铸铁的结构原理及应用.ppt

课题四 铸 铁,1 铸铁的分类及石墨化 2 灰 铸 铁3 球墨铸铁4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,引 言,从铁碳相图知道，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，工业上常用的铸铁的成分范围是2.54.0%C，1.03.0%Si，0.51.4Mn，0.010.50%P，0.020.20%S，有时还含有一些合金元素，如：Cr、Mo、V、Cu、Al等。虽然铸铁的机械性（抗拉强度、塑性、韧性）较低，但是由于其生产成本低廉，具有优良的铸造性、可切削加工性、减震性及耐磨性，因此在现代工业中仍得到了普遍的应用，典型的应用是制造机床的床身、内燃机的汽缸、汽缸套、曲轴等。铸铁的组织可以理解为在钢的组织基体上分布有不同形状、大小、数量的石墨。,1 铸铁的分类及石墨化,铸铁是指一系列主要由铁、碳和硅组成的合金总称。在这些合金中，碳的质量分数超过了共晶温度时奥氏体中碳的最大固溶量，即wC2.11%。铸铁中除铁、碳和硅以外还含有锰、磷、硫等元素；有时为了提高铸铁的力学性能或获得某种特殊性能，还需向普通铸铁中加入铬、钼、钒、钢、铝等合金元素，从而形成合金铸铁。铸铁的化学成分范围一般为：wC=2.5%4.0%，wSi=1.0%3.0%，wMn=0.4%1.4%，wP=0.1%0.5%，wS=0.020.20%。,1 铸铁的分类及石墨化,铸铁的分类白口铸铁 指碳主要以游离碳化物形式出现的铸铁，断口呈白色，故称为白口铸铁。因为白口铸铁硬度高，脆性大，难切削，所以很少用来制造机械零件，工业中应用较少。,1 铸铁的分类及石墨化,灰口铸铁 指碳主要以石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色，故称为灰口铸铁。根据石墨形态不同，灰口铸铁又分为以下几类：(1)灰口铸铁。碳主要以片状石墨形式出现的铸铁。(2)可锻铸铁。碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁。(3)球墨铸铁。碳主要以球状石墨形式出现的铸铁。(4)蠕墨铸铁。碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。,1 铸铁的分类及石墨化,麻口铸铁 碳部分以游离碳化物、部分以石墨形式出现的铸铁，断口呈灰白色相间，故称麻口铸铁。因其硬度高，脆性大，工业中很少应用。,1 铸铁的分类及石墨化,铸铁的石墨化 1石墨的结构 石墨为稳定相，具有特殊的简单六方晶格，其底面原子呈六方网格排列，原子间距小（1.4210-10m），结合力很强；而底面之间的间距较大（3.0410-10m），结合力较弱。所以石墨的强度、硬度和塑性都很差。,1 铸铁的分类及石墨化,1 铸铁的分类及石墨化,Fe-G相图,1 铸铁的分类及石墨化,对铁碳合金的结晶过程来说，实际上存在两种相图，即Fe3C-Fe和Fe-G相图，铁碳合金结晶条件不同可以全部或部分地按照其中的一种或另一种相图进行结晶.,1 铸铁的分类及石墨化,铸铁的石墨化过程铸铁组织中石墨的形成叫叫“石墨化”过程。第一阶段共晶石墨 第二阶段二次石墨 第三阶段共析石墨,1 铸铁的分类及石墨化,影响石墨化的主要因素 化学成分的影响 C促进石墨化进行，含碳量愈高愈易石墨化，但不能太高，使石墨数量增多，粗化、性能变差，太低易出白口，故2.54.0%C。合金元素：促进石墨化，Si、P等，铸铁中每增加1%的Si共晶点的含碳量相应降低1/3，保证2.54.0%C的铸铁具有好的铸造性能。,P含量大于0.3%后出现Fe3P，硬而脆，细小均匀分布时，提高铸铁的耐磨性，反之连成网，降低铸铁的强度，除耐磨铸铁外，（0.51.0%P）通常铸铁P含量0.3%。阻碍石墨化Mn、S等。S不仅阻碍石墨化，还会降低铸铁的强度和流动性，故其含量应尽量低，一般在0.15%以下，而錳因为可与硫形成MnS，减弱硫的有害作用，同时可促进珠光体基体的形成，从而提高铸铁的强度，故可充许其含量在0.51.4%.,1 铸铁的分类及石墨化,1 铸铁的分类及石墨化,冷却速度的影响 冷却速度愈慢，即过冷度愈小，愈有利于按照Fe-G相图进行结晶，对石墨化愈有利，反之冷却速度愈快，过冷度增大，不利于铁和碳原子的长距离扩散，愈有利于按Fe-Fe3C相图进行结晶，不利于石墨化的进行。