《工程材料与热成型》课件-6.选用各类铸铁材料

铸是碳质量分数大于2.11%，并比碳钢含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。铸铁件生产工艺简单，成本低廉，并且具有优良的铸造性、切削加工性、耐磨性和减振性等。因此，铸铁件广泛应用于机械制造、冶金、矿山及交通运输等部门。据统计，在各类机械中，铸铁件约占40%～70%，在机床和重型机械中，则达到60%～90%。

用作大型机床导轨的铸铁件用作带轮的铸铁件铸铁1.铸铁的成分及性能特点

与碳钢相比，铸铁的化学成分中除了含有较高C、Si等元素外，而且含有较多的S、P等杂质，在特殊性能铸铁中，还含有一些合金元素。各元素含量的不同，将直接影响铸铁的组织和性能。工业上常用铸铁的成分（质量分数）一般为：含碳2.5%~4.0%、含硅1.0%~3.0%、含锰0.5%~1.4%、含磷0.01%~0.5%、含硫0.02%~0.2%。为提高铸铁的力学性能或某些物理、化学性能，还可添加一定量的Cr、Ni、Cu、Mo等合金元素，以得到合金铸铁。

最常用的灰口铸铁中，碳主要是以石墨形式存在的，其他类型铸铁碳以化合态的渗碳体和游离态的石墨共存。（1）成分与组织特点铸铁的力学性能主要取决于铸铁的基体组织及石墨的数量、形状、大小和分布。石墨的硬度仅为3~5HBW，抗拉强度约为20MPa，断后伸长率接近于零，故分布于基体上的石墨可视为空洞或裂纹。由于石墨的存在，减少了铸件的有效承载面积，且受力时石墨尖端处产生应力集中，大大降低了基体强度的利用率。因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性比碳钢低。另外，由于石墨的存在，使铸铁具有了一些碳钢所没有的性能，如良好的耐磨性、消振性、低的缺口敏感性以及优良的切削加工性能。此外，铸铁的成分接近共晶成分，因此铸铁的熔点低，约为1200℃左右，液态铸铁流动性好。由于石墨结晶时体积膨胀，所以铸造收缩率低，其铸造性能优于钢。1.铸铁的成分及性能特点（2）性能特点

因为碳存在的形式不同，造成铸铁的断口颜色不同，根据断口颜色可分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁三种。铸铁中的碳除少数溶于铁素体外，碳几乎全部以Fe3C形式存在，断口呈银白色，组织中存在大量莱氏体，硬而脆，切削加工较困难。除少数用来制造不需加工的硬度高、耐磨件（如犁铧）外，主要用作炼钢原料。2.铸铁的分类及应用（1）白口铸铁犁铧铸铁中的碳以石墨形式存在，力学性能较差，但生产工艺简单，价格低廉，工业上应用最广。根据铸铁中碳（石墨）存在的形态不同，灰口铸铁分为以下几种：灰铸铁：碳以片状石墨分布在各种基体组织上，具有一系列优良性能，得到广泛应用。球墨铸铁：碳以球状石墨形式存在，生产工艺比可锻铸铁简单，且力学性能较好，故得到广泛应用。2.铸铁的分类及应用（2）灰口铸铁灰铸铁机床床身球墨铸铁井盖铸铁中的碳以石墨形式存在，力学性能较差，但生产工艺简单，价格低廉，工业上应用最广。根据铸铁中碳（石墨）存在的形态不同，灰口铸铁分为以下几种：可锻铸铁：碳以团絮状石墨形式存在，力学性能好于灰铸铁，但生产工艺较复杂，成本高，用来制造一些重要的小型铸件。2.铸铁的分类及应用（2）灰口铸铁可锻铸铁弯管铸铁中的碳以石墨形式存在，力学性能较差，但生产工艺简单，价格低廉，工业上应用最广。根据铸铁中碳（石墨）存在的形态不同，灰口铸铁分为以下几种：蠕墨铸铁：碳以短小的蠕虫状石墨形式存在，强度和塑性介于灰铸铁和球墨铸铁之间。此外，其铸造性、耐热疲劳性比球墨铸铁好，因此可用来制造大型复杂的铸件，以及在较大温度梯度下工作的铸件。2.铸铁的分类及应用（2）灰口铸铁蠕墨铸铁件铸铁中的一部分碳以石墨形式存在，另一部分碳以渗碳体的形式存在，断口呈灰白相间的麻点。由于麻口铸铁性能不好，极少应用。2.铸铁的分类及应用（3）麻口铸铁麻口铸铁金相组织

各种科学发现往往具有一个共同点，那就是勤奋和创新精神。—郭沫若一、灰铸铁化学成分灰铸铁中的碳、硅、锰是调节组织的元素，磷是控制使用的元素，硫是应限制的元素。

目前生产中，灰铸铁的化学成分范围一般为：wC=2.7%~3.6%，wSi=1.0%~2.5%，wMn=0.5%~1.3%，wP≤0.3%，wS≤0.15%。二、灰铸铁的组织

