金属材料学课件：铸铁

概述铸铁石墨化及影响因素灰铸铁球磨铸铁蠕墨铸铁可锻铸铁特殊用途用铸铁铸铁

概述

铸铁是指C%>2.14%或组织中具有共晶组织的铁碳合金。实际上是以Fe-C-Si为主的多元合金，如再加入Al、Cr、Mn、Cu等元素，则是各种特殊性能铸铁。概述汽缸活塞环汽缸盖导轨概述一、铸铁的特点及分类1.特点（1）C及Si含量高，并且碳多以石墨形式存在；（2）优良的铸造性能；（3）生产成本低；因含有较多的碳和硅，并且S，P等杂质含量也较多，所以熔化设备简单，工艺操作简单。（4）优良的减振性能、减摩性能；（5）切削加工性能好。概述2.分类（1）白口铸铁：碳除微量溶入铁素体外，绝大多数以Fe3C形式存在，其断口呈银白色。硬度高，耐磨性好，脆性大，不易切削加工。（2）灰口铸铁：碳全部或大部分以片状石墨形式存在，断口呈灰黑色。（3）蠕墨铸铁：碳全部或大部分以蠕虫状石墨形式存在。通过蠕化剂与铁水反应后凝固而得。（4）球墨铸铁：碳全部或大部分以球状石墨形式存在。通过球化剂与铁水反应后凝固而得。概述（5）可锻铸铁：碳全部或大部分以游离团絮状石墨形式存在。（6）麻口铸铁：碳除少量固溶于铁素体中外，一部分以游离状态的石墨形式存在，另一部分以化合状态的渗碳体形式存在，在其断口上呈黑白相间的麻点。具有较大的硬脆性，故工业上也很少使用。（7）冷硬铸铁：铸件表面一定深度是全白口组织，心部是灰口组织，称为冷硬铸铁。按Fe-Fe3C介稳定进行：按Fe-G稳定系进行：7.1铸铁石墨化及影响因素二、铸铁的石墨化过程铁-碳双重相图（G-石墨，Fe3C-渗碳体）7.1铸铁石墨化及影响因素铸铁中各种组织的自由能随温度而变化的曲线1.热力学条件

当共晶液体结晶时，从热力学条件来说，对石墨化过程总是有利的。T>1154℃时：FL<Fγ+G<Fγ+Fe3C；

T=1154~1148℃时：

Fγ+G<FL<Fγ+Fe3C，只能发生LC(4.26)→γE(2.08)+G共晶转变；

T<1148℃时：(FL-Fγ+G)>(Fγ+Fe3C-FL)。7.1铸铁石墨化及影响因素2.动力学条件7.1铸铁石墨化及影响因素

从动力学条件来看，有利于渗碳体的形成。7.1铸铁石墨化及影响因素

要从液体铁水中结晶出（奥氏体+石墨）共晶，就必须使液体不要过冷到1148℃以下。只有这样，原子的扩散条件比较充分，铁水中的浓度起伏条件得以实现，才能使动力学条件较差的（奥氏体+石墨）的共晶转变获得充分的时间形核和长大。为了使石墨化进行，可人为地改变热力学和动力学条件。7.1铸铁石墨化及影响因素3.石墨化过程第一阶段：从液体中得到一次石墨、形成共晶石墨以及一次渗碳体和共晶渗碳体分解而得到石墨。第二阶段：从奥氏体中析出石墨及二次渗碳体分解而得到石墨。第三阶段：共析反应形成石墨及共析渗碳体分解而得到石墨。亚共晶灰口铁：过共晶灰口铁：共晶灰口铁：7.1铸铁石墨化及影响因素

因成分，凝固条件不同，石墨化程度也不同，其组织也不同。第一阶段和第二阶段：温度高，铁、碳原子扩散快，往往进行得较充分。如进行得不充分，有莱氏体和游离渗碳体存在，称麻口铸铁。第三阶段：温度低，铁、碳原子扩散慢，往往进行得不充分。如进行充分：基体为F。如进行不充分：基体为F+P或P。7.1铸铁石墨化及影响因素三、影响铸态组织的因素1.化学成分的影响7.1铸铁石墨化及影响因素P

