第6章铸铁13

1、上海第二工业大学上海第二工业大学机电工程学院机电工程学院机械制造基础机械制造基础第第6 6章章 铸铁铸铁二二一五年四月一五年四月概述概述灰口铸铁灰口铸铁球墨铸铁球墨铸铁可锻铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁2022/5/272022/5/272/14 碳质量分数大于碳质量分数大于2.11%2.11%，并含有较多的硅、锰元素及磷、硫等杂质元，并含有较多的硅、锰元素及磷、硫等杂质元素的铁碳合金。为提高铸铁的力学性能或特殊性能，加入铬、钼、钒、铜、素的铁碳合金。为提高铸铁的力学性能或特殊性能，加入铬、钼、钒、铜、铝等合金元素，或进一步提高硅、锰、磷等元素含量，得到合金铸铁。铸铝等合金元素，或进一步提高硅、

2、锰、磷等元素含量，得到合金铸铁。铸铁与钢相比，虽然力学性能较低，但有许多钢所不具备的优良性能，如减铁与钢相比，虽然力学性能较低，但有许多钢所不具备的优良性能，如减振性、耐磨性、铸造性、切削加工性等，所以铸铁是一种成本低廉，用途振性、耐磨性、铸造性、切削加工性等，所以铸铁是一种成本低廉，用途广泛的金属材料。广泛的金属材料。1 1 铸铁概述铸铁概述 在各类机械中，铸在各类机械中，铸铁件约占铁件约占40%-70%40%-70%，在机床和重型机械中，在机床和重型机械中，则可达则可达70%-90%70%-90%。2022/5/272022/5/273/141.1 1.1 铸铁中碳的存在形式铸铁中碳的存在

3、形式 铸铁中碳的存在形式有两种，一种是碳与铁生成渗碳体（铸铁中碳的存在形式有两种，一种是碳与铁生成渗碳体（FeFe3 3C C）化）化合物，另一种是碳以游离的石墨（合物，另一种是碳以游离的石墨（GG）态形式析出。）态形式析出。 游离状态的石墨其晶格是简单六方晶格，基面中原子间距小，结合游离状态的石墨其晶格是简单六方晶格，基面中原子间距小，结合力强，基面间原子间距大，结合力弱，所以容易形成片状结构。力强，基面间原子间距大，结合力弱，所以容易形成片状结构。3 3晶体结构晶体结构2022/5/272022/5/274/14 渗碳体（渗碳体（FeFe3 3C C）是碳与铁形成的金属间化合物，硬度）是碳

4、与铁形成的金属间化合物，硬度很高，塑性和韧性几乎为零。石墨的机械性能很低，硬度仅很高，塑性和韧性几乎为零。石墨的机械性能很低，硬度仅为为HB3-5HB3-5，抗拉强度为，抗拉强度为20MPa20MPa，延伸率近乎为零。，延伸率近乎为零。 铸铁的性能取决于其组织中大多数碳的存在形式。当铸铸铁的性能取决于其组织中大多数碳的存在形式。当铸铁组织中存在有较多量的渗碳体时，其性能普遍硬而脆，难铁组织中存在有较多量的渗碳体时，其性能普遍硬而脆，难以切削加工，工业上应用很少。但当碳以游离态的石墨存在以切削加工，工业上应用很少。但当碳以游离态的石墨存在时，依照石墨的数量、形态、大小及分布可有不同的性能，时，依

5、照石墨的数量、形态、大小及分布可有不同的性能，虽然这些性能从总体上看不及钢，但由于石墨的存在，又赋虽然这些性能从总体上看不及钢，但由于石墨的存在，又赋予铸铁许多钢所不具备的性能，如良好的耐磨性、高的消振予铸铁许多钢所不具备的性能，如良好的耐磨性、高的消振性、低的缺口敏感性以及优良的切削加工性等，而且价格便性、低的缺口敏感性以及优良的切削加工性等，而且价格便宜，其铸造性能也优于钢。这也是在各类机械中，铸铁获得宜，其铸造性能也优于钢。这也是在各类机械中，铸铁获得广泛应用的原因。广泛应用的原因。1.2 1.2 铸铁的性能特点铸铁的性能特点2022/5/272022/5/275/14 目前对铸铁的研究

