黄科院金属材料及热处理教案项目12 铸铁

项目十二铸铁【内容简介】常用的箱体、壳体等零部件，由于其形状复杂，加工难度大，因此常用铸铁制造。本项目主要介绍铸铁的分类、化学成分、热处理特点、性能及用途。【学习目标】(1)掌握常用铸铁的特点、分类、牌号和用途；(2)了解铸铁的石墨化过程；(3)了解铸铁的热处理方法。一、铸铁特点铸铁是由铁、碳、硅组成的合金系的总称。含碳量Wc=2.11~4.0%,由于含碳量很高，铸铁成型制成零件毛坯只能是铸造方法，不能锻造或轧制，可应用于高温、腐蚀或磨料磨损的工况条件。铸铁在机械工业中应用广泛，用于制造机床的床身、床头箱，发动机的气缸体、机器的底座等，是工程上最常用的金属材料之一。生产工艺简便成本低二、铸铁的分类(一)按石墨的形态分类1.普通灰铸铁：石墨呈片状2.可锻铸铁：石墨呈团絮状3.球墨铸铁：石墨呈球状4.蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状(二)按化学成分分类1.普通铸铁：即常规元素铸铁2.合金铸铁：又称特殊性能铸铁，向普通灰铸铁或球墨铸铁中加入一定量的合金元素，如铬、镍、铜、钒、铅等。使其具有一些特殊性能，如耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。(三)按碳存在的形式分类1、灰口铸铁：碳主要以石墨形式存在，断口为灰黑色，应用广泛。2、白口铸铁：碳主要以Fe3C形式存在，断口为白色。性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件(轧辊、犁铧等)。（应用很少）3、麻口铸铁：碳主要以石墨+渗碳体，断口为黑白色。性能：脆性大，很少使用。§12.1铸铁的石墨化一、碳的存在形式和铁碳双重相图在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：固溶在F、A中形成化合物渗碳体Fe3C游离态石墨(G)渗碳体为亚稳相，具有复杂的斜方结构。在一定条件下能分解为铁和石墨。(Fe3C→3Fe+C)。石墨为稳定相，具有特殊的简单六方晶格。铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。在不同条件下，铁碳合金可以有亚稳定平衡Fe-Fe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图，即铁碳合金相图应该是复线相图。铁碳合金究竟按哪种相图变化，决定于成分、加热和冷却条件或获得的平衡性质(亚稳平衡还是稳定平衡)。铁碳双重相图铁碳双重相图图12-1二、铸铁的石墨化及影响因素1.按照Fe-G相图，可将铸铁的石墨化过程分为三个阶段：(1)高温石墨化阶段：从液相中直接结晶出石墨：L→GI(Wc>4.26%)通过共晶反应形成的石墨：1154℃：Lc’→AE’+G共(2)中间石墨化阶段1154℃—738℃冷却过程中从A相中析出的石墨:A→GII；(3)低温石墨化阶段在738℃通过共析反应形成的石墨AS’→Fp’+G2.影响石墨化的因素影响铸铁中石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度。(1)化学成分：C,Si,P促进石墨化过程。WC↑，有利于石墨的形核；对石墨化过程有利；WSi↑,共晶温度↑，共晶点成分↓，也有利于石墨的析出。一般铸造条件下铸铁中碳与硅含量越高越易石墨化。若过低，易出现白口，机械性能与铸造性能都较差。但过高，将导致石墨数量多且粗大，基体内铁素体量多，机械性能下将。一般碳、硅含量控制在：2.8~3.5%C，1.4~2.7%Si。(2)冷却速度：冷却速度越低，在高温下长时间保温，越有利于石墨化过程。§11.2灰口铸铁一、灰铸铁1.灰铸铁的化学成分、组织、性能及用途石墨为片状成分：C：2.7—3.6%，Si：1.0—2.2%，Mn：0.5—1.3%，S：<0.15%，P:<0.3%等。根据石墨化程度可分为：铁素体灰铸铁、珠光体灰铸铁、铁素体+珠光体灰铸铁。高、低温石墨进行彻底F+G低温石墨化不彻底F+P+G低温石墨化未进行P+G图12-2灰铸铁的显微组织灰铸铁的性能特点和应用石墨强度低，在铸铁中相当于裂缝和空洞，而且片状石墨端部在受力时容易造成应力集中，石墨片数量越多、尺寸越大、分布越不均匀，对基体的割裂作用越严重。因此，灰铸铁的抗拉强度低于钢、塑韧性近于零。但具有非常优良的铸造性能，抗压强度与钢相近，耐磨、消振性好，缺口敏感性低等；应用：机床床座，床身、工作台；汽车拖拉机的汽缸、汽缸套等牌号：HT+数字→表示最低抗拉强度。