教学材料工程材料-第七章

第一节铸铁的石墨化铸铁基体组织的类型是和石墨化的程序分不开的。石墨的晶体结构为简单的六方晶格，同一层上原子间距为１.４２×１０

，结合力较强；而层与层之间的面间距为３.４

，依靠较弱的金属键结合，易滑移，故石墨的强度、塑性和韧性较低。石墨的晶体结构如图７－１所示。铸铁组织中石墨的形成过程称为石墨化。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。灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出，可锻铸铁中的石墨则完全是由渗碳体分解而得到。铸铁的化学成分和结晶过程中的冷却速度是影响铸铁石墨化的主要因素。下一页返回第一节铸铁的石墨化化学成分的影响铸铁是以铁、碳为主并含有硅、锰、硫、磷等杂质元素的合金，这些元素对铸铁石墨化过程有着不同程度的影响。碳和硅是强烈促进石墨化的元素，铸铁中碳和硅的含量越高，石墨化程序越充分。硅能减弱碳和铁的亲和力，不利于渗碳体的析出，从而促进了石墨化。磷也是促进石墨化的元素，但其作用较弱。形成的Ｆｅ３Ｐ常以共晶体形式分布在晶界上，增加铸铁的脆性，所以一般铸铁中含磷量应严格控制。上一页下一页返回第一节铸铁的石墨化硫是强烈阻止石墨化的元素，不仅使碳以渗碳体形式存在，促进铸铁白口化，还会降低铁水的流动性和促进高温铸件开裂，所以硫在铸铁中是有害元素，含硫量越低越好。锰是阻碍石墨化的元素，但锰和硫能形成ＭｎＳ，减弱了硫对石墨化的阻碍作用。因此铸铁中的含锰量允许在较高的范围内，为０.６％～１.３％。冷却速度的影响上一页下一页返回第一节铸铁的石墨化在生产过程中，铸铁的冷却速度越缓慢，或在高温下越长时间保温，越有利于碳原子扩散和石墨化过程的充分进行，越容易得到石墨化组织；冷却速度快，碳原子来不及扩散，阻碍石墨化，促进白口化，铸铁容易产生白口组织。在其他条件一定的情况下，冷却速度与铸件的壁厚有关，壁厚越大，冷却速度越小，越有利于石墨化。上一页返回第二节铸铁的分类和性能铸铁的分类铸铁里的碳主要以渗碳体和游离状态的石墨两种形式存在，根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为以下几种。（１）白口铸铁。碳除少数溶于铁素体外，其余的碳都以渗碳体的形式存在于铸铁中，断口呈银白色，故称白口铸铁。这类铸铁力学性能硬而脆（硬度相当于８００ＨＢＳ），不易加工，除用于铸造犁铧（图７－２）、轧辊（图７－３）等以外，很少直接用它来制造各类零件，主要用作炼钢的原料和生产可锻铸铁的毛坯。（２）灰口铸铁。碳全部或大部分以游离状态的石墨存在于铸铁中，其断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。下一页返回第二节铸铁的分类和性能灰口铸铁具有良好的可加工性、减摩性、减振性及铸造性能等，熔炼的工艺与设备简单，成本低廉，是目前工业上应用最广泛的一类铸铁。根据灰口铸铁中石墨形态的不同，它又可分为以下四种。①灰铸铁。铸铁中的石墨呈片状存在。②可锻铸铁。铸铁中的石墨呈团絮状存在。它是由一定成分的白口铸铁经高温长时间退火后获得的。其力学性能（特别是塑性和韧性）较灰铸铁高，故习惯上称为可锻铸铁。③球墨铸铁。铸铁中的石墨呈球状存在。它是在铁水浇注前经球化处理后获得的。上一页下一页返回第二节铸铁的分类和性能不仅力学性能高于灰铸铁和可锻铸铁，生产工艺比可锻铸铁简单，而且还可以通过热处理进一步提高其力学性能，因此它在生产中的应用日益广泛。④蠕墨铸铁。它是２０世纪６０年代发展起来的一种新型铸铁。石墨呈蠕虫状存在，介于片状与球状之间，故其性能也介于灰铸铁与球墨铸铁之间。（３）麻口铸铁。碳一部分以石墨形式存在，类似灰口铸铁；另一部分以自由渗碳体形式存在，类似白口铸铁。断口呈现黑白相间的麻点，故称麻口铸铁。由于这类铸铁也具有较大的硬脆性，故工业上很少使用。上一页下一页返回第二节铸铁的分类和性能铸铁的性能常用铸铁组织中的石墨割裂了金属基体，破坏了金属基体的连续性，严重削弱了金属基体的强度、塑性和韧性，所以铸铁的力学性能比钢要差，但铸铁具有许多钢所没有的优良性能。（１）铸造性好。由于铸铁的含碳量接近共晶成分，熔点低，结晶区间小，而且流动性好，收缩性小，铸造性好，适合浇注形状复杂的零件或毛坯。（２）切削加工性好。