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第十一章 铸铁,引 言,铸铁：Fe，C，Si为主要成分且在结晶过程中具有共晶转变的多元铁基合金 化学成分：C：2.5-4.0 Si：1.0-3.0 特点：铸造性能优良，熔化加工简单，成本低，耐磨性能、减震性能好。 用途：广泛用于机械制造，冶金矿山，石油化工，交通运输等。,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,本章提纲,概述 铸铁的结晶 灰铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 可锻铸铁 合金铸铁,11.1 概述,铸铁中的石墨形态与分布 一、铸铁中碳的分布形式与 石墨的形态 1.碳的分布形式 （1）溶于铁晶格间隙中，形成间隙固溶体 （2）与Fe形成Fe3C （3）游离的石墨,一、铸铁中碳的分布形式与石墨的形态,2.石墨形态：片状，蟹状，蠕虫状，团絮状，不规则形状，球形,片状,蟹状,团絮状,球形,蠕虫状,二、铸铁的分类,按石墨存在的形式及石墨形态分类 灰口铸铁 C全部或大部分以游离的片状石墨形式存在，断口呈灰色 球墨铸铁 C全部或大部分以游离的球形石墨形式存在 蠕墨铸铁 C全部或大部分以游离的蠕虫状石墨形式存在 可锻铸铁 C全部或大部分以团絮状石墨形式存在，好的韧性，塑性 白口铸铁 C全部或大部分以化合态的Fe3C形式存在，呈白亮色 麻口铸铁 灰口白口铁的混合组织,工业铸铁的成分范围与组织,灰铸铁 的显微组织,球墨铸铁的显微组织,蠕墨铸铁的显微组织,可锻铸铁的显微组织,共晶白口铸铁,11.2 铸铁的结晶,灰铸铁与白口铸铁的性能差别很大， 这是由于它们的结晶过程不同，形成的 组织形态差异造成的，所以明确铸铁的 结晶过程及其影响因素，对掌握铸铁材 料的性能是十分重要的。,11.2.1 Fe-C合金双重相图,实线为FeFe3C相图，虚线为FeC相图,按Fe-Fe3C相图结晶，得到白口铸铁 按FeC相图结晶的为灰口铸铁,11.2.2 铸铁结晶的热力学和动力学条件,一、热力学条件 1.当液态合金温度1154时， FL最低，不发生任何相变。 2. 1148 液体合金1154 ， 只能发生LG 3. 液态合金的温度1148 , 虽然能形成莱氏体，但由于液态 金属与奥氏体石墨的自有能差 更大，有利于生成G 铸铁结晶时，热力学条件对石墨化有利,二、动力学条件 当共晶成分液态铸铁合金以较快的冷却速度 过冷到1148时，将发生莱氏体的共晶转变，而 不是析出G两相混合物，这是由于形成石墨与 Fe3C的动力学条件不同。,11.2.2铸铁结晶的热力学和动力学条件,1、共晶成分的液态合金的Wc为4.3，渗碳体为6.67， 而石墨为100，相比渗碳体的与液相的浓度差小，石墨 需更大的浓度起伏条件。 2. 石墨的形核与长大，不仅需要考虑碳原子的扩散，还需 要Fe原子做反向长距离迁移。因Fe原子扩散较慢，故石 墨长大困难。渗碳体的长大，主要依赖碳原子的扩散， 不需要Fe原子做长距离迁移，长大速度快得多。 3. 从晶体结构看，渗碳体晶体结构比石墨更接近液相。 从动力学条件看，有利于渗碳体的形成,11.2.2铸铁结晶的动力学条件,11.2.3 铸铁的结晶过程,白口铁按FeFe3C相图进行 灰口铁： 共晶灰铸铁结晶过程 亚共晶铸铁结晶过程 过共晶铸铁结晶过程,共晶灰铸铁结晶过程,亚共晶（3.0C）灰铸铁结晶过程,过共晶（4.5C）灰铸铁结晶过程,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。,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.,铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系 （以共晶铸铁为例）,11.2.4 影响铸铁结晶的因素,合金元素的影响 铸铁中常见的合金元素有： C，Si，P，Mn，S等。 