机械工程材料第十章铸钢和第十一章铸铁

1、机械工程材料,哈尔滨工业大学(威海)，材料科学与工程学院,铸钢轧机机架，加工后198t,铸造的特点 ： 1、适应性强,司母戊青铜方鼎,中国古代货币,2、利用某些合金特性(如耐磨用高锰钢) 3、精度高 4、成本低,各种铸造方法的尺寸精度和表面粗糙度,金属铸造成形的缺点,第三篇 铸钢与铸铁,第十章 铸钢,第十一章 铸铁,按化学成分，包括：铸造碳钢和铸造合金钢。 按用途，包括：铸造特殊钢(耐磨钢、不锈钢及耐 热钢等)和铸造工具钢(如铸造高速钢)等。,其强度、塑性及韧性 优于灰口铸铁（使用性能） 铸钢铸造性能比铸铁差。 流动性差、易氧化、收缩 大、产生缺陷倾向大。,应用：量大、形状复杂、对性能要求不高

2、的零件。,第十章 铸钢,第一节 铸造碳钢,铸造碳钢含碳量在0.12%-0.62%之间，多属亚 共析钢。 硫、磷为铸钢的有害杂质。,铸钢属亚共析钢,铸造过程属于非平衡结晶，且铸态组织为粗大的魏氏体组织。,魏氏体组织特征：先共析铁素体呈针状插向奥氏体晶粒内部。,1、组织 魏氏体降低钢的韧性,改善组织方法：通过退火和正火消除魏氏体组织。,影响铸造碳钢的因素,2、化学成分 降低硅锰硫磷含量，使碳成为影响机械性能的主要元素。,改善碳钢铸件的组织与性能，通常进行完全退火、 正火或正火+回火处理。 目的：细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力。,铸造碳钢淬透性低，且性能相对较差时，需要合金 化。 常用元素有Mn、

3、Si、Mo、Cr、Ni、Cu等。 根据合金元素量：铸造低合金钢、铸造高合金钢。,第二节 铸造合金钢,铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉、减震性好、耐磨、易切削、流动性好等优点，因而是应用最广泛的材料之一。 塑性差，不能锻造。,铸铁是含碳量大于2.14%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。,第十一章 铸铁,铸铁曲轴,例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造。,Le为A和Fe3C的机械混合物(蜂窝状)，Le为P和Fe3C的机械混合物,Fe-Fe3C 和 Fe-G (石墨)双重相图。 Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：,Fe3C3Fe+C（石

4、墨） 一般为片状,球墨铸铁,石墨化：铸铁中石墨的形成。,第一节 灰口铸铁,第二节 可锻铸铁,第三节 球墨铸铁,第四节 特殊性能铸铁,铸铁中的碳除少量固 溶于基体中外，主要 以化合态的渗碳体 (Fe3C)和游离态的 石墨(G)两种形式存 在。,第一节 灰口铸铁,灰口铸铁中全部或大 部分碳以石墨形式存 在，断口呈灰色。,珠光体灰铸铁,铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出，也可以由渗碳体加热时分解得到。 铸铁石墨化的条件： 1、极其缓慢的冷却速度 2、具有促进石墨形成的元素 灰口铁一般时结晶过程得到的铸铁 结晶过程中，形成石墨的阶段有哪些？,石墨化分三个阶段： 在1153oC左右通过共晶反应形成石墨

5、(G)； 1153-738oC范围自奥氏体中析出二次石墨(GII)； 738oC时，共析反应形成石墨。,高温条件下，碳 原子扩散能力 大，容易转变为 石墨，因此前两 个转变阶段容易 实现。,铁素体灰铸铁,如果铸铁三个阶段石墨化全部完成， 其组织为：铁素体+石墨。,铁素体加珠光体灰铸铁,如果铸铁前两个阶段石墨化完成， 第三阶段部分进行， 组织为：铁素体+珠光体+石墨。,珠光体灰铸铁,如果铸铁前两个阶段石墨化完成，第三阶段 完全被抑制 其组织为：珠光体+石墨。,二、影响灰口铸铁组织的因素 主要因素：化学成分及冷却速度 化学成分 碳、硅含量越高，越易得到充分的石墨化。 Al、Cu、Ni、Co等元素也

6、促进石墨化。,S、Mn、Cr、W、 Mo、V等元素阻止 石墨化。, 冷却速度的影响 铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，而促进 石墨化。,快冷时由于过 冷度大，结晶 将按 Fe-Fe3C 相图进行, 不 利于石墨化。,第三阶段完全 被抑制，第二 阶段部分或全 部受抑制。,铸铁与铸钢的强度比较,三、灰口铸铁的性能 力学性能：取决于基体组织和石墨含量和形态 石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基 体的连续性，且易导致应力集中，导致拉伸载荷下 力学性能低； 压缩时，基体起主要的作用，因此性能较好。, 耐磨性能好。 石墨本身有润滑作用。 消振性能好。 由于组织疏松，可以吸收振动能量。 铸造性能好。