灰铸铁的显微组织特征是片状石墨分布在各种基体组织上，片状石墨实际上是一个立体的多枝石墨团。

由于石墨各分枝都长成翘曲的薄片，在金相磨片上所看到的仅是这种多枝石墨团的某一截面，因此呈孤立的长短不等的片状（或细条状）石墨，其立体形态如图所示。片状石墨形态三、3种不同基体组织的灰铸铁由于第三阶段石墨化程度的不同，可以获得3种不同基体组织的灰铸铁。获得的组织是铁素体基体上分布着片状石墨，如图所示。

获得的组织是珠光体基体上分布着片状石墨，如图所示。获得的组织是珠光体和铁素体基体上分布着片状石墨，如图所示。铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁珠光体+铁素体灰铸铁a）铁素体灰铸铁

b）珠光体灰铸铁

c）铁素体+珠光体灰铸铁灰铸铁的显微组织四、灰铸铁的性能特点石墨的存在，会降低铸铁的抗拉强度、塑性和韧性，但也正是由于石墨的存在，使铸铁具有一系列其他的优良性能。

由于灰铸铁的碳含量接近共晶成分，故与钢相比，不仅熔点低，流动性好，而且铸铁在凝固过程中要析出比容较大的石墨，部分地补偿了基体的收缩，从而减小了灰铸铁的收缩率，所以灰铸铁能浇铸形状复杂与薄壁的铸件。减摩性是指减少对偶件被磨损的性能。灰铸铁中石墨本身具有润滑作用，而且当它从铸铁表面掉落后，所遗留下的孔隙具有吸附和储存润滑油的能力，使摩擦面上的油膜易于保持而具有良好的减摩性。所以承受摩擦的机床导轨、汽缸体等零件可用灰铸铁制造。铸铁在受震动时，石墨能阻止震动的传播，起缓冲作用，并将震动能量转变为热能，灰铸铁减振能力约比钢大10倍，故常用作承受压力和震动的机床底座、机架、机床床身和箱体等零件。铸造性能良好减摩性好减振性强

由于石墨割裂了基体的连续性，使铸铁切削时容易断屑和排屑，且石墨对刀具具有一定润滑作用，可使刀具磨损减少。

钢常因表面有缺口（如油孔、键槽、刀痕等）造成应力集中，使力学性能显著降低，故钢的缺口敏感性大。灰铸铁中石墨本身已使金属基体形成了大量缺口，致使外加缺口的作用相对减弱，所以具有小的缺口敏感性。切削加工性良好缺口敏感性小灰铸铁制造的机床导轨灰铸铁制造的机床底座灰铸铁制造的机床床身四、灰铸铁的性能特点

各种科学发现往往具有一个共同点，那就是勤奋和创新精神。—郭沫若球墨铸铁的石墨呈球状，球状石墨使铸铁具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性。弯头分析选用球墨铸铁球墨铸铁的综合机械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本低廉，生产方便，所以在工业中得到了广泛应用。经过球化处理的铸铁液，浇注后石墨结晶成为球状，获得球墨铸铁，从而提高了铸铁的力学性能。闸阀一组织和性能1.组织球墨铸铁的显微组织由球状石墨和金属基体两部分组成，按基体组织的不同球墨铸铁分为铁素体球墨铸铁、铁素体+珠光体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁。常见球墨铸铁的显微组织如图所示。a）铁素体基体球墨铸铁b）铁素体+珠光体基体球墨铸铁c）珠光体基体球墨铸铁一组织和性能2.性能球墨铸铁的强度、塑性与韧性都大大优于灰铸铁，力学性能可与相应组织的铸钢相媲美。缺点是凝固收缩较大，容易出现缩松与缩孔，熔铸工艺要求高，铁液成分要求严格。缩松缩孔二.球墨铸铁的牌号及应用1.牌号表示球墨铸铁的牌号是由“QT”（“球铁”两字汉语拼音字首）后附最低抗拉强度值（MPa）和最低断后伸长率的百分数表示。如牌号