生产中铸铁冷却速度可由铸件的壁厚来调态，综合了铸铁化学成分和冷却速度对铸铁组织的影响，可见，碳硅含量增加，壁厚增加易得到灰口组织，石墨化愈完全；反之，碳硅含量减少，壁厚愈小，愈易得到白口组织，石墨化过程越不易进行。,化学成分和壁厚对石墨化的影响,1 铸铁的分类及石墨化,灰铸铁,灰铸铁的化学成分、基体组织及类型灰铸铁的化学成分：wC=2.5%4.0%，wSi=1.0%2.5%，wMn=0.5%1.4%，wS0.15%，wP0.3%。灰铸铁的基体组织：F、F+P、P。灰铸铁组织可简单看成“钢基体”和“石墨夹杂”共同构成。灰铸铁的组织有三种类型：铁素体(F)+片状石墨(G)；铁素体(F)-珠光体(P)+片状石墨(G)；珠光体(P)+片状石墨(G)。,灰铸铁,灰铸铁的显微组织：可以看成是在钢的基体上分布着一些片状石墨,灰铸铁,灰铸铁的性能特点1）优良的铸造性能含碳量高，（2.54.0%C），成分接近共晶点，熔点比钢低得多，流动性好，分散缩孔少，偏析程度小。且在凝固过程中会析出比容较大的石墨，所以收缩率也小，凡无法用锻造成型的形状复杂的零件，汽缸体，变速箱外壳等均可用灰铸铁铸造而成,灰铸铁,2）良好的切削加性石墨使切削容易脆断，同时石墨本身润滑作用减轻刀具的磨损。3）优良的耐磨性与减震性石墨有利于滑润和贮油，磷含量的增加还可形成硬而脆的磷共晶等使铸铁有好的耐磨性。铸铁中的石墨能将震动能转变为热能，从而消震。,灰铸铁,4）较低的机械性灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和疲劳强度都比钢低得多，因为石墨的强度、塑性几乎为零，石墨的存在减小了基体的有效面积，且石墨本身可以看成是一个个孔洞和裂纹，破坏了基体的连续性，所以可把灰铸铁看成是布满孔洞和裂纹的钢。铸铁的硬度和抗压强度主要取决于基体组织，而与石墨无关，抗压强度大大超过抗拉强度（2.54倍），在压力负荷下石墨不起裂纹作用。,灰铸铁,5）缺口敏感性较低由于石墨可以看成是孔洞和裂纹，故灰铸铁对零件表面缺陷和缺口不敏感，即缺口敏感度小。,灰铸铁,提高灰铸铁的机械性能的途径孕育处理(变质处理)为了提高灰铸铁的力学性能，在铁液浇注之前，往铁液中加人少量的孕育剂(如硅铁或硅钙合金)，使铁液中同时生成大量均匀分布的石墨晶核，改变铁液的结晶条件，使灰铸铁获得细晶粒的珠光体基体和细片状石墨组织。这种处理称为孕育处理。经过孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁，也叫变质铸铁。孕育铸铁的强度有很大的提高，并且塑性和韧性也有所提高，常用来制造力学性能要求较高、截面尺寸变化较大的大型铸件。,灰铸铁,灰铸铁的牌号及用途：灰铸铁的牌号由“HT”及数字组成。其中“HT”是“灰铁”两字汉语拼音的第一个字母，其后的数字表示最低的抗拉强度，如HTl00表示灰铸铁，最低抗拉强度是100MPa。灰铸铁具有一定的强度，还具有优良的工艺性能，而且价格低廉，是应用最广泛的铸铁材料。常用来制造各种承受压力及要求有较好的减震性、减摩性和机构复杂的箱体、床身、导轨等。常用灰铸铁的牌号、力学性能及用途见表。,灰铸铁,灰铸铁的牌号、力学性能及用途,灰铸铁,灰铸铁的组织示意图,(a)F+G片,(b)F+P+G片,(c)P+G片,灰铸铁,灰铸铁的热处理热处理只能改变铸铁的基体组织，而不能改变石墨的形状、大小和分布情况。因此，灰铸铁的热处理一般都用于消除铸件的内应力和白口组织，稳定铸件尺寸、改善切削加工性和提高铸件工作表面的硬度及耐磨性。由于石墨的导热性差，铸铁热处理的加热速度比非合金钢要稍慢些。,灰铸铁,(1)消除内应力退火(时效处理)铸件在冷却过程中因各部位的冷却速度不同，往往会产生一定的内应力。铸造应力会引起铸件的变形甚至开裂，因此必须消除铸造应力。消除铸造应力的方法有消除内应力退火和自然时效。消除内应力退火是将铸件缓慢加热到500600，保温一定时间，然后随炉缓冷至300以下出炉空冷。这种退火方法也称为人工时效。对大型铸件可采用自然时效，即将铸件在露天下放置一年以上，使铸造应力缓慢松弛。,灰铸铁,(2)消除白口组织的退火将铸件加热到850950，保持一定时间(一般为25h)，然后随炉冷却至400500出炉空冷，使渗碳体在高温和缓慢冷却中分解，用于消除白口，降低硬度，改善切削加工性。(3)表面淬火表面淬火的目的是提高铸件表面硬度和耐磨性。常用的表面淬火有火焰加热表面淬火、高频与中频感应加热表面淬火和电接触加热表面淬火等。如对机床导轨进行中频感应加热表面淬火，使表面淬火层获得细马氏体基体石墨的组织，其耐磨性就会显著提高。