由于石墨割裂了金属基体的连续性，使铸铁的切削易脆断，并且石墨对刀具有一定的润滑作用，可以减少刀具的磨损。上一页下一页返回第二节铸铁的分类和性能（３）减摩。铸铁与其他钢件发生摩擦时，由于铸铁中的石墨本身具有润滑作用，特别是当它从铸铁表面脱落后所留下的孔隙能吸附和储存润滑油，使摩擦面上的油膜易于保持而具有良好的减摩性。工业上常用铸铁制造车轮制动片（图７－４）、机床导轨（图７－５）等。（４）减振。由于铸铁中的石墨在受到振动时能起到缓冲作用，阻止振动的传播，并把振动能转变为热能，减振能力比钢大１０倍。因此，铸铁常用作承受振动的零件，如机床床身、机器支架、底座等。（５）缺口敏感性小。钢制零件常因表面有缺口造成应力集中，容易出现裂纹和断裂，降低了力学性能。铸铁中的石墨本身就相当于很多小的缺口，所以对外加的缺口并不敏感。上一页返回第三节灰铸铁灰铸铁是石墨呈片状分布的铸铁，在铸铁的总产量中，灰铸铁件要占８０％以上，它是应用最广的一类铸铁。灰铸铁的成分、组织和性能目前生产中，灰铸铁的化学成分见表７－１。灰铸铁的组织是由片状石墨和金属基体组成，金属基体依照共析阶段石墨化进行的程度不同可分为以下三种不同基体组织的灰铸铁：（１）铁素体基体灰铸铁；（２）铁素体＋珠光体基体灰铸铁；（３）珠光体基体灰铸铁。下一页返回第三节灰铸铁灰铸铁的性能主要取决于基体的组织和石墨的形态，石墨降低了灰铸铁的力学性能，使其抗拉强度和塑性都很低，这是石墨对基体的严重割裂所致。石墨强度、韧性极低，石墨越多、越大，对基体的割裂作用越严重，其抗拉强度越低。但同时又使灰铸铁具有了许多钢没有的优良性能，如良好的铸造性能、减振性，较低的缺口敏感性，良好的切削加工性和减摩性以及良好的抗压性能等，灰铸铁的抗压强度约为本身强度的４倍。为改善灰铸铁的力学性能，生产中常采用孕育处理（变质处理），即在浇注前，向铁水中加入少量的孕育剂，如硅铁、硅钙合金等。使铁水中产生大量均匀分布的晶核，以获得细小均匀的石墨片，使片状石墨和金属基体得到细化。上一页下一页返回第三节灰铸铁经过孕育处理后的灰铸铁称为孕育铸铁，其显微组织是细珠光体基体上分布着细片状石墨，不仅强度大大提高，塑性和韧性也有所改善。灰铸铁可用来制造机械性能要求较高的铸件，如气缸、曲轴、凸轮、机床床身（图７－６）、机器的机架、底座（图７－７）等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。灰铸铁的牌号和应用灰铸铁的牌号由“灰铁”两字汉语拼音的第一个字母“ＨＴ”及后面一组数字组成，数字表示铸铁的最小抗拉强度。如ＨＴ２００表示最小抗拉强度为２００ＭＰａ的灰铸铁。表７－２列举了几种灰铸铁的牌号及用途。上一页下一页返回第三节灰铸铁灰铸铁的热处理热处理只能改变灰铸铁的金属基体，不能改变石墨的形态和分布。因此，热处理对提高灰铸铁的力学性能作用不大。灰铸铁进行热处理的目的主要是消除内应力、改善切削性能以及强化铸件表面。１.去应力退火铸铁件的形状一般比较复杂，壁厚不均匀，浇注时由于各个部位和表里的冷却速度不同，会产生较大的内应力。它不仅削弱了铸件的强度，而且在随后的切削加工之后，由于应力的重新分布会引起变形，甚至开裂。因此，对于精度要求较高或大型、复杂的铸件（如机床床身、机架等），都要进行去应力退火。上一页下一页返回第三节灰铸铁去应力退火通常是将铸件缓慢加热到５００℃～５６０℃，保温一段时间，然后以极缓慢的速度随炉冷至１５０℃～２００℃后出炉空冷。去应力退火后铸件的内应力基本被消除。２.高温退火灰铸铁在表面和薄壁处，由于冷却速度较快，容易产生白口组织，使铸件的硬度和脆性增大，难以进行切削加工，此时需要进行退火以降低硬度。退火是将铸件加热到８５０℃～９００℃，保温２～５ｈ，使白口组织中的渗碳体分解成石墨和铁素体，然后随炉冷却至４００℃～５００℃，再出炉空冷。所以称为高温退火。退火后能达到降低硬度、改善切削加工性的目的。上一页下一页返回第三节灰铸铁３.表面淬火表面淬火可改变铸件表层的基体组织，提高表层的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度。有的铸件如机床导轨、缸体内壁等，可进行高频表面淬火、火焰表面淬火、电接触加热表面淬火和激光加热表面淬火等，淬火后表面硬度可达５０～５５ＨＲＣ。上一页返回第四节可锻铸铁可锻铸铁俗称马铁、玛钢，是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。