1、第十二章 铸铁,12.1 铸铁的特点 12.2 常用铸铁 12.3 特殊性能铸铁,铸铁是指含碳量大于2.11%并含有硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。 成分：w(C)=2.5-4.0%，w(Si)=1.0-3.0%，还含有Mn、S、P等杂质。铸铁熔炼简便、成本低廉，还具有许多优良的性能，因而是应用非常广泛的材料之一。,12.1 铸铁的特点,一、铸铁的石墨化 石墨G（Graphite），简单六方晶格，原子呈层状排列，是C 的一种结晶形态，与金刚石是同素异构体。,Fe3C是亚稳定相，在一定条件下发生分解： Fe3C3Fe+C（G，石墨） G是稳定相。 F+G或A+G组织比F+Fe3C或A+ Fe3C
2、组织有较低的自由能。,Fe-Fe3C和Fe-G双重相图 复线相图,石墨化过程 按Fe-G 相图结晶,第一阶段石墨化：从铁液析出：L GI（较少）共晶转变： L4.26 A2.08+G（共晶） (1154)1154738沿ES线析出石墨：AGII 第二阶段石墨化：共析转变： A0.68F + G（共析）( 738)738以下沿PQ线析出石墨：FGIII（很少）,在PSK线以下（含PSK线）发生的石墨化称为第二阶段石墨化。,在PSK线以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化。,根据石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织不同。,影响石墨化的因素 (1)温度、冷却速度 高温、长时间保温、缓慢冷却，有利于石墨
3、化。 (2)化学成分 C、Si、Al、 P、 Cu 等促进石墨化； （非碳化物形成元素） Cr、W、Mo、V、Mn等阻碍石墨化； （碳化物形成元素） S也阻碍石墨化，强烈促进白口化（有害杂质），应严格控制铸铁的含S量。,二、铸铁的组织和分类,按碳在铸铁中的存在形式（石墨化程度）分类,大部分GG+Fe3C Fe3C,团絮状石墨 片状石墨 球状石墨 （可锻铸铁） （普通灰口铸铁） （球墨铸铁）,蠕虫状石墨（蠕墨铸铁）,按G的形态，广义的灰口铸铁分为普通灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。,灰口铸铁的组织 钢基体 + G 基体组织有F、P和F+P三种。,F基灰口铸铁 F+P基灰口铸铁 P基灰口铸
4、铁,灰口铸铁的组织 钢基体 + G灰口铸铁的力学性能取决于钢基体和石墨的性能、数量、大小、形状和分布等因素。灰口铸铁的抗拉强度、塑性、韧性都比钢低。这是由于：(1)石墨G的强度、韧性极低，松软而脆弱，石墨相当于钢基体中的裂纹或孔洞，可以把铸铁看成是含有大量孔洞和裂缝的钢。(2)一方面石墨G破坏了基体金属的连续性，相当于减小了钢基体的有效截面积。(3)另一方面石墨G对基体有严重割裂作用，并引起严重的应力集中。石墨越多，对基体的削弱和割裂作用越严重，应力集中程度越大，所以灰口铸铁的抗拉强度、塑性、韧性都较低。,三、灰口铸铁的性能,石墨大小显著影响铸铁的性能。石墨片粗大，力学性能下降；石墨片过细，片
5、数量增多，应力集中程度增加；石墨片尺寸应以中等大小(0.03-0.25mm)为宜。 石墨形态对应力集中十分敏感，由灰口铸铁蠕墨铸铁可锻铸铁球墨铸铁，G对基体的割裂作用逐渐减小，因此强度、塑性不断提高。,基体组织对铸铁的力学性能也起着重要的作用。 当基体组织为F、P和F+P时：F越多，铸铁塑性越好；P越多，铸铁的抗拉强度和硬度越高。 通过热处理，基体可得到下贝氏体、回火马氏体、回火索氏体等组织。,铸铁强化途径之一：改善石墨的形状。 如变质处理，使G细化，使强度提高。 如球化处理，使G球状化，使强度提高。 铸铁强化途径之二：基体热处理、合金化等。,铸造性能好 接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收
