第07章铸铁与铸钢北大.ppt
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1、机械工程材料 1. 理解并掌握铸铁的组织尤其是石墨的形态、分 布,性能之间的规律。 2. 理解并掌握工程材料尤其是金属的结构,理解 材料结构与性能之间的关系,尤其是强化工程材料 性能的途径、基本原理与方法。 3. 掌握常用铸铁的种类、组织结构特点、性能和 应用,了解其应用范围。 4. 结合实例,初步具备合理选择铸铁与铸钢材料 、正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能 力。 5. 了解铸钢与铸铁的技术现状,前沿动态及今后 的发展方向。 第七章 铸铁与铸钢 机械工程材料 铸铁是含碳量大于2.11%并含 有较多硅、锰、硫、磷等元素的 多元铁基合金。 铸铁具有许多优良的性能及生 产简便、成本低廉等
2、优点,因而 是应用最广泛的材料之一。 7.1 概 述 机械工程材料 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. 铸铁曲轴 内燃机汽缸 机械工程材料 最近10年是我国铸铁业发展最快、 最好的时间。 我国铸件产量持续增长,其中,铸铁业以 年均20%的速度增长,远高于同期GDP约 10%的增长速率。我国铸铁件的材质结构持 续改善,球铁在铸件中所占的比重由1998年 的14增至2009年的24.7;球铁与灰铁的 比例由0.226上升到0.51。 目前,我国年产铸铁件10000吨以上, 机械工程材料 图1、19982009年我国铸件、灰铁件、球铁件的产量 (近10年
3、来,我国铸件产量持续增长,其中,尤以铸铁件的产量增长最快) 机械工程材料 图7-1中国2009年各材质铸件产量( 万吨) 2009年我国铸件产量为3530万吨,其中,铸铁件产量 占2630万吨(球墨铸铁产量为870万吨,灰铸铁产量 1700万吨,蠕墨铸铁产量约30万吨),占我国铸件 产量的74.5%,约占当年世界铸铁件产量的39.4 机械工程材料 一、铸铁的石墨化过 程 1、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 墨) 共晶白口铸铁 F基体球墨铸铁 机械工程材料 石墨是碳的单质之 一,其强度、塑性、 韧性几乎为零。
4、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 。 机械工程材料 存在两个铁碳相图: Fe-Fe3C和Fe-G双重相图 L+G L+Fe3C 机械工程材料 2、铸铁的石墨化过程 铸铁中的碳原子析出形成石墨 的过程称为石墨化。 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。 机械工程材料 石墨化分两个阶段: 在PSK线以上发生 的石墨化称为第一阶段 石墨化。 包括结晶时一次石墨 、二次石墨、共晶石墨 的析出和加热时一次渗 碳体、二次渗碳体及共 晶渗碳体的分解. P 机械工程材料 在PSK线以下发 生的石墨化称为第
5、二 阶段石墨化。包括冷 却时共析石墨的析出 和加热时共析渗碳体 的分解。 石墨化程度不同, 所得到的铸铁类型和 组织也不同。 P 机械工程材料 铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系 (以共晶铸铁为例) 石墨化进行程度 铸铁的显微组织 铸铁类型 第一阶段 石墨化 第二阶段 石墨化 完全进行 完全进行F+G 灰口铸铁 部分进行F+P+G 未进行P+G 部分进行未进行Le+P+G麻口铸铁 未进行未进行Le白口铸铁 机械工程材料 3 3、影响石墨化的因素、影响石墨化的因素 化学成分的影响化学成分的影响 碳和碳和硅硅是强烈促进石墨化的元素。是强烈促进石墨化的元素。 碳、硅含量过低,易出现白口组织,力学性能
6、和铸造碳、硅含量过低,易出现白口组织,力学性能和铸造 性能变差。性能变差。 l l 碳、硅含量过高碳、硅含量过高, , 会使石墨数量多会使石墨数量多 且粗大,基体内且粗大,基体内 铁素体量增多,铁素体量增多, 降低铸件的性能降低铸件的性能. . Si C 白口铸铁灰口铸铁 麻口 铸铁 共晶 碳、硅含量对铸铁石墨化的影响 机械工程材料 冷却速度的影响 铸件冷却缓慢,有利于碳原子的充分扩散,结晶 将按Fe - G相图进行,因而促进石墨化。 WC + Wsi (%) 铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响 l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. 机械工程材料
