铸造合金及其熔炼---第3章 强韧铸铁

1、第三章第三章 强韧铸铁强韧铸铁n第一节：球墨铸铁第一节：球墨铸铁n第二节：蠕墨铸铁第二节：蠕墨铸铁n第三节：可锻铸铁第三节：可锻铸铁n （强度：（强度：1400MP，韧度：延伸率，韧度：延伸率24%）第一节：球墨铸铁第一节：球墨铸铁n1947年年 发明发明n1950年年 我国开始生产我国开始生产n1960年年 我国开始应用稀土我国开始应用稀土一、球铁的性能特点及应用一、球铁的性能特点及应用n 组织组织（F、P、F+P、A+B）+Gn（一）（一）P球铁的性能及应用球铁的性能及应用n1、性能：强度高、一定韧性，、性能：强度高、一定韧性，n2、应用：重载荷、耐磨零件，曲轴、齿轮等、应用：重载荷、耐磨

2、零件，曲轴、齿轮等n（二（二)F球铁性能及应用球铁性能及应用n1、性能：塑性韧性高，强度低，耐蚀性好、性能：塑性韧性高，强度低，耐蚀性好n2、应用：受力较大、冲击振动零件，汽车底盘、应用：受力较大、冲击振动零件，汽车底盘、 农机部件。农机部件。n（三）（三）F+P球铁性能及应用球铁性能及应用n1、性能：较高强度及韧性、性能：较高强度及韧性n2、应用：汽车、农机、柴油机等部件、应用：汽车、农机、柴油机等部件n（四）（四）B球铁的性能及应用球铁的性能及应用n1、性能：高强度塑性韧性，综合性能好。、性能：高强度塑性韧性，综合性能好。n2、应用：承受高载荷的齿轮、曲轴连杆等、应用：承受高载荷的齿轮、曲

3、轴连杆等二、球铁的生产二、球铁的生产n熔炼合格铁液熔炼合格铁液球化处理球化处理孕育处理孕育处理炉前检炉前检验验浇铸浇铸-清理清理热处理热处理质量检验质量检验（一）化学成分的确定（一）化学成分的确定n1、基本成分（、基本成分（C、Si、Mn、S、P）n（1）C、Sin C： 在在3.23.8%性能变化不大性能变化不大 ，以铸造性能考虑，以铸造性能考虑，n 球化元素使球化元素使C、E右移，右移，4.64.7%，可以适当提高，可以适当提高n Si：细化：细化G ，减小白口倾向（镁促使白口），减小白口倾向（镁促使白口）n 升高韧脆转变温度，降低韧性升高韧脆转变温度，降低韧性(2.8%)n 一般：一般：

4、C：3.44.0% Si：2.22.8% n（2）Mnn强化强化F、稳定、稳定P，脱，脱O、S，n易正偏析、形成晶间碳化物，降低韧性易正偏析、形成晶间碳化物，降低韧性n 一般：一般：0.30.8%n（3）Pn 严重偏析、磷共晶，易产生缩松严重偏析、磷共晶，易产生缩松n 球铁要求高韧性时：球铁要求高韧性时：P0.040.06%n（4）Sn消耗球化剂，加快球化衰退速度消耗球化剂，加快球化衰退速度,形成夹杂物形成夹杂物,n严格控制严格控制 ：S0.02% n2、合金元素、合金元素n（1）Mon 提高强度、提高淬透性、正偏析（、四元磷共晶）严格提高强度、提高淬透性、正偏析（、四元磷共晶）严格控制控制n

5、（）（）Cun 稳定珠光体稳定珠光体n（）（）Nin 强化元素、与强化元素、与Cu作用相近，不易偏析，易产生作用相近，不易偏析，易产生A-B组织，贵重，组织，贵重，少用少用n（4）Crn 稳定稳定P，提高强度，提高强度，0.20.3（二）球墨铸铁熔炼要求及炉前处理技术（二）球墨铸铁熔炼要求及炉前处理技术n1、要求、要求n（1）球化：球化率、园整度、大小）球化：球化率、园整度、大小n（2）其他：高温、低硫磷、低杂质）其他：高温、低硫磷、低杂质n2、球化处理、球化处理n（1）球化及反球化元素）球化及反球化元素n（2）常用球化剂及处理方法）常用球化剂及处理方法nMg特点及作用特点及作用n 密度密度1