6、缩小。 切削加工性能好 石墨使车屑容易脆断，不粘刀，还可润滑刀具。 耐磨性能好 石墨储油,有利于润滑，起到减摩作用。 消振性能好（是钢的十倍） G组织松软，对振动起缓冲作用，石墨可以吸收振动能量。 缺口敏感性低 表面粗糙，有很多小切口，对表面缺口或缺陷不敏感，对疲劳极限的影响也不明显。,铸铁的特殊性能（与钢比较）,应用 铸铁优点：设备和工艺简单，价格便宜。 铸铁可用于制作机床床身、发动机缸体、齿轮、曲轴等，广泛应用于机械制造、冶金、石油化工、交通建筑等部门。,12.2 常用铸铁,一、灰口铸铁 二、球墨铸铁 三、蠕墨铸铁 四、可锻铸铁,一、灰口铸铁,牌号 HT+三位数字（最低抗拉强度）； 如HT
7、100，表示 b100MPa的灰口铸铁。 组织 钢基体（F 、F + P 、P）+ 片状G。 灰口铸铁是由铁液缓慢冷却通过石墨化过程形成的。 灰口铸铁价格便宜，应用广泛，产量占整个铸铁总产量的80%以上。,孕育铸铁孕育处理即变质处理。 浇注前在铁水中加入孕育剂，使基体组织细化、G细小而均匀，强度、塑性、韧性明显提高。 常用孕育剂：硅类：Si-Fe，Si-Ca等。碳类：石墨粉、电极粉。 目的：作为非自发形核的核心，细化组织。促进石墨化，避免铸件出现白口组织。,灰口铸铁的牌号和组织,热处理只能改变基体组织，不能改变G的形状和分布,去应力退火 加热到500550、保温、缓慢冷却，消除铸件内应力，防止
8、变形或开裂。如机床床身、柴油机汽缸。高温退火 加热到850950、长时间保温、随炉缓慢冷却，消除表层和薄壁等部位白口组织，使部分CmG，得到铁素体或铁素体-珠光体基体，降低硬度，改善切削加工性能。,正火 铸件加热到850-950、保温后空冷，消除表层和薄壁等部位的白口组织，在共析温度以上使CmG，但共析渗碳体不分解，得到珠光体基体，既消除了白口，改善了切削加工性能，又具有较高的强度、硬度和耐磨性。表面淬火 提高机床导轨表面、汽缸体内壁等部位的表面强度、硬度和耐磨性，延长其使用寿命，如采用火焰加热表面淬火工艺，通过自回火得到回火马氏体+片状G的硬化组织。,应用 ：机床床身、导轨，汽缸体、叶轮。,
9、二、球 墨 铸 铁,球化处理+孕育处理：在铁水浇注前加入一定的球化剂和孕育剂。 球化剂有金属镁、稀土、稀土Mg合金，使G球状化。 孕育剂硅铁、硅钙。 球化剂（镁）是阻碍石墨化的元素，为避免白口，细化组织，一定要加入孕育剂。,牌号 QT数字1-数字2。数字1表示最低抗拉强度；数字2表示最低延伸率。如 QT700-2 ，表示 b700， 2 的球墨铸铁。,组织 钢基体（F 、F + P 、P、回火S、M、下B ) + 球状G,性能 高强度铸铁，强度、塑性、韧性明显优于灰口铸铁（球状G 对基体的割裂作用小），综合机械性能接近于钢，且屈强比高（0.7-0.8），比钢高，用于制造负荷较大、受力复杂的机器
10、零件。,球墨铸铁的牌号、组织和机械性能,热处理原理与钢大致相同,退火 去应力退火：铸件加热到500600 、保温、缓慢冷却，消除内应力，防止变形或开裂。 高温退火：组织中存在自由渗碳体时，加热到900 950 、长时间保温、缓慢冷却，使 CmG （第一阶段石墨化），以及 PG + F（第二阶段石墨化），得到高韧性的铁素体基体，使塑韧性、切削加工性提高。 低温退火：组织中没有自由渗碳体时，加热720760 、保温一定时间、缓慢冷却，使 PG + F （第二阶段石墨化），使塑韧性、切削加工性得到提高。,正火 目的是提高P%，细化组织，使强度、耐磨性。 低温正火：加热到820860（不完全化）、保温
11、，得到 A +F + G组织 ，空冷后得到P+F基体，提高强度，保证较好的塑韧性。 高温正火：加热880920（完全化）、保温、空冷，得到P + G，得到基体，保证铸铁的强度。,要求综合机械性能较高： 调质加热850900，使基体转变为A，油淬得到M，然后在550600回火，得到回火S的基体组织。 高强度、良好的塑韧性。 等温淬火加热到区（850900）、保温， 在约300等温盐浴中长时间保温，得到下B的基体组织。 调质、等温淬火后综合机械性能好，仅适于小尺寸零件。,应用,替代部分铸钢、锻钢，如曲轴、连杆、轧辊、汽车后桥等。,三、蠕墨铸铁,蠕化剂镁钛合金、稀土镁钛合金、稀土硅镁钙合金、稀土硅铁
