《金属材料与热处理（少学时）（第三版）》-课件 第六章 铸铁

1§6-1铸铁的组织与分类

2§6-2常用铸铁1．掌握铸铁的特点和分类。2．了解铸铁石墨化的概念及其影响因素。3．掌握常用铸铁的组织、性能、牌号及应用。请观察以下产品，这些产品虽然形状各异、用途不同，但它们都采用了同种材料和相同的加工方法，你能说出这些产品采用了哪种材料吗？这些产品是通过何种加工方法加工出来的？铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。工业上常用铸铁的含碳量一般为2.5%～4.0%。此外，还含有硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）等元素。铸铁是应用非常广泛的一种金属材料，机床的床身、台虎钳的钳体和底座等都是用铸铁制成的。在各类机器的制造中，若按质量百分比计算，铸铁占整个机器质量的45%～90%。§6-1铸铁的组织与分类一、铸铁的分类（1）灰口铸铁：铸铁在结晶过程中，碳全部以游离态的石墨存在，断口呈暗灰色。工业上所用的铸铁几乎全部属于这类铸铁。1．根据铸铁在结晶过程中的石墨化程度不同分类（2）白口铸铁：铸铁在结晶过程中，碳是完全按照Fe-Fe3C相图进行结晶而得到的，其断口呈银白色。（3）麻口铸铁：铸铁中的碳一部分以Fe3C形式存在，另一部分以石墨形式存在，断口呈黑白相间的麻点，故称为麻口铸铁。2．根据铸铁中石墨形态的不同分类（1）普通灰铸铁（图6-2a）：石墨呈片状存在于铸铁中，简称灰铸铁或灰铁。（2）可锻铸铁（图6-2b）：由一定成分的白口铸铁经过石墨化退火而获得。其中，石墨呈团絮状存在于铸铁中，有较高的韧性和一定的塑性。应注意：可锻铸铁虽称“可锻”，但实际上是不能锻造的。（3）球墨铸铁（图6-2c）铁液在浇注前经球化处理，使析出的石墨呈球状存在于铸铁中，简称球铁。由于石墨呈球状，所以其力学性能比普通灰铸铁高很多。（4）蠕墨铸铁（图6-2d）铁液在浇注前经蠕化处理，使析出的石墨呈蠕虫状存在于铸铁中，简称蠕铁。其性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。二、铸铁的石墨化由于铸铁中的含碳量、含硅量较高，所以铸铁中的碳大部分不再以渗碳体的形式存在，而是以游离的石墨状态存在（含碳量为100%）。铸铁中的碳以石墨形式析出的过程称为石墨化。铸铁中的石墨可以从液态中直接结晶出或从奥氏体中直接析出，也可以先结晶出渗碳体，再由渗碳体在一定条件下分解而得到（Fe3C→3Fe+C）1．石墨化的途径2．影响石墨化的因素影响石墨化的因素主要是铸铁的成分和冷却速度。铸铁中的各种合金元素根据对石墨化的作用不同，可以分为两大类：一类是促进石墨化的元素，有碳、硅、铝、镍、铜和钴等，其中碳和硅对促进石墨化的作用最为显著。另一类是阻碍石墨化的元素，有铬、钨、钼、钒、锰和硫等。冷却速度对石墨化的影响也很大，当铸铁结晶时，冷却速度越缓慢，就越有利于扩散，使析出的石墨越大、越充分。在快速冷却时，碳原子无法扩散，则阻碍石墨化，促进白口化。而铸件的冷却速度主要取决于壁厚和铸型材料，铸件越厚，铸型材料散热性能越差，铸件的冷却速度就越慢，越有利于石墨化。这就是在加工铸铁件时，往往在其表面会遇到“白口”且很难切削的原因。当铸铁中的碳大多数以石墨形式析出后，其组织可看成是在钢的基体上分布着不同形态、大小、数量的石墨。由于石墨的力学性能很差，其强度和塑性几乎为零，这样就可以把分布在钢的基体上的石墨看作不同形态和数量的微小裂纹或孔洞，这些孔洞一方面割裂了钢的基体，破坏了基体的连续性，另一方面又使铸铁获得了良好的铸造、切削加工性能，以及消声、减振、耐压、耐磨、缺口敏感性低等诸多优良性能。