6、主要围绕石墨的数量、形态、大小及目前对铸铁的研究主要围绕石墨的数量、形态、大小及分布来展开。分布来展开。 铸铁中的石墨主要有以下四种形态：铸铁中的石墨主要有以下四种形态：片状、团絮状、球片状、团絮状、球状、蠕虫状状、蠕虫状，以此四种石墨形态为基础形成的铸铁分别称之，以此四种石墨形态为基础形成的铸铁分别称之为为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和和蠕墨铸铁蠕墨铸铁。 片状片状 团絮状团絮状 球状球状 蠕虫状蠕虫状2022/5/272022/5/276/14按碳在铸铁中的存在形式可作如下分类：按碳在铸铁中的存在形式可作如下分类：白口铸铁白口铸铁麻口铸铁麻口铸铁灰口铸铁灰口铸铁球墨

7、铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁可锻铸铁可锻铸铁除极少量固溶外，其余碳全部以化合物除极少量固溶外，其余碳全部以化合物FeFe3 3C C形式存在。断形式存在。断口呈银白色，性能硬而脆，很少用作机械零件。口呈银白色，性能硬而脆，很少用作机械零件。碳全部或大部分以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色。碳全部或大部分以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色。白口铸铁白口铸铁+ +长时间高温石墨化退火，碳主要以团絮状石墨形长时间高温石墨化退火，碳主要以团絮状石墨形式存在。式存在。经球化处理后，碳主要以球状石墨形式存在。经球化处理后，碳主要以球状石墨形式存在。碳主要以蠕虫状石墨形式存在。碳主要以蠕虫状石墨形式存在。碳大部

8、分以碳大部分以FeFe3 3C C形式存在，少量以石墨形式存在，断口呈形式存在，少量以石墨形式存在，断口呈灰白色相间，因脆性大，工业上也很少使用。灰白色相间，因脆性大，工业上也很少使用。1.3 1.3 铸铁的分类铸铁的分类2022/5/272022/5/277/14 灰铸铁灰铸铁化学成分化学成分的一般范围：的一般范围： c c2.52.54.04.0， SiSi1.01.02.22.2， MnMn0.50.51.31.3， s s0.150.15， p p0.30.3。 灰铸铁灰铸铁组织组织由由金属基体金属基体和和片状石墨片状石墨两部分组成。在金相显微两部分组成。在金相显微镜下观察，灰铸铁的石

9、墨呈镜下观察，灰铸铁的石墨呈片状片状。基体分为。基体分为珠光体珠光体、珠光体珠光体+ +铁素铁素体体、铁素体铁素体三种。三种。 力学性能：力学性能：抗拉强度、塑性、韧抗拉强度、塑性、韧性比钢低。灰铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性主性比钢低。灰铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性主要取决于基体，石墨的存在对其影响不大，故其抗压强度较好。要取决于基体，石墨的存在对其影响不大，故其抗压强度较好。铸造性能：铸造性能：我国灰铸铁的成分接近于共晶点，其铸造流动性好。铸铁凝固过程中我国灰铸铁的成分接近于共晶点，其铸造流动性好。铸铁凝固过程中析出的比容较大的石墨部分补偿了基体的收缩，其铸件收缩率小，能够用来铸造析出的比容

10、较大的石墨部分补偿了基体的收缩，其铸件收缩率小，能够用来铸造形状复杂与壁薄的铸件。形状复杂与壁薄的铸件。切削加工性：切削加工性：石墨割裂了基体，使铸铁的切屑易脆断，故铸铁具有良好的切削加石墨割裂了基体，使铸铁的切屑易脆断，故铸铁具有良好的切削加工性。除此，铸铁对刀具有减摩和润滑作用，使刀具磨损减小。工性。除此，铸铁对刀具有减摩和润滑作用，使刀具磨损减小。较好的减摩性和减振性：较好的减摩性和减振性：石墨本身是良好的润滑剂，石墨剥落后形成孔洞，又可石墨本身是良好的润滑剂，石墨剥落后形成孔洞，又可以储存润滑油，故减摩性好。除此，石墨较为松软，能吸收振动，阻隔振动传播，以储存润滑油，故减摩性好。除此，

11、石墨较为松软，能吸收振动，阻隔振动传播，其减振性也好。其减振性也好。铸铁中石墨的存在本身就相当于有很多缺口（孔洞、微裂纹），致使外来缺口铸铁中石墨的存在本身就相当于有很多缺口（孔洞、微裂纹），致使外来缺口（如油孔、键槽、刀痕等）的作用相对减弱，故铸铁的缺口敏感性较低。（如油孔、键槽、刀痕等）的作用相对减弱，故铸铁的缺口敏感性较低。2 2 灰口铸铁灰口铸铁2.1 2.1 灰铸铁的成分、组织和性能灰铸铁的成分、组织和性能2022/5/272022/5/278/14牌号牌号: HT + : HT + 数字（三位）数字（三位）最低抗拉最低抗拉强度数值强度数值为为“灰铸铁灰铸铁”拼音首字母拼音首字母孕育

