《金相检验》课件-第六单元 铸钢和铸铁的金相检验

金相检验铸钢和铸铁的金相检验第六单元铸钢是在特定情况下使用的金属材料，铸造高锰钢又是铸钢材料应用最广的类型之一，需要掌握其组织特点；铸铁是工业生产中广泛使用的金属材料，其中的灰铸铁、球墨铸铁应用最多。而球墨铸铁件比灰铸铁件的组织要求更高，因此球墨铸铁的金相检验是本单元掌握的重点。第六单元铸钢和铸铁的金相检验内容导入铸钢的金相检验模块6-1碳的含量过高，将使钢的铸造性能恶化，且使铸钢的塑性不足，易产生龟裂。1.选材铸钢的成分和轧钢的成分大致相当，铸钢中碳的质量分数一般不超过0.6%，常用铸钢的碳量为低碳或中低碳。2.铸钢件的特点优点对于许多形状复杂难以用轧制、锻造、机加工切削等方法完成的零件，采用直接浇铸成型，大大减少加工成本。缺点伴有铸造缺陷，组织粗大，脆性较大。表1一般工程用铸造碳钢件的性能、特点与用途（摘自GB/T11352—２００９）牌号力学性能≥用途举例新旧Re/MPaRm/MPaA/%ZG200-400ZG1520040025机座、电器吸盘、变速箱体等受力不大但要求韧性的零件ZG230-430ZG2523045022用于载荷不大、韧性较好的零件，如轴承盖，底板，阀体，机座等ZG270-500ZG3527050018应用广泛，用于制作飞轮，车辆车钩，轴承座，连杆，箱体，曲拐2.铸钢件的特点牌号力学性能≥用途举例新旧Re/MPaRm/MPaA/%ZG310-570ZG4531057015用于重载荷零件，联轴器，大齿轮，缸体，机架，制动轮，轴及辊子ZG340-640ZG5534064010起重运输机齿轮，联轴器，齿轮，车轮，棘轮，叉头2.铸钢件的特点合金铸钢“ZG”其后的数字表示平均含碳量，含碳量以万分之几表示。合金元素后的数字一般表示百分之几。常见的有ZG15Mo、ZG40Cr、ZG35CrMo等。2.铸钢件的特点小常识铸钢的铸态组织为铁素体+珠光体+魏氏组织图1ZG230-450钢的铸态组织100×含碳量越低的铸钢，铁素体越多，魏氏组织针形越明显、越发达，数量越多。魏氏组织的存在，大大降低了铸钢的力学性能，特别是使铸钢的脆性显著增加。3.铸钢典型的铸态组织图3ZG310-570钢的铸态组织50×图2ZG310-570钢的铸态组织100×↙从晶界向晶内生长的魏氏组织↙↙针状魏氏组织3.铸钢典型的铸态组织图4ZG25Mo钢退火加正火回火组织100×