12、镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。 牌号 RuT+三位数字（最低抗拉强度）； 如 RuT420 ，表示 b420 的蠕墨铸铁。 组织 钢基体（F、P、F+P）+ 蠕虫状G。,蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁。 蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的。,蠕虫状G 介入片状G和球状G之间的一种中间类型的石墨，在显微镜成短片状，头部较钝较圆，形似蠕虫。 性能 新型的高强度铸铁，强度、塑韧性优于HT，低于QT，介入两者之间。,蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰口铸铁，其力学性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。,蠕墨铸铁的牌号、组织和机械性能,蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷
13、的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、泵体等。,四、可锻铸铁,黑心可锻铸铁：白口铸铁经长时间石墨化退火而得。 生产分两步（当前主要的生产方式）：（1）先铸造纯白口铸铁；（2）再长时间石墨化退火（9001000）。 黑心可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体。 白心可锻铸铁：白口铸铁氧化脱碳退火而得，目前已很少生产。,性能 高强度铸铁，可部分代替碳钢，强度、塑韧性优于HT，但不能锻造。,牌号 KT数字1-数字2。 数字1表示最低抗拉强度；数字2表示最低延伸率。 铁素体可锻铸铁用KT表示， 如 KT300-6 ，表示 b300 ， 6可锻铸铁。 珠光体可锻铸
14、铁用KTZ表示， 如 KTZ500-4 ，表示 b500 ， 4珠光体可锻铸铁。 黑心可锻铸铁用KTH表示， 如 KTH350-10，表示 b350 ， 10黑心可锻铸铁用。,组织 钢基体（F、P、F+P）+ 团絮状G,可锻铸铁的牌号和机械性能,应用：管接头、低压阀门等。,12.3 特殊性能铸铁,耐磨铸铁 耐热铸铁 耐蚀铸铁,在普通铸铁中加入某些合金元素，得到具有某种特殊性能的合金铸铁。,铸铁牌号表示方法,按照GB/T56122008铸铁牌号表示方法，新标准于2008年8月1日起实施：,说明：铸铁牌号组成 新标准规定的铸铁牌号由以下三种类型所组成。 （1）由代号和表示力学性能特征值的阿拉伯数字
15、组成。 如HT250，表示抗拉强度为250MPa的灰口铸铁； QT400-18，表示抗拉强度400MPa、伸长率18%的球墨铸铁； RuT300，表示抗拉强度为300MPa的蠕墨铸铁。 （2）由代号和主要合金元素的元素符号及质量分数数字组成。 如HTSSi15Cr4RE，表示硅的质量分数为15%、铬的质量分数为4%、而稀土的质量分数小于1%的耐蚀灰铸铁。 （3）由代号和主要合金元素的元素符号、质量分数数字和力学性能特征值的数字组成。 如QTMMn8-300，表示锰的质量分数为8%、抗拉强度为300 MPa的耐磨球墨铸铁。,本章小结,1、与钢比较，灰口铸铁的组织和性能有什么特点？石墨的形态、大小对灰口铸铁的性能有什么影响？ 2、灰口铸铁的特殊性能。 3、灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁的牌号、组织和性能特点。,The End,of Chapter 12,
