机械工程材料课件第八章

1、第八章 铸铁,第一节 铸铁的石墨化 第二节 灰铸铁 第三节 球墨铸铁 第四节 蠕墨铸铁 第五节 可锻铸铁 第六节 合金铸铁,概述,铸铁是碳含量大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。 铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，并具有许多优良的使用性能和工艺性能，所以应用非常广泛，是工程上最常用的金属材料之一。它可用于制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等。,铸铁的分类,按照碳的存在形式，铸铁可分为： 碳以渗碳体形式存在的，称为白口铸铁； 碳以石墨形式存在的，称为灰口铸铁；,铸铁的分类,按照石墨的形态,铸铁可分

2、为: 石墨呈片状的铸铁,称灰铸铁； 石墨呈团絮状的铸铁称可锻铸铁； 石墨呈球状的铸铁称球墨铸铁； 石墨呈蠕虫状的铸铁称蠕墨铸铁。,第一节 铸铁的石墨化,一 铁碳合金双重相图 二 石墨化过程 三 影响石墨化的因素,返回到章,铁碳合金双重相图,在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：一是固溶在F、A中，二是化合物态的渗碳体(Fe3C)，三是游离态石墨（G）。渗碳体为亚稳相，具有复杂的斜方结构。在一定条件下能分解为铁和石墨（Fe3C3Fe+G）。 石墨为稳定相，其强度、硬度和塑性都很差。,返回到节,铁碳合金双重相图,铸铁的石墨化,铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。 石墨既可以从液体和奥氏体中析

3、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由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得到。,铸铁的石墨化,按照FeG相图，可将铸铁的石墨化过程分为三个阶段： 第一阶段石墨化： 铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶铸铁）和在1154通过共晶反应形成共晶石墨。 第二阶段石墨化 ：在1154738温度范围内奥氏体沿ES线析出二次石墨。 第三阶段石墨化 ：在738通过共析反应析出共析石墨。,返回到节,影响铸铁石墨化的因素可分为内因和外因两个方面，内因是化学成分，外因是冷却速度。,影响石墨化的因素,内因-化学成分,分为促进石墨化和阻碍石墨化二类。 1、 C

4、、Si为强烈促进石墨化的元素。 石墨本身就是碳，所以碳含量越高，石墨化越容易，石墨越多； 硅能减弱碳和铁的亲合力，不利于渗碳体的析出，从而促进了石墨化； 在铸铁中，1%Si对石墨化的作用相当于1/3%C，所以有： 碳当量CE=C%+1/3Si%,内因-化学成分,2、 S 是阻碍石墨化的元素。硫强烈促进白口化，并使铸铁的铸造性能和机械性能恶化。少量硫即可生成FeS(或MnS)。FeS与铁形成低熔点(约980)共晶体，沿晶界分布。因此限定硫的含量在0.15%以下。 锰是阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体中，增强铁、碳原子间的结合力，扩大奥氏体区，阻止共析转变时的石墨化，促进珠光体基体的形成。锰

5、还能与硫生成MnS，减少硫的有害作用。锰含量一般为0.5%1.4%。,内因-化学成分,磷是促进石墨化的元素。 铸铁中磷含量增加时，液相线降低，从而提高了铁水的流动性。在铸铁中，磷含量大于0.3%时，常常形成二元或三元磷共晶体，其性能硬而脆，降低铸铁的强度，但提高其耐磨性。所以，要求铸铁有较高强度时，要限制磷含量（一般在0.12%以下），而耐磨铸铁则要求有一定的磷含量（可达0.3%以上）。,外因-冷却速度,在生产过程中，铸铁的冷却速度越缓慢，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。 在其它条件一定的情况下，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，反之亦然； 在生产，铸件的

