《金属材料学》第7章 铸铁

1、第7章 铸铁 铸铁是指含碳量大于2.14%或组织中具有共晶组织的铁碳合金。实际上是以铁-碳-硅为主的多元合金。如再加入铝、铬、锰、铜等元素,则是各种特殊性能铸铁. 铸铁可分为以下几类：灰口铸铁，球墨铸铁，蠕墨铸铁，可锻铸铁，白口铸铁等 上图 沧州铁狮子 铸于953年，重40余吨。 右图 当阳铁塔 铸于1061年，八棱13层， 塔体分段铸造 中国曾发现陨铁制兵器3件,2件被盗卖至美国7.1 铸铁石墨化及影响因素 1 铸铁的石墨化过程 渗碳体是介稳定相，而石墨才是稳定相。 热力学条件：有利于石墨化的过程 动力学条件：主要有成分起伏、结构起伏和原子扩散.有利于渗碳体的形成. 为了使G化进行,可人为地

2、改变热力学和动力学条件.图 铁碳双重相图（G石墨， Fe3C渗碳体）成分起伏L4.3%CFe3C（6.67%C）+ AG（100%C）+ A结构起伏L（或-Fe）Fe、C并存(面心)Fe3C （复杂斜方结构）G（六角形层状结构）比较接近浓度差小6原子扩散 G长大，不但要C原子扩散集中，而且Fe原子要从G生长前沿逆向扩散。 而Fe3C长大只要C扩散，Fe原子局部移动即可。G长大较难。 有利于Fe3C长大2、影响铸态组织的因素 （1）化学成分的影响 CSi C和Si是基本成分，是G元素。石墨来源于C。Si含量一般在0.83.5%之间，Si的加入对Fe-G相图发生变化。Si作用 共晶点和共析点碳量随

3、硅含量的而； 使共晶和共析转变在一温度范围内进行； 共晶和共析温度。共析温度提高更多，大约每1 Si ，可使共析温度28； Si促进铸铁石墨化的作用相当于1/3C。 G化，1/3C作用。0.2%后，出现硬脆Fe3P，呈孤立、细小、均匀分布时，可耐磨性。若粗大连续网状分布，将强度，铸件脆性。 除在耐磨铸铁中可达0.51.0%外，在普通铸铁中都作为杂质，通常灰铁中P含量控制在0.2%。 G化；Mn能与S结合生成MnS，削弱硫的有害作用。铸铁中含锰量一般在0.51.4%范围内，如要获得铁素体基体，含锰量应取下限。 P Mn 白口；铁水流动性，恶化铸造性；形成FeS，分布晶界，使铸铁变脆。S是有害元素

4、，其含量应尽量低，一般将S限制在0.15%以下S促进石墨化元素 阻碍石墨化元素+ Al、C、Si、Ni、CuW、Mn、Mo、S、Cr、Fe、Mg （2）冷却速度的影响 化学成分选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，可以在很大范围内改变铸态组织。V冷越缓慢，越有利于按Fe-C状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段G化，通常情况下，共析阶段的G化难以完全进行 在生产中，铸件冷却速度是一个综合因素，它与浇注温度、铸型条件以及铸件壁厚均有关系。同一铸件不同壁厚处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效应。铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁厚铸件，可调整化学成分来保证获得所需组织. G化过程可分为两个阶段：发

5、生在PSK线以上的G化为第一阶段；发生在PSK线以下的G化为第二阶段，实际是以共析线为界。第一阶段G化决定G形态,第二阶段G化决定基体组织. 石墨化阶段与组织第一阶段 第二阶段 组织 铸铁名称完全进行 完全进行 F+G 不同基体的灰 部分进行 F+P+G 铁、球铁、蠕铁、 未进行 P+G 可锻铁 部分进行 未进行 Ld+P+G 麻口铸铁 未进行 未进行 Ld 白口铸铁 7.2 石墨的形成及生长 1、片状石墨的生长方式内在因素 G为六方点阵层状结构。层面原子间距小，较强共价键结合，层间C原子间距较大，原子作用力弱。层面方向生长速度就大，石墨是在与铁水相接触的条件下以片状方式生长的。外在因素 G形

6、成会导致周围铁水C浓度,凝固点生成包围G片的A体壳。但G片端生长速度超过A结晶速度, G片端总是和铁水直接接触。石墨晶体结构 片状石墨生长机理 如G片向两侧加厚生长，须依靠C从铁水中先扩散到A层再扩散到G；而Fe还必须向A层外作反方向扩散，显然是较难的G片增厚是较慢的.最后形成了立体花朵状球状石墨内部的年轮状结构 球状石墨的结构示意图 2、球状G的形成过程（1）球状石墨的结构G呈多边形轮廓，内部呈放射状。中心是G核心。球面是单晶体锥形G（0001）底面.Spheroidal (globular) graphite16171819Vermicular graphite202122(2) 球状G的

