第11章 铸 铁

1、第11章 铸 铁含碳量大于2.11的铁碳合金常用的铸铁成分范围通常为：C: 2.5 4.0%；Si:1.03.0%；Mn: 0.51.4%; S: 0.020.20%；P: 0.010.50%。铸造性能耐磨减摩性消震性切削性缺口敏感性第11章 铸 铁为了改善其性能，加入一定量的合金元素Cr、Mo、V、Cu、Al等，与钢相比，含碳和硅的量较大，杂质元素比钢也多，碳以石墨形式存在，可以与Fe构成平衡状态。 铸铁中石墨的结晶过程叫做石墨化过程。白口铸铁：渗碳体灰铸铁：普通灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁麻口铸铁：混合1） 铁碳合金的石墨化Fe3CFe(C)G 转变是热力学自发过程；碳以石墨状存在比在渗碳体

2、中处在更低的能量状态。 铁碳合金中的碳以渗碳体出现，主要是动力学原因导致，在条件适合时生成渗碳体的转变过程中碳将析出生成石墨，有时已经生成的渗碳体会分解而生成石墨。 石墨化是指铸铁在冷却的过程中，当碳处于过饱和时，碳原子析出形成石墨的过程。 第一阶段：高温石墨化，发生在1154 共晶转变时形成石墨，LC gEG。得到的组织为(奥氏体石墨)的共晶体，这个石墨也称为共晶石墨。第二阶段：中间石墨化，发生在1154738之间 奥氏体随温度在下降，对碳的溶解度也下降，这时过饱和的碳以石墨的方式析出，奥氏体的成分沿ES变化，析出的石墨也称为二次石墨GII。第三阶段：低温石墨化，发生在738 共析转变时石墨

3、的形成，AS FpG。得到的组织为(铁素体石墨)，这时析出石墨难以形核，往往在前两阶段出现的石墨基础上长大 。2）石墨化过程3）影响石墨化的主要因素 A：石墨化程度 冷却速度越缓慢，石墨化的效果越强。而快速冷却时，难以聚集100%形成石墨，聚集到6.69%以Fe3C方式析出。 在高温下，渗碳体易发生石墨化分解。温度越高，保温时间越长，转变就越强烈。低于550难以生成石墨。合金元素的作用，C、Si、Al、Cu、Ni、Co将促进石墨的形成，Cr、W、Mo、V、Mn能和碳形成碳化物，阻碍石墨化。S强烈阻止石墨化。B. 对形成石墨形状的影响（第一阶段） 在一般的冷却条件下，从液体中析出长大的石墨为片状

4、。普通灰铸铁为粗片状石墨，图a冷却速度越大，石墨片越细小。 变质处理，在浇铸前向铸铁中加少量的孕育剂硅铁等，可以促进石墨的形核，对渗碳体的析出有阻碍作用，析出的石墨可细化，形成孕育铸铁（图b）。B. 对形成石墨形状的影响（第一阶段） 加入表面活性合金元素，如Mg、Re元素可以改变石墨在液体中表面张力，促进石墨从片状而转成球状，形成球墨铸铁（图c）。 同时加入稀土硅铁、稀土镁钛鞥，促使形成蠕虫状，为蠕墨铸铁（图d）。石墨化方式不同，析出的石墨的形态也有区别，从液体中析出的石墨易成片状，而从固体下渗碳体分解产生的石墨为团絮状（图e）。 4）铸铁的组织 铸铁的组织依石墨化的程度不同而呈现不同的状态。

5、 铸铁组织的影响因素： 冷却速度和化学成分即，壁厚和碳硅含量碳当量SiceqwwC31共晶度：铸铁的实际碳含量与其共晶wc比值SiccwwS3126. 4%26. 4, 1eqcCS即共晶铸铁%26. 4, 1eqcCS即亚共晶铸铁共晶度增大，石墨数量增多粗大，铁素体数量增加。 铸铁的组织由基体组织和石墨组成。铸铁的性能取决于基体组织的性能和石墨的性能及其数量、大小、形态和分布。 石墨本身性质 石墨十分松软而脆弱，抗拉强度在20MPa以下，伸长率趋近于零。因此，石墨就像基体组织中的孔洞和裂缝，可以把铸铁看成是含有大量孔洞和裂缝的钢。石墨一方面破坏了基体金属的连续性，减少了铸铁的实际承载面积；另