可锻铸铁使渗碳体分解得到团絮状的石墨，由于可锻铸铁里的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用比较小，因此它的力学性能优于灰铸铁，塑性和韧性好，其实可锻铸铁并不能进行锻造。可锻铸铁的基体组织不同，性能也不一样。黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性。可锻铸铁的组织和成分可锻铸铁的生产可分为两个步骤：第一步，由生铁生产白口铸铁；第二步，进行长时间的石墨化退火处理。由于退火方法的不同，可锻铸铁可得到不同的组织。下一页返回第四节可锻铸铁将白口铸铁在氧化性气氛中，加热到９００℃～９６０℃，长时间保温，使共晶渗碳体分解为团絮状石墨，随后以较快的速度冷却，通过共析转变温度区，便可得到珠光体可锻铸铁。若将白口铸铁在中性气氛中，在第一步石墨化保温后慢冷，使奥氏体中的碳充分析出，完成第二阶段石墨化，冷至７２０℃～７６０℃后继续保温，使共析渗碳体充分分解，完成第三阶段石墨化，在６５０℃～７００℃出炉冷至室温，可得到铁素体和团絮状石墨的组织，这种铸铁断口呈黑绒状并带有灰色外圈，即黑心可锻铸铁。必须严格控制可锻铸铁的成分，可锻铸铁的化学成分见表７－３。上一页下一页返回第四节可锻铸铁可锻铸铁的牌号和用途我国可锻铸铁的牌号采用三个字母和两组数字表示。其中前两个字母“ＫＴ”是“可铁”的汉语拼音首字母，第三个字母表示类别，后面两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。可锻铸铁因具有较高的塑性和韧性，在生产和生活中主要用于制造形状复杂、承受冲击载荷的中小型薄壁零件。如球阀（图7－8）、扳手（图７－９）等。可锻铸铁的牌号、力学性能及应用见表７－４。上一页返回第五节球墨铸铁球墨铸铁的组织和成分球墨铸铁中的石墨呈球状（图７－１０），是因为其含有的镁、钙及稀土元素球化剂对石墨进行了球化处理。由于石墨呈球状对基体的削弱作用最小，使得球墨铸铁的力学性能远远优于灰铸铁和可锻铸铁。为保证石墨化充分，球墨铸铁化学成分要求严格，碳、硅含量较高，硫、磷含量较低。球墨铸铁的牌号、性能和用途我国球墨铸铁的牌号是由“球铁”两字汉语拼音首字母“ＱＴ”及两组数字组成。两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。下一页返回第五节球墨铸铁由于球墨铸铁的力学性能可与钢相媲美，价格比钢低，并具有铸铁的优良性能，因此广泛用于制造强度、硬度、韧性要求高，形状复杂的零件。如法兰（图７－１１）、发动机曲轴（图７－１２）、供水管道（图７－１３）、各类井盖（图７－１４）等。球墨铸铁的牌号、化学成分、力学性能和应用见表７－５（摘自ＧＢ／Ｔ１３４８－２００９）。球墨铸铁的热处理由于球状石墨对基体的割裂作用小，因而可以对球墨铸铁进行各种热处理，通过改变基体组织，从而改变其力学性能。球墨铸铁的热处理主要有以下几种。上一页下一页返回第五节球墨铸铁（１）退火。退火的目的是获得铁素体基体的球墨铸铁，从而提高球墨铸铁的塑性和韧性，改善切削加工性能，消除铸造时产生的内应力。（２）正火。正火的目的是获得珠光体基体的球墨铸铁，细化组织，提高球墨铸铁的强度和耐磨性。（３）调质处理。调质处理的目的是获得回火索氏体的球墨铸铁，从而获得良好的综合力学性能。（４）等温淬火。等温淬火的目的是获得下贝氏体基体的球墨铸铁，以获得最佳的综合力学性能。上一页返回第六节蠕墨铸铁蠕墨铸铁的化学成分和组织蠕墨铸铁通常采用高碳和低硫、磷的成分以确保石墨的最佳蠕化效果。表７－６为蠕墨铸铁的化学成分。蠕墨铸铁的石墨形态介于片状和球状之间，形似蠕虫，图７－１６为蠕墨铸铁的显微组织。蠕墨铸铁的牌号、性能及用途我国蠕墨铸铁的牌号由“蠕”的汉语拼音“Ｒｕ”和“铁”的汉语拼音的首字母“Ｔ”及一组数字组成，数字表示最低抗拉强度值。蠕墨铸铁的牌号、力学性能及用途见表７－７。下一页返回第六节蠕墨铸铁蠕墨铸铁的力学性能优于基体相同的灰铸铁而低于球墨铸铁；当化学成分一定时，蠕墨铸铁的强度比灰铸铁高并具有一定的韧性，但强度和韧性不如球墨铸铁；对断面的敏感性比灰铸铁小，导热性接近于灰铸铁而比球墨铸铁高得多；耐磨性非常好，是ＨＴ３００灰铸铁的２.２倍；切削加工性与球墨铸铁相似，对刀具的磨损比灰铸铁大；减振性