↑G化素；当P含量大于0.2%后，在铸铁中生成Fe3P，形成磷共晶，硬且脆；形成连续网状时，明显降低强度和韧性；呈孤立、细小、均匀分布时，不降低强度，而且明显提高耐磨性，应用于耐磨铸铁中。通常在灰口铁中P%<0.2%。7.1铸铁石墨化及影响因素7.1铸铁石墨化及影响因素2.冷却速度的影响7.2灰铸铁7.2灰铸铁一、灰铸铁的组织特点

（a）铁素体灰铸铁（b）铁素体+珠光体灰铸铁（c）珠光体灰铸铁孕育处理目的？

组织：片状G+金属基体（F，F+P，P）。石墨形态：有A、B、C、D、E、F六种类型，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。7.2灰铸铁二、片状石墨的形成过程7.2灰铸铁7.2灰铸铁三、灰铸铁的性能1.抗拉强度低、塑韧性很差7.2灰铸铁3.缺口敏感性小，可切削性好2.抗压强度和硬度取决于基体组织，石墨片影响不大

其抗压强度一般较高，是抗拉强度的2.5~4倍，与钢接近；硬度在130~270HB。7.2灰铸铁5.良好的铸造性4.存在壁厚敏感效应

在同一个铸件中，厚壁处的材料强度比薄壁处的材料强度低。（因为壁厚，冷速慢，所得的石墨片较粗大。）7.2灰铸铁6.良好的减震性和减摩性7.2灰铸铁一、球铁组织与性能7.3球墨铸铁二、球状石墨的形成过程1.球状石墨的结构7.3球墨铸铁2.球状石墨的形成条件球化处理：浇注前加入一定量球化剂。球化剂Mg、Ce、Y、La等7.3球墨铸铁3.球状石墨的形核机理4.球状石墨的生长机理

螺位错理论：通过自发或非自发形核生成多面体晶核，在各基面上存在有螺型位错。碳原子优先在晶体表面造成的螺旋台阶处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。7.3球墨铸铁7.3球墨铸铁7.3球墨铸铁

与钢相比，球墨铸铁的屈强比高，约为0.7%~0.8%，接近钢的一倍（钢的屈强比一般为0.35%~0.5%）。所以对于承受静载荷的零件，有时可以用球墨铸铁代替铸钢。球墨铸铁还具有耐磨减摩性较好，切削加工性能较好等一系列优点。但球墨铸铁的塑性与韧性却低于钢，并且由于过冷倾向大，易于产生白口，所以球墨铸铁的熔炼工艺和铸造工艺要比灰铸铁复杂。

7.3球墨铸铁

球墨铸铁可以代替部分锻钢、铸钢、某些合金钢及可锻铸铁等，用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求较高的零件。如具有高强度与高耐磨性的球墨铸铁常用来制造拖拉机或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮、机床的主轴、蜗杆、蜗轮、轧钢机的轧辊、大齿轮及大型水压机的工作钢、缸套、活塞等；具有高韧性和一定塑性的铁素体球墨铸铁常用来制造受压阀门、机器底座、汽车的后桥壳等。应用：7.3球墨铸铁1.常存元素（1）C和SiC：3.6~3.9%，Si：2.0~2.5%。CE＝4.3~4.7%，等于或稍高于共晶成分。（2）Mn①由于球化剂的加入使S含量大为降低，所以MnS很少，绝大多数Mn溶入铁素体。②铁素体基体：0.2-0.4%Mn；珠光体基体：0.4-0.6%Mn（3）S：越低越好，<0.05-0.1%。（4）P：<0.08%。易产生偏析，生成磷共晶，增大脆性。三、球墨铸铁中元素的作用7.3球墨铸铁2.球化元素（1）Mg：主要的球化元素，残留Mg：0.03~0.08%。①使石墨在结晶时呈球状析出。②防止析出一次石墨并增加共晶点的含碳量。③因形成氧化镁、硫化镁，有脱氧、脱硫作用。④在铁水中气化使铁水沸腾，能去H，N和夹杂物。7.3球墨铸铁（2）Re：具有一定的球化作用：残留量：0.02~0.04%。①使石墨在结晶时呈球状析出；②阻止析出一次石墨；③有脱氧、去氢、去氮作用；④和硫的结合力比Mg强，先与S发生反应，使铁水中的残余Mg量增加，使Mg发挥球化剂作用。7.3球墨铸铁3.孕育元素

