1、第八章 铸铁,铸铁的概念 铸铁与钢相比有何特点。 石墨化的概念,影响石墨化的因素 铸铁的分类和组织、用途 石墨形态对铸铁性能的影响,铸铁:含碳量超过2.11%的铁碳合金。 工业上常用铸铁成分: C;2.4-4.0%,Si:0.6-3.0%,Mn:0.4-1.2%,P0.3%,S 0.15%。,第一节 概论,特点: 机械性能较差 耐磨性好 减震性好 缺口敏感性低 铸造性能和切削加工性能良好 价格低廉。,石墨暴露在零件表面,石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞,缺口敏感性低,应用: 广泛应用于机械制造、冶金、石油化工、交通运输等部门。尤其在机床制造(制造机床床身、导轨)工业用量很大。,机械2006.11
2、.23,一般来说,铸铁中的碳以石墨形式存在时,才能被广泛应用。,一、 石墨化,石墨化铸铁中的碳以石墨的形式析出的过程, 称为石墨化。,石墨化程度 ,石墨(G)数量 ,基体中P数量 所以,石墨化程度决定了铸铁的组织.,二、铸铁的石墨化,石墨的结构及性能 石墨是C的一种结晶形态,具有六方晶格。Wc=100% 石墨本身的强度和塑性非常低。(b=20MPa;0),1、FeFe3C与FeC双重相图,组织松软,可起润滑剂作用。 石墨是稳定相(Fe3C是亚稳定相),石墨析出的条件: (1)含碳、硅较高的铁水在缓冷时直接析出石墨。 (2)已经形成的渗碳体在高温长时间退火可使渗碳体分解析出石墨碳。,因此,要描述
3、铁碳合金的相图应有两个。即可用FeFe3C(图中实线)与FeC(图中虚线),由图可见,虚线在实线上方,表明FeC系较FeFe3C系更为稳定。,在同一温度下,石墨在液相、奥氏体和铁素体中的溶解度分别低于渗碳体在这些相中的溶解度。,同时,FeC系的共晶温度比FeFe3C系相应的温度要高。,复线铁碳相图,是在实线的Fe-Fe3C相图上再叠加上虚线的Fe-G相图,不同点在于: (1)Fe- C共晶、共析温度高些,1154,738 (2)Fe- C共晶、共析成分左移,4.26%,0.68%(3)溶解度曲线向左移, 2.08%(4)液相线CD稍高于Fe-Fe3C相图共晶:Lcl- C +AE (1154)
4、共析:As1- C +F (738),2、石墨化的过程,石墨化:铸铁中的碳以石墨形态析出的过程称为石墨化。,一次结晶和共晶石墨化,共析石墨化,二次结晶(1154738),石墨化第一阶段,三次结晶( 738 室温),石墨化第二阶段,铸铁中析出碳原子形成石墨的过程,按FeC相图结晶的过程。 石墨化过程分为二个阶段: 第一阶段:高于共析转变温度的石墨化称石墨化第一阶段。,在1154时通过共晶反应而形成石墨LeA+C 在1154738冷却过程中,由奥氏体中不断析出2次石墨即C2 AA+CII (1154738),石墨化第一阶段:,第二阶段:共析转变或低于共析转变温度的石墨化称石墨化第二阶段。 在738
5、通过共析反应形成石墨 AsFp+C,缓慢冷却有利于扩散,石墨化过程可充分进行,结晶的石墨又多又大; 而快冷则阻碍石墨化,促使白口化。,影响石墨化的主要因素是铸铁的成分和冷却速度。,促进石墨化的元素:碳和硅是强烈的促进石墨化元素。 P促进石墨化微弱。 阻碍石墨化的元素:硫、锰。加锰Mn+SMnS,削弱硫的危害。,1成分的影响,2冷却速度的影响,铸铁的冷却速度主要决定于铸件的壁厚和铸型材料。 例如铸铁在砂型中冷却比在金属型中冷却慢;铸件越厚,冷却越慢。这样的铸件有利于石墨化。,铸铁的组织和性能随壁厚的变化而变化的现象称为壁厚敏感性,点击播放动画,三、铸铁分类,灰口铸铁,麻口铸铁,白口铸铁,铸铁分类