7、形成条件球化剂Mg/Ce/Y/La等 铁液的过冷度 球化剂与铁液中氧、硫发生反应，含氧、硫量，铁液表面张力， 铁液/石墨间的界面张力球化处理: 浇注前加入一定量球化剂,如稀土-硅铁-镁系等孕育处理: 加入高硅铁，获得很多的非自发晶核，细化G(3) 球状石墨的形核机理 G都是从铁水中直接析出的。球状G的形核以硫化物及氧化物夹杂微粒作为结晶中心。 螺旋位错理论:由于螺旋位错存在，碳原子优先在晶体表面造成的螺旋台阶旋出口作为开始生长的最有利位置。理想情况下晶体将长成一个近似球状的多面体，形成年轮状结构。 生长机理,有许多学说,难以完美解释. (4) 球状石墨的生长机理 图 球状石墨晶体生长示意图 a

8、)0001方向生长；b)长成球状多面体7.3 灰铸铁 牌号意义 HT100260 HT150330 HT210420 HT表示灰口铸铁，第一部分为抗拉强度，第二部分为抗弯强度。后面的数字表示抗拉强度（不低于, MPa）。 组织：片状G+ 金属基体（F，F+P，P）。 石墨形态:有A、B、C、D、E、F 6种类型，其中A型最好。经孕育处理的灰铸铁为孕育铸铁。实际生产，大部分铸铁都经过孕育处理. 孕育处理目的 ?1、灰铸铁组织特点（a）A型石墨 (b)B型石墨 (c) C型石墨 (d)D型石墨 (e) D型石墨 (f) F型石墨 图 片状石墨的分布类型 282.成分： C:2.54.0% Si:1

9、.03.0% CsC13Si3.组织：片状石墨铁素体和珠光体的混合组织。减少碳的含量、提高冷却速度、变质处理可以提高其牌号。 4.用途：HT100260 对力学性能无明显要求的构件； HT150330 HT2142 大型复杂的机体； HT210420 高性能要求的重要床身，如压力机. 5.热处理： 铸铁的热处理不能改变石墨的形状，只能改变基体的组织，而许多性能是由石墨决定的，因此热处理的应用有一定的限制。 29第五节 铸铁6.组织：片状石墨铁素体和珠光体的混合组织。302、灰铸铁性能及热处理（1）抗拉强度低、塑韧性很差G相当于空洞有效截面积G片端似裂口应力集中 基体强度不能充分发挥，其强度利用

10、率仅3050%，表现为b很低，塑性和韧性几乎为零（2）缺口敏感性小, 可切削性好 大量G相当于已经存在了许多缺口,工件的人为缺口就不太敏感了。 G在机加工时可以起到断屑和对刀具润滑作用可切削性是优良的。（3）良好的铸造性 灰铁成分接近共晶点，铁水流动性好，可铸造出形状复杂零件。且不易形成缩孔和缩松，能获得较致密的铸件。（4）良好的减震性和减摩性 灰铁内部存在大量片状G，它割裂基体，破坏连续性，阻止振动传播，并能转化为热能而发散，因而灰铁具有很好的减振性。 常用于机床底座,效果很好。 一方面G本身是良好的润滑剂，另一方面G脱落后的显微“口袋”,可以储存润滑油和收集微小麿粒,因此具有良好的减摩性。

11、如机床导轨。7.4 球墨铸铁 牌号意义 例如QT400-15，QT为球铁代号，400表示抗拉强度不低于400MPa，15表示伸长率不低于15%。 组织：球状G + 金属基体（F，F+P，P，S回，B下等）。球状G孤立分布，理想的是 “小、匀、圆、适量”。1、球铁组织与性能35成分： 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。 性能：石墨球的球化形状和大小，球化越完整，球的尺寸越细小，性能越优越；由于石墨是球形，对性能的影响较小，相应基体的作用明显提高，所以对球墨铸铁可以进行与钢类似的各种热处理（以后介

12、绍），得到不同的基体组织，对应不同性能要求。 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。 36第五节 铸铁组织FGFPGPGG 热处理组织表 球墨铸铁的力学性能注意不小于 球状G应力集中基体的缩减作用割裂基体作用 球铁基体的利用率可大大提高，达到7090。 对灰口铸铁来说，主要的矛盾是片状G，改变基体组织无明显作用。当G变为球状时，矛盾的主要方面发生了变化，基体成为决定性的主导因素，基体性能可得到较大的发挥。 退火球铁组织 铁素体 + 球状石墨 铸态球铁组织(“牛眼”状) 珠光体+铁素体+球状石墨2、 球墨铸铁的热处理特点 （1）

13、共析转变不是在恒定的温度下进行，而是在一个较宽的温度范围内进行(下图)改变热处理T和t不同比例的F和P基体组织 较大幅度地调整铸铁的力学性能图 Fe-C-Si三元合金状态图变温截面 a)含2.4%Si b)含4.8%Si（2）奥氏体含C量可在较宽范围内变化 石墨是C的“仓库”,既可在高温时”输出给奥氏体,也可在冷却时容纳奥氏体中析出的C。（3）G参与相变,但一般不能改变G形状与分布 （4）一般热处理工艺方法基本上可采用3、球墨铸铁的热处理 （1）消除内应力退火 （2）高温石墨化退火 消除游离渗碳体 （3）低温石墨化退火 消除共析渗碳体 （4）正火处理和调质处理 获得珠光体的组织和提高珠光体的分