7、 由于铸铁硅含量高, 成分接近于共晶。 切削性能好。 由于石墨使切屑容易脆断脱离工件，因此不粘刀。,四、灰口铸铁的牌号和用途,五、灰口铸铁的变质处理,石墨含量和尺寸越大，灰口铸铁性能越差。 可通过减少硅、碳量来限制石墨含量，但应防止 白口铁出现； 措施：一般通过向浇注铁水中加入变质剂(硅铁和 硅钙合金)，促进异质形核，增加形核数量，可获 得高强度变质铸铁，这一过程称变质处理或孕育处 理。,经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。,石墨得到细化，强度得到大幅提高，塑性和 韧性亦有改善。,2、热处理 热处理只改变基体组织， 不改变石墨形态。 且只能用来消除铸件内应 力、稳定尺寸、改善切削 加工性和提高铸件

8、表面耐 磨性。,1、消除应力的退火（低温退火或时效） 防止变形开裂，保证尺寸稳定。 退火工艺：加热速度50100oC/h，加热温度500600oC，保温48h，缓冷。,2、 改善切削加工性的退火（高温退火 ） 降低硬度，防止产生白口组织 退火工艺：加热到850900 oC，保温25h， 缓冷至400500 oC，出炉空冷。,3、表面淬火 提高表面硬度和耐磨性，如机床导轨表面。,感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 点接触电加热表面淬火,用途 制造承受压力和震动的零 件，如机床床身、各种箱 体、壳体、泵体、缸体。,性能：强度优于灰口铸铁，塑性、韧性较好。 制造分为两步： (1)先浇注成白口铸铁；

9、(2)石墨化退火,可锻铸铁：白口铸铁在固态下经长时间石墨 化退火而得到的团絮状石墨的铸铁。石墨化 过程是渗碳体在固态下分解而形成。,第二节 可锻铸铁,可锻铸铁石墨化退火工艺曲线,退火工艺：白口铸铁加热至 900-980oC，保温15h， 渗碳体分解获得奥氏体和团 絮状石墨组织；随后缓冷， 奥氏体沿团絮石墨再析出二 次石墨；直至共析温度 750-720oC，奥氏体分解 为铁素体和石墨。,可锻铸铁的石墨化退火,铁素体可锻铸铁,珠光体可锻铸铁,可锻铸铁分为： 铁素体可锻铸铁 和珠光体可锻铸铁。,可锻铸铁石墨化退火工艺曲线,用途 由于具有相对较高的塑性、 韧性，可用于制造形状复杂 且承受振动载荷的薄壁

10、小型 件，如汽车、拖拉机的前后 轮壳、管接头、低压阀门等。,由液态铁水中加入球化剂和孕育 剂，经石墨化得到。 球化剂为镁、稀土和稀土镁。 常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。,第三节 球墨铸铁,球墨铸铁：石墨呈球形的灰口铸铁。,一、球铁的化学成分、组织与性能 成分：与灰口铸铁比，C、Si含量较高，Mn较 低，S、P限制较严。,组织：基体（F、F+P、P）+ 球状G,C、Si含量较高目的：得到共晶成分，增加流动 性，细化石墨，提高石墨圆整度。,限制S目的：S可消耗球化元素。,铁素体球墨铸铁,组织：基体F+ 球状G,球墨铸铁中的石墨球,切口作用减弱， 因此球铁拉伸、 弯曲强度和塑性 比灰口铸铁和可 锻铸铁

11、高。,珠光体球墨铸铁,组织：基体P+ 球状G,铁素体加珠光体球墨铸铁,组织：基体F+P+ 球状G,二、球铁的牌号及用途,三、球铁的热处理,球墨铸铁可进 行各种热处 理，如退火、 正火、淬火加 回火、等温 淬火等。,消除应力退火： 加热到550600 oC ，保温后空冷。 可消除90-95%内应力，提高塑性和韧性。,一、球铁的 退火 目的：消除铸造应力和白口组织,消除白口退火： 只完成石墨化第一、二阶段，得到珠光体+G组织； 完成前两阶段石墨化，并进行了第三阶段石墨化，可得到铁素体+珠光体+G。 通过控制保温时间和冷却条件，可控制铁素体和珠光体比例。,1 高温正火（完全奥氏体化正火） 将工件加热到880920 oC，完全奥氏体化，保温3h左右，空冷，得到P+G 组织 2 低温正火（不完全奥氏体化正火） 将工件加热到840880 oC，不完全奥氏体化，保温一定时间，空冷，得到F+P+G组织,正火后为消除铸件中产生的内应力，可增加一次去应力退火（回火），加热到500-600 C ，保温34h，空冷。,二、球铁的正火 目的：得到珠光体基体，以提高球墨铸铁强度，硬度和耐磨性,三、 球铁的淬火及回火,对要求综合力学性能较高的零件，如连杆、曲轴等，可采