QT400-18表示最低抗拉强度为400MPa、最低断后伸长率为18％的球墨铸铁。

QT700-2表示最低抗拉强度为700MPa、最低断后伸长率为2％的球墨铸铁。二.球墨铸铁的牌号及应用2.应用球墨铸铁的力学性能优于灰铸铁，与钢相近，可用其代替铸钢和锻钢制造各种载荷较大、受力较复杂和耐磨损的零件。如珠光体球墨铸铁常用于制造汽车、拖拉机或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、齿轮，机床中的主轴、蜗杆、蜗轮等。铁素体球墨铸铁多用于制造受压阀门、机器底座、汽车后桥壳等。二.球墨铸铁的牌号及应用2.应用球墨铸铁的力学性能优于灰铸铁，与钢相近，可用其代替铸钢和锻钢制造各种载荷较大、受力较复杂和耐磨损的零件。如珠光体球墨铸铁常用于制造汽车、拖拉机或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、齿轮，机床中的主轴、蜗杆、蜗轮等。铁素体球墨铸铁多用于制造受压阀门、机器底座、汽车后桥壳等。曲轴凸轮轴齿轮底座汽车后桥壳2.正火三球墨铸铁的热处理铸态下的球墨铸铁基体组织一般为铁素体与珠光体，采用热处理方法来改变球墨铸铁基体组织，可有效地提高其力学性能。1.退火球墨铸铁的退火分为去应力退火、低温退火和高温退火。去应力退火工艺与灰铸铁相同。低温退火和高温退火的目的是使组织中的渗碳体分解，获得铁素体球墨铸铁，提高塑性与韧性，改善切削加工性能。球墨铸铁正火的目的是增加基体中珠光体的数量，或获得全部珠光体的基体，起细化晶粒，提高铸件强度和耐磨性能的作用。三球墨铸铁的热处理3.调质处理将铸件加热到860～920℃，保温2～4h后油中淬火，然后在550～600℃回火2～4h，得到回火索氏体加球状石墨的组织，经此处理后，可具有良好的综合力学性能。用于受力复杂和综合力学性能要求高的重要铸件，如曲轴与连杆等。曲轴连杆三球墨铸铁的热处理4.等温淬火将铸件加热到850～900℃，保温后迅速放入250～350℃的盐浴中等温60～90min，然后出炉空冷，获得下贝氏体基体加球状石墨的组织，可使零件综合力学性能良好。用于形状复杂，热处理易变形开裂，要求强度高、塑性和韧性好、截面尺寸不大的零件。球墨铸铁支座球墨铸铁轧辊

各种科学发现往往具有一个共同点，那就是勤奋和创新精神。—郭沫若分析选用可锻铸铁可锻铸铁是将白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳退火处理，改变其金相组织或成分而获得有较高韧性的铸铁，其石墨呈团絮状。白口铸铁石墨化1.可锻铸铁的生产过程及成分可锻铸铁的生产过程是：首先浇注成白口铸铁件，然后再经可锻化(石墨化)退火，使渗碳体分解为团絮状石墨，即可制成可锻铸铁。为保证在一般的冷却条件下铸件能获得全部白口，可锻铸铁中碳、硅含量较低。可锻铸铁的化学成分要求较严，一般为：wC=2.3%～2.8%，wSi=1.0%～1.6%，wMn=0.3%～0.8%，wS≤0.2%，wP≤0.1%。白口铸铁石墨化将白口铸铁加热到900～980℃，使铸铁组织转变为奥氏体加渗碳体，在此温度下长时间保温，渗碳体分解为团絮状石墨，按随后的冷却方式不同，可得获珠光体基体可锻铸铁或铁素体基体可锻铸铁。可锻铸铁的显微组织如图所示。可锻铸铁中的石墨呈团絮状，大大减弱了对基体的割裂作用，与灰铸铁相比，具有较高的力学性能，尤其具有较高的塑性和韧性，因此称为“可锻”铸铁，但实际上可锻铸铁并不能锻造。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有质量稳定，铁液处理简易，容易组织流水生产，但生产周期长，在缩短可锻铸铁退火周期取得很大进展后，可锻铸铁具有了广阔的发展前途，在汽车、拖拉机中得到了应用。a）珠光体基体可锻铸铁b）铁素体基体可锻铸铁2.可锻铸铁的组织与性能可锻铸铁3.可锻铸铁的牌号及用途（1）可锻铸铁的牌号表示方法可锻铸铁的牌号是由“KTH”（“可铁黑”三字汉语拼音字首）或“KTZ”（“可铁珠”三字汉语拼音字首）后附最低抗拉强度值（MPa）和最低断后伸长率的百分数表示。例如牌号KTH350-10表示最低抗拉强度为350MPa、最低断后伸长率为10％的黑心可锻铸铁，即铁素体可锻铸铁；KTZ650-02表示最低抗拉强度为650MPa、最低断后伸长率为2％的珠光体可锻铸铁。

（2）可锻铸铁的应用黑心可锻铸铁的强度、硬度低，塑性、韧性好，用于载荷不大、承受较高冲击和振动的零件。珠光体基体可锻铸铁因具有高的强度、硬度，用于载荷较高、耐磨损并有一定韧性要求的重要零件，如石油管道、炼油厂管道和商用及民用建筑的供气和供水系统的管件。可锻铸铁的牌号、性能及用途见表。表可锻铸铁的牌号、力学性能及用途

各种科学发现往往具有一个共同点，那就是勤奋和创新精神。—郭沫若分析选用特殊性能铸铁工业上除了要求铸铁有一定的机械性能外，有时还要求它具有较高的耐磨性以及耐热性、耐蚀性。为此，在普通铸铁的基础上加入一定量的合金元素，制成特殊性能铸铁（合金铸铁）。有些零件如机床的导轨、托板，发动机的缸套，球磨机的衬板、磨球等，要求更高的耐磨性，一般