6、一方面石墨边缘好似尖锐的缺口或裂纹，在外力作用下会导致应力集中，形成断裂源。因此，灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都很低。二、石墨与基体对铸铁性能的影响石墨与基体对铸铁性能的影响2 石墨数量、大小和分布 就片状石墨而言，石墨数量越多，对基体的削弱作用和应力集中程度越大，灰铸铁的抗拉强度和塑性越低。 石墨片过粗，局部区域承载面积减少，恶化性能；过细，应力集中程度增大；中等尺寸较好，0.03-0.25mm。3 石墨形态 珠光体基体时，粗片状到细片状、团絮状、球状 时，强度、韧性逐渐增加：片状应力集中最大。4 基体组织铸铁基体中铁素体相越多，铸铁塑性越好；基体中珠光体数量越多，则铸铁的抗拉强度和硬度越高

7、。强化途径1、改变石墨状态2、合金化、热处理、等调整基体组织1、粗片状石墨吸震效果好2、润滑和减摩性好3、缺口不敏感4、好的切削性、高温流动性A、灰口铸铁 （一）灰铸铁的牌号、成分及组织 灰铸铁价格便宜，应用广泛，其产量约占铸铁总产量的80%以上。 按GB/T 94391988规定，根据直径30mm单铸试棒的抗拉强度，将灰铸铁分为六个牌号。灰铸铁牌号由“灰铁”二字拼音字首“HT”和其后的数字组成。数字表示最低抗拉强度b。 灰铸铁的组织是由铁液缓慢冷却时通过石墨化过程形成的，由片状石墨和基体组织组成。（二）灰铸铁的热处理 灰铸铁热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的形态和分布，所以灰铸铁热处理不

8、能显著改善其力学性能，主要用来消除铸件内应力、稳定尺寸、改善切削加工性和提高铸件表面耐磨性。 成分：C: 2.54.0%，Si:1.03.0% ；一般 C1/3 Si4 （碳当量） 组织：片状石墨铁素体和珠光体的混合组织。F、F+P、P（二）灰铸铁的热处理 1.消除内应力退火 在铸造过程中，产生很大的内应力不仅降低铸件强度，而且使铸件产生翘曲、变形，甚至开裂。因此，铸铁件铸造后必须进行消除应力退火，又称人工时效。即将铸件缓慢加热到500550适当保温（每10mm截面保温2h）后，随炉缓冷至150200出炉空冷。去应力退火加热温度一般不超过560，以免共析渗碳体分解、球化，降低铸件强度、硬度和耐

9、磨性。 2.消除白口组织的退火或正火铸件冷却时，表层及截面较薄部位由于冷却速度快，易出现白口组织使硬度升高，难以切削加工。通常将铸件加热至850950保温14h，然后随炉缓冷，使部分渗碳体分解，最终得到铁素体基或铁素体-珠光体基灰铸铁，从而消除白口，降低硬度，改善切削加工性。正火是将铸件加热至850950保温13h后出炉空冷，使共析渗碳体不发生分解，最终得到珠光体基灰铸铁，从而既消除了白口、改善了可加工性，又提高了铸件的强度、硬度和耐磨性。 3.表面淬火铸铁件和钢一样,可以采用表面淬火工艺使铸件表面获得回火马氏体加片状石墨的硬化层,从而提高灰铸铁件（如机床导轨）的表面强度、耐磨性和疲劳强度，延

10、长其使用寿命。为了获得较好的表面淬火效果，对高、中频淬火铸铁，一般希望采用珠光体灰铸铁，最好是细片状石墨的孕育铸铁。B. 可锻铸铁 I. 牌号：KTH35010、 KTZ65002 其中KT表示可锻铸铁，H：表示黑心可锻铸铁；Z：表示珠光体可锻铸铁；B表示白心可锻铸铁；第一部分数字为抗拉强度，第二部分数字为延伸率。这里的字母Z表示为珠光体兴铸铁。 B. 可锻铸铁 黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁是由白口铸铁经长时间石墨化退火得到的。 如果白口铸铁石墨化充分进行，得到铁素体基体的团絮状石墨组织：心部分布大量石墨的铁素体基体为黑绒色，表层因退火脱碳呈现白色，故称黑心可锻铸铁。 强度不高；良好的塑性和韧

11、性，用于转向机构、低压阀、管接头。如果白口铸铁退火过程中完成石墨化、析出二次石墨后以较快速度冷却通过共析转变温度，使共析渗碳体不分解，可以得到珠光体加团絮状石墨组织，称珠光体可锻铸铁。 塑性和韧性不如黑心可锻铸铁，但强度、硬度和耐磨性高，用于汽油机柴油机曲轴、连杆、齿轮、活塞等。B. 可锻铸铁 成分： C:2.52.8% Si:1.22.0% Mn:0.41.2% 由于硅的含量(碳当量)小，加上Mn的作用，浇铸冷却时碳不以石墨形式析出，得到的是白口铸件，这是的组织为珠光体莱氏体。 可锻铸铁需要先得到白口铸铁，然后石墨化退火，使渗碳体快速分解，得到团絮状石墨，而不出现片状石墨。为得到白口铸铁，需

