝氏体基球墨铸铁贝氏体基球墨铸铁 机械工程材料7铸铁31 l3、用途、用途 l承受震动、载承受震动、载 荷大的零件，荷大的零件， 如如曲轴、传动曲轴、传动 齿轮齿轮等。等。 核燃料贮存运输核燃料贮存运输 容器容器(QT350-22) 铸铁曲轴铸铁曲轴 机械工程材料7铸铁32 l四、蠕墨铸铁四、蠕墨铸铁 l蠕墨铸铁是蠕墨铸铁是20世纪世纪60年代年代 发展起来的一种新型铸铁发展起来的一种新型铸铁. l蠕墨铸铁是液态铁水经蠕蠕墨铸铁是液态铁水经蠕 化处理和孕育处理得到的化处理和孕育处理得到的. l蠕化剂为稀土硅铁镁合金蠕化剂为稀土硅铁镁合金、 稀土硅铁合金稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。稀土硅铁钙合金等。 l蠕墨铸铁的组织：蠕墨铸铁的组织： 基体（基体（F、F+P、P）+ 蠕虫状蠕虫状G 蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中的石墨 机械工程材料7铸铁33 蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中的石墨 珠光体基体珠光体基体 铁素体基体铁素体基体 机械工程材料7铸铁34 l蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁， 其力