渭师院金属材料学课件07铸铁和铸钢

Chap.7铸铁和铸钢铸铁：含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。优点：同钢相比，熔炼简便，成本低廉，具有优良的铸造性能，很高的减摩和耐磨性，良好的消振性和切削加工性，缺口敏感度低。根据C在铸铁中存在的形态和石墨形状不同，可分为：白口铸铁：绝大部分以渗碳体形式存在，断口呈银白色，硬度高，脆；灰口铸铁：大部分或全部以片状石墨形态存在，断口呈灰黑色；蠕墨铸铁：大部分或全部以蠕虫状石墨形态存在；球墨铸铁：大部分或全部以球状石墨形态存在；可锻铸铁：大部分或全部以絮状石墨形态存在；合金铸铁：加入各种合金元素，具有特殊性能，用于耐磨、耐热和耐蚀等专门用途。内燃机汽缸铸铁曲轴应用：机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等。7.1铸铁中石墨的形态控制铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、韧性几乎为零。铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出，也可以由渗碳体加热时分解得到，除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体(Fe3C)和游离态的石墨(G)两种形式存在。Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：

Fe3C→3Fe+C（石墨）石墨的晶体结构

石墨的性能HBS3～5σb＝20MPaδ≈0ak≈0

石墨对铸铁性能的影响G→分布于基体中起分割作用→空洞降低基体的连续性→有效承载面积降低→力性比碳钢↓

耐磨性↑消震性↑缺口敏感性↓切削加工性↑铸造性能↑(熔点↓流动性↑收缩率↓)影响铸铁中石墨化的主要因素：(1)合金元素对石墨化的作用：AlCSiTiNiCuPNbWMnMoSCrVFeMgB石墨化元素反石墨化元素强强C和Si都是强烈促进石墨化的元素，Si提高C在铁中的活度，提高共晶温度，缩小g相区，使共晶碳浓度（E点）左移。碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差。碳、硅含量过高,会使石墨数量多且粗大，基体内铁素体量增多，降低铸件的性能。碳、硅量控制范围：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si。P是石墨化元素，主要以Fe3P和g相及Fe3C形成磷共晶。磷共晶硬而脆，存在于晶界。降低铸铁的强度，只有耐磨铸铁中磷含量偏高(达0.3%以上)。。(2)冷却速度：快速冷却——快冷时由于过冷度大，结晶将按Fe-Fe3C相图转变,不利于石墨化；缓慢冷却——铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe-G相图进行，石墨化充分，因而促进石墨化(3)温度：高温长时间保温有利于石墨化S是反石墨化元素，强烈阻碍石墨化。Mn是碳化物形成元素，阻碍石墨化，但与S生成MnS，抵消S的反石墨化作用，间接促进石墨化。石墨化的过程：第一阶段：包括结晶时一次石墨、共晶石墨的析出过共晶L

→

G（一次石墨）共晶、亚共晶LC’→

AE‘+G

（共晶石墨）1154℃第二阶段：包括结晶时二次石墨的析出和加热时一次渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的分解

A→G（二次石墨）第三阶段：包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解

AS‘→

FP’+G（共析石墨）铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系

（以共晶铸铁为例）

石墨化进行程度铸铁的显微组织铸铁类型第二阶段石墨化第三阶段石墨化

完全进行完全进行F+G

灰口铸铁部分进行F+P+G未进行P+G部分进行未进行Le’+P+G麻口铸铁未进行未进行Le’白口铸铁石墨形态：片状石墨形态铁液中析出的石墨易成片状，取决于石墨的晶体结构。基面上密排的碳原子间作用键已经饱和，侧面上碳原子密度小，原子间作用力未饱和，容易吸收电子，石墨沿侧向生长快，形成片状。共晶石墨析出时，石墨片与奥氏体共同生长，石墨为领先相并和熔体直接接触。在一个共晶团内，石墨首先由一个核心分枝长大，随着分枝的长大又产生新的分枝，呈连续状。石墨片的长度取决于共晶团的尺寸和共晶团内石墨的分枝程度。石墨片的粗细和石墨片间距由C的扩散控制，过冷度较小时，得到粗石墨片分枝石墨片间隔较宽，持续不断的过冷可使石墨片细化，石墨片间距减小。铁液中的S促使石墨呈片状生长。可通过加入Si-Fe粒增加非自发形核率的方法使石墨片细化。

螺旋位错理论：球状石墨的中心以夹杂物为非自发形核核心生长，当石墨析出时，多个石墨原子团附着在此异质晶核上连接起来，处于原子团边缘的C原子为相邻晶面所共有而聚集成多面体晶核。通过热激活，空间不同取向的(0001)晶面上产生螺位错，其螺旋台阶有利于二维原子团生长，呈螺旋状沿着垂直C轴的方向发展，最终通过各单晶的共同生长使石墨呈球状。气泡理论：铁液经球化剂处理后，在铁液中形成大量微细气泡，为石墨的析出提供形核位置，从而长大成球状。常用球化剂：稀土元素(铈、镧)和碱土金属(Mg)复合球化剂。

