《金属材料与热处理》课件7.项目七

1、金属材料与热处理项目七 铸铁项目导入铸铁和钢都是铁碳合金，在现代工业中都有广泛的应用，但由于它们的成分、组织和性能各不相同，因而使用的场合也不一样。 铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。并且还含有硅、锰、硫、磷等元素。铸铁与钢相比，虽然力学性能较低，但是它具有优良的铸造性和切削加工性能，生产成本低，且具有耐磨、耐压和减振等性能，所以，在机械制造领域应用十分广泛。铸铁在汽车、拖拉机中的 应用约占30%50%，在机床中约占60%90%。如机床床身、工作台和底座等形状复杂、受摩擦力以及压力作用的零件，基本都是由铸铁制成的。01目录CONTENT铸铁的分类和形成过程 灰铸铁球墨铸铁和蠕墨铸铁0

2、20403可锻铸铁CONTENT任务一铸铁的分类和形成过程 高炉炼出的生铁有两种，即炼钢生铁和铸造生铁，前者主要用作炼钢原料，后者主要用作铸造各种铸件的原料。但一般情况下，浇注铸铁件所用的铁液并不直接由高炉生产，而是将高炉生铁重新熔炼，使其有一定的成分和温度，浇注后以满足铸件规定的性能要求。学习目标会根据铸铁定义分辨铸铁。 知道铸铁的主要成分。任务描述铸铁的分类。铸铁的形成过程。 一、铸铁分类 在铸铁中，碳可以以渗碳体的形式存在，也可以以石墨的形式存在。 1.根据碳在铸铁中的存在形式分类 （1）白口铸铁 碳主要以渗碳体形式存在，其断口呈银白色。所以称为白口铸铁。这类铸铁的性能既硬又脆，很难进行

3、切削加工，很少直接用来制造机器零件。 （2）灰铸铁 碳大部分或全部以片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色。所以称为灰铸铁。具有一定的力学性能和很好的铸造性，是工业生产中应用最广的一种铸铁。 （3）麻口铸铁 碳大部分以渗碳体形式存在，少部分以石墨形式存在，断口呈灰白相间的麻点，故称麻口铸铁。它是灰铸铁和白口铸铁的过渡组织，有较大的脆性，没有应用价值。 一、铸铁分类 2.根据铸铁中石墨形态分类 （1）灰铸铁 石墨以片状形态存在于铸铁中，这类铸铁有一定的强度，耐磨、耐压、减震性能均佳。并且灰铸铁的价格便宜，容易生产，所以在工业生产中得到了广泛应用。 （2）可锻铸铁 石墨以团絮状存在于铸铁中，它是用白口铸

4、铁件经长期退火后得到的。这类铸铁强度较高，韧性好。 （3）球墨铸铁 石墨大部分或全部以球状存在于铸铁中，这类铸铁强度高，韧性好。 （4）蠕墨铸铁 石墨大部分以蠕虫状存在于铸铁中，这类铸铁抗拉强度、耐热冲击性能、耐压性能比灰铸铁有明显改善。二、铸铁的石墨化及影响因素 在铸铁中，石墨可以以片状、球状、蠕虫状或团絮状形态存在，石墨既可以从液体或奥氏体中直接析出，也可以先结晶出渗碳体，再由渗碳体在一定条件下分解为铁素体和石墨。铸铁中的碳以石墨形态析出的过程称为石墨化。如灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要从液体中析出;可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间高温退火，由渗碳体的分解来得到。 二、铸铁的石墨化

5、及影响因素 石墨形成过程（石墨化）分为三个阶段。 第一阶段石墨化:铸铁液体通过共晶反应形成共晶石墨。反应方程式为: LeAF+G（共晶） 第二阶段石墨化:在1154738 温度范围内冷却过程中，自奥氏体中不断析出二次石墨。 第三阶段石墨化:当温度降到738 通过共析反应析出石墨，其反应式为: AsAp+G（共析）二、铸铁的石墨化及影响因素 铸铁石墨化过程受到许多因素的影响，其中最主要的因素是铸铁的化学成分和冷却速度。 1.化学成分的影响 按对石墨化过程的作用不同，化学元素可分为两大类:第一类是促进石墨化的元素，如碳、硅、铝、铜等，其中碳、硅是强烈促进石墨化的元素，碳、硅含量越高，越有利于石墨化