6、.738、熔点、熔点651、沸点、沸点1107 ，活泼，脱，活泼，脱O、S，上浮、，上浮、气化、烧损气化、烧损n 回收率回收率A=(Mg残残+Mg脱脱O、S)/Mgn稀土镁合金的性质及作用稀土镁合金的性质及作用n 我国含量丰富、价格便宜，沸点高、比重大，活泼，脱氧脱硫，我国含量丰富、价格便宜，沸点高、比重大，活泼，脱氧脱硫，n 白口倾向大、偏析严重、严格控制。白口倾向大、偏析严重、严格控制。n 处理方法处理方法n压力加压力加Mg法法n转包法转包法n冲入法冲入法n型内处理法型内处理法n3、孕育处理、孕育处理n（1）目的）目的n消除结晶过冷：图消除结晶过冷：图3-9nFe液纯净异质晶核少，液纯净异

7、质晶核少，n需大过冷度（球化作用）需大过冷度（球化作用）nMg降低共晶转变温度图降低共晶转变温度图3-2n促进石墨球化、细化促进石墨球化、细化n减少晶间偏析减少晶间偏析n（2）方法）方法n炉前孕育法炉前孕育法n瞬时孕育法，图瞬时孕育法，图3-10、11、12、13n（三）球铁的质量控制（三）球铁的质量控制n1、实践经验、实践经验n2、实验、实验 ： 三角试块、火苗判断、热分析、三角试块、火苗判断、热分析、 金相法金相法三、球铁的铸造性及常见缺陷三、球铁的铸造性及常见缺陷n（一）球铁凝固特点（一）球铁凝固特点n1、球铁有较宽的凝固范围（需大过冷度）、球铁有较宽的凝固范围（需大过冷度）n 铁液纯净

8、铁液纯净 球墨形核、长大特点球墨形核、长大特点n2、糊状凝固特性、糊状凝固特性 图图3-16n3、具有较大的共晶膨胀、具有较大的共晶膨胀 石墨石墨 外壳软外壳软（二）球铁的铸造性（二）球铁的铸造性n1、流动性、流动性n较好较好 铁液纯净，但球化、孕育降低温度，铁液纯净，但球化、孕育降低温度，Mg使张力增大，降低流动性使张力增大，降低流动性n2、收缩性、收缩性n小小 有膨胀图有膨胀图3-17n刚度影响大刚度影响大 大、组织密大、组织密n 小、组织松小、组织松n3、内应力、内应力n收缩应力大，弹性模量比灰铁大收缩应力大，弹性模量比灰铁大n热应力大，导热性差热应力大，导热性差 （三）常见缺陷及防止方

9、法（三）常见缺陷及防止方法n1、缩孔、缩松、缩孔、缩松n措施：措施： 加大铸型刚度加大铸型刚度 增大石墨化膨胀体积增大石墨化膨胀体积 适宜的浇注温度，较少适宜的浇注温度，较少液态收缩液态收缩 采取合理工艺措施采取合理工艺措施n2、夹渣、夹渣n一次夹渣一次夹渣 浇注前浇注前 大大n二次夹渣二次夹渣 浇注后浇注后 小小 O、S化物化物n措施：减少铁液含措施：减少铁液含O、S量量 减少减少Mg稀土残留量稀土残留量 提高浇注温度提高浇注温度 除除渣要净渣要净n3、石墨漂浮、石墨漂浮n C、Si量过高量过高n措施：严格控制碳当量措施：严格控制碳当量 4.64.7%以下以下 n 降低原铁液的降低原铁液的S

10、i量量 用孕育剂加入用孕育剂加入n4、皮下气孔、皮下气孔n Mg、MgS与与H2O作用产生作用产生H2、H2Sn措施：减少措施：减少Mg的残留量和沙型中的水的残留量和沙型中的水n 添加煤粉、刷涂炭层添加煤粉、刷涂炭层 形成气层形成气层n5、球化衰退、球化衰退n 先浇注球化好、后浇注不好，先浇注球化好、后浇注不好，n 炉前检验球化好、浇注球化不好。炉前检验球化好、浇注球化不好。n原因：镁和稀土逃逸、烧损、氧化、硫化、孕育衰退原因：镁和稀土逃逸、烧损、氧化、硫化、孕育衰退n措施：保留足够球化元素措施：保留足够球化元素 n 降低铁液含硫量降低铁液含硫量n 缩短停留时间缩短停留时间n 铁液扒渣后，用覆