14、散度 （5）等温淬火处理 得到B体或AB体基体组织。提高综合机械性能 （6）表面淬火 （7）化学热处理 氮化、渗硼和渗硫等 7.5 Vermicular graphite cast ironComposition Similar to spheroidal graphite cast iron2. Microstructure圆整化程度用形状系数K来描述K0.15属于片状石墨; 0.15K0.8属于蠕虫状石墨;K0.8属于球状石墨Matrix microstruxture: P, P+F, F.44453. Vermiculation and inoculation treatment球化元素

15、：镁、稀土元素。反球化元素：钛、铝复合蠕化剂：反球化元素钛、铝与球化元素镁制成。464.Brand and propertiesRUT420：用“蠕铁”的汉语拼音加数字表示，数字代表最低抗拉强度(单位为MPa);强度、塑性和韧性优于灰口铸铁，尤其具有耐热冲击和抗热生长的优点。4748497.6 可锻铸铁 第五节 铸铁1.牌号：KT350100 KTZ4550 其中KT表示可锻铸铁，第一部分数字为抗拉强度，第二部分数字为延伸率。字母KTZ表示为珠光体可锻铸铁，KTH表示黑心可锻铸铁。黑心可锻铸铁:石墨化退火可锻铸铁，当基体为铁素体时，断口呈黑绒色；强度、硬度低，塑性、韧性好，用于载荷不大、承受较

16、高冲击、振动的零件。珠光体基体可锻铸铁:当基体为珠光体时，断口呈银灰色; 因具有高的强度、硬度，用于载荷较高、耐磨损并有一定韧性要求的重要零件。2.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，组织为珠光体莱氏体。 3.生成过程：进行石墨化退火。 将白口铸铁加热到900980，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不致密的，和部分基体组合为团絮状，缓慢冷却到750720，让第二阶段的石墨化充分进行。控制冷却到600的速度来调整P和F的比例，达到控制

17、材料的强度、塑性和韧性。51组织：絮状石墨（FP）混合基体用途： 有一定的塑性，但并不能锻压成形。塑性和韧性比灰口铁高得多，用来制作齿轮、曲轴、凸轮轴、活塞环、农机构件等 7.8.1 Wear-resistant alloy cast iron Cr-system wear-resistant alloy cast ironCharacteristic: Cast parts without existence of dissociative graphite acquired by controlling chemical composition (12-28%Cr) and increas

18、ing cooling rate. Only pearlite, cementite, carbide(Cr7C3, Cr23C6, HV1400-1800)Called white cast iron, with high hardness and good wear-resistance.527.8 Alloy cast irons53Typical cast irons:15Cr-3Mo, 15Cr-2Mo-1Cu, 20Cr-2Mo-1Cu 广泛应用于制造犁铧、各种破碎机、水泥磨机、抛丸机的衬板及磨球等。542. Ni-system wear-resistant alloy cast

19、ironComposition 镍硬1型： 3-3.6%C, 3.3-4.8%Ni, 1.5-2.6Cr, Mn0.3-0.7% 镍硬2型：2.9%C, 1.5-2.6%Cr, 1.4-2.4%Cr, 03.-0.7MnMicrostructure Cr (Fe,Cr)3C, HV1100-1150, NiM, HV600553. Mn-system wear-resistant alloy cast ironComposition 2.0-8.0%Mn, Mo, Cr, CuMicrostructure Eutectic cementite + M + Ar or B HRC50-60App

20、lication 杂质泵，冲击磨料磨损零件567.8.2 Heat-resistant alloy cast iron Service conditionOxidization and growth of oxide filmOxidization mechanismSimilar to steelsDissociative graphiteburninginner oxidization57Growth mechanism of oxide film400-600, below phase transformation temp., pearlite F + Graphite 1% grap

21、hite volume increase 2.4%.Around phase transformation temp., dissolution of graphite into microvoid Cooling indigenous graphite volume increase 582. Alloying mechanismElements: Si, Al, CrFormation of dense oxide film: SiO2, Al2O3, Cr2O35960Application of wear-resistant alloy cast ironGuideway, cylin

22、der, piston ringAntifriction, low friction coefficientMill roll, grinding ballAnti-wear, good wear resistance 617.8.3 Wear-resistant alloy cast iron2. Alloying mechanismElements: Cu, Mo, Re, Mn, Si, P, Cr, TiInoculant:ferrosilicon62637.8.4 Corrosion-resistant alloy cast ironCorrosion resistance of common cast ironDifferent electrode potentialGraphite (+0.37V) Fe3CF(-0.44V)Poor corrosion resistance642. MethodsDense filmSi, Cr, AlImprove the electrode potential of matrixCr, Mo, Cu