球状石墨形态铸造前向熔体中加入球化剂，可使石墨由片状生长趋势转变为球状（球化处理）。石墨生长为球状，取决于石墨晶核的生长过程。球墨铸铁中的每一个石墨球为一多晶体，由许多呈放射状的单晶组成。其中每个单晶都沿C轴方向螺旋式生长，其基面(0001)均垂直于球的半径方向，整个球状石墨的外表面全部为(0001)面所覆盖。

蠕虫状石墨形态介于片状和球状之间的一种石墨形态，一般将长宽比为3~10的石墨称为蠕虫状石墨。蠕虫状石墨分枝细小，每以分枝由小团状石墨堆垛而成。其生长是以微小石墨球连接在一起，其生长尖端通过结晶奥氏体壳上的沟槽与铁液相连同并在沟槽内生长。含有Ti、Al等降低熔点的元素，容易保持铁液沟槽，促进蠕虫状石墨的形成。可用稀土硅铁蠕化剂，或镁和钛铝复合蠕化剂。

团絮状石墨形态白口铸铁进行石墨化退火，使渗碳体在固态发生分解，可产生团絮状石墨。对铁液进行孕育处理能有效缩短石墨化退火时间。常用孕育剂中含Bi、Al、B、Ti、RE等，在铁液中形成氮化物、碳化物或稀土的硫氧化物，作为退火过程中石墨团絮的形核核心。7.2常用铸铁铸铁的分类与牌号表示方法

铸铁名称

石墨形态

基体组织

编

号

方

法

牌号实例

灰

口

铸

铁

片状FHT+一组数字数字表示最低抗拉强度值，单位MPa“HT”表示灰铸铁代号

HT100F+PHT150PHT200

可

锻

铸

铁

团絮状FKTH+两组数字KTH、KTB、KTZ分别为黑心、白心、珠光体可锻铸铁代号；第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，%KTH300-06表F心PKTB+两组数字KTB350-04PKTZ+两组数字KTZ450-06铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例球墨铸铁球状FQT+两组数字

第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，%。“QT”表示球墨铸铁代号QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨铸铁蠕虫状FRuT+一组数字数字表示最低抗拉强度值,MPa“RuT”表示蠕墨铸铁代号

RuT260F+PRuT300PRuT4207.2.1灰口铸铁石墨呈片状分布。其产量约占铸铁总产量的80%以上。成分：WC=2.5%～4.0%，WSi=1.0%～3.0%，

WMn=0.5%～1.3%，WS≤0.15%，WP≤0.3%

组织由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的，其基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。

铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁常对灰铸铁进行孕育处理，以细化片状石墨。常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。孕育处理前孕育处理后硅铁硅钙孕育处理后，使P细化、G细而均匀、壁厚敏感性小，强度、硬度、塑韧性明显↑

性能抗压不抗拉，sb↓

、d(y)↓（力学性能差）缺口敏感性低－大量石墨的割裂作用，表面粗糙对疲劳极限的影响不明显消震性好（是钢的十倍）－G组织松软，对振动的传递起削弱作用铸造性好－接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收缩小、降低了内应力切削加工性好－G使切屑易断，还可润滑刀具热处理灰铸铁强度只有碳钢的30~50%，热处理强化效果不大。热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。灰铸铁常用的热处理有：①消除内应力退火(又称人工时效)：500~550℃，防止机加工、使用时变形或开裂；②消除白口组织退火：850~900℃，表面、薄壁等白口处Fe3C

→G，硬度↓，切削加工性↑；③表面淬火：提高导轨表面、汽缸体内壁等的耐磨性灰铸铁齿轮箱大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身(HT-250)变速箱体

应用利用灰铸铁的减震和抗压性能，常用于制作机床底座、床身、工作台、导轨、各种箱体、壳体、泵体、缸体等。7.2.2球墨铸铁石墨呈球形，由液态铁水经石墨化得到。成分：3.8-4.0%C；2.0-2.8%Si；0.03-0.05%Re；Mn,S

组织：基体（F、F+P、P、S回火、B下）

+球状G球状石墨由液态铁水浇铸前经球化处理得到，球化剂为镁、稀土和稀土镁。为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行孕育处理。常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。铁素体加珠光体球墨铸铁铁素体球墨铸铁

珠光体球墨铸铁

球墨铸铁中的石墨球

性能石墨球对基体的割裂作用比片状小，应力集中小，充分发挥基体的强度。具有良好的抗拉强度、弯曲疲劳强度、塑性和韧性；优异的铸造性，可切削加工性及低的缺口敏感性；可热处理或合金化→提高性能；强、塑、韧、弯曲、疲劳明显优于灰铸铁，其综合机械性能接近于钢。强度是碳钢的70~90%。球墨铸铁的突出特点是屈强比(