11、盖剂覆盖，隔绝空气、防止逃逸铁液扒渣后，用覆盖剂覆盖，隔绝空气、防止逃逸四、球铁的热处理四、球铁的热处理n（一）热处理特点（一）热处理特点n1、共析转变有较宽的温度范围、共析转变有较宽的温度范围n F、A、Fe3C、G共存，不同温度得到不同组织，（共存，不同温度得到不同组织，（F或或P）控制性）控制性能（铁、碳、硅三元合金）能（铁、碳、硅三元合金）n2、铸铁组织有石墨、铸铁组织有石墨n 碳的存储库，调节奥氏体含碳量碳的存储库，调节奥氏体含碳量n3、铸铁中杂质量高，会产生偏析、铸铁中杂质量高，会产生偏析n（二）退火（二）退火 石墨化退火，高温、低温。石墨化退火，高温、低温。 降低硬度降低硬度 n

12、（三）正火（三）正火 正常处理正常处理n（四）等温淬火（四）等温淬火（低温、高温）（低温、高温）n1、低温等温淬火（、低温等温淬火（260330 ） B下下n 正常工艺正常工艺 图图3-20 B下下中常出现中常出现M、A，低温回火消除，低温回火消除n2、高温等温淬火（、高温等温淬火（A+B上上）350370n （1）温度）温度 影响影响 图图3-22n （2）时间）时间n 短：短：B少，少，A含碳量低，后转变成含碳量低，后转变成M，降低韧性，降低韧性n 长：长：B会析出会析出F、Fe3C，A残残量减少，降低韧性量减少，降低韧性n 不同时间的室温组织量不同时间的室温组织量 图图3-24n 控制时

13、间比较难控制时间比较难 t1t2 10min 图图3-23n 加加 Mo、Cu、Ni 扩大扩大t1t2 五、球铁生产中的几个特殊问题五、球铁生产中的几个特殊问题n（一）大断面球铁的生产（一）大断面球铁的生产n难度：难度：n 石墨球大、少，石墨球大、少， 铁素体多、严重偏析，晶粒粗大、缩孔缩松、夹渣铁素体多、严重偏析，晶粒粗大、缩孔缩松、夹渣n解决方法：解决方法：n 控制成分控制成分 低低C、低、低Si、低、低S、P，加入，加入Sb细化细化G球形状好球形状好n 提高冷却速度提高冷却速度 金属型、冷铁、通水金属型、冷铁、通水n（二）薄壁铸铁件的生产（二）薄壁铸铁件的生产n难度：易得白口组织难度：易

14、得白口组织n解决办法：解决办法：n 共晶团数多，不易得白口。共晶团数多，不易得白口。n 临界共晶团数临界共晶团数 图图3-25n 提高碳当量、提高碳当量、n 降低降低Mn、Cr、V等、等、n 添加稀土元素（少）微量元素添加稀土元素（少）微量元素Bin（三）关于铸态球墨铸铁的生产（三）关于铸态球墨铸铁的生产n 不用热处理直接获得不同组织的球铁不用热处理直接获得不同组织的球铁n 高韧高韧F、P、A+B等等n（四）高强度高韧性球铁（四）高强度高韧性球铁n 强化铁素体、适量珠光体、合金化、细化晶粒。强化铁素体、适量珠光体、合金化、细化晶粒。第二节第二节 蠕墨铸铁蠕墨铸铁n一、组织及性能一、组织及性能n