1.C，Si，P C，Si 强烈促进石墨化，调整其含量可控制 铸铁的组织和性能，P能促进石墨化，作用 较小。Si，P能使共晶点左移,11.2.4 影响铸铁结晶的因素,为综合考虑C，Si，P对铸铁组织及石墨化的影 响，引入了两个参量：碳当量和共晶度。 碳当量：把Si，P折合成相当的碳含量 CEWC 1/3W(Si+P) 共晶度：表示铸铁中碳含量接近共晶碳含量的程度 Sc=WC/4.3%-1/3W(Si+P) Sc=1为共晶 1为过共晶 1为亚共晶,合金元素的影响,2.Mn，S的影响 阻碍石墨化 Mn溶于Fe3C中，增加Fe与C的结合力，从而阻止石 墨化。少量的S就能形成FeS或MnS，以FeSFe共晶 形式分布于晶界，阻碍C原子扩散；S可以降低铁水 的流动性，恶化铸件性能。 Al、C、Si、Ti、Ni、Cu、P、Nb、Mn、Mo、S、 Cr、V、Fe、Mg，Nb为中性元素，Nb之前为石墨化 元素，之后为反石墨化元素，各元素位置离Nb越 远，其作用越强。,11.2.4 影响铸铁结晶的因素,冷却速度的影响 冷速慢有利于按FeC相图进行结晶，石墨化 越容易进行。 冷速快有利于 形成白口铁,不同C+Si含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织,11.3 灰铸铁,概述 灰铸铁中石墨呈片状，断口呈灰色，是使 用最多的铸铁，占铸铁总量的80以上。 灰铸铁分为：普通灰铁和孕育灰铁通过孕育 处理，使石墨的片层变细，强度高于普通灰铁 牌号表示：HT100，HT150，HT200 属普通灰铁 HT300，HT350，HT400 属孕育灰铁,灰铸铁金相组织,11.3.1 灰铸铁的组织,钢的基体片状G（石墨） 按基体组织分： 铁素体基 珠光体基 铁素体珠光体基,灰铸铁齿轮箱,石墨的晶体结构,灰 铸铁 的显 微组 织,11.3.2 灰铁的性能,一、力学性能 b 100-400MPa 抗压强度： b 的2.5-4倍 ，ak： ：0.2-0.7，ak:2-8J/cm2 耐磨性能优良（石墨润滑） 减震性能好（石墨割裂基体，阻止振动波的传播，并能转变为热能消耗）,11.3.2 灰铁的性能,二、工艺性能 1、优良的铸造性能 化学成分接近共晶，熔点低，铁水流动性好，凝固收缩小。 2.切削性好 G可起润滑作用，断屑。 3.焊接性能差 易形成高碳M（硬，脆），造成裂纹。,11.3.3 孕育铸铁,由于普通灰铁G片粗大，强度低， 从而发展了孕育铸铁 孕育铸铁：在浇铸前向铁水中加入少量可以成为G结晶核心的物质（孕育剂），使铸铁中片状石墨细化，称为孕育处理，经孕育处理的铸铁称为孕育铸铁。 孕育剂：SiFe合金（75Si），SiCa合金，SiCaRe合金，SiBaCa合金等,孕育铸铁的特点 1.成分 C，Si含量低于普通灰铁。Mn含量高于灰铁，目的 在于中和S的影响，获得P和提高强度。 2.组织：基体组织为珠光体，细小的片状石墨分布于基体中 3.性能：与普通灰铁相比， b，耐磨性明显提高， 、ak提高较少。,11.3.4灰铸铁合金化及热处理,合金化 为进一步改善灰铁的力学性能，加入少量的Cr，Ni，Cu，Mo，V，Ti，主要作用： 进一步强化基体 细化石墨片和改善其分布 Ti细化晶粒 Cu，Mo提高耐热性,热处理 热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。热处理强化效果不大。 灰铸铁常用的热处理有： 消除应力退火：500 石墨化退火（消除白口铁退火） 铸件表面冷速快，易形成白口铁，为降低其硬度及脆性，便于机加工，需进行石墨化退火 900-950 ，2-5h，使共晶Fe3CAG 表面淬火,11.3.4灰铸铁合金化及热处理,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。,11.3.5灰铸铁的用途,将普通灰铁成分的铁液进行球化处理和孕育处 理，使石墨以球状存在，由此获得的铸铁。 优点 球形的石墨对基体的破坏作用和在基体中引起 的应力集中显著下降。球墨铸铁具有比灰铁高的多 的强度，塑性和韧性，同时也有良好的耐磨性和减 震性， 其综合机械性能接近于钢。