第5章 铸铁.ppt

1、第五章 铸铁,Cast Iron,wC2.11%，并含Si、Mn、S、P,生产设备、冶炼工艺简单 价格低廉 良好的铸造性能 减摩 切削加工好 低的缺口敏感性 消震性能好,铸铁特点,固溶于F、A中 形成Fe3C 游离态的石墨Graphite (G),5.1 铸铁的石墨化,碳在铁碳合金中的存在形式：,石墨化过程 影响石墨化的因素,一、石墨化过程,Fe3C wC6.69% G wC100%,（一）石墨的特性,成分,结构,Fe3C 正交晶体结构 G 简单六方晶体结构 在成分和结构上石墨与铁液相差很大，但渗碳体和液相差别较小，因此，从铸铁中液相或A中析出渗碳体比石墨较为容易。,石墨的晶体结构,简单六方,

2、石墨的结晶特点,在简单六方晶体中,碳原子是分层排列 同一层上的原子间距小(0.142nm),结合力强 层间原子间距大(0.340nm)结合力弱,结晶时原子层方向的生长速度大于层间,容易形成片状石墨,熔点,Fe3C 熔点1227 G 熔点高于1227,力学性能,Fe3C 硬而脆, 硬度800Hv，能轻易划破玻璃,塑性几乎为零。,G 强度、塑性和韧性几乎为零，硬度仅为3Hv。,铸铁组织,铸铁（非白口铸铁）中的C主要以游离态的石墨（G）存在；基体组织几乎和钢没有什么区别，随工艺条件及热处理条件的不同，可以获得F、P、S、T、M、A等组织。 铸铁可以简单看作由钢的基体上分布着不同形态的石墨,因而，A中

3、析出渗碳体较易形核，而G的晶体结构与A相差较大，不易从A中形核和长大。 铁碳合金中，C以何种形式存在取决于化学成分和冷却速度。,在铁碳合金中，C既可以G形式也可以渗碳体的形式存在。,从热力学上，G比Fe3C要稳定； 从动力学上，渗碳体的成分与铁液更接近，Fe的排列与A也有相似之处。,铸铁性能,石墨的晶体结构是简单的六方晶格，它的强度、塑性和韧性均很低，（和钢相比几乎为零），因此我们可以把铸铁看作是布满裂纹的空洞的钢。,（二）石墨化的三个阶段,铸铁组织中析出碳原子形成石墨的过程称石墨化过程。 石墨化过程的三个阶段,铁碳双重相图,为了便于比较，习惯上把两个相图画在一起。此种合二为一的相图称铁碳双重

4、相图,0.68,2.08,1154,738,L+G,A+G,F+G,E,C,4.26,S,A,B,C,D,F,G,H,J,N,K,P,P,S,Q,L,E,L+,第三阶段石墨化,第一阶段(液态阶段) 从铸铁液相中直接析出GI及共晶反应析出共晶石墨G晶 第二阶段(共晶共析阶段) 自A中沿ES线析出二次石墨GII 第三阶段(共析阶段) 发生共析反应析出G析,共晶合金的石墨化过程1,石墨化 三个阶段 都充分进行,L,LA+G晶,A+G晶+GII,AF+ G析,F+G晶+GII +G析,第一阶段充分进行,F+G,共晶合金的石墨化过程2,石墨化 第一第二个阶段 充分进行 第三阶段 部分进行,L,LA+G晶

5、,A+G晶+GII,AF+G析+P,F+P+G晶+GII +G析,第一阶段充分进行,F+P+G,共晶合金的石墨化过程3,石墨化 第一第二个阶段 充分进行 第三阶段 不进行,L,LA+G晶,A+G晶+GII,AP,P+G晶+GII,第一阶段充分进行,P+G,石墨化后得到的组织,灰口铸铁,白口铸铁,共晶合金的石墨化过程4,共晶合金的石墨化过程5,石墨化 第一第二个阶段 部分进行 第三阶段 不进行,L,LA+Ld+G晶,A GII+Fe3CII,AP,P+GII +Fe3CII +Ld+G晶,第一阶段部分进行,P+Ld+G+Fe3C,麻口铸铁,各类铸铁经不同程度 石墨化后得到的组织,二、影响石墨化的

6、因素,wC有利于石墨形核； Si可削弱铁原子间的结合力，并使共晶温度提高、共晶点左移，故有利于石墨形核； 生产中，通过调整(wC+1/3wSi)来控制铸铁的组织；,（一）化学成分,除C、Si外，P、Al、Cu、Ni、Co也为石墨化元素； S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素为白口化元素。,渗碳体的成分（碳含量）更接近于液态铸铁，与G相比，结构亦更近于A，在快冷时易得到渗碳体；而G是一种更稳定的相，在缓冷时易得到G。,（二）冷却速度,铸件壁厚 mm,wC + 1/3wSi %,20,40,60,4.0,5.0,6.0,7.0,白口,麻口,P灰,P+F灰,F灰,铸铁通常按石墨化程度或石墨形态两种方法

7、进行分类。,5.2 各类铸铁的特点及应用,一、铸铁的分类,按石墨化程度分,第一阶段石墨化充分进行，C主要以G形式存在，断口呈灰暗色，应用广。,石墨化过程完全被抑制，C主要以渗碳体存在，断口呈银白色，性能脆硬，主要做炼钢原料。,按石墨形态分,石墨呈片状，生产工艺简单，价格低，应用最广。,石墨呈团絮状，生产周期长，成本高。,石墨呈球状，生产工艺比可锻铸铁简单，力学性能好，应用较广。,石墨呈蠕虫状，是一种新型铸铁，有大的应用前景。,二、不同石墨形态铸铁的特性及用途,（一）灰铸铁,wC 2.54.0% wSi 1.02.5% wMn 0.51.4% wS 0.100.15% wP 0.120.25%,