15、1、组织：、组织： F、P、F+P，F多多n 蠕虫蠕虫 片片+球球 特征图特征图3-26、27n蠕化率：蠕化率：VG=蠕虫蠕虫/（蠕虫（蠕虫+球状）球状）n形状系数形状系数K=4A/L2 A面积、面积、L周长周长n形状特征形状特征 K0.15片、片、 K=0.150.8蠕虫、蠕虫、 K0.8球图球图3-28n2、牌号、性能、牌号、性能 n 牌号：表牌号：表3-10n 性能：介于灰铁、球铁之间性能：介于灰铁、球铁之间n曲强比最高曲强比最高n导热性能接近灰铁比球铁高导热性能接近灰铁比球铁高二、蠕墨铸铁的生产及控制二、蠕墨铸铁的生产及控制n1、成分及熔炼、成分及熔炼n2、炉前处理（蠕化）、炉前处理（

16、蠕化）n3、炉前检验、炉前检验n4、浇注、浇注（一）成分选择及熔炼要求（一）成分选择及熔炼要求n与球铁相似，高与球铁相似，高C当当、低、低S、P，一定，一定Mnn也有不同也有不同n1、C、Si： C比球墨低、防止球化，比球墨低、防止球化，n 一般一般 3.43.8，Si一般。一般。n2、Mn：稍高，稳定：稍高，稳定Pn3、P： 0.08%n4、S：消耗蠕化剂：消耗蠕化剂n5、合金元素：、合金元素：（二）炉前处理及控制（二）炉前处理及控制n1、蠕化剂及蠕化处理、蠕化剂及蠕化处理n 蠕化剂：蠕化剂：少量球化剂，稀土镁合金，少量球化剂，稀土镁合金，n 量难控制，图量难控制，图3-34n 复合蠕化剂，

17、复合蠕化剂，n 稀土镁钛合金：稀土镁钛合金：n 稀土镁锌合金：稀土镁锌合金：n加入少量反球化元素加入少量反球化元素Ti、锌等，、锌等，n扩大球化元素的含量范围、扩大球化元素的含量范围、n放宽硫的限制放宽硫的限制n复合蠕化系数：复合蠕化系数：K2=K1/Mg残留残留n K1反球化元素当量反球化元素当量n复合蠕化系数的影响，图复合蠕化系数的影响，图3-35n蠕化处理：冲入法蠕化处理：冲入法n2、孕育处理、孕育处理n作用：消除过冷，减少作用：消除过冷，减少Fe3Cn 细化晶粒细化晶粒n 延缓蠕化衰退延缓蠕化衰退（三）铸造性能极常见缺陷（三）铸造性能极常见缺陷n1、铸造性能、铸造性能n 接近灰铁，优于

18、球铁接近灰铁，优于球铁n2、常见缺陷、常见缺陷n 蠕化不良、孕育不足、夹渣等蠕化不良、孕育不足、夹渣等（四）质量控制（四）质量控制n1、选择适当成分、选择适当成分 低低S、P，适量，适量C、Sin2、加入适量蠕化剂，据含、加入适量蠕化剂，据含S量等量等n3、孕育处理、孕育处理n4、铁液温度、铁液温度n5、铸型刚度、铸型刚度n6、炉料管理、炉料管理（五）蠕铁的应用（五）蠕铁的应用n1、复杂大型铸件、复杂大型铸件n 断面敏感性小、铸造性好断面敏感性小、铸造性好n2、有热交换及较大温度梯度的零件、有热交换及较大温度梯度的零件n 导热性好导热性好n3、代替孕育铸铁应用重要零件、代替孕育铸铁应用重要零件

19、n 液压元件等液压元件等第三节第三节 可锻铸铁可锻铸铁n一、分类、牌号、应用一、分类、牌号、应用n1、分类及应用、分类及应用n 黑心可锻铸铁：黑心可锻铸铁：Fn F韧性好，受冲击零件，韧性好，受冲击零件，n 珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁P n P强度高，耐磨零件等强度高，耐磨零件等n 白心可锻铸铁：水暖管、焊件等白心可锻铸铁：水暖管、焊件等n2、牌号、牌号 表表3-16、表、表3-17二、可锻铸铁的制造方法二、可锻铸铁的制造方法n（一）白口铸坯的获得（一）白口铸坯的获得n1、化学成分、化学成分n（1）确定原则）确定原则 保证得到白口保证得到白口n 石墨化过程要快，生产周期短石墨化过程要快，生产