6、表面和薄壁处常形成白口组织，使切削加工困难，就是由于这个原因造成的。,影响石墨化的因素,铸件壁厚/mm,铸件壁厚(冷却速度）和化学成分对铸铁组织的影响,碳硅当量,10,20,30,40,50,60,70,4.0,6.0,5.0,7.0,F+G,P+G,P+F+G,Fe3C,Fe3C+P,第二节 灰铸铁,一 灰铸铁的化学成分、组织和性能 二 灰铸铁的孕育处理 三 灰铸铁的牌号和应用 四 灰铸铁的热处理,返回到章,灰铸铁的化学成分,碳含量一般控制在： 2.5%4.0% 硅含量一般控制在：1.0%2.0%。,灰铸铁的组织,灰铸铁的力学性能,灰口铸铁的抗拉强度和塑性都很低，这是石墨对基体的严重割裂所致

7、。石墨强度、韧性极低，相当于钢基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效截面，并引起应力集中。石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，其抗拉强度越低 孕育处理可细化石墨片，减轻其对基体的割裂作用，因而提高铸铁的强度，但塑性无明显改善。,返回到节,灰铸铁的工艺性能,石墨的存在，使铸铁具备某些优良的工艺性能 因石墨的存在，造成脆性切屑，铸铁的切削加工性能优异。 灰铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少了铸件体积的收缩，降低了铸件中的内应力。 石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。 石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的减振性能。 大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺

8、口不敏感。,灰铸铁的孕育处理,经孕育处理（亦称变质处理）后的灰铸铁叫做孕育铸铁。 孕育的目的是：使铁水内同时生成大量均匀分布的非自发核心，以获得细小均匀的石墨片，并细化基体组织，提高铸铁强度；避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的均匀性。 孕育铸铁具有较高的强度和硬度，可用来制造机械性能要求较高的铸件，如汽缸、曲轴、凸轮、机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。,返回到节,灰铸铁的牌号,灰铸铁的牌号由HT+三位数字组成： 其中HT是灰铁的汉语拼音缩写；数字代表铸铁的抗拉强度。 如HT200表示最低抗拉强度为200M Pa的灰铸铁。 最小的灰铁是HT100，往上以50为间隔递增，最

9、大为HT350。,返回到节,灰铸铁的应用,四、灰铸铁的热处理,热处理不能改变石墨的形态和分布，对提高灰口铸铁整体机械性能作用不大，因此生产中主要用来消除铸件内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。,返回到节,四、灰铸铁的热处理,消除内应力退火（又称人工时效）。 一些形状复杂和尺寸稳定性要求较高的重要铸件，如机床床身、柴油机汽缸等，为了防止铸件的变形和开裂，须进行消除内应力退火。 消除铸件白口、降低硬度的退火。 灰口铸铁件表层和薄壁处产生白口组织难以切削加工，需要退火以降低硬度。退火在共析温度以上进行，使渗碳体分解成石墨，所以又称高温退火。 表面淬火 。有些铸件如机床导轨、缸体内壁等，因需要

10、提高硬度和耐磨性，可进行表面淬火处理，如高频表面淬火，火焰表面淬火和激光加热表面淬火等。淬火后表面硬度可达50HRC55HRC。,第二节 球墨铸铁,球墨铸铁的石墨呈球状，使其具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性。其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，在工业中得到了广泛的应用。,返回到章,球墨铸铁的化学成分,球墨铸铁的成分要求比较严格，有“两高三低”之说,即 “高碳、高硅，低锰、低磷和低硫” 。一般范围是： 3.6%3.9%C, 2.2%2.8%Si, 0.6%0.8%Mn, 0.07%S, 0.1%P。,球墨铸铁的的球化处理,一般在浇注之前，在铁液中加入少量球化剂（通常为

11、镁、稀土镁合金或含铈的稀土合金）和孕育剂（通常为硅铁），使铁水凝固后形成球状石墨。,球墨铸铁的的球化处理,球墨铸铁的的球化处理必须伴随着孕育处理，通常是在铁水中同时加入一定量的球化剂和孕育剂。 我国普遍使用稀土镁球化剂。镁是强烈阻碍石墨化的元素，为了避免白口，并使石墨球细小、均匀分布、一定要加入孕育剂。常用的孕育剂为75%硅铁和硅钙合金等。,球铁的组织,球铁的性能,球墨铸铁是一种具有优良机械性能的灰口铸铁，球铁的强度和韧性比其他铸铁高。 不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体高50%以上，而铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体基的3-5倍。球墨铸铁还具有较好的疲劳强度

