教学材料《金属材料》-8

第八章铸铁铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。按碳在铸铁中存在形式分为两大类:白口铸铁:碳以渗碳体的形式存在，断口呈现银白色，硬而脆。工业上很少用(农业上制作犁桦)，主要作为冶炼钢铁的原料。灰口铸铁:碳以游离态石墨存在，断口呈现黑灰色。灰口铸铁中含有较多的硅、锰等元素，使碳在灰口铸铁中主要以石墨形式存在。灰口铸铁具有优良的铸造性能、切削加工性、减摩性、减震性和低的缺口敏感性，而且熔炼铸铁的工艺与设备简单、成本低。因此，灰口铸铁在机械制造业有广泛的应用。下一页

返回第八章铸铁根据石墨在铸铁中的形态，灰口铸铁可分为:灰铸铁(石墨以片状形式存在)、球墨铸铁(石墨以球状形式存在)和可锻铸铁(石墨以团絮状形式存在)等。三种铸铁的显微组织照片如图8-1所示。上一页

返回8.1铸铁的石墨化生产灰口铸铁的关键是让碳以石墨的形式结晶与析出，此过程称为铸铁的石墨化。石墨为六方晶格，层间距大，原子间结合力弱，因此，其力学性能接近于零。铸铁中石墨的数量、形态、分布是决定铸铁组织和性能的关键。一、铸铁的石墨化过程从Fe-Fe3C/Fe-G双重相图(图8-2)可知，石墨化有三个阶段:1.第一阶段石墨化(高温石墨化)包括从液相中直接结晶出一次石墨及冷却到1154℃时通过共晶转变形成共晶石墨。下一页

返回8.1铸铁的石墨化2.第二阶段石墨化(中间石墨化)在1154℃~738℃之间的冷却过程中从A相中析出二次石墨。第一、二阶段由于温度高，冷却速度极其缓慢，原子扩散能力强。因此，这两个阶段石墨化容易进行。3.第三阶段石墨化(低温石墨化)在738℃通过共析转变形成共析石墨。由于温度低，原子扩散能力低，低温石墨化不容易进行。此阶段石墨化进行的是否彻影响到铸铁室温组织。上一页

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返回8.1铸铁的石墨化二、石墨化后铸铁的室温组织三个阶段石墨化都进行彻底，灰口铸铁的室温组织为:F+G第三阶段石墨化不彻底，灰口铸铁的室温组织为:F+P+G第三个阶段石墨化未进行，灰口铸铁的室温组织为:P+G由此可见，灰口铸铁组织可以看作是“钢基体+石墨”。因为石墨的力学性能几乎为零，所以，石墨的存在犹如在钢的基体上分布着孔洞或裂纹，破坏了基体的连续性，减小了实际承载面积，且易产生应力集中，成为金属内部的裂纹源。再加上铸铁中的硫、磷杂质含量较高，所以，铸铁的力学性能低于钢。上一页

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返回8.1铸铁的石墨化三、影响石墨化的因素1.化学成分C,Si,P,Al,Cu,Ni、Co等元素对石墨化过程起促进作用，尤其是C和Si的含量增加，有利于石墨的形核和析出;S,Mn,Cr,W,Mo,V等则阻碍石墨化过程。2.冷却速度一定成分的铸铁，其石墨化程度取决于冷却速度。冷却速度越慢，碳原子扩散越充分，越有利于促进石墨化。上一页

返回8.2灰铸铁一、灰铸铁的成分、组织及性能1.成分C:2.5%~4.0%、Si:1.0%~2.5%、Mn:0.6%~1.2%、S≤0.15%、P≤0.5%。2.组织及性能铸铁的力学性能主要取决于基体组织和石墨存在形式。根据石墨化完成情况，灰铸铁的组织有下列三种:铁素体灰铸铁:F基体+片状G-抗拉强度、硬度低，塑性、韧性较好。珠光体灰铸铁:P基体+片状G-抗拉强度、硬度较高，塑性、韧性差。铁素体珠光体灰铸铁:(F+P)基体+片状G-力学性能介于以上二者之间。下一页

返回8.2灰铸铁灰口铸铁中含有比钢更多的硅、锰等元素，这些元素可溶于铁素体而使基体强化，因此，其基体的强度与硬度不低于相应的钢。灰铸铁有良好的切削性能、耐磨性能、减震性能、低的缺口敏感性能，且价格便宜，故应用广泛，如机床床身、机架、箱体类零件，一般都是用灰铸铁制造。二、灰铸铁的牌号及用途编号规则:标志符号“HT”+数字。HT为灰铁两字拼音的第一个字母，数字表示最低抗拉强度。上一页

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返回8.2灰铸铁三、灰铸铁的热处理铸铁也能热处理是因为其基体为钢，铸铁的热处理实际上是对基体的热处理。灰铸铁热处理的目的:①消除内应力、白口组织，稳定尺寸—采用退火(去应力退火、去白口退火)。②提高表面硬度及耐磨性—采用表面淬火及化学热处理。

(1)去应力退火:加热至500℃~600℃，保温4~8h，炉冷至200℃以下空冷。上一页

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返回8.2灰铸铁(2)去白口退火:加热至850℃~950℃，保温2~4h，炉冷至400℃~500℃以下空冷。所谓去白口退火是使已生成的Fe3C析出石墨。因为Fe3C是亚稳组织，若将其加热到900℃左右，可分解为铁素体及石墨，而石墨为稳定相。(3)表面热处理:其中以高频表面淬火应用最多。例如:机床导轨表面淬火，表面硬度可达60HRC，耐磨性大大提高。上一页