因其铸造性能 好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的 应用。,11.4 球墨铸铁,11.4.1 石墨的球化,一、球化方法 加入球化剂，使石墨结晶为球形. 球化剂：Mg，稀土硅铁合金，稀土 硅铁镁合金（应用最广泛） 孕育处理：由于球化处理只能在铁液中有石墨核心时，才能促进石墨生成球形，而常用的球化剂都强烈阻碍石墨化，因此，在球化处理同时，必须进行孕育处理（石墨化处理），获得球径小，数量多，圆度好，分布均匀的球状石墨 孕育剂：75的硅铁合金,牌号： QT40018、QT450-10、QT400-15、QT600-3、 QT800-2 球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值 表示最低抗拉强度极限和延伸率。,11.4.2 球墨铸铁的牌号,11.4.3 球墨铸铁的组织和性能,组织 金属基体球状石墨 金属基体：铁素体基，珠光体基，贝氏体基 铁素体基球墨铸铁中F占80以上，有优良的抗拉 强度，塑性和冲击韧性，伸长率可达10以上， 制作汽车，拖拉机底盘等.,11.4.3 球墨铸铁的组织和性能,珠光体基体球墨铸铁中珠光体占80，是球墨铸 铁中应用最多的，抗拉强度高于铁素体基体球墨 铸铁，屈强比可达0.7-0.8，常用来制作汽车，拖 拉机曲轴. 贝氏体基球墨铸铁是由等温淬火获得，高强度， 高硬度，高疲劳极限，良好的冲击韧性。用于承 受受交变负荷和高耐磨零件，如汽车，拖拉机的 传动齿轮.,珠光体基体球墨铸铁金相组织,铁素体球墨铸铁金相,混合基体球墨铸铁金相组织,制品(轧辊与辊环),贝氏体基球墨铸铁,不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。,球墨铸铁的牌号和机械性能,11.4.3 球墨铸铁的组织和性能,球墨铸铁和45钢的疲劳强度,性能 球墨铸铁具有较好的疲劳强度，可以熔焊和钎焊。用球墨铸铁 来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆、凸轮轴等。,11.4.3 球墨铸铁的组织和性能,曲轴,底盘位置示意图,11.4.3 球墨铸铁的热处理,球墨铸铁可以通过热处理改善基体组织，从而提高其性能，凡是对钢有效的热处理都适用于球墨铸铁,11.4.3 球墨铸铁的热处理,一、退火 消除铸造应力：550-650 消除铸铁组织中的渗碳体：900-950 、2 h5 h。 球化剂增大铸件的白口化倾向，当铸件薄壁处出现自 由渗碳体和珠光体时，退火获得塑性好的铁素体基 体，并改善切削性能，消除铸造应力。 二、正火：880 920 ，空冷。 目的在于得到珠光体基体（占基体75%以上），并细 化组织，提高强度和耐磨性。,11.4.3 球墨铸铁的热处理,三、等温淬火 球墨铸铁经等温淬火后可获得高的强度，同时具 有良好的塑性和韧性。 等温淬火工艺为：加热到奥氏体区（840 900 左右），保温后在300 左右的等温盐溶中冷却并保 温，使基体在此温度下转变为下贝氏体+球状石墨。 四、表面强化处理 可进行高频淬火，渗N，渗B等，与钢类似,11.4.4 球墨铸铁的用途,等温处理后，球墨铸铁的强度可达1200 MPa1450 MPa, 冲击韧性为300 kJ/m2360 kJ/m2, 硬度为38 HRC51 HRC。 用作受力复杂的齿轮、曲轴、凸轮轴等。,球墨铸铁管道接口,11.4.4 球铁用途,11.5 蠕墨铸铁,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. 蠕化剂为镁钛合金、稀土镁钛合金或 稀土镁钙合金等。,11.5 蠕墨铸铁,蠕墨铸铁的组织特征： 基体（F、F+P、P） + 蠕虫状G 与片状石墨相比， 蠕虫状石墨长/厚的 比值明显减少， 一般在2-10范围内。,蠕墨铸铁中的石墨,蠕墨铸铁的 显微组织,11.5 蠕墨铸铁,蠕墨铸铁性能特点 综合性能良好，力学性能介于灰铁和球铁之间 蠕墨铸铁的抗拉强度，屈服强度，延伸率，断 面收缩率，弹性模量，弯曲疲劳强度均优于灰 铁，接近铁素体基体的球墨铸铁。 