三、铸铁的组织与性能的关系在相同基体的情况下，不同形态和数量的石墨对基体的割裂作用是不同的。呈片状时表面积最大，割裂最严重；蠕虫状次之；球状表面积最小，应力最分散，割裂作用的影响最小。石墨的数量越多、越集中，对基体的割裂也就越严重，铸铁的抗拉强度也就越低，塑性就越差。铸铁的硬度则主要取决于基体的硬度。铸铁的力学性能主要取决于基体的组织和石墨的形态、数量、大小以及分布状态。其中，基体的组织一般可通过不同的热处理加以改变，但石墨的形态和分布却无法改变，故要想得到细小而分布均匀的石墨就需要在石墨化时对其析出过程加以控制。中国早在春秋时期就已发明铸铁技术。商周时期高度发展的青铜冶铸业，为铸铁技术的发明和迅速发展提供了前提条件。为了使用铸铁制造生产工具，战国前期发明了韧性铸铁，通过脱碳热处理和石墨化热处理，分别获得脱碳不完全的白心韧性铸铁和黑心韧性铸铁。战国中期以后，铸铁器逐步取代铜器、木器、石器，成为主要的生产工具。秦汉时期，铸铁热处理技术有了明显的进步。不少器件用铁范铸造，壁厚一般在3～5mm，属于薄壁铸件。特别是西汉后期已出现具有球状石墨的高强度铸铁，在铁素体-珠光体基体上均匀分布着典型的圆度较好的球状石墨，在偏光下呈放射状，经多种手段检测，证实其与现代球墨铸铁中的石墨球相似，被认为是铸后经退火形成的。中国古代铸铁技术§6-2 常用铸铁灰铸铁的化学成分一般为：C（2.7%～3.6%）、Si（1.0%～2.2%）、S（<0.15%）、P（<0.3%）。其组织由金属基体和在基体中分布的片状石墨组成。石墨化越充分，则基体中的含碳量就越低，这样便形成了三种不同的基体组织的灰铸铁，即铁素体灰铸铁（铁素体+片状石墨）、铁素体-珠光体灰铸铁（铁素体+珠光体+片状石墨）和珠光体灰铸铁（珠光体+片状石墨）。一、灰铸铁1．灰铸铁的成分与组织2．灰铸铁的性能和孕育处理由于灰铸铁中的石墨呈片状，所以其对基体的割裂面积大，严重地破坏了基体的连续性，大大减小了有效承载面积，并且在石墨的尖角处容易产生应力集中。其力学性能中的抗拉强度、塑性、韧性均远不如钢，而抗压强度和硬度并没有明显降低。同时，由于石墨的存在使灰铸铁获得了许多优异性能，如由于石墨的脆性，使灰铸铁在切削时切屑呈崩碎状，大大减少了切屑与刀具前面的摩擦，减少了切削热，提高了刀具的使用寿命。为了改善灰铸铁的性能，一方面要改变石墨的数量、大小和分布，另一方面要增加基体中珠光体的数量。为了细化金属基体并增加珠光体数量，改变石墨片的形态和数量，在生产中常采用孕育处理工艺。孕育处理（或称变质处理）是在浇注前向铁液中投加少量硅铁、硅钙合金等作为孕育剂，使铁液内产生大量均匀分布的晶核，使石墨片及基体组织得到细化。经过孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁，不仅其强度有很大提高，而且塑性和韧性也有所改善。因此，孕育铸铁常用于制造力学性能要求较高、截面尺寸变化较大的大型铸铁件。3．灰铸铁的牌号及用途灰铸铁的牌号由“灰铁”二字的汉语拼音字母字头HT