（1）Si①防止球化剂带来的白口倾向；②使石墨球更加圆整和细化，提高塑性、韧性。（2）Ca，Al，Mo，Sr（锶）：与Si配成复合孕育剂。①延长孕育有效时间；②增加球化元素在铁液中的吸收率，细化共晶团，改善组织均匀性，减少壁厚敏感性和增加韧性。7.3球墨铸铁4.合金元素

（1）Mo①细化石墨球；②细化珠光体和增加珠光体量。（2）Cu①促进共晶石墨化及细化石墨球；②细化珠光体和增加珠光体量。（3）Ni①促进共晶石墨化；②细化珠光体和增加珠光体量。（4）V①细化石墨球；②增加珠光体数量；③形成VC，VN等微细颗粒起弥散强化作用。7.3球墨铸铁四、球墨铸铁的热处理1、特点7.3球墨铸铁

（2）Si显著提高共析转变温度，大约每增加1%Si，共析温度可提高28℃。7.3球墨铸铁

（3）奥氏体含碳量可在较宽范围内变化

（4）G参与相变，但一般不能改变G形状与分布；（5）一般热处理工艺方法基本上可采用。7.3球墨铸铁2、热处理工艺7.3球墨铸铁7.4蠕墨铸铁牌号意义

例如RuT420，RuT为蠕铁代号，420表示抗拉强度不低于420MPa。铸铁中石墨呈蠕虫状存在，即其石墨形态介于片状与球状之间。一、蠕墨铸铁牌号与组织

组织：蠕虫状G+金属基体（F，F+P，P等）。

蠕墨铸铁的显微组织7.4蠕墨铸铁

取决于石墨的蠕化率、形状和分布及基体组织。蠕化率：在有代表性的视场内，蠕虫状石墨与全部石墨数的百分比。式中，A——为单个石墨的截面积；

L——为单个石墨的截面周长，取试样上有代表性视场中全部石墨来统计。通常用形状系数（圆整化程度）K来描述：K<0.15时，属于片状石墨；0.15<K<0.8时，属于蠕虫状石墨；K>0.8时，属于球状石墨。7.4蠕墨铸铁

（1）蠕墨铸铁的性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间；（2）蠕墨铸铁的疲劳极限和冲击韧性不如球墨铸铁，但明显优于灰铸铁，但其值随石墨的蠕化率和基体组织的不同而有差异。蠕化率低或基体中铁素体含量高，则韧度及伸长率相对提高。（3）当蠕化率较高和形状系数较小时，蠕墨铸铁导热性接近灰铸铁，较好；当蠕化率降低和形状系数较高时，蠕墨铸铁导热性接近球墨铸铁，较低。（4）蠕墨铸铁具有较高的碳当量，接近共晶成分，又经蠕化处理去硫去氧，具有良好的流动性，铸造性能接近于灰铸铁。二、蠕墨铸铁性能与应用7.4蠕墨铸铁

蠕墨铸铁的综合性能好，组织致密，主要应用在一些经受热循环载荷的铸件（如钢锭模、玻璃模具、柴油机缸盖、排气管、刹车件等）和组织致密零件（如一些液压阀的阀体、各种耐压泵的泵体等）以及一些结构复杂而设计又要求高强度的零件。

7.5可锻铸铁牌号意义KT+H（Z，B）＋数字－数字“KT”表示“可锻铸铁”，其后面的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；符号后面的两组数字分别表示其最小的抗拉强度和伸长率。一、可锻铸铁组织与性能1、组织