一般情况，铸钢件的交货状态是正火态。正火后的组织性能高于退火后的性能，为达到这一目的，铸钢件常采用正火处理代替退火。正火后的组织更均匀细小，组织为铁素体加珠光体，有时还会出现贝氏体或马氏体。3.铸钢热处理后的组织特点1.铸造碳钢显微组织的金相检验标准，现行的有GB/T11352《一般工程用铸造碳钢件》标准。2.晶粒度评级是按照GB/T11352规定进行，在100倍下与标准对照评级。如不是在100倍下，则按照GB/T6394—2002《金属平均晶粒度测定法》进行评级。3.非金属夹杂物的评级是按照GB/T11352规定进行。小贴士3.铸钢热处理后的组织特点铸造高锰钢的金相检验模块6-2高锰钢又称耐磨钢，典型牌号是ZGMn13型。以铁为基体材料，其主要合金元素是碳和锰。ωc＝0.9%～1.5％，ωMn＝11%～14％。碳的作用显著的加工硬化特性，使切削加工很难进行，因此高锰钢零件多数是采用铸造成型，使用中的高锰钢零件几乎都是铸造高锰钢材质。6-2铸造高锰钢金相检验小常识从高锰钢加工硬化后的显微组织看，硬化层最外层的显微组织发生了很大变化，晶粒成为扁平状，滑移线数量很多，且不同的晶粒滑移线有不同的方向。从表层向内部发展，随变形程度的降低，晶粒的变形程度减小，滑移线也减少。高锰钢金相试样制备高锰钢试样的切割和抛光过程，表面都有可能产生塑性变形。高锰钢试样的制备，要特别注意切割和抛光这两个过程。奥氏体基体＋针状马氏体＋晶界上的莱氏体＋托氏体＋贝氏体等混合组织。①白色基体为奥氏体（箭头1，显微硬度226HV），其上分布有长针状的马氏体。②奥氏体晶界上的黑色块状为托氏体（箭头2，显微硬度477HV）③大块灰白色鱼骨状为碳化物，与奥氏体构成莱氏体（箭头3，显微硬度687HV），在莱氏体边上的是羽毛状贝氏体，细针状为马氏体。图5ZGMn13钢铸态组织高锰钢的铸态组织将高锰钢铸件加热到1050～1100℃，在水中激冷，防止碳化物析出，以获得均匀单相奥氏体组织，从而使其具有强韧结合的优良性能。高锰钢水韧处理铸造高锰钢铸态组织中存在着沿奥氏体晶界析出的碳化物和托氏体等，使钢的力学性能变差，特别是使冲击韧性和耐磨性降低，所以需要经过水韧处理加以改善。高锰钢的铸态组织组织见图6，水韧处理后的零件硬度很低。图6ZGMn13钢水韧处理组织高锰钢的水韧处理组织一般为180～220HB在工作时，如受到强烈的冲击、压力、摩擦力，表面会因为塑性变形产生强烈的加工硬化，使硬度达到50～55HRC，从而使表面具有高的耐磨性，内层仍保持原来奥氏体的高塑性和高韧性。由于高锰钢的这些特性，所以这类材料适用于制作坦克、拖拉机的履带，碎石机颚板，铁路道岔，挖掘机铲斗的斗齿等等。高锰钢的应用铸铁概述模块6-3模块6-3铸铁概述铸铁白口铸铁灰口铸铁麻口铸铁普通灰铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁可锻铸铁1.共晶白口铁（合金Ⅳ）2.亚共晶白口铁（合金Ⅴ）3.过共晶白口铁（合金Ⅵ）白口铸铁的结晶过程ωc(%)02.113.04.305.06.69SBDFCK727℃1148℃温度/℃合金Ⅴ合金Ⅳ合金Ⅵ共晶白口铁的室温组织：室温莱氏体，如图7，由白色的渗碳体+黑色的珠光体组成。渗碳体是基体，珠光体呈蜂窝点状均匀分布，在原奥氏体晶界位置，珠光体较粗大。图7共晶白口铸铁100×白口铸铁的组织

a)100×b)500×

↘莱氏体基体→珠光体（黑色）→莱氏体→珠光体（片层可见）白口铸铁的组织

图8亚共晶白口铸铁组织

图9过共晶白口铸铁100×→由液相析出的一次渗碳体→莱氏体基体白口铸铁的组织普通灰铸铁---石墨主要为片状1球墨铸铁---石墨主要为团球状2蠕墨铸铁---石墨主要为蠕虫状3