6、,绝大多数C以石墨形式存在,断口呈暗灰色。应用广泛。,绝大多数C以FeC3形式存在,断口呈银白色。无使用价值。,石墨化程度介于灰口铸铁和白口铸铁之间,应用很少。,根据石墨化程度不同,灰口铸铁按石墨的形态分类:,灰铸铁,可锻铸铁,球墨铸铁,灰口铸铁,蠕墨铸铁,片状石墨,团絮状,球状,蠕虫状,石墨形态,石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞,减少基体有效截面积,引起应力集中。片状石墨引起严重应力集中,团絮状和球状作用轻。 变质处理后,石墨片细化,割裂作用减轻,强度提高。 蠕墨铸铁,端部钝,强度、塑性提高。 可锻、球状铸铁中石墨对基体割裂作用小,强度、塑性提高,石墨形态对铸铁性能的影响,82 常用铸铁,一、
7、 灰铸铁,碳大部或全部以石墨形式存在,其断口呈暗灰色,故称为灰铸铁。灰铸铁是一种价格便宜的结构材料,在铸铁生的中,灰铸铁产量约占80%以上。,(一)、灰铸铁的成分、组织与性能 成分:灰铸铁的化学成分一般为:C:2.7%3.6%,Si:1.0%3%, Mn:0.4%1.2%,S0.15%;P0.3%。 组织:由金属基体和片状石墨两部分组成。根据石墨化进行的程度不同,可分为三种不同基体组织的灰铸铁:(1)铁素体灰铸铁(铁素体+片状石墨);(2)铁素体珠光体灰铸铁(铁素体+珠光体+片状石墨);(3)珠光体灰铸铁(珠光体+片状石墨)。,灰 铸铁 的显 微组 织,性能:灰铸铁的性能与普通碳钢相比,具有如
8、下特点: 机械性能:机械性能较差 耐磨性好 减震性好 缺口敏感性低 铸造性能和切削加工性能良好,(二)、灰铸铁的孕育处理孕育处理(或称变质处理):在浇注前往铁水中投加少量硅铁、硅钙合金等作孕育剂,使铁水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。经过孕育铸铁称为孕育铸铁,其不仅强度有很大提高,而且塑性和韧性也有所改善。因此,孕育铸铁常用作力学性能要求较高、截面尺寸变化较大的大型铸铁件。,常对灰铸铁进行孕育处理,以细化片状石墨。 常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。 经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。,灰铸铁的牌号由“灰铁”两字的汉语拼音字母字头“HT”及后面一组数字组成,数字表示最低抗拉强度
9、。如:HT200表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁.,HT200,灰铁,最低抗拉强度,(三)、灰铸铁的牌号及用途,3、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。,-,四、灰铸铁的热处理灰铸铁可以通过热处理改变基体组织,但不能改变石墨的形态和分布,因而对提高灰铸铁的力学性能作用不大。灰铸铁的热处理主要是为了减小铸铁的内应力,提高表面硬度和耐磨性等。,常用的热处理工艺有以下几种: 1去应力退火 消除铸造内应力,防止铸件开裂惑减少变形 2表面淬火 有些铸铁件如机床导轨、缸体内壁,因要求较高的表面硬度和耐磨性,要进行表面淬火。淬火后表面的硬度可达5055HRC。 3消
10、除铸件白口,降低硬度的退火常用高温退火(石墨化退火)来降低其硬度,便于切削加工。,可锻铸铁俗称玛钢、马铁。可锻铸铁的制作过程是:先铸造成白口铸铁,再进行“可锻化”退火将渗碳体分解为团絮状石墨,得到铁素体基体加团絮状石墨或珠光体(亦或珠光体及少量铁素体)基体加团絮状石墨。,二、 可锻铸铁,由于石墨呈团絮状,减轻了石墨对金属基体的割裂作用和应力集中。可锻铸铁相对灰铸铁有较高的强度,塑性和韧性也有很大的提高,因其具有一定的塑性变形的能力,故得名可锻铸铁。,特别注意:实际上可锻铸铁并不能锻造.,(一)、可锻铸铁的组织与性能为了保证在一般冷却条件下获得白口铸铁件,又要在退火时使渗碳体易分解,并呈团絮状石