（1）黑心可锻铸铁包括铁素体基可锻铸铁和珠光体基可锻铸铁。

形成：将白口铸铁在密封的退火炉中进行退火，共晶渗碳体在高温下分解成为团絮状石墨，然后通过不同的热处理工艺使基体成为铁素体或珠光体组织。其断面呈暗灰色，而在表层因经常有薄的脱碳层而呈亮白色，故称为黑心可锻铸铁。7.5可锻铸铁

（2）白心可锻铸铁白口铸铁在氧化性气氛条件下退火时，铸铁断面从外层到心部发生强烈的氧化和脱碳，在完全脱碳层中无石墨存在，基体组织为铁素体。这种铸铁断面由于其心部区域有发亮的光泽，故称为白心可锻铸铁，又称为脱碳退火可锻铸铁。

7.5可锻铸铁2.性能

由于可锻铸铁的石墨呈团絮状，减轻了对基体的破坏作用，是强度、塑性、韧性都较好的铸铁。但并非真正可锻压加工。其力学性能优于灰铸铁，并接近于同类基体的球墨铸铁，尤其是珠光体基体可锻铸铁，强度已可与铸钢比美。可锻铸铁与球墨铸铁相比，还具有铁水处理简易、质量稳定、废品率低等优点。所以可锻铸铁常用于制作一些截面较薄而形状复杂、工作时受振动而强度、韧性要求较高的零件。因为这些零件若用灰铸铁制造，则不能满足力学性能要求；若用球墨铸铁铸造，易形成白口；若用铸钢制造，则因其铸造性能较差，质量不易保证。

珠光体可锻铸铁的可切削加工性在铁基合金中是最优良的，可进行高精度切削加工。另外，珠光体可锻铸铁还可以通过火焰加热或感应加热进行表面淬火。黑心可锻铸铁强度虽然不高，但具有良好的塑性和韧性，常用来制作汽车、拖拉机的后桥外壳、机床扳手、低压阀门、管接头、农具等承受冲击、振动和扭转载荷的零件。白心可锻铸铁表里组织不同、力学性能差，特别是韧性较低，故应用较少。7.5可锻铸铁7.6特种性能铸铁

氧化：铸铁在高温下受氧化性气氛的侵蚀，在铸件表面发生化学腐蚀的现象。由于表面形成氧化皮，减少了铸件的有效截面，降低了铸件的承载能力。生长：铸件在高温下反复加热冷却时发生的不可逆的体积长大，造成零件尺寸增大，使力学性能降低。一、耐热合金铸铁高温下工作时，铸铁主要的损坏形式是氧化和生长导致零件失效。牌号意义RT（或RQT）+合金元素+数字“RT”代表耐热铸铁；RQT为耐热球墨铸铁的代号；合金元素符号后面的数字表示该合金元素平均质量分数的百倍。如RTCr16。大致可分为铬系、硅系、铝系和硅铝系等。7.6特种性能铸铁铸铁的耐热性主要是指铸铁在高温下抗氧化和抗热生长的能力。①铸铁中添加Cr、Al、Si提高其抗氧化性，在表面形成稳定的致密氧化膜；显微组织中减少石墨含量，并得到球状石墨，使之不易形成氧化性气体渗入通道。②提高铸铁基体金属的连续性，使外部氧化气氛不易渗入铸铁内部，产生内氧化。提高铸铁耐热性的途径7.6特种性能铸铁1.减摩铸铁在有润滑、受粘着磨损的条件下工作，例如机床导轨和拖板、发动机的缸套和活塞环、各种滑块和轴承等，这类铸铁希望摩擦系数要小。（1）组织软基体上分布有坚硬的强化相。

①软基体在磨损后形成的沟槽可保持油膜，有利于润滑；但铁素体是一种软的相，容易磨损，在一般情况下应限制其数量。片状珠光体为理想的基体组织，在几乎所有的耐磨铸铁中，尤其是处于滑动摩擦的零件，均规定基体必须为珠光体，形态为片状为好，而且碳化物片愈细愈好；

二、耐磨合金铸铁7.6特种性能铸铁

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