12、处理：孕育处理：灰铸铁的力学性能主要取决于其基体组织和石墨的存在形式。灰铸铁的力学性能主要取决于其基体组织和石墨的存在形式。在铁液中加入少量在铁液中加入少量孕育剂孕育剂（硅铁或硅钙合金硅铁或硅钙合金），产生大量的），产生大量的人工晶核人工晶核，以获得以获得细晶粒珠光体基体细晶粒珠光体基体和和细小均匀分布的片状石墨细小均匀分布的片状石墨的组织，此种处理的组织，此种处理称为称为孕育处理孕育处理，经孕育处理后的得到的铸铁称为，经孕育处理后的得到的铸铁称为孕育铸铁孕育铸铁。孕育铸铁具。孕育铸铁具有有较高的强度和硬度较高的强度和硬度，具有，具有较小的断面缺口敏感性较小的断面缺口敏感性，常用作常用作对力学

13、性能对力学性能要求较高，且断面尺寸变化大的要求较高，且断面尺寸变化大的大型铸件大型铸件，如机床床身等。，如机床床身等。灰铸铁的热处理：灰铸铁的热处理：消除内应力退火、石墨化退火、表面淬火等消除内应力退火、石墨化退火、表面淬火等2.2 2.2 灰铸铁的孕育处理灰铸铁的孕育处理2.3 2.3 灰铸铁的牌号和应用（表灰铸铁的牌号和应用（表6.1.1)6.1.1)例如：例如：HT250 HT250 表示最小抗拉强度为表示最小抗拉强度为250 MPa250 MPa的灰口铸铁。的灰口铸铁。2022/5/272022/5/279/14 铁液经球化处理和孕育处理，使石墨呈球状铁液经球化处理和孕育处理，使石墨呈

14、球状的铸铁称为球墨铸铁。的铸铁称为球墨铸铁。 它是浇注前，往铁水中它是浇注前，往铁水中加一定量的球化剂加一定量的球化剂( (稀土镁合金等稀土镁合金等) )和孕育剂（硅和孕育剂（硅铁或硅钙合金），使铸铁中的石墨呈球状析出。铁或硅钙合金），使铸铁中的石墨呈球状析出。 与灰铸铁相比，球铁的化学成分特点是碳、硅的含量高，与灰铸铁相比，球铁的化学成分特点是碳、硅的含量高，锰的含量较低，对硫和磷的限制较严，并含有一定量的稀土锰的含量较低，对硫和磷的限制较严，并含有一定量的稀土镁。一般镁。一般 c c3.63.64.04.0， SiSi2.02.03.23.2。 球墨铸铁的组织是在钢的基体上分布着球状石墨。

15、在铸球墨铸铁的组织是在钢的基体上分布着球状石墨。在铸态下，其基体是有不同数量的铁素体、珠光体，甚至有渗碳态下，其基体是有不同数量的铁素体、珠光体，甚至有渗碳体同时存在的混合组织。生产中需经不同热处理以获得所需体同时存在的混合组织。生产中需经不同热处理以获得所需要的组织。生产中常见的有铁素体球墨铸铁、珠光体要的组织。生产中常见的有铁素体球墨铸铁、珠光体+ +铁素铁素体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁和下贝氏体球墨铸铁等。体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁和下贝氏体球墨铸铁等。3 3 球墨铸铁球墨铸铁3.1 3.1 球墨铸铁的成分、组织和性能球墨铸铁的成分、组织和性能2022/5/272022/5/2710/14

16、 最低抗拉最低抗拉强度数值强度数值为为“球墨铸铁球墨铸铁”拼音首字母拼音首字母性能：性能：球状石墨对金属基体的损坏和应力集中等危害作用比片状石墨的球状石墨对金属基体的损坏和应力集中等危害作用比片状石墨的灰铸铁要小得多。因此，球墨铸铁具有比灰铸铁高得多的强度、塑性和灰铸铁要小得多。因此，球墨铸铁具有比灰铸铁高得多的强度、塑性和韧性。另外，球铁有一突出优点是其屈强比较高，故对于承受静载荷的韧性。另外，球铁有一突出优点是其屈强比较高，故对于承受静载荷的零件，可用球墨铸铁代替铸钢。零件，可用球墨铸铁代替铸钢。球墨铸铁的力学性能比灰铸铁高，但成本与灰铸铁相近，并保持有灰铸球墨铸铁的力学性能比灰铸铁高，但