11、墨析出,就要严格控制铁水的化学成分。与灰铸铁相比,碳和硅的含量要低一些,以保证铸件获得白口组织。但也不能太低,否则退火时难以石墨化,延长退火周期。可锻铸铁的成分一般为:C:2.2%2.8%,Si:1.2%1.8%,Mn:0.4%0.6%,P0.1%,S 0.25%。,铁素体基体的可锻铸铁,珠光体基体的可锻铸铁,可锻铸铁分类,可锻铸铁断口呈黑灰色,俗称黑心可锻铸铁,这种铸铁件的强度与塑性与韧性均较灰口铸铁的高,非常适合铸造薄壁零件,是最为常用的一种可锻铸铁。,可锻铸铁件断口呈白色,俗称白心可锻铸铁,这种可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性,塑性和韧性则较低。应用不多。,可锻铸铁的牌号是由三个字母
12、及两组数字组成。前两个字母“KT”是“可铁”两字的汉语拼音的第一个字母,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伸长率的数值。 如KTH30006表示黑心可锻铸铁,其最低抗拉强度为300MPa,最低伸长率为6%。KTZ45006表示珠光体可锻铸铁,其最低抗拉强度为450MPa,最低伸长率为6%。,KTH30006,黑心可锻铸铁,最低抗拉强度,伸长率,(二)可锻铸铁的牌号及用途,可锻铸铁具有铁水处理简单、质量稳定、容易组织流水生产、低温韧性好等优点,广泛应用于汽车、拖拉机制造行业,常用来制造形状复杂、承受冲击载荷的薄壁、中小型零件。,用途 用于制造形状复杂且承受振动载荷的
13、薄壁小型件,如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。,三、 球墨铸铁铁水经过球化处理而使石墨大部分或全部呈球状的铸铁称为球墨铸铁。 球化处理是在铁水浇注前加入少量的球化剂(如纯镁、镁合金、稀土硅铁镁合金)及孕育剂,使石墨以球状析出。,点击播放动画,球墨铸铁的显微组织,(一)、球墨铸铁的组织与性能,点击播放动画,球状铸铁的化学成分一般为:C:3.6%,Si:2.0%3.9%,Mn:0.6%0.8%,S0.07%,P0.1%。与灰铸铁相比,它的碳、硅含量较高,以有利于石墨球化。,球墨铸铁按其基体组织不同,可分为: (1)铁素体球墨铸铁; (2)铁素体珠光体球墨铸铁; (3)珠光体球墨铸铁三种
14、。,由于球墨铸铁中的石墨呈球状,其割裂基体的作用及应力集中现象大为减小,可以充分发挥金属基体的性能,所以,它的强度和塑性已超过灰铸铁,接近铸钢。,(二)球墨铸铁的牌号及用途,QT40018,球铁,最低抗拉强度,伸长率,球墨铸铁的牌号是由“球铁”两字的汉语拼音的第一个字母“QT”及两级数字组成,两组数字分别代表其最低抗拉强度和伸长率。如QT40018表示球墨铸铁,其最低抗拉强度为400MPa,最低伸长率为18%。,用途: 可以代替碳素铸钢、合金铸钢和可锻铸铁,制造一些受力复杂,强度、硬度、韧性和耐磨性要求较高的零件. 如内燃机曲轴、凸轮轴、连杆,减速箱齿轮及轧钢机轧辊等。,用途 承受震动、载荷大
15、的零件,如曲轴、传动齿轮等。,由于球状石墨对基体的割裂作用小,所以通过热处理改变球状石墨的基体组织,对提高其力学性能有重要作用。常用的热处理工艺有以下几种: 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,以提高球墨铸铁的塑性和韧性,改善切削加工性能,消除内应力。 2正火 正火的目的是为了得到珠光体基体的球墨铸铁,从而提高强度和耐磨性,三、球墨铸铁的热处理,3调质 调质的目的是为得到索氏体基体的球墨铸铁,从而获得良好的综合力学性能。 4等温淬火 等温淬火是为了得到下贝氏体基体的球墨铸铁,从而获和高强度、高硬度、高韧性的综合性能。 一般用于要求综合力学性能较好,而外形又较复杂,热处理容易变