返回8.3球墨铸铁英国和美国工程技术人员在1947年几乎同时发明了球墨铸铁。在铁水中加入球化剂(稀土镁合金，每吨加0.5kg左右)，可获得具有球状石墨的铸铁。球状石墨对基体的割裂作用和应力集中现象减小到最小，故球墨铸铁具有最高的力学性能。一、化学成分C:3.8%~4.0%、Si:2.0%~2.8%、Mn:0.6%~0.8%、S≤0.04%、P≤0.1%、Mg:0.03%~0.05%、Re(稀土元素)≤0.05%下一页

返回8.3球墨铸铁二、组织及性能同样，球墨铸铁的组织也有下列三种:铁素体珠铁:F基体+球状G—抗拉强度、硬度低，塑性、韧性好。珠光体球铁:P基体+球状G—抗拉强度、硬度高，塑性、韧性低。铁素体珠光体球铁:(F+P)基体+球状G—力学性能介于以上二者之间。球铁的力学性能比灰铁高，并保留了灰铁的优良铸造性能、切削加工性、减摩性和缺口不敏感等性能。因此，球墨铸铁可代替部分钢作较重要的零件。上一页

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返回8.3球墨铸铁三、牌号及用途球墨铸铁牌号由QT与两组数字组成，其中QT表示“球铁”二字汉语音的字首，第一组数字代表最低抗拉强度值，第二组数字代表最低伸长率。我国国家标准中列了八个球墨铸铁的牌号。具体牌号及用途见表8-2。四、球墨铸铁的热处理1.退火退火的目的是消除内应力，消除白口组织，提高塑性、韧性，改善切削性能。上一页

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返回8.3球墨铸铁(1)高温退火:当球铁组织中有白由Fe3C时，为获得铁素体球墨铸铁，将其加热至900℃~950℃，保温2~4h,Fe3C分解为F+G，缓冷至600℃以下空冷。(2)低温退火:当球铁组织为F+P+G时，加热至720℃~760℃，保温2~8h，使P中的Fe3C分解为F+G，再炉冷至600℃以下后空冷由此获得塑性、韧性较好的铁素体球墨铸铁。(3)去应力退火:为消除铸造内应力，对不再进行其他热处理的铸铁一般采用去应力退火，即加热至500℃~600℃，保温2~8h后缓冷。上一页

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返回8.3球墨铸铁2.正火正火的目的是提高基体中的珠光体数量，细化组织，提高强度、耐磨性，使用最广。(1)高温正火:加热至900℃~950℃完全奥氏体化，保温1~3h后空冷，获得珠光体球墨铸铁，具有较高的强度和硬度。(2)低温正火:加热至820℃~860℃基体组织为A+F，保温1~4h后空冷，获得含有珠光体+少量铁素体基体组织的球墨铸铁，虽然强度比高温正火稍低一些，但塑性和韧性较好。3.调质860℃~900℃淬火及550℃~600℃回火得到综合性能良好的S回基体的球墨铸铁。上一页

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返回8.3球墨铸铁4.等温淬火适用于力学性能要求较高，外形复杂，淬火时容易变形甚至开裂的零件。加热至860℃~900℃，保温后迅速移入250℃~300℃的盐浴中等温30~90min，得到下贝氏体基体组织的球墨铸铁。上一页

返回8.4可锻铸铁一、可锻铸铁的生产过程可锻铸铁是先将铸件浇注成白口铸铁，然后进行石墨化退火(又称可锻化退火)，主要使渗碳体在固态下分解形成团絮状石墨。可锻铸铁的石墨化退火过程是将白口铸铁加热到900℃~950℃，使铸铁的组织转变为奥氏体和渗碳体，经长时间(30小时左右)保温，渗碳体便分解而得到团絮状石墨，此为第一阶段石墨化。随后空冷至室温，则得到珠光体可锻铸铁，组织为P+G。如果在第一阶段石墨化后缓慢冷却到760℃~720℃，保温一段时间，将从珠光体中析出石墨，完成第二阶段石墨化，得到铁素体可锻铸铁，其组织为F+G。下一页

返回8.4可锻铸铁可锻铸铁的石墨化退火过程如图8-3所示。二、化学成分因为要先结晶成白口铸铁，所以可锻铸铁须降低C,Si含量。三、组织及性能可锻铸铁组织是钢的基体上分布着团絮状的石墨，有铁素体可锻铸铁(又称为黑心可锻铸铁)和珠光体可锻铸铁两种。铁素体可锻铸铁:F基体+团絮状G—抗拉强度、硬度低，塑性、韧性较好。珠光体可锻铸铁:P基体+团絮状G—抗拉强度、硬度高，塑性、韧性差。上一页

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返回8.4可锻铸铁可锻铸铁的力学性能优于灰铸铁，接近于同类基体的球墨铸铁。但与球墨铸铁相比，具有铁水处理简易、质量稳定、废品率低等优点。故生产中，常用可锻铸铁制作一些截面较薄而形状较复杂、工作时易受震动、强度及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，若用铸钢制造，则因其铸造性能较差，质量不易保证。四、牌号及用途可锻铸铁的牌号由“KTH”或“KTZ”与两组数字表示。其中“KT"表示“可铁”二字的汉语拼音字首;"H”和“Z”分别表示“黑”和“珠”的汉