17、成本与灰铸铁相近，并保持有灰铸铁优良的铸造性、切削加工性、减磨性和缺口不敏感性等，因此它可代铁优良的铸造性、切削加工性、减磨性和缺口不敏感性等，因此它可代替部分钢作为重要的零件，对实现以铁代钢、以铸代锻起到重要作用，替部分钢作为重要的零件，对实现以铁代钢、以铸代锻起到重要作用，经济效益明显。经济效益明显。最低延伸最低延伸率率(%)(%)QT400-10QT400-10 QT500-07 QT500-07 QT800-2QT800-2 QT900-02 QT900-02 阀体，阀盖阀体，阀盖 机油泵齿轮机油泵齿轮 柴油机等曲轴柴油机等曲轴 汽车齿轮汽车齿轮 3.2 3.2 球墨铸铁的牌号和应用（

18、表球墨铸铁的牌号和应用（表6.2.1)6.2.1)2022/5/272022/5/2711/14 又称马口铁，是将白口铸铁在固态下经长时间石墨又称马口铁，是将白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火而获得的具有化退火而获得的具有团絮状石墨团絮状石墨的铸铁。由于石墨呈团的铸铁。由于石墨呈团絮状，大大减轻了对基体的割裂作用，塑性与韧性有明絮状，大大减轻了对基体的割裂作用，塑性与韧性有明显提高。但显提高。但可锻铸铁可锻铸铁实际上实际上是不能锻造是不能锻造的。的。 可锻铸铁成分一般为可锻铸铁成分一般为 c c2.22.22.82.8， SiSi1.21.22.02.0， MnMn0.40.41.21.2，

19、s s0.20.2， p p0.10.1。其组织是在钢的基本上分布着团絮状的石墨，按基体组织不同分为铁素其组织是在钢的基本上分布着团絮状的石墨，按基体组织不同分为铁素体可锻铸铁（黑心可锻铸铁）和珠光体可锻铸铁两种。体可锻铸铁（黑心可锻铸铁）和珠光体可锻铸铁两种。4 4 可锻铸铁可锻铸铁4.1 4.1 可锻铸铁的成分与组织可锻铸铁的成分与组织4.2 4.2 可锻铸铁的牌号、性能和应用（表可锻铸铁的牌号、性能和应用（表6.3.1)6.3.1)牌号牌号: KTH: KTH（KTZKTZ） + + 数字数字 - - 数字数字为为“可锻铸铁可锻铸铁”拼音首字母拼音首字母最低抗拉最低抗拉强度数值强度数值最

20、低延伸最低延伸率率(%)(%)2022/5/272022/5/2712/14 可锻铸铁的力学性能优于灰口铸铁，并接近于同类基体可锻铸铁的力学性能优于灰口铸铁，并接近于同类基体的球墨铸铁。但与球墨铸铁相比，具有铁水处理简易、质量的球墨铸铁。但与球墨铸铁相比，具有铁水处理简易、质量稳定、废品率低等优点。生产中，常用可锻铸铁制造一些截稳定、废品率低等优点。生产中，常用可锻铸铁制造一些截面较薄而形状较复杂，工作时受振动，而强度、韧性要求较面较薄而形状较复杂，工作时受振动，而强度、韧性要求较高的零件。这些零件若用灰铸铁制造，则不能满足力学性能高的零件。这些零件若用灰铸铁制造，则不能满足力学性能要求；若用

21、铸钢制造，则因其铸造性能较差，质量不易保证。要求；若用铸钢制造，则因其铸造性能较差，质量不易保证。 黑心可锻铸铁强度不算高，但具有良好的塑性与韧性，黑心可锻铸铁强度不算高，但具有良好的塑性与韧性，常用作弯头、三通管件以及农机具等承受冲击、振动和扭转常用作弯头、三通管件以及农机具等承受冲击、振动和扭转载荷的零件。珠光体可锻铸铁的塑性和韧性不及黑心可锻铸载荷的零件。珠光体可锻铸铁的塑性和韧性不及黑心可锻铸铁，但其强度、硬度和耐磨性高，常用作曲轴、连杆、齿轮、铁，但其强度、硬度和耐磨性高，常用作曲轴、连杆、齿轮、摇臂、凸轮轴等要求强度与耐磨性较好的零件。摇臂、凸轮轴等要求强度与耐磨性较好的零件。2022/5/272022/5/2713/14 最低抗拉最低抗拉强度数值强度数值为为“蠕墨铸铁蠕墨铸铁”拼音首字母拼音首字母 蠕墨铸铁是蠕墨铸铁是2020世纪世纪7070年代发展起来