16、形和开裂的零件,如凸轮轴、齿轮、滚动轴承套等。,往铸铁中加入一定的合金元素,称合金铸铁。其目的使铸铁具有某些特殊的性能,如耐磨、耐热、耐蚀等。,一、耐磨铸铁 根据工作条件的不同,耐磨铸铁可以分为减磨铸铁和抗磨铸铁两类。 减磨铸铁用于制造在润滑条件工作的零件,如机床床身、导轨和汽缸套等。这些零件要求较小的摩擦系数。 抗磨铸铁用来制造在于摩擦条件下工作的零件,如轧辊、球磨机磨球等。,第三节 合金铸铁,二、耐热铸铁 铸铁在高温条件下工作、通常会产生氧化和生长等现象。 氧化是指铸铁在高温下受氧化性气氛的侵蚀,在铸件表面发生的化学腐蚀的现象。由于表面形成氧化皮,减少了铸件的有效断面,因而降低了铸件的承载
17、能力。 生长是指铸铁在高温下反复加热冷却时发生的不可塑的体积长大,造成零件尺寸增大,并使机械性能降低。 铸件在高温和负荷作用下,由于氧化和生长最终导致零件变形、翘曲、产生裂纹,甚至破裂。所以铸铁在高温下抵抗破坏的能力通常指铸铁的抗氧化性和抗生长能力。耐热铸铁是指在高温条件下具有一定的抗氧化和抗生长性能,并能承受一定载荷的材料。,三、耐蚀铸铁 普通铸铁的耐蚀性是很差的,这是因为铸铁本身是一种多相合金,在电解质中各相具有不同的电极电位,其中以石墨的电极电位最高,渗碳体次之,铁素体最低。电位高的相是阴极,电位低的相是阳极,这样就形成了一个微电池,于是作阳极的铁素作不断被消耗掉,一直深入到铸铁内部。
18、提高铸铁的耐蚀性的手段主要是加入合金元素以得到有利的组织和形成良好的保护膜。铸铁的基体组织最好是致密、均匀的单相组织、即A或F。中等大小又不相互连贯的石墨对耐蚀性有利。至于石墨的形状,则以球状或团絮状为有利。,本章小结,铸铁的成分和性能铸铁的石墨化铸铁的组织和分类影响石墨化过程的因素石墨形态对铸铁性能的影响,思考题1、2、3、4 1、T8钢经淬火后得到什么组织?经退火后得到什么组织? 2、T8钢淬火后分别在200、400、600回火又得到什么组织3、要制造齿轮、连杆、热锻模具、弹簧、冷冲压模具、滚动轴承、车刀、锉刀、机床床身等零件,试从下列牌号中分别选出合适的材料并叙述所选材料的名称、成分、热
19、处理工艺和零件制成后的最终组织。 T10 65Mn HT300 W6Mo5Cr4V2 GCr15Mo 40Cr 20CrMnTi Cr12MoV 5CrMnMo,4、某汽车齿轮选用20CrMnTi制造,其工艺路线为:下料锻造正火切削加工渗碳淬火低温回火喷丸磨削。请说明、四项热处理工艺的目的。 思考题: 1、叙述铸铁不同阶段石墨化程度与其最终组织的关系。2、用9SiCr制造圆板牙,其工艺路线为:下料锻造球化退火切削加工淬火 低温回火 磨削。请说明、热处理工艺的目的。,第八章 铸 铁 一填空 1.铸铁是含碳量大于的铁碳合金.根据铸铁中石墨的存在形状不同,铸铁可分为、和等。 2.铸铁成分中含碳硅锰硫
20、磷等元素,其中和元素的含量越高,越有利于石墨化进行,而和元素是强烈阻碍石墨化的元素。 3.灰铸铁中,由于石墨的存在降低了铸铁的,但使铸铁获得了良好的、及低的 。 4.可锻铸铁是由通过处理,使白口铸铁中分解为状石墨的铸铁 5.灰铸铁经孕育处理后,可使及,得到细化,使其,有很大的提高. 6.球墨铸铁是在浇注前往铁水中加入适量的和,浇注后获石墨的铸铁。 7.白口铸铁中的碳主要以形式存在,而灰口铸铁中的碳主要以形式存在。,二、判断 2.可锻铸铁比灰铸铁的塑性好,因此可以进行锻压加工. ( ) 3.厚铸铁件的表面硬度总比内部高. ( ) 5.灰铸铁的强度、塑性和韧性远不如钢. ( ) 8.灰铸铁是目前应
21、用最广泛的一种铸铁. ( ) 9.白口铸铁的硬度适中,易于切削加工. ( ) 10.铸铁中的石墨数量越多,尺寸越大,铸件的强度就越高,塑性,韧性就越好.,三、选择 1.为提高灰铸铁的表面硬度和耐磨性,采用( )热处理效果较好. A.渗碳后淬火低温回火 B.电加热表面淬火等温淬火3.选择下列零件的材料:机床床身( );汽车后桥外壳( );柴油机曲轴( ). A.HT200 B.KTH35010 C.QT500054.铸铁中的碳以石墨形态析出的过程称为( ). A.石墨化 B.变质处理 C.球化处理 四、名词解释 HT250 KTH35010 KTZ50004 QT60002五、简述 1.简述影响石墨化的主要因素。,