20、周期短n 有利提高力学性能有利提高力学性能n 有较好的铸造性有较好的铸造性n（2）成分的确定）成分的确定n C、Si低，低，C：2.42.8， n Si1.4% 有利石墨化有利石墨化n 降低韧性降低韧性n C当当=3.84.2% nMn、S：n Mn=0.50.7，S0.2以下，以下，n Mn/S=23，一般以，一般以2.5为宜为宜 。太大，太大，G较松较松nP：要求不高，但含量不能太大，否则：要求不高，但含量不能太大，否则,脆性大脆性大n其它元素：其它元素：n Cr、Ti、W等要严格控制，等要严格控制，n 石墨化过程中难以分解石墨化过程中难以分解2、对熔炼的要求、对熔炼的要求n 首先，获得低

21、首先，获得低C、Si铁液，铁液，n 防止增碳，浅炉缸，前炉结构。防止增碳，浅炉缸，前炉结构。n 其次，高的出炉温度其次，高的出炉温度n 冲天炉冲天炉电炉双炉熔炼电炉双炉熔炼3、可锻铸铁的工艺特点、可锻铸铁的工艺特点n白口、收缩大、内应力大、缩孔、松，裂纹、冒口、冷铁白口、收缩大、内应力大、缩孔、松，裂纹、冒口、冷铁n（1）浇注系统：图）浇注系统：图3-39 大冒口大冒口n（2）凝固收缩、线收缩大）凝固收缩、线收缩大 加冒口加冒口 n（3）流动性差）流动性差n（4）易出现皮下气孔）易出现皮下气孔（二）退火过程及控制二）退火过程及控制n1、F可锻铸铁退火工艺可锻铸铁退火工艺 图图3-40 n 95

22、0保温保温n 710-730 n p分解分解F+Gn 780-700 缓冷缓冷n A分解分解F+Gn 空冷空冷n n2、P可铁退火工艺可铁退火工艺n 1）第一阶段后，随炉冷至）第一阶段后，随炉冷至820-880 ，空冷即可，空冷即可n 2）第一阶段后，随炉冷至）第一阶段后，随炉冷至680 ，保温，保温6-8小时。小时。n 可得可得 粒状粒状P。（。（P稳定作用较强的条件下）稳定作用较强的条件下）n 3）第一阶段后，淬火）第一阶段后，淬火+高温回火，可得粒状高温回火，可得粒状Pn3、白心可锻铸铁的退火、白心可锻铸铁的退火n 白口铁白口铁+氧化铁（氧化铁（1000-1100 ）长时间保温即可）长时

23、间保温即可n4、退火炉及控制、退火炉及控制三、固态石墨化原理三、固态石墨化原理n1、G核的形成及长大核的形成及长大n Fe3C不稳定不稳定分解分解扩散扩散n1）形核：）形核：O、S化物，未溶化物，未溶G微粒，空位缺陷等微粒，空位缺陷等n2）长大：）长大： Fe3C分解分解C溶入溶入A中中A析出析出CG长大长大n2、石墨析出的形状、石墨析出的形状n 团絮状，各方向长大几率一样，但实际条件有所不同，所以。团絮状，各方向长大几率一样，但实际条件有所不同，所以。n3、影响石墨化过程的主要因素、影响石墨化过程的主要因素n1）G化过程：形核化过程：形核Gn FeCA中溶解中溶解n C扩散扩散n C向向G晶

24、核沉积晶核沉积n2）影响因素：）影响因素：n 形核数量形核数量 （细化初晶、孕育处理）（细化初晶、孕育处理）n 扩散速度扩散速度 （温度、成分：（温度、成分：Si促进碳原子移动，但不易得白口，促进碳原子移动，但不易得白口，值得研究）值得研究）四、加快可锻铸铁石墨化的措施四、加快可锻铸铁石墨化的措施n1、一般措施：、一般措施： n 1）正确选定铁液成分，保证白口，尽量提高）正确选定铁液成分，保证白口，尽量提高Si量，量，n 适当适当Mn/S比比 2.5n 2）适当提高退火温度，不宜过高，）适当提高退火温度，不宜过高，G恶化恶化n 3）增加凝固时的冷却速度，细化初晶，增加缺陷）增加凝固时的冷却速度，细化初晶，增加缺陷n 4）正确设计选用退火炉）正确设计选用退火炉n2、孕育处理、孕育处理n 1）目的及作用