及后面的一组表示最小抗拉强度数值的数字组成。可锻铸铁俗称玛钢、马铁。它是白口铸铁通过石墨化退火，使渗碳体分解成团絮状的石墨而获得的。由于石墨呈团絮状，相对于片状石墨而言，减轻了对基体的割裂作用和应力集中，因而可锻铸铁相对于灰铸铁有较高的强度，塑性和韧性也有很大的提高。二、可锻铸铁1．可锻铸铁的组织与性能可锻铸铁的生产过程包括两个步骤：首先铸造成白口铸铁件，然后进行长时间的石墨化退火。可锻铸铁的成分一般为：C（2%～2.8%）、Si（1.2%～1.8%）、Mn（0.4%～0.6%）、P（<0.1%）、S（<0.25%）。根据白口铸铁件退火的工艺不同，其基体组织也不同，可分为铁素体可锻铸铁、铁素体+珠光体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁（图6-5）。其中铁素体可锻铸铁的断口心部呈灰黑色，表层呈灰白色，故又称为黑心可锻铸铁。我国可锻铸铁的牌号是由三个字母及两组数字组成的。前两个字母KT是“可铁”二字汉语拼音字母字头，第三个字母代表可锻铸铁的类别。后面两组数字分别代表最低抗拉强度和断后伸长率的数值。2．可锻铸铁的牌号及用途如KTH300-06表示黑心可锻铸铁，其最低抗拉强度为300MPa，最低断后伸长率为6%；KTZ450-06表示珠光体可锻铸铁，其最低抗拉强度为450MPa，最低断后伸长率为6%。锻铸铁具有铁液处理简单、质量稳定、容易组织流水生产、低温韧性好等优点，广泛应用于管道配件和汽车、拖拉机制造，常用于制造形状复杂、承受冲击载荷的薄壁、中小型零件。三、球墨铸铁1．球墨铸铁的组织与性能球墨铸铁的化学成分一般为：C（3.6%～3.9%）、Si（2.0%～2.8%）、Mn（0.6%～0.8%）、S（<0.07%）、P（<0.1%）。与灰铸铁相比，它的碳、硅含量较高，有利于石墨球化。球墨铸铁按其基体组织不同，可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三种。球墨铸铁的牌号是由“球铁”二字汉语拼音字母字头QT及两组数字组成，两组数字分别代表其最低抗拉强度和断后伸长率。如QT400-18表示球墨铸铁，其最低抗拉强度为400MPa，最低断后伸长率为18%。2．球墨铸铁的牌号及用途四、蠕墨铸铁蠕墨铸铁是近代发展起来的一种新型结构材料。它是在高碳、低硫、低磷的铁液中加入蠕化剂（目前采用的蠕化剂有镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金），经蠕化处理后，使石墨变为短蠕虫状的高强度铸铁。在金相显微镜下观察，蠕虫状石墨像片状石墨，但是较短而厚，头部较圆，形似蠕虫。这种铸铁的性能介于优质灰铸铁和球墨铸铁之间，抗拉强度和疲劳强度相当于铁素体球墨铸铁，减振性、导热性、耐磨性、切削加工性能和铸造性能近似于优质灰铸铁。合金铸铁在普通铸铁中加入合金元素，使之具有某些特殊性能的铸铁称为合金铸铁。通常加入的合金元素有硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、钛、锑、锡等。合金铸铁根据合金元素的加入量分为低合金铸铁（合金元素含量<3%）、中合金铸铁（合金元素含量为3%～10%）和高合金铸铁（合金元素含量>10%）。五、常用铸铁的热处理对灰铸铁进行热处理是为了减小其内应力，提高表面硬度和耐磨性能，以及消除因冷却过快而在铸件表面产生的白口组织。1．热处理的作用可锻铸铁通过先浇注成白口铸铁，再通过不同的退火工艺来获得不同的基体组织和团絮状石墨，所以一般不再进行其他热处理。球墨铸铁中的石墨对基体的割裂作用小，因此可通过热处理改变其基体组织来提高和改善其力学性能，在生产中常常采用不同的热处理方法来改善其性能。蠕墨铸铁中的石墨的割裂作用比灰铸铁小，浇注后的组织中有较多的铁素体存在，通常可通过正火使其获得以珠光体为主的基体组织，在一定程度上提高其力学性能。灰铸铁和球墨铸铁的热处理方法、目的及应用见表