机械工程材料_沈莲_05章_铸铁

SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第五章铸铁CASTIRON铸铁：碳的质量分数Wc大于2.11%（一般为2.5%~5.0%）的铁碳合金。详尽地说，铸铁中也含有Si（硅）、Mn（锰）、S（硫）、P（磷）等其他元素。铸铁白口铸铁灰口铸铁3IIPFeCLdLd3IFeCLdFGFPGPGSCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料与钢相比，虽然抗拉强度、塑性、韧性较低，但却具有优良的铸造性、可切削加工性、减振性，而且生产成本也较低，因此在工业上得到了广泛的应用。特别是传统机床的床身一般都是铸铁材料。随着热加工、压力加工、机械加工工艺水平的提高，以及电机制造水平的提高，即社会生产力的整体提高，铸铁的应用范围没有以前那么重要了。铸铁的特点使用性能不好工艺性能很好减振性好SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第一节灰口铸铁的石墨化铸铁中的碳元素除了少部分固溶于铁素体和奥氏体，还可以以渗碳体（Fe3C）化合物和游离态的石墨（Graphite）两种形式存在。铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。一、石墨化过程SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料1.石墨的特性简单六方晶格结构低强度低硬度低塑性和高脆性减摩性0b减振性铸铁中石墨犹如完整的铁基体（铁素体、珠光体、铁素体+珠光体）上出现的孔洞和裂缝一样。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料同一层上的原子间距较小，其结合力较强，而层与层间的原子间距较大，其结合力较弱。在石墨化过程中，层的扩大速度较快，而层间方向的加厚较慢，使石墨易形成片状。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料2.石墨形成的三个阶段铸铁中的石墨既可以在液体结晶时直接析出，也可以由Fe3C分解而来。这表明，铁碳合金的结晶过程和组织转变除了可按Fe-Fe3C相图进行，也可以按Fe-C(G)相图进行，因此铁碳合金具有双重相图。图5-2中，实线表示Fe-Fe3C相图，虚线表示Fe-G相图。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料若将含有铸铁成分的铁碳合金从液态以极其缓慢的平衡状态进行冷却时，则其组织转变将按照Fe-G相图进行，且石墨化过程可分为三个阶段。第一阶段，液态石墨化阶段。从液体中直接析出的石墨和在1154℃时通过共晶转变而形成的共晶石墨。第二阶段，中间石墨化阶段。是从1154℃~738℃的冷却过程中，自奥氏体中析出的石墨。第三阶段，低温石墨化阶段。是在738℃通过共析转变形成的共析石墨。4.262.08LG共晶0.68PG共析SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第三阶段的石墨化温度较低，原子扩散条件差，有可能部分和全部不能形成石墨。0.68PG共析极慢冷：PGP共析慢冷：0.77P快冷：于是出现三种不同组织，即F+G、F+P+G、P+G。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料铸铁的组织决定于石墨化三阶段进行的程度，而影响石墨化程度的因素有许多，而铸铁的化学成分和凝固时的冷却速度是两个最主要的因素。铸铁中的C和Si是促进石墨化的元素，它们的含量越高，石墨化过程越易进行。二、影响石墨化的因素1.化学成分的影响此外，P、Al、Cu、Ni、Co等元素也会促进石墨化；而S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素则阻碍石墨化。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料2.冷却速度的影响冷却速度越慢，越有利于石墨化过程的进行。从铁碳相图的双重相图可知，同一化学成分的液态铸铁，若缓冷到1154~1148℃温度范围，这时还不具备形成Fe3C的温度条件，所以只能形成石墨。若快冷到1148℃以下时，其凝固过程既可以按照Fe-Fe3C相图进行，也可按照Fe-G相图进行，但渗碳体Fe3C的成分（Wc6.69%）比石墨成分（Wc100%）更接近液态成分，因此从液态中形成Fe3C比形成石墨容易。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料并且渗碳体的成分和结构与石墨相比也更接近奥氏体，因此从奥氏体中析出Fe3C也比析出石墨容易。总之，冷却速度越快，越不利于石墨化过程的进行。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第二节各类铸铁的特点及应用（1）灰口铸铁是第一阶段和第二阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，其中碳主要以石墨形式存在，断口呈灰暗色，因此得名为灰口铸铁。是工业上应用最多最广的铸铁。一、铸铁的分类1.按石墨化程度分（2）白口铸铁是三个阶段石墨化过程都全部被抑制，完全按照Fe-Fe3C相图进行转变而得到的铸铁，断口呈银白色，由此得名为白口铸铁。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料（1）普通灰口铸铁（简称灰铸铁）在显微组织中，石墨呈片状的铸铁。