蠕墨铸铁的导热性，锻造性，切削加工性均优 于球铁，接近灰铁。,蠕墨铸铁的牌号和机械性能,蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。,11.5 蠕墨铸铁,蠕墨铸铁彩色金相,蠕墨铸铁用途 蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、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、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。,蠕墨铸铁用途,排气管,进气管,11.6 可锻铸铁,一、概述 亦称玛铁，玛钢。是由白口铁经过退火而制得的一 种高强度铸铁，石墨呈团絮状的灰口铸铁，性能优于 灰铸铁，耐磨性和减震性优于普通碳素钢，可部分代 替碳钢，合金钢和有色金属。 可锻铸铁实际并不能锻造加工，只是塑性较好而已 分类 黑心可锻铸铁：KTH30006 珠光体可锻铸铁 KTZ450-06 白心可锻铸铁 KTB380-12,二、 可锻铸铁的化学成分,获得合乎要求的白口铸铁是生产可锻铸铁的前提，所以选 择 好化学成分，保证铸铁浇铸后获得白口铁组织非常重要。 由于C，Si强烈促进石墨化，所以含量不能太高， 加少量孕育剂Al，Bi。,可锻铸铁的化学成分(w/%),三、 可锻铸铁的生产,可锻铸铁生产分两个步骤。 第一步，先铸造纯白口铸铁，不允许有石墨出现， 否则在随后的退火中，碳在已有的石墨上沉淀，得不 到团絮状石墨； 第二步，进行长时间的石墨化退火处理。 将白口铸铁加热到900 960 ，长时间保温， 使共晶渗碳体分解为团絮状石墨，完成第一阶段的石 墨化过程。随后以较快的速度（100 /h）冷却通过 共析转变温度区，得到珠光体基体的可锻铸铁。,三、 可锻铸铁的生产,若第一阶段石墨化保温后慢冷，使奥氏体中的碳 充分析出，完成第二阶段石墨化，并在冷至720 760 后继续保温，使共析渗碳体充分分解，完成第 三阶段石墨化，在650 700 出炉冷却至室温， 可以得到铁素体基体的可锻铸铁。 为了缩短时间，并细化组织，提高机械性能，可 在铸造时采取孕育处理。孕育剂能强烈阻碍凝固时形 成石墨和退火时促进石墨化。采用0.001%硼、0.006% 铋和0.008%铝的孕育剂，可将退火时间由70多小时缩 短至30小时。,四、可锻铸铁的显微组织,四、可锻铸铁的组织,黑心可锻铸铁 如果白口铁在退火过程 中，石墨化充分进行，则 退火后可得到铁素体基体 团絮状石墨组织，该类 铸铁心部呈黑绒色，表层 因退火有时脱碳而呈白亮 色，故称黑心可锻铸铁。,黑心可锻铸铁,四、可锻铸铁的组织,珠光体可锻铸铁 如果石墨化进行的不充分，退火后的组织为珠光体团絮状石墨，则为珠光体可锻铸铁,珠光体可锻铸铁,白心可锻铸铁 在长期退火过程中，发生氧化脱碳得到的，表 层为铁素体，心部为珠光体团絮状石墨， 其断口颜色表层呈黑绒色，心部白色，故称 白心可锻铸铁。 力学性能差，生产工艺复杂，应用较少。,四、可锻铸铁的组织,五、可锻铸铁的性能,组织特点 石墨团絮状分布，对基体割裂和破坏少，石墨 尖端引起的应力集中小，因而可锻铸铁力学性能 比灰铸铁高，接近球墨铸铁。 性能特点 优点：成本低，质量稳定，铁液易处理，便于流水 生产线生产，适宜生产形状复杂，薄壁铸件，加工 性好，易切削。 缺点：不能焊接,可锻铸铁的牌号和机械性能,用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。,六、可锻铸铁的用途,11.7 合金铸铁,工业的快速发展对铸铁的性能提出了特殊要求，通过合金化开发出了耐磨，耐热，耐蚀的合金铸铁 耐热铸铁 加入Al，Si，Cr形成氧化膜保护 耐磨铸铁 加P，V，Ti，B，Cr，Mo，Re等元素，获得各种耐磨铸铁 耐蚀铸铁 Si，Al，Cr形成钝化膜，加入Cr，Ni，Cu，Mo提高基体电极电位,11.7 合金铸铁,弯管,衬板,扇形扩散器,托架,