6、的进程。第二类是阻碍石墨化的元素，如铸铁中的硫、锰、铬、钨、钼、钒等。它们都阻碍渗碳体分解，阻碍石墨化。 二、铸铁的石墨化及影响因素 2.冷却速度的影响 冷却速度对石墨化的影响也很大，当铸铁结晶时，缓慢冷却有利于扩散以及石墨化过程得到充分进行，结晶出的石墨又多又大，而冷却速度快，则阻碍石墨化，促使白口化。因此，在实际生产中，可使铸铁件缓慢冷却;或者在高温下，将铸件长时间保温，进行石墨化退火: Fe3C3Fe+G，以促进石墨化。任务二灰铸铁灰铸铁是一种价格便宜的结构材料，我们在工厂中见到的机床底座、床身和支柱等都是由灰铸铁制成的。它是工业生产应用最广泛的一种铸铁材料，约占铸铁总量的80%以上。学

7、习目标理解灰口铸铁的牌号含义。 会合理选择和使用灰口铸铁。任务描述灰口铸铁的组织和性能。 灰口铸铁的牌号和应用。一、灰铸铁的化学成分 灰铸铁的化学成分一般为:碳的质量分数为2.7%3.6%、硅的质量分数为1.0% 2.2%、锰的质量分数为0.5%1.3%、磷的质量分数小于0.3%、硫的质量分数小于0.15%。其中碳、硅、锰是调节组织的元素，磷元素是被控制使用的，硫元素是被限制的。 二、灰铸铁的组织 灰铸铁的组织根据石墨化程度可以分为下列三种基本的灰铸铁: 1.铁素体基体 灰铸铁在铁素体的基体上分布着多而粗大的石墨片，其强度、硬度差，很少应用。 2.铁素体+珠光体基体 灰铸铁在珠光体和铁素体混合

8、的基体上，分布着较为粗大的石墨片，此种铸铁的强度、硬度尽管比前者低，但仍可满足一般机体要求，其铸造性、减震性均佳，且便于熔炼，是应用最广的灰铸铁。 3.珠光体基体 灰铸铁在珠光体的基体上分布着均匀、细小的石墨片，其强度、硬度相对较高，常用于制造床身、机体等重要件。 二、灰铸铁的组织 灰铸铁显微组织的不同，实质上是碳在铸铁中存在形式的不同。灰铸铁中的碳有化合碳（Fe3C）和石墨碳所组成。化合碳为0.8%时，属珠光体灰铸铁;化合碳小于0.8%时，属珠光体铁素体灰铸铁;全部碳都以石墨状态存在时，则为铁素体灰铸铁。其显微组织。三、灰铸铁的力学性能 灰铸铁的力学性能主要取决于基体的性能及石墨的数量、形状

9、、大小和分布状况。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当。同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少;珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件;铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。故工业上使用较多的是珠光体基体的灰铸铁。四、灰铸铁的孕育处理 为了提高灰铸铁的力学性能，生产中常采用孕育处理的方法来改善石墨的大小及分布，即在浇铸前向铁液中加入少量的孕育剂，其目的是形成非自发晶核、细化

10、石墨、细化组织、提高强度，避免铸件边缘及薄断面出现白口组织，提高组织的均匀性。经过孕育处理后的灰铸铁叫做孕育铸铁。 孕育剂的种类很多，但以含硅量wSi=75%的硅铁最为常用，其原因是除价格便宜外，主要是它在孕育后的短时间内（56 min）有良好的孕育效果。进行孕育处理时，一般加入量为铁液重量的0.4%左右。 六、灰铸铁的热处理 由于热处理仅能改变灰铸铁的基本组织，改变不了石墨形态，因此，用热处理来提高灰铸铁的力学性能的效果不大。灰铸铁的热处理常用于消除铸件的内应力和稳定尺寸，消除铸件的白口组织、改善切削加工性，提高铸件表面的硬度及耐磨性。 1.时效处理 形状复杂、厚薄不均的铸件在冷却过程中，由

11、于各部位冷却速度不同，形成内应力，既削弱了铸件的强度，又使得在随后的切削加工中，因应力的重新分布而引起变形，甚至开裂。因此，铸件在成形后都需要进行时效处理，尤其对一些大型、复杂或加工精度较高的铸件（如机床床身、柴油机汽缸等），在铸造后、切削加工前，甚至在粗加工后都要进行一次时效退火。六、灰铸铁的热处理 2.石墨化退火 灰铸铁件的表层及一些薄壁处，在冷却时，有时会出现白口组织，在后续成分控制不当、孕育处理不足时会使铸件的硬度、脆性增加，同时铸件的切削性能降低，使铸件的切削加工难以进行，石墨化退火是消除白口很好的措施，来降低铸件的脆性和硬度，改善加工性能，提高铸铁的塑性和韧性。若铸件中不存在共晶渗