可锻铸铁---石墨主要为絮状4灰铸铁的石墨形态与铸铁名称a)未侵蚀状态100×b)SEM照片灰铸铁的石墨形态与铸铁名称图10蠕墨铸铁a)铁素体基体100×b)珠光体基体500×灰铸铁的石墨形态与铸铁名称图11可锻铸铁组织灰铸铁石墨的检验模块6-4灰铸铁根据直径30mm单铸试棒的抗拉强度进行分级。灰铸铁共有六个牌号。灰铸铁牌号由“灰铁”汉语拼音“HT”和其后的三位数字表示。数字表示最小抗拉强度。小常识6-4灰铸铁石墨的检验表6灰铸铁化学成分的一般范围牌号基体组织化学成分ωcωsiωMnωpωsHT100珠光体30%～７０％3.4~3.92.1~2.60.5~0.6＜0.3＜0.15HT150珠光体４0%～９０％3.2~3.51.8~2.40.5~0.9＜0.3＜0.15HT200珠光体＞95%，铁素体＜5%3.0~3.51.4~2.00.7~1.0＜0.3＜0.12HT250珠光体＞98%2.8~3.31.3~1.80.8~1.2＜0.2＜0.12HT300珠光体＞98%2.8~3.31.2~1.70.8~1.2＜0.15＜0.12HT350珠光体＞98%2.7~3.11.1~1.61.0~1.4＜0.15＜0.106-4灰铸铁石墨的检验表7灰铸铁的牌号、抗拉强度及用途（参照GB9439—２０１０）牌号铸件壁厚Rm/MPa不小于应用HT1002.5~50130~80适用于载荷小，对摩擦、磨损无特殊要求的零件，如盖、外罩、油盘、手轮、支架、底座等HT1502.5~50175~120适用于承受中等载荷的零件，如卧式机床上的支柱、底座、齿轮箱、刀架、床身、轴承座、工作台、带轮等HT2002.5~50220~160适用于承受大载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的汽缸体、汽缸盖、刹车轮等TH2504~50270~200适用于承受大载荷的重要零件、如联轴器盘、液压缸、阀体、泵体、化工容器、圆周转速HT30010~50290~230适用于承受高载荷、要求耐磨性和高气密性的重要零件，如剪床、压力机等重型机床的床身、机座及受力较大的齿轮、凸轮、衬套、大型发动机的汽缸、缸套、气缸盖、液压缸、泵体、阀体等HT35010~50340~2606-4灰铸铁石墨的检验牌号越高的灰铸铁，其抗拉强度越高相同牌号的铸件，壁厚增加则最小抗拉强度降低原因：铸件壁厚增加时冷却速度降低，造成基体组织中铁素体数量增多而珠光体数量减少所致灰铸铁牌号、组织、性能相关性灰铸铁石墨形态是片状，多条石墨的分布形式有六种：灰铸铁的基本组织由石墨和金属基体构成在抛光状态检验石墨1.石墨的分布形态灰铸铁的基本组织A型石墨——片状B型石墨——菊花状C型石墨——块片状D型石墨——枝晶点状E型石墨——枝晶片状F型石墨——星状a)b)c)d)灰铸铁的基本组织图13灰铸铁的石墨分布形态100×a)A型片状b)B型菊花状c)C型块片状d)D型枝晶点状e)E型枝晶片状f)F型星状e)f)灰铸铁的基本组织灰铸铁的石墨长度是影响力学性能的因素。灰铸铁金属基体相同时，石墨片越长，抗拉强度越低。国家标准将石墨长度分为八级，在抛光状态100倍下检验：表8石墨长度分级级别12345678名称石长100石长75石长38石长18石长9石长4.5石长2.5石长1.5100倍下石墨长度/mm＞100＞50~100＞25~50＞12~25＞6~12＞3~6＞1.5~3＜1.5【想一想】“石长9”是表示石墨实际长度是9吗？石墨的长度测定时，选择有代表性的视场，按其中最长的三条石墨的平均值评定，被测视场数不少于3个。假如测定的平均值是8.3mm，那么石长级别为5级，石长9。灰铸铁的基本组织灰铸铁的石墨长度测定灰铸铁基体检验模块6-5灰铸铁的基体组织，相当于钢的组织常见有铁素体基体、铁素体+珠光体基体、珠光体基体三种类型灰铸铁的基本组织灰铸铁的基本组织由石墨和金属基体构成在硝酸酒精浸蚀状态检验金属基体1.基体类型的确定

图14A型石墨灰铸铁灰铸铁的基本组织a）铁素体基体100×b）SEM下A型石墨形态600×c）铁素体+珠光体基体100×d)珠光体基体100×基体组织对灰铸铁的力学性能起到了主要的决定作用。珠光体的数量越多，材料的强度越高。

国家标准将珠光体数量分为八级，从珠98、珠95、珠90、递减到珠40。每一级表示珠光体数量在一定的范围。珠光体基体灰铸铁的强度大于混合基体灰铸铁的强度，大于铁素体基体灰铸铁的强度。灰铸铁的耐磨性也是随基体强度提高而增加的。2.珠光体数量的评定灰铸铁的基本组织国家标准将碳化物分为六级：碳1、碳3、碳5、碳10、碳15、碳20。评定时，以碳化物数量百分比，按大多数视场对照标准图片进行缺陷相主要为碳化物和磷共晶灰铸铁的基本组织3.缺陷相数量的评定碳化物具有很高的硬度，脆性很大，会降低铸铁的韧性，并且在加工时，成为硬质点，恶化加工性能。因此，碳化物在铸铁中是缺陷相，检验过程如果发现碳化物，应该对其形态和数量评定。表9磷共晶类型和组织特征类型组织与特征图号二元磷共晶在磷化铁上均匀分布着奥氏体分解产物的颗粒15三元磷共晶在磷化铁上分布着奥氏体分解产物的颗粒及粒状、条状的碳化物16二元磷共晶—碳化物复合物二元磷共晶和大块的碳化物17三元磷共晶—碳化物复合物三元磷共晶和大块的碳化物18灰铸铁的基本组织图15二元磷共晶500×图16三元磷共晶500×灰铸铁的基本组织