12、。,返回到节,球墨铸铁的牌号,球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和伸长率。 如QT420-10、QT600-2、QT800-2,返回到节,球墨铸铁的应用,有时可代替铸钢和可锻铸铁在机械制造工业中得到了广泛应用。 可以用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆、轴等。,球墨铸铁的应用,球墨铸铁的热处理,退火： 900950、2h5h 。目的在于获得铁素体基体，并改善切削性能，消除铸造应力。,正火 880920，空冷。 目的在于得到珠光体基体（占基体75%以上），并细化组织，提高强度和耐磨性。,球墨铸铁的热处理,调质 要求综合机械性能较高的球墨铸铁零件，如连杆、曲轴

13、等，可采用调质处理。 其工艺为：加热到850900，使基体转变为奥氏体，在油中淬火得到马氏体，然后经550600回火，空冷，获得回火索氏体+球状石墨。回火索氏体基体不仅强度高，而且塑性、韧性比正火得到的珠光体基体好。,第三节 蠕墨铸铁,蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的，其方法与程序与球墨铸铁基本相同。 蠕化剂目前主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。,返回到章,蠕墨铸铁的化学成分,一般成分范围如下： 碳=3.5%3.9% 硅=2.1%2.8% 锰=0.4%0.8% 硫0.1% 磷0.1%,蠕墨铸铁的组织,蠕墨铸铁的组织,蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形

14、态，在光学显微镜下为互不相连的短片，与灰口铸铁的片状石墨类似。所不同的是，其石墨片的长厚比较小，端部较钝。,蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性。,蠕墨铸铁的性能,蠕墨铸铁牌号、性能以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度，如 RuT300、RuT420,返回到节,蠕墨铸铁的性能,蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器。内燃机、汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。,蠕墨铸铁的应用,7.4 可锻铸铁,可锻铸铁又称为马铁、马钢； 它是由白口铸铁通过石墨化退火处理得到的一种高强铸铁。它有较

15、高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。 可锻铸铁不可锻！,返回到章,可锻铸铁的化学成分,碳=2.2%2.8% 硅=1.0%1.8% 锰=0.4%1.2% 硫0.18% 磷0.2%,可锻铸铁的组织,返回到节,可锻铸铁的牌号,可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体。 铁素体可锻铸铁以“KTH”表示，珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和伸长率。 KTH350-10、KTZ600-3,可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。,可锻铸铁的应用,第五节 合金铸铁,返回到章,在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性

16、能的合金铸铁。,耐磨铸铁,在磨粒磨损条件下工作的铸铁应具有高而均匀的硬度。白口铸铁就属这类耐磨铸铁。但白口铸铁脆性较大，不能承受冲击载荷，因此在生产中常采用激冷的办法来获得激冷铸铁。即用金属型铸造铸件的耐磨表面，其它部位采用砂型。同时调整铁水的化学成分，利用高碳低硅，保证白口层的深度，而心部为灰口铸铁组织，有一定的强度。用激冷方法制造的耐磨铸铁，已广泛应用于轧辊和车轮等的铸造生产。,耐磨铸铁,为了进一步改善珠光体灰口铸铁的耐磨性，常将铸铁的磷含量提高到0.4%0.6%(高磷铸铁），生成磷共晶（F+Fe3P, P+Fe3P或F+P+Fe3P），呈断续网状的形态分布在珠光体基体上，磷共晶硬度高，有利于耐磨。在此基础上，还可加入Cr、Mo、W、Cu等合金元素，改善组织，提高基体强度和韧性，从而使铸铁的耐磨性能等得到更大的提高，如高铬耐磨铸铁、奥贝球墨铸铁等都是近十几年来发展起来的新型合金铸铁。,耐热铸铁,在高温下工作的铸铁，如炉底板、换热器、坩埚、热处理炉内的运输链条等，必须使用耐热铸铁。加入Al、Si、Cr等元素，一方面在铸件表面