灰铸铁生产工艺简单、价格低廉、工业应用最广。2.灰口铸铁按石墨形态分类（2）可锻铸铁在显微组织中，石墨呈团絮状的铸铁。可锻铸铁生产工艺时间很长、成本较高，故其应用不如灰铸铁广。可锻铸铁并不能锻造。（3）球墨铸铁在显微组织中，石墨呈球状的铸铁。球墨铸铁生产工艺比可锻铸铁简单，且力学性能较好，工业应用较多。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料（4）蠕墨铸铁在显微组织中，石墨呈蠕虫状的铸铁。蠕虫状时介于片状和球状之间的一种结晶形态，蠕墨铸铁是在前几种铸铁工艺的基础上发展起来的一种新型铸铁，颇有应用前景。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料二、常见灰口铸铁的特性及用途1.普通灰口铸铁（灰铸铁）FG片状组织：PG片状FPG片状工艺：铁水+墨化剂浇注牌号：如，HT150性能：强度较低、韧性较差应用：承压件，如床身、机架、箱体、缸体、壳体等成分：2.5%~4.0%CwSi1.0%~2.5%wMn0.5%~1.4%wS0.10%~0.15%wP0.12%~0.25%wSCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料图5-3灰铸铁的显微组织a）铁素体基体SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料图5-3b）铁素体+珠光体基体SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料图5-3c）珠光体基体SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料2.球墨铸铁FG球状组织：PG球状FPG球状工艺：铁水+墨化剂+球化剂（Mg、Ce、RE）浇注牌号：如，QT400-18性能：强度高、韧性好，可与钢媲美应用：可替代钢，制作曲轴、连杆、主轴等成分：3.8%~4.0%CwMn0.6%~0.8%wSi2.0%~2.8%wS0.04%wP0.1%wRE0.03%wSCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料图5-4球墨铸铁的显微组织a）铁素体基体SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料图5-4b）铁素体+珠光体基体SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料图5-4c）珠光体基体SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料3.可锻铸铁FG团絮状组织：PG团絮状工艺：先浇注成白口铸铁，后石墨化退火牌号：如，KTH300-06（黑心可锻铸铁）成分：2.4%~2.8%CwMn0.4%~1.2%wSi1.2%~2.0%wS0.1%wP0.2%wKTZ450-06（珠光体可锻铸铁）KTB350-04（白心可锻铸铁）SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料将浇注成的白口铸铁加热至900~980℃，在高温下经15h左右的长时间保温，使其组织中的渗碳体发生分解，得到奥氏体与团絮状石墨组织；随后在缓慢冷却的过程中，奥氏体沿着已形成的团絮状石墨的表面又析出二次石墨；冷却至共析转变温度范围（750~720℃）时，进行长时间保温，使石墨化第三阶段低温石墨化阶段顺利进行，奥氏体分解成铁素体与石墨，最终得到铁素体+团絮状石墨组织。称其为黑心可锻铸铁，表示为“KTH”。黑心可锻铸铁SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料若通过共析转变温度区间时的冷却速度较快，则奥氏体直接转变为珠光体，最终获得珠光体+团絮状石墨组织，称其为珠光体可锻铸铁，表示为“KTZ”。珠光体可锻铸铁如果将白口铸铁置于氧化性介质中退火，使深度为1.5~2.0mm的表层完全脱碳得到铁素体组织，其心部仍为珠光体+团絮状石墨组织，称其为白心可锻铸铁，表示为“KTB”。白心可锻铸铁SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料性能：韧性较好，但不可锻造应用：可承受冲击载荷的薄壁零件，如汽车、拖拉机的前后轮壳，减速器壳等SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料图5-5可锻铸铁的显微组织a）黑心可锻铸铁SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料图5-5可锻铸铁的显微组织b）珠光体可锻铸铁SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料4.蠕墨铸铁FG蠕虫状组织：PG蠕虫状工艺：成分：3.5%~3.9%CwMn0.4%~0.8%wSi2.2%~2.8%wS0.1%wP0.1%wFPG蠕虫状为了使石墨呈蠕虫状，浇注前向液态铸铁中加入稀土硅钙合金（）进行蠕虫化处理，处理后加入少量石墨孕育剂。Si50%wRE10%~15%wCa15%~20%wSCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料蠕虫状石墨明显好于片状石墨，故蠕墨铸铁的抗拉强度、塑性、疲劳强度均优于灰铸铁，而接近球墨铸铁。应用：钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