图18三元磷共晶—碳化物复合物500×图17二元磷共晶—碳化物复合物500×灰铸铁的基本组织

铸铁铁水中含磷量高时，会出现磷共晶。磷共晶是一种低熔点的组织，总是分布在晶界处、共晶团边界和铸件最后凝固的热节部位。可形成断续网状，严重时形成连续网状。磷共晶硬而脆，显著降低铸铁的韧性。国家标准将磷共晶数量分为六级：磷1、磷2、磷4、磷6、磷8、磷10。灰铸铁的基本组织因此，和铸铁中的碳化物一样，也是缺陷相。在铸铁基体中一经发现，需要对其数量进行评定。如果是混合型基体的灰铸铁，碳化物和磷共晶一旦出现，会存在于铸铁基体的什么组织上？由图15~18，我们发现磷共晶总是存在于珠光体基体上灰铸铁的基本组织想一想球墨铸铁的金相检验模块6-6小常识：国家标准将球墨铸铁的牌号分为八种见表11，牌号中“QT”是“球铁”汉语拼音字首字母大写，后面两组数字分别表示最低抗拉强度和最小延伸率。6-6球墨铸铁的金相检验表11球墨铸铁的牌号、性能及用途（参照GB1348—２００９）牌号Rm

/MPaRp0.2/MPaA/%基体组织应用不小于QT400-1840025018铁素体汽车、拖拉机的牵引框、轮毂、离合器及减速器的壳体，大气压阀门阀体、阀盖支架、输气管QT400-1540025015铁素体QT450-1045031010铁素体＋少量ＰQT500-75003207铁素体＋珠光体液压泵齿轮、阀门体、瓦轴机器底座、支架、链轮、飞轮QT600-36003703珠光体＋铁素体连杆、曲轴、凸轮轴、气缸体、进排气门座、脱粒机齿轮条、轻载荷齿轮、部分机床主轴QT700-27004202珠光体QT800-28004802珠光体或回火组织QT900-29006002贝氏体或回火组织汽车螺旋锥齿轮、减速器齿轮、凸轮轴、传动轴、转向节6-6球墨铸铁的金相检验球墨铸铁的基本组织是由石墨和金属基体构成。和灰铸铁相比，主要是石墨形态的不同，基体组织无大的差别。球墨铸铁的基本组织1.石墨形态2.球化率3.石墨大小4.基体组织5.磷共晶和渗碳体球墨铸铁金相检验的项目主要为：

多种石墨形态共存的球墨铸铁100×根据石墨的面积率划分为五种：球墨铸铁的基本组织1.石墨形态所谓石墨面积率，是指在单颗石墨实际面积与其最小外接圆的面积比率。球状团状团絮状蠕虫状片状

a）1级b）2级球墨铸铁的基本组织2.球化分级是在100倍未浸蚀的状态

c）3级d）4级球墨铸铁的基本组织2.球化分级是在100倍未浸蚀的状态e）5级f）6级球墨铸铁的基本组织2.球化分级是在100倍未浸蚀的状态球化分级表示了石墨的形态、分布和球化率的整体情况。国家标准将球化级别分为了六级。石墨的球化率愈高，球墨铸铁的力学性能愈好，石墨球化的好坏主要影响的是延伸率指标。球墨铸铁的基本组织在100倍未浸蚀状态按照国标评定，石墨球径越小，球墨铸铁的强度越高，塑性、韧性越好。表13石墨大小分级级别345678石墨直径/mm(100倍）＞25~50＞12~25＞6~12＞3~6＞1.5~3≤1.5球墨铸铁的基本组织3.石墨大小的检验铸态下的球墨铸铁基体与灰铸铁并无二致，但经过热处理后，基体中还可以有下贝氏体、马氏体、托氏体等等。球墨铸铁在铸铁或采用完全奥氏体化正火，则铁素体呈牛眼状分布在石墨周围，如图所示：球墨铸铁的基本组织4.基体组织的检验↘铁素体↘石墨↘↘珠光体球墨铸铁的基本组织b)网状分布铸态下基