7、 二、铸铁的特点及分类 工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。 1、铸铁的组织特点 钢的基体+G(石墨) 基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。 F+GF+P+GP+G 机械工程材料 耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。 消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。 铸造性能好。由于铸铁硅含量高, 成分接近于共晶. 切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断,不粘刀。 l2、铸铁的性能特点 l 力学性能低。由于 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。 铸铁与铸钢的强度比较 机械工程材料 铸铁根据石墨的形态进行分类。铸 铁中石墨的形态有片状、团絮状、 球状和蠕虫状四种,
8、其所对应的铸 铁分别为灰铸铁、可锻铸铁、球墨 铸铁和蠕墨铸铁。 机械工程材料 7.2 灰铸铁 碳大部分是以片状石墨存在,因其断口呈 暗灰色而得名。灰铸铁生产工艺简单、价格 低廉、应用广泛,其产量约占铸铁总产量的 70 汽车业是灰铸铁的主要应用领域之一,近 年来随着汽车轻量化要求的不断提高,薄壁 高强度灰铸铁的应用迅速推进 机械工程材料 (1)灰铸铁的组织 机械工程材料 灰 铸 铁 的 显 微 组 织 铁素体灰铸铁 珠光体灰铸铁 铁素体加珠光体灰铸铁 石墨片的三维形貌 机械工程材料 (2)灰铸铁的热处理 热处理只改变基体组织,不改变石 墨形态。 灰铸铁强度只有碳钢的3050%, 热处理强化效果不
9、大。 灰铸铁常用的热处理有: 消除内应力退火(又称人工时效) 消除白口组织退火 表面淬火 灰铸铁件 汽缸套 活塞环 机械工程材料 12.9L 6缸蠕铁柴油机缸体(2008,Brazil) 机械工程材料 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。 大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身(HT-250) 变速箱体 机械工程材料 (3)灰铸铁的牌号及用途 灰铸铁牌号中“HT”为灰铁汉语拼音字首, 其后数字表示该材料的最低抗拉强度(MPa )。例如HT200表示抗拉强度b200MPa的 灰铸铁。灰铸铁的强度与铸件的壁厚大小有 关系,因此在根据性能要求选择
10、铸铁牌号时 ,必须注意到铸件的壁厚。如铸件的壁厚超 出表中所列的尺寸时,应根据基体情况适当 提高或降低铸铁的牌号。灰铸铁主要用于制 造承受压力和振动的零部件。 机械工程材料 灰铸铁的牌号、力学性能、显微组织及用途 牌号铸铸件壁 厚/mm 力学性能基体组组 织织 Rm/MP a bb/MP a bc/MPa HBW HT100 所有尺 寸 100260140F HT1501530150330650150200F+P HT2001530200400750170220 P HT25020302504701000190240 HT30015303005401100187225 细细P HT350153
11、03506101200197269 HT4002030400680207269细细P 机械工程材料 实例7-1 乘用车的刹车盘通常是使用HT250或相近的低 合金灰铸铁,要求材料具有良好的导热性和 冷热疲劳性能,所以要求A型石墨,以利于热 传导。国内发动机的一些缸体已采用HT300甚 至HT350铸铁制作。我国一汽铸造公司已稳定 地采用HT300生产6DL道依茨发动机缸体,同 时也储备了HT350的生产技术, 机械工程材料 7.3 球墨铸铁 中国从1950年开始研究和生产球铁,是世界上较 早生产球铁的国家之一。 从2005年起,我国球铁产量连续五年居世界第一 ,2008年已达820万吨,约占当
12、年世界球铁产量的 1/3,比世界第2、3、4名美国(360万吨)、日本 (200万吨)和德国(185万吨)的总和还多 2004到2008年,世界球铁铸件的产量从1870万 吨增加到2384万吨,年均增长率为5.5%。中国球铁 与灰铁的比例为0.50,世界平均水平为0.55,美国 的比例为1.0。 我国球铁产量的提升空间还很大 机械工程材料 图7-6 中国球铁件应用领域 其中铸管和管件年产量约280万吨,占33%;汽车铸件约280万 吨,为33%,约占我国工程结构球铁产量(不包括铸管)的50% ;其他如工程机械、农机、机床、建筑、冶金、矿山、能源工 业部门等约占33% 机械工程材料 DN 260
13、0X 8150 热模法球铁管 (新兴 铸管公司生产. 单重14.76吨,壁厚28mm) 机械工程材料 东汽生产的QT400-18-LT风电球铁铸件要求低 温冲击性能-20,V型缺口试样冲击韧性12 机械工程材料 :一汽铸造公司用壳型背丸工艺生产的球铁曲轴 ( 尺寸精度高,外观精美,综合废品率在0.5%以下) 机械工程材料 90吨重高延伸率和高低温冲击韧性球铁铸件 机械工程材料 135吨机床球铁件 机械工程材料 注塑机头板、二板与尾板 机械工程材料 用途 承受震 动、载荷 大的零件 ,如曲轴 、传动齿 轮等。 核燃料贮存运输容器(QT350-22) 铸铁曲轴 机械工程材料 实例7-2 发动机曲轴
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