,3 球墨铸铁,球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种新型铸铁，它是经过球化处理后得到的。球化处理的方法是在铁液出炉后、浇注前加入一定量的球化剂(稀土镁合金等)和孕育剂，使石墨呈球状析出。,3 球墨铸铁,化学成分：球墨铸铁的化学成分是：wC=3.6%3.9%，wSi=2.0%3.2%，wMn=0.6%0.8%，wS0.04%，wP0.1%,wMg=0.03%0.05%，wRE=0.03%0.05%等。组织：按基体组织的不同，球墨铸铁的组织可分为四种类型：铁素体(F)+球状石墨(G)，铁素体(F)-珠光体(P)+球状石墨(G)，珠光体(P)+球状石墨(G)，下贝氏体(下)+球状石墨(G)。,。,3 球墨铸铁,图为铁素体球墨铸铁的显微组织,3 球墨铸铁,性能：球墨铸铁的力学性能与基体的类型以及球状石墨的大小、形状及分布状况有关。由于球状石墨对基体的割裂作用最小，又无应力集中作用，球墨铸铁基体的强度、塑性和韧性可以充分发挥，所以，球墨铸铁与灰铸铁相比，有高的强度和良好的塑性与韧性。它的某些性能可以与钢相媲美，如屈服点比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。同时，它还具有灰铸铁的减震性、减磨性和小的缺口敏感性等优良性能。球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好，球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的力学性能就越好。,3 球墨铸铁,球墨铸铁的牌号及用途球墨铸铁的牌号用“QT”符号及其后面两组数字表示“QT”是“球铁”两字汉语拼音的第一个字母，两组数字分别代表其最低抗拉强度和最低断后伸长率。如QT700-2表示球墨铸铁，最低抗拉强度为700MPa，最低断后伸长率为2%。,3 球墨铸铁,表为部分球墨铸铁的牌号、力学性能及用途,3 球墨铸铁,球墨铸铁的热处理球墨铸铁通过各种热处理，可以明显地提高其力学性能。球墨铸铁的热处理工艺性能较好，凡是钢的热处理工艺，一般都适合于球墨铸铁。球墨铸铁常用的热处理工艺有：(1)退火：退火的主要目的是为了得到铁素体基体的球墨铸铁，提高其塑性和韧性，改善切削加工性能，消除内应力。,3 球墨铸铁,(2)正火：正火的目的是为了得到珠光体基体的球墨铸铁，提高其强度和耐磨性。(3)调质：调质的目的是为了得到回火索氏体基体的球墨铸铁，从而获得高的综合力学性能。该工艺适应于受力复杂、要求综合力学性能高的球墨铸铁铸件，如连杆、曲轴等。(4)贝氏体等温淬火：贝氏体等温淬火是为了得到贝氏体基体的球墨铸铁，从而获得高强度、高硬度和高韧性的综合力学性能。该工艺适用于形状复杂、易变形或易开裂的球墨铸铁铸件，如齿轮、凸轮轴等。,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是20世纪60年代开发的一种铸铁材料。它是用高碳、低硫、低磷的铁液加入蠕化剂(镁钛合金、镁钙合金等)，经蠕化处理后获得的高强度铸铁。,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,蠕墨铸铁的组织示意图,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,蠕墨铸铁的化学成分 蠕墨铸铁碳硅含量较高，化学成分一般为：wC=3.5%3.9%，wSi=2.2%2.8%，wMn=0.4%0.8%，wS0.1%，wP0.1%。蠕墨铸铁的组织 蠕墨铸铁中的石墨呈短小的蠕虫状，其形状介于片状石墨和球状石墨之间。蠕墨铸铁的显微组织有三种类型：铁素体(F)+蠕虫状石墨(G)；珠光体(P)-铁素体(F)+蠕虫状石墨(G)；珠光体(P)+蠕虫状石墨(G)。,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,蠕墨铸铁的性能:蠕墨铸铁的力学性能优于基体相同的灰铸铁而低于球墨铸铁。蠕墨铸铁在铸造性能、减震性、耐热性能等方面比球墨铸铁好；切削加工性与球墨铸铁相似，比灰铸铁稍差。,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,蠕墨铸铁的牌号及用途蠕墨铸铁的牌号用“RuT”符号及其后面数字表示。“RuT”是蠕铁两字汉语拼音的第一个字母，其后数字表示最低抗拉强度。如RuT300表示蠕墨铸铁，最低抗拉强度为300MPa。