2、灰铸铁的孕育处理及孕育铸铁在浇铸前向铁液中加入少量的孕育剂，从而在铁液中形成大量的、高度弥散的难熔质点，成为石墨的晶核，形成细小、均匀分布的石墨，减小石墨片对基体组织的割裂作用，而使灰铸铁的强度、塑性得到提高。这种经过孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。最常用的孕育剂为75%Si的硅铁。一般加入量为铁液重量的0.4%左右。3、灰铸铁的热处理灰铸铁热处理仅能改变基体组织，不能改变石墨形态。常用的热处理方法主要有时效退火(消除内应力)、石墨化退火(消除白口组织)和表面热处理(表面淬火，提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度)三种。二、球墨铸铁球墨铸铁是在铁液中加入球化剂(稀土镁合金)处理，使石墨全部或大部分呈球状，然后在出铁液时加入孕育剂促进石墨化而获得的。1、球墨铸铁的化学成分球化剂有阻止石墨化的作用，因此碳、硅量较普通铸铁高。成分：C：3.6—4.0%，Si：2.0—3.2%2、球墨铸铁的组织和性能通过热处理可以获得不同基体组织的球墨铸铁：F+G（球）；F+P+G(球)；P+G(球)；图图12-3球墨铸铁主要性能优点：石墨呈球状，应力集中较小，对基体的割裂作用也较小，因此，球墨铸铁的强度、塑性、韧性高于其它铸铁，屈强比几乎是一般结构钢的两倍。缺点：铸造性能低于普通灰铸铁，凝固时收缩较大，对铁液的成分要求较严。3、球墨铸铁的牌号和用途牌号：牌号：QT+数字-数字球铁最低抗拉强度断后延伸率应用由于球墨铸铁可通过热处理获得不同基体组织，性能可以在较大范围内变化，使球墨铸铁在一定程度上代替了不少碳钢、合金钢等。F+G:汽车拖拉机底盘零件；阀体、阀盖；F+P+G:机油泵齿轮；P+G:代替中碳钢制造柴油机、汽油机曲轴、连杆、车床主轴。4、球墨铸铁的热处理(1)高温退火和低温退火目的：获得铁素体基体球墨铸铁。F+P+Fe3C+G高温退火(900~950℃)，保温2~5h，随炉冷却到600℃出炉空冷。F+P+G时低温退火(700~760℃)，保温3~6h，随炉冷却到600℃出炉空冷。(2)正火高温正火：(880~920℃)保温1~3h后空冷，得到珠光体球墨铸铁。低温正火：(840~860℃)保温1~4h后空冷，得到珠光体+铁素体基体球墨铸铁。(3)等温淬火组织：下贝氏体+少量残余奥氏体+球状石墨。工艺：(860~920℃)保温一段时间迅速放入250~350℃盐浴炉中0.5~1.5h等温处理，然后取出空冷。性能：等温淬火是提高球墨铸铁综合力学性能的有效途径，具有良好的综合力学性能。(4)调质处理860~920℃保温后油冷，而后在550~620℃高温回火2~6h，获得回火索氏体+球状石墨组织。三、可锻铸铁(1)生产方法：可锻铸铁是由一定化学成分的铁液铸成白口坯料，再经过石墨化退火而成。石墨为团絮状。(2)可锻铸铁的组织可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体。图12-4可锻铸铁的显微组织(3)成分C：2.2—2.8%；Si：1.2—2.0%；少量Mn,S,P等元素。(4)牌号铁素体可锻铸铁以“KT”表示，珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示，其后两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。如:KT350-10、KTZ600-3(5)性能：介于灰铸铁和球墨铸铁之间（相对于片状石墨，团絮状石墨对基体的切割作用小）。(6)应用：形状复杂、承受冲击载荷的薄壁零件。（汽车的前后轮壳，减速器的外壳等）四、蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状和球状(少量)1.生产方法：在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂(稀土硅铁合金)而炼成的，其方法与程序与球墨铸铁基本相图。2.组织：蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形态，其石墨片的长厚比较小，端部较钝。呈蠕虫状。根据成分、蠕化率及热处理不同可分为：F+G；F+P+G；P+G；图12-5蠕墨铸铁的显微组织3.成分：C：3.0—4.0%；Si：1.4—2.4%；少量Mn,P,S等；Si主要用来防止白口，控制基体(Si↑，F↑)，强化铁素体。4.性能：蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铁一样的良好的铸造性能和导热性。5.应用：热循环载荷条件下的钢锭模，玻璃模具，柴油机汽缸