8、成 分,因C、Si含量高，第一阶段和第二阶段石墨化过程都能充分进行，显微组织特征是片状石墨分布在钢的基体组织上。 根据第三阶段石墨化的程度不同，有三种组织： F+G、F+P+G、P+G,组织,灰铸铁的显微组织对比,工业上最常用的是PF灰口铁，因其综合力学性能好。 按照GB/T9439-1988规定，灰铸铁的牌号用 HT,牌号,HT ,如： HT150 灰铁 最低抗拉强度为150MPa,用途,使用范围：汽车、拖拉机气缸、气缸套，机床床身等受压力及振动的零件。 注意事项：HT的强度随厚度增加而降低，选材时应注意,普通灰口铸铁的主要缺点不仅仅是石墨片粗大，力学性能低，更重要的是铸件组织对冷却速度很敏

9、感。,同一铸件薄截面上可能出现白口或麻口组织，而厚截面上则可能出现大量的石墨片或过量的，结果力学性能不均匀。,为了解决麻口问题，生产上采用孕育处理 或称变质处理,孕育处理就是在尚未浇铸的过热（1400以上)铁水中加入少量的孕育剂，搅拌后进行浇铸，而得到 孕育铸铁 （变质铸铁）,孕育剂,Si-Fe或 Si-Ca合金,孕育铸铁的组织,孕育铸铁的组织为细基体上加细小均匀分布的片状石墨。并使铸件各部位得到均匀一致的组织。,（二）球墨铸铁,措施：球化剂孕育剂 在尚未浇铸的一定成分的铁水中加入一定量的球化剂（如Mg、Ce、RE 等）进行球化处理，并加入少量的孕育剂（Si-Fe、 Si-Ca合金）以促进石墨

10、化，在浇铸后得到具有球状石墨的铸铁。,与灰铁相比，球铁的成分更严格、i, S、P wC3.84.0%, wSi2.02.8% wMn0.60.8% wS0.04%, wP 0.10% wRE0.030.05%,成分,组织,根据基体的不同球墨铸铁为： F+球状石墨 F+P+球状石墨 P+球状石墨,由于石墨呈球状，对基体的割裂作用小，应力集中小，所以，球墨铸铁既具有灰铸铁良好铸造性、耐磨性、可切削加工性及低的缺口敏感性等；又具有与中碳钢媲美的抗拉强度、弯曲疲劳强度及良好的塑韧性；并可通过合金化及热处理来改善和提高性能。 生产中应用最为广泛的是F和P球墨铸铁，在制造发动机曲轴、连杆、凸轮轴和机床主轴

11、中已可用球墨铸铁代替中碳钢及中碳合金钢（45、42CrMo等）。,编号 GB/T 1348-1988,QT400-18,（三）可锻铸铁 Ductile Cast Iron,Ductile adj. 易延展的, 易教导的, 柔软的（简明英汉字典） Adj. 可展性（科技大字典）,可锻铸铁不可锻,可锻铸铁是由白口铸铁在固态下，经长时间的石墨化退火，使其中的 Fe3C3Fe+G 而得到团絮状石墨的一种铸铁。,P+团絮石墨,AP,P可锻铸铁石墨化退火工艺,F可锻铸铁石墨化退火工艺,AF+G,F+团絮石墨,典型可锻铸铁的显微组织,黑心可锻铸铁,白心可锻铸铁,性能,因石墨呈团絮状，对基体的切割作用小，故可

12、锻铸铁具有高的强度、塑性和抗冲击能力。 白心可锻铸铁生产工艺复杂，退火周期长，性能与黑心可锻铸铁相近，故应用少。 可锻铸铁的生产周期长，工艺复杂，成本高，已逐渐被球墨铸铁代替。,编号,GB/T9440-1988,KTH 350 10,KTZ 550 - 04,最低伸长率 %,最低抗拉强度，MPa,P可锻铸铁,（四） 蠕墨铸铁,介于片状石墨和球状石墨之间。 特点：保持了球墨铸铁塑、韧性好的特点。又具有灰铸铁良好的铸造性能及耐热性。 新型铸铁。,典型铸铁的显微组织,典型铸铁的显微组织1,F+G,P+G,F+P+G,典型铸铁的显微组织2,典型铸铁的显微组织3,典型铸铁的显微组织4,典型铸铁的显微组织

13、5,典型铸铁的显微组织6,三、 合金铸铁,为了满足特种性能，在铸铁中加入合金元 合金素，就形成铸铁。,（一） 高强度合金铸铁,加入少量的Cr、Ni、Cu、Mo等,基体中的P数量增加并细化P,提高铸铁的强度,稀土镁钼系合金铸铁 稀土铜钼系合金铸铁,常用铸铁,（二）耐热合金铸铁,加入Al、Cr、Si等,1）在铸铁表面形成致密的氧化膜， 防止内氧化。 2）得到单相F，防止Fe3C分解。,常用铸铁,中硅球墨铸铁、高硅球墨铸铁、 高铬耐热铸铁。,（三）耐蚀合金铸铁,加入Si 、Al、Cr、Mo、Cu、Ni等,1）提高基体电极电位 2）形成单相基体上分布着彼此孤立的石墨 3）在铸件表面形成致密的氧化物。,常用铸铁,稀土高硅球墨铸铁、中铝耐蚀铸铁、 高铬耐蚀铸铁。,（四）耐磨合金铸铁,加入合金元素,1）表面造成白