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3.3铸钢与铸铁3.3.1铸钢用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件，如机车车辆、船舶、重型机械的齿轮、轴，以及轧辊、机座、缸体、外壳等。重型机械齿轮轧辊外壳一、碳素铸钢的化学成分及机械性能Fe、C、Si、Mn、S、P碳是影响铸钢件性能的主要元素。碳含量增加，屈服强度和抗拉强度增加。碳质量分数超过0.45%时，屈服强度很少增加，而塑性、韧性显著下降。硫、磷应控制，硫会增大钢的热裂倾向，磷使钢的脆性增加。硅、锰可以提高强度。碳素铸钢牌号：在生产中使用最多的三种是ZG230-450(ZG25)ZG270-500(ZG35)ZG310-570(ZG45)ZG表示铸钢，数字分别表示屈服强度和抗拉强度。碳素铸钢屈服强度为200MPa～340MPa，抗拉强度为400MPa～640MPa。低合金铸钢牌号：ZG45MnZG40CrZG35CrMo低合金铸钢屈服强度为330MPa～460MPa，抗拉强度为600MPa～680MPa。碳素铸钢与铸铁相比，强度和塑性、韧性较高。但铸钢钢水的流动性差，收缩率较大。铸钢在浇注时应采取较高的浇注温度，采用大的浇冒口。铸钢特点二、铸钢的组织特征和热处理1.组织特征铸钢浇注温度很高，冷却较慢，容易得到粗大的奥氏体晶粒。魏氏组织在冷却过程中，铁素体首先沿奥氏体晶界呈网状析出，然后沿一定方向以片状生长，形成“魏氏组织”。使钢的塑性和韧性下降，不能直接使用。(1)扩散退火成分均匀化(2)完全退火消除魏氏组织和铸造应力。组织：珠光体+铁素体(3)正火细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力，改善机械性能。组织：索氏体+铁素体。2.铸钢的热处理3.3.2铸铁铸铁是碳质量分数大于2.11%、含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。铸铁生产设备和工艺简单，价格便宜，具有许多优良的使用性能和工艺性能，应用广泛。一、铸铁的石墨化过程和特点1.铸铁的石墨化过程在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：●固溶在F、A中，●化合物态的渗碳体(Fe3C)，●游离态石墨（G）。石墨化：铸铁中碳原子析出形成石墨的过程。(1)从液体和奥氏体中析出。(2)渗碳体分解获得。石墨的晶体结构石墨(G)稳定相，简单六方晶格。底面上原子呈六方网格排列，原子间距小（1.42×10-10m），结合力很强；底面间的间距较大（3.04×10-10m），结合力较弱。石墨的强度、硬度和塑性很差。渗碳体亚稳相，具有复杂的晶体结构，硬而脆。在一定条件下能分解为铁和石墨Fe3C→3Fe+C即Fe3C→F+GFe3C石墨的作用：（1）石墨提高铸铁的切削加工性能。（2）铸件凝固时石墨膨胀，减少铸件体积收缩，降低内应力。铸铁铸造性能良好。（3）石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。（4）石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。（5）石墨强度、韧性极低，相当于裂纹或空洞。石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，铸铁抗拉强度越低。铁碳合金双重相图在不同条件下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图。冷却速度稍快时铁碳合金按亚稳定平衡Fe-Fe3C相图结晶。含Si较多、冷却速度很慢时铁碳合金按稳定平衡Fe-G相图结晶。铸铁的石墨化过程：●第一阶段石墨化形成一次石墨和共晶石墨。LC'→G(一次）LC'→AE'+G(共晶）●第二阶段石墨化奥氏体析出二次石墨。AE'→G(二次）●第三阶段石墨化形成共析石墨和F中析出三次石墨。AE'→FP'+G(共析）F→G(三次）影响石墨化的主要因素：(1)温度和冷却速度在生产过程中，铸铁在高温下长时间保温，或缓慢冷却，有利于石墨化。老师提示:生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。