,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,蠕墨铸铁的牌号、力学性能,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,可锻铸铁 可锻铸铁俗称玛钢、马铁。蠕墨铸铁的生产过程是：首先浇注成白口铸铁件，然后经可锻化退火（可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨）而获得可锻铸铁件。,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,可锻铸铁的化学成分 为了保证铸件在一般冷却条件下获得白口组织，又要在退火时容易使渗碳体分解为团絮状石墨，要求严格控制铁水的化学成分。与灰铸铁相比，可锻铸铁中碳、硅的质量分数低一些。可锻铸铁的化学成分是:wC=2.2%2.8%，wSi=1.0%1.8%，wMn=0.3%0.8%，wS0.2%，wP0.1%。,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,可锻铸铁的组织 可锻铸铁的组织有二种类型：铁素体(F)+团絮状状石墨(G)；珠光体(P)+团絮状石墨(G)。将白口铸铁件加热到910960，经长时间保温，使组织中的渗碳体分解为奥氏体和石墨(团絮状)，然后缓慢降温，奥氏体将在已形成的团絮状石墨上不断析出石墨。当冷却至共析转变温度范围(720770)时，缓慢冷却，得到以铁素体为基体的黑心可锻铸铁(称为铁素体可锻铸铁)。如果在通过共析转变温度时的冷却速度较快，则得到以珠光体为基体的可锻铸铁(称为珠光体可锻铸铁)。,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,可锻铸铁可锻化退火工艺曲线,黑心可锻铸铁显微组织,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,可锻铸铁的性能:由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小，因此它的力学性能比灰铸铁高，塑性和韧性好，但可锻铸铁并不能进行锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性。,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,可锻铸铁的牌号及用途其牌号“KT”“可锻铸铁”、“KTH”黑心可锻铸铁。“KTB”白心可锻铸铁，“KTZ”珠光体可锻铸铁。它们后面的数字分别表示最低抗拉强度（Mpa）和最低延伸率。如：KTH350-10表示最小抗拉强度为350Mpa，最低延伸率为10的黑心可锻铸铁。KTB380-12 bmin=380 Mpa min=12白心可锻铸铁。KTZ450-06 bmin=450 Mpa min=6的珠光体可锻铸铁。通常用在形状复杂，要求承受冲击裁荷的薄壁零件，如：汽车拖拉机的前后轮壳，减速器壳等.,8-4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,可锻铸铁的牌号、力学性能及用途,4 蠕墨铸铁与可锻铸铁,合金铸铁随着铸铁在现代工业中的广泛应用，对其性能的要求愈来愈高，不仅要求具有更高的机械性能，有时还应具有某些特殊的性能如耐热性、耐蚀性及耐磨性等，为使其具有这些特殊性能，向铸铁中加入合金元素，这种加入了合金元素的铸铁即合金铸铁，如：高强度合金铸铁，耐热合金铸铁、耐磨合金铸铁、耐蚀合金铸铁等。,小 结,铸铁分类：白口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁和合金铸铁。影响石墨化的因素：化学成分和冷却速度。,小 结,灰铸铁的孕育处理：在浇注前向铁水中加入少量的孕育剂（如硅铁、硅钙合金等），改变铁水的结晶条件，从而得到细小均匀分布的片状石墨和细小的珠光体组织。目的是提高灰铸铁的强度。常用铸铁（灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁）的牌号、组织特征及用途。,小 结,学习方法建议：牢固记忆铸铁的分类和各种铸铁的牌号。各种铸铁的性能特点和用途等内容不能死记硬背，要注意对铸铁组织、性能、用途三者关系的理解。学习过程中，要注意各种铸铁的组织、性能、用途的比较和对比，加深对各种铸铁的印象，以便在生产实践中正确使用铸铁材料。,