0.2/

b)高，约为0.7~0.8，而钢一般只有0.3~0.5。缺点：消振性能低

热处理球墨铸铁可进行各种热处理，如退火、正火、淬火加回火、等温淬火等，热处理特点是：①由于硅含量高，奥氏体化温度比碳钢高；

②淬透性比碳钢高；

③奥氏体中碳含量可控退火

去应力退火，500～600℃。

低温退火，720~760℃，P→G+F，塑韧性、切削加工性↑

高温退火，900~950℃，P,Cm→G+F，塑韧性、切削加工性↑正火

——P%↑，细化组织，强度、耐磨性↑

低温正火，840~860℃，→P+F+G，塑韧性较好。

高温正火，880~920℃，→P+G+少量F，强度较高。调质

——850~900℃油淬+550~600℃回火→回火S+G等温淬火

——840~900℃+300℃等温→B下+G

球墨铸铁中基体强度利用率可达70~90%，灰铸铁只有30~50%。调质、等温淬火后综合机械性能好，但仅适于小尺寸零件。牌号基体机械性能

bMPa

0.2MPa

5%akkJ/m2HB

QT400-17F40025017600

179QT420-10F42027010300

207QT500-5F+P5003505－147-241QT600-2P6004202－229-302QT700-2P7004902－229-302QT800-2P8005602－241-321QT1200-1下B12008401300

38HRC球墨铸铁

用途受力复杂、负荷较大、要求耐磨的铸件（替代部分铸钢、锻钢件）

P球墨铸铁：内燃机曲轴、凸轮轴、连杆、轧辊等

F球墨铸铁：阀门、汽车后桥、犁铧、收割机导架等承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。核燃料贮存运输容器(QT350-22)铸铁曲轴连杆7.2.3蠕墨铸铁石墨为蠕虫状，介于片状和球状之间。是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁。由液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到。成分：3.5～3.9%C；2.2～2.8%Si；少量Mn、P、S等；蠕化剂为稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。组织：基体（F、F+P、P）+蠕虫状G蠕墨铸铁中的石墨珠光体基体铁素体基体

性能蠕虫状石墨长宽比小，尖端圆纯对基体切割作用小；抗拉强度、塑性、疲劳强度优于灰铸铁；导热性、铸造性、可切削性大于球墨铸铁。其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。灰铸铁灰铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁灰铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁牌号

bMPa

0.2MPa

%硬度HB基体不

小

于RuT4204203350.75200~280PRuT3803803000.75193~274PRuT3403402701.0170~249P+FRuT3003002401.5140~217F+PRuT2602601953121~197F

蠕墨铸铁

应用蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体、刹车件等。进气管排气管玻璃模具制动鼓7.2.4可锻铸铁石墨呈团絮状的灰口铸铁，由亚共晶白口铸铁经15小时长时间石墨化退火（900－960℃）使Fe3C固态下分解获得。成分：2.4~2.8%C；1.2~2.0%Si；少量Mn、S、P等元素组织：基体(F、P)＋团絮状G铁素体可锻铸铁珠光体可锻铸铁

性能介于灰铸铁和球铁之间。相对于片状石墨，团絮状石墨对基体的切割作用小。具有较好的强度、一定的塑性。强度、塑韧性优于HT，低于QT。强度为碳钢的40~70%，接近于铸钢。名为可锻，实不可锻。铁素体可锻铸铁：有一定的强度，塑性、韧性较好珠光体可锻铸铁：强度、硬度、耐磨性好，有一定的塑性、韧性d≈12%，有一定的塑性变形能力

应用用于制造形状复杂且承受冲击和振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。可锻铸铁管件7.3合金铸铁向铸铁中添加一些合金元素而成，可满足高强度、耐热、耐蚀、耐磨等特殊性能要求。

高强度合金铸铁：加入Cr、Ni、Cu、Mo等，增加基体中珠光体数量并细化珠光体，从而显著提高铸铁强度。制造曲轴、连杆等。

耐热合金铸铁：加入Si、Al、Cr等，使铸件表面形成一层致密的SiO2、Al2O3、CrO3等氧化膜。制造加热炉的炉底板、烟道挡板等。

耐蚀合金铸铁：加入Si、Al、Cr、Cu、Ni等，在铸铁表面形成致密的保护膜，减少各相间的电位差。制造化工行业管道、阀门等。

耐磨合金铸铁：加入Cr、V、Mo、Ti、Re等，得到白口铸铁表层＋灰口铸铁心部（强度好）。制造大型球磨机衬板等。激冷铸铁、高磷铸铁、高铬耐磨铸铁等。7.4铸钢形状复杂，难以用锻压方法成形，用铸铁又不能满足性能要求，这时可采用铸钢件。例如水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等。强度和塑性、韧性高于铸铁，但铸造流动性能差，收缩率大。

编号方法：

1.工程铸钢，ZG＋数字－数字；第一组数字为屈服强度值，第二组数字为抗拉强度值

如：ZG200-400

2.铸造合金钢，ZG＋数字＋元素符号数字表示该元素的成分ZGl5CrlM0lVZG20Crl3组织

—P＋F热处理：铸钢件必须经过退火或正火处理，细化晶粒，消除魏氏组织及铸造应力后才能使用；