(2)合金元素●C、Si、Al、Cu、Ni、Co等非碳化物形成元素促进石墨化，碳和硅最强烈。●Cr、W、Mo、V、Mn、S等碳化物形成元素阻碍石墨化。铸铁分类铸铁第1阶段石墨化第2阶段石墨化第3阶段石墨化组织特征组织白口铸铁不进行不进行不进行有Le’无GLe’+P+Fe3CⅡLe’Le’+Fe3CⅠ麻口铸铁部分进行部分进行不进行有Le’有GLe’+P+G灰口铸铁充分进行充分进行充分进行部分进行不进行无Le’有GF+GF+P+GP+G2.灰口铸铁的组织特征和分类铸铁组织由基体和石墨组成。基体：铁素体、珠光体或铁素体加珠光体石墨：片状、球状、蠕虫状、团絮状灰口铸铁的分类灰口铸铁石墨形态灰铸铁、孕育铸铁片状、细片状球墨铸铁球状蠕墨铸铁蠕虫状可锻铸铁团絮状二、常用铸铁1.灰铸铁价格便宜、应用最广。（1）灰铸铁的牌号HT150、HT250、HT400“HT”表示“灰铁”，数字表示最低抗拉强度。灰铸铁有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种基体。灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以下范围：2.5%～4.0%C;1.0%～2.0%Si。灰铸铁的显微组织F+G片F+P+G片P+G片（2）影响灰铸铁组织和性能的因素①成分的影响●锰：阻碍石墨化，促进珠光体基体形成。提高铸铁强度。与硫生成MnS，减少硫有害作用。锰质量分数一般为0.5%～1.4%。●硫：有害元素，强烈促进白口化，使铸造性能和机械性能恶化。硫的质量分数在0.15%以下。●磷：促进石墨化。提高铁水流动性。量大时形成磷共晶体，硬而脆，降低铸铁强度，但提高耐磨性。要求铸铁有较高强度时，磷质量分数0.12%，耐磨铸铁要求磷质量分数0.3%。②冷却速度的影响铸件的冷却速度对石墨化程度影响很大。随着铸件壁厚增加，冷却速度减慢，依次出现珠光体灰口铁、珠光体加铁素体灰口铁和铁素体灰口铁。不同C+Si含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织（3）灰铸铁的热处理及应用热处理不能改变石墨的形态和分布。①消除内应力退火形状复杂和尺寸稳定性要求较高的铸件（机床床身、柴油机汽缸），为防止变形和开裂，须进行500℃～550℃消除内应力退火。②消除铸件白口、降低硬度的退火灰铸铁件表层和薄壁处产生白口组织难以切削加工，需要退火(850℃～900℃保温2～5h)，使渗碳体分解成石墨，降低硬度。③表面淬火机床导轨、缸体内壁等，需要提高硬度和耐磨性，进行表面淬火。淬火后表面硬度可达50HRC～55HRC。灰铸铁的应用叶轮发动机飞轮箱体启动阀灰铸铁铸造性能优良、价格便宜，但强度较低、韧性差。制造机床床身、床头箱、阀体、叶轮、飞轮等。（4）孕育铸铁孕育处理（亦称变质处理）后的灰铸铁叫做孕育铸铁。孕育处理目的：铁水中生成大量均匀分布的非自发核心，获得细小均匀的石墨片，细化基体组织，提高铸铁强度；避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织均匀性。孕育铸铁具有较高的强度和硬度。应用：制造机械性能要求较高的铸件，如汽缸、曲轴、凸轮等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。2.球墨铸铁球墨铸铁的石墨呈球状。具有很高的强度，良好的塑性和韧性。综合机械性能接近于钢，铸造性能好，成本较低，生产方便，得到广泛应用。F+G球F+P+G球P+G球(1)球墨铸铁的成分和球化处理成分：要求比较严格。3.6%～3.9%C,2.2%～2.8%Si,0.6%～0.8%Mn,0.07%S,0.1%P。球化处理：在铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂，获得细小、均匀分布的球状石墨。使用稀土镁球化剂。镁强烈阻碍石墨化。为了避免白口，并使石墨球细小、均匀分布、一定要加入孕育剂。常用的孕育剂为硅铁和硅钙合金等。(2)球墨铸铁的牌号、组织和性能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和延伸率。不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体高50%以上。铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体基的3～5倍。(3)球墨铸铁的热处理①退火900℃～950℃、2h～5h。当铸件薄壁处出现渗碳体和珠光体时，退火可获得塑性好的铁素体基体，改善切削性能，消除铸造应力。②正火880℃～920℃，空冷。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。③调质加热到850℃～900℃，使基体转变为奥氏体，在油中淬火得到马氏体，然后经550℃～600℃回火，空冷。组织：回火索氏体+球状石墨调质后强度高，塑性、韧性好。用于要求综合机械性能较高的球墨铸铁零件，如连杆、曲轴等，表面要求耐磨的零件可以再进行表面淬火及低温回火。④等温淬火加热到奥氏体区（840℃～900℃左右），保温后在300℃左右的等温盐浴中冷却并保温，使基体在此温度转变为下贝氏体。组织：下贝氏体+球状石墨。性能：获得高的强度，具有良好的塑性和韧性。强度1200MPa～1450MPa,冲击韧性300kJ/m2～360kJ/m2,硬度38HRC～51HRC。等温盐浴的冷却能力有限，一般只能用于截面不大的零件，例如受力复杂的齿轮、曲轴、凸轮轴等。球墨铸铁的应用：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。曲轴管道接口3.蠕墨铸铁RuT300、RuT420蠕墨铸铁以“RuT”表示，数字表示最低抗拉强度。蠕墨铸铁组织蠕墨铸铁是新型高强铸铁。强度接近于球墨铸铁，有一定的韧性、较高的耐磨性；又有和灰铸铁一样良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁的石墨在光学显微镜下为蠕虫状，长厚比小，端部较钝。蠕墨铸铁的生产：在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂形成。蠕化剂主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。排气管进气管应用：用于高层建筑中高压热交换器、内燃机汽缸、缸盖、排气管、进气管、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。4.可锻铸铁可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可锻铸铁依靠石墨化退火获得。可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体。铁素体可锻铸铁珠光体可锻铸铁(1)可锻铸铁的牌号KT350-10、KTZ600-3铁素体可锻铸铁以“KT”表示。珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。(2)可锻铸铁的生产和热处理●第一步先铸造成白口铸铁。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。若第一阶段石墨化后慢冷，完成第二阶段、第三阶段石墨化，在650℃～700℃出炉冷却至室温，得到铁素体基体可锻铸铁。若第一阶段石墨化后以较快的速度（100℃/h）冷却通过共析转变温度区，得到珠光体基体可锻铸铁。可锻化退火时间要几十小时，为缩短时间，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，退火时促进石墨化。可锻铸铁应用：制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。这些零件用铸钢生产时，因铸造性不好，工艺困难；用灰铸铁时，性能不能满足要求。与球墨铸铁比，可锻铸铁成本低、质量稳定、铁水处理简单、容易组织流水生产。尤其对于薄壁件，若采用球墨铸铁易生成白口，需要进行高温退火，采用可锻铸铁更为适宜。5.特殊性能铸铁铸铁中加入合金元素，得到具有特殊性能的合金铸铁。(1)耐磨铸铁激冷铸铁白口铸铁耐磨。采用激冷的办法使铸件表面获得白口铸铁。用金属型铸造铸件的耐磨表面，其它部位采用砂型。调整铁水化学成分（高碳、低硅），保证白口层的深度。表面为白口铸铁，心部为灰口铸铁组织，有一定的强度。应用：制造轧辊、车轮等。高磷铸铁磷的质量分数提高到0.4%～0.6%，生成磷共晶，呈断续网状形态分布在珠光体基体上。