12、碳体或其数量不多时，可进行低温石墨化退 火;当铸件中共晶渗碳体数量较多时，须进行高温石墨化退火。 六、灰铸铁的热处理 （1）低温石墨化退火 铸铁低温退火时会出现共析渗碳体的分解。低温石墨化退火一般是将铸件以70100 /h的速度加热至720760 ，保温25 h（取决于铸件壁厚），然后炉冷至400500 后空冷。 （2）高温石墨化退火 高温石墨化退火工艺是将铸件加热至900950 ，使铸铁中的自由渗碳体分解为奥氏体和石墨，保温一段时间后根据所要求的基体组织按不同的方式进行冷却。六、灰铸铁的热处理 3.表面热处理 有些铸件，如机床导轨、缸体内壁等，表面需要高的硬度和耐磨性，可进行表面淬火处理，如

13、高频表面淬火，火焰表面淬火和激光加热表面淬火等。淬火前铸件需进行正火处理，以保证获得大于65%以上的珠光体组织，淬火后表面硬度可达5055 HRC。任务三可锻铸铁汽车、拖拉机的后桥外壳、管接头、曲轴、连杆等零件都是由可锻铸铁制成的。可锻铸铁具有较高的强度和韧性，且制成零件质量稳定，易于组织流水线生产等优点，在工业制造中起着重要的作用。学习目标理解可锻铸铁的牌号含义。 会使用可锻铸铁。任务描述可锻铸铁的组织和性能。 可锻铸铁的牌号和应用。一、可锻铸铁的化学成分和组织 可锻铸铁又称为玛钢、马铁。可锻铸铁是由一定化学成分的铁液浇注成白口坯件，再经退火而成的铸铁。可锻铸铁中石墨为团絮状，对基体的割裂和

14、引起应力集中作用比灰铸铁小，因此，它与灰口铸铁相比，可锻铸铁有较好的强度和塑性，特别是低温冲击性能较好，耐磨性和减振性优于普通碳素钢;铸造性能较灰铸铁差;切削性能则优于钢和球磨铸铁而与灰铸铁接近。必须指出的是，可锻铸铁是不可以锻造的。一、可锻铸铁的化学成分和组织 可锻铸铁的生产必须经过两个步骤:先浇注成白口铸铁件，然后经高温长时间的可锻化退火，使渗碳体分解为团絮状石墨，而获得可锻铸铁件。 为了保证在一般冷却条件下铸件能够获得全部的白口组织，须使可锻铸铁的碳和硅含量较低，化学成分一般为: wC=2.2%2.8%，wSi=1.0%1.8%，wMn=0.3%0.8%，wS 0.2%，wP0.1%。一

15、、可锻铸铁的化学成分和组织 2.可锻铸铁的组织和性能 可锻铸件由于退火方法的不同，可得到不同的组织。将白口铸铁在中性气氛中退火，使渗碳体完全分解成铁素体和团絮状石墨，得到组织为铁素体和团絮状石墨的可锻铸铁。这种铸铁断口呈黑绒状并带有灰色外圈，称黑心可锻铸铁。黑心可锻铸铁具有一定的强度和一定的塑性和韧性。若在退火过程中只将部分渗碳体石墨化，则 得到组织为珠光体基体与团絮状石墨的可锻铸铁，称为珠光体可锻铸铁。其退火工艺。珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性，但塑性与韧性较低。任务四球墨铸铁和蠕墨铸铁球墨铸铁是一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢。蠕墨铸铁是近代发展起来的一种新型材料，它广泛

16、应用于农业生产和工业生产中各种机械零件的生产中，在国民生产中起着重要的作用。学习目标认识球墨铸铁和蠕墨铸铁。任务描述了解球墨铸铁和蠕墨铸铁牌号含义和用途。一、球墨铸铁球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢。正是基于其优异的性能，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁、应用十分广泛的铸铁材料。所谓“以铁代钢”主要指球墨铸铁。一、球墨铸铁 1.化学成分 球墨铸铁的成分中C、Si的质量分数

17、较高，Mn的质量分数较低，S、P的质量分数限制很严，同时含有一定量的Mg和稀土元素。球墨铸铁的大致化学成分如下: wC=3.6%4.0%、wSi=2.0%2.8%、wMn=0.6%0.8%、wS0.07%、wP0.1%、wMg=0.03%0.05%、wRe=0.02%0.04%。一、球墨铸铁2.组织 球墨铸铁的组织由球状石墨和基体组成。按球墨铸铁组织中的基体不同，可分为以下几种球墨铸铁: （1）铁素体球墨铸铁 （2）珠光体球墨铸铁 （3）铁素体+珠光体球墨铸铁 一、球墨铸铁 3.性能 在球状石墨的数量、形状、大小及分布一定的条件下，珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体球墨铸铁高50%以上，而铁素体