12、适当降低C、Si等促进石墨化元素含量（不能太低，影响石墨化延长退货周期），增加Mn、Cr等阻止石墨化元素的含量。l 将白口铸铁加热到9501000，经过长时间（低温时效或淬火后可以15hr）左右的保温，让渗碳体进行充分的分解，形成的石墨在长大过程中并不是致密的，和部分基体组合为团絮状；可锻铸铁的形成l 将白口铸铁加热到9501000，经过15hr左右的保温，让渗碳体进行充分的分解，形成的石墨在长大过程中并不是致密的，和部分基体组合为团絮状；l 缓慢冷却到750720，让第二阶段的石墨化充分进行。l 720-750间以极慢速冷却通过共析转变温度区，避免二次渗碳体析出，让奥氏体直接转变为铁素体和石

13、墨，完成第二阶段石墨化。l 控制冷却到600的速度来调整P和F的比例，达到控制材料的强度、塑性和韧性。C. 球墨铸铁 C. 球墨铸铁 （一）球墨铸铁的化学成分及其处理方法 球墨铸铁的化学成分和灰铸铁相比，主要是C、Si含量较高，含锰量较低，S、P含量限制很严，同时含有一定量的残余Mg和稀土元素。 将球化剂加入铁液的操作过程叫球化处理。我国常用的球化剂有镁、稀土或稀土-硅铁-镁合金三种。 C:3.63.8% Si:2.02.8% Mn:0.60.8% 浇铸时加入 0.030.05%Mg或0.020.04%Re，进行球化处理。 （二）球墨铸铁的牌号、组织和性能 根据国家标准GB/T 1348198

14、8，我国球墨铸铁的牌号用“球铁”汉语拼音字首“QT”和其后两组数字表示。第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低伸长率。 球铁组织由基体组织和球状石墨组成。球铁的基体组织常用的有珠光体、珠光体-铁素体和铁素体三种。 同其他铸铁相比，球墨铸铁不仅抗拉强度高，而且屈服极限也很高，屈强比达到0.70.8，比钢高得多。球墨铸铁的塑性和韧性虽低于钢，但高于其他各类铸铁。此外，球墨铸铁的疲劳强度亦可和钢相媲美。G 热处理组织FGFPGPG石墨球的球化越完整，球的尺寸越细小，性能越好（三）球墨铸铁的热处理 球墨铸铁主要热处理工艺有退火、正火、调质和等温淬火。1.退火 球墨铸铁退火工艺包括消除内应力退火

15、、高温退火和低温退火三种。2.正火 正火的目的是使铸态下的铁素体-珠光体球墨铸铁转变为珠光体球墨铸铁,并细化组织,以提高球墨铸铁的强度、硬度和耐磨性。根据正火加热温度不同，可分为高温正火和低温正火两种。3.调质处理 调质处理即将球墨铸铁加热到奥氏体区，保温24h后油淬，再经550600回火46h，得到回火索氏体基体加球状石墨组织。其目的是为了得到高的强度和韧性的球墨铸铁，其综合力学性能比正火还高。 （三）球墨铸铁的热处理 4.等温淬火球墨铸铁等温淬火是将铸件加热到850920（奥氏体区）保温以后，立即放入温度为250350的硝盐中等温3090min，使过冷奥氏体转变为下贝氏体。其目的是提高球墨

16、铸铁的综合力学性能，在获得高强度或超高强度的同时，具有较好的塑性和韧性。等温淬火后应进行低温回火，使残留奥氏体转变为下贝氏体或等温后空冷过程中形成的少量马氏体转变为回火马氏体，以进一步提高球墨铸铁的强韧性。等温淬火适用于截面不大但受力复杂的齿轮、曲轴、凸轮轴等重要机器零件。用途：代替铸钢、锻钢来制造重要的、形状复杂的机械零件，如曲轴、连杆、涡轮、齿轮、水压机缸套、汽车后桥壳等。 （一）蠕墨铸铁的获得（类似球墨铸铁） 高碳、低硫、低磷：C 3.5-3.9%; Si 2.1-2.8%; Mn 0.4-0.8% 在上述成分铁液中，加入一定量蠕化剂进行炉前处理得到的。我国目前采用的蠕化剂主要有稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。稀土合金的加入量与原铁液含硫量有关，原铁液含硫量越高，则稀土合金加入量越多。D 蠕 墨 铸 铁（二）性能 蠕墨铸铁中的石墨是一种介于片状石墨和球状石墨之间的一种中间类型石墨。蠕虫状石墨在光学显微镜下的形状似乎也呈片