18、球墨铸铁的伸长率是珠光体球墨铸铁的35倍。铁素体+珠光体基体的球墨铸铁性能介于二者之间。经热处理后以马氏体为基的球墨铸铁具有高硬度、高强度，但韧性很低;而以下贝氏体为基的球墨铸铁具有优良的综合力学性能。石墨球越细小，分布越均匀，越能充分发挥基体组织的作用。球墨铸铁的金属基体强度的利用率可以高达70%90%，而普通灰铸铁仅为30%50%。同其他铸铁相比，球墨铸铁强度、塑性、韧性高，屈服强度也很高。屈强比可达0.70.8，比钢约高一倍，疲劳强度可接近一般中碳钢，耐磨性优于非合金钢，铸造性能优于铸钢，加工性能几乎可与灰铸铁媲美。一、球墨铸铁 5.球墨铸铁的热处理 由于球墨铸铁中的石墨呈球状，石墨对基

19、体的削弱作用较小，改善其基体组织就可以使球墨铸铁的力学性能和使用性能得到大幅度提高。球墨铸铁的热处理与钢相似，但因其含碳、硅、锰较多，因此，热处理的加热温度较高，保温时间较长。球墨铸铁厂采用的热处理方法有以下几种: （1）退火处理 退火的目的是为了获得铁素体基体球墨铸铁。为了改善其加工性，同时消除铸造应力需进行退火处理。 当铸态组织由F+P+Fe3C+G（石墨）组成，则进行高温退火。将铸件重新加热到900 950 并保温足够时间进行高温退火，再炉冷到600 出炉空冷。若铸态组织由F+P+G（石墨）组成，那么只需将球墨铸铁件重新加热到700760 共析温度上下经保温后冷至600 出炉空冷，就能将

20、珠光体中渗碳体分解转化为铁素体及球状石墨。一、球墨铸铁 （2）正火处理 球墨铸铁正火的目的是为了获得珠光体组织，并使晶粒细化，组织均匀，从而提高零件的强度、硬度及耐磨性。正火可分为高温和低温正火两种。 低温正火是将铸件加热到840860 ，保温14 h，出炉空冷。 低温正火获得珠光体+铁素体基体的球墨铸铁。 高温正火是将铸件加热到880950 ，使基体全部转变为奥氏体组织，保温一定时间后出炉空冷。高温正火后可以获得珠光体+石墨的球墨铸铁。为了增加珠光体的数量，也可采用风冷、喷雾冷却等方法加快冷却速度。 球墨铸铁的导热性较差，正火后铸件内应力较大，因此正火后应进行一次消除应力退火，即加热到550

21、600 ，保温34 h出炉空冷。一、球墨铸铁 （3）淬火加低温回火处理 采用淬火与回火的热处理工艺，来提高球墨铸铁的力学性能，发挥球墨铸铁的内在潜力。 具体工艺为将球墨铸铁件加热到880920 温度，保温让原基体组织全部奥氏体化后再在油或熔盐中冷却实现淬火，从而得到马氏体和球状石墨的组织。然后再进行不同温度的回火处理。 一般球墨铸铁淬火后进行低温回火处理，低温回火后的组织为回火马氏体+球状石墨，处理后的球墨铸铁件具有较高的硬度和一定的耐磨性，主要用于制造轴承的内外套圈。一、球墨铸铁 （4）调质处理 调质处理用于提高综合力学性能。调质处理时将球墨铸铁件加热到860920 的温度，保温让基体组织奥氏体化，再在油或熔盐中冷却实现淬火，后经550620 的高温回火26 h，获得回火索氏体组织，原球状石墨形态不变，硬度为250300 HBS，具有良好的综合力学性能，常用来处理柴油机曲轴、连杆等零件。 （5）等温淬火处理 球墨铸铁经等温淬火后可获得高的强度，同时具有较好的塑性和韧性。其具体工艺是将球墨铸铁件加热到860920 保温使奥氏体均匀化后，迅速投入250350 的熔盐中进行3090 min等温处理，让奥氏体部分转变为下贝氏体+少量残余奥氏体+球状石墨。由于等温淬火内应力不大，可不进行回火。目前，等温淬火是提高球墨铸铁综合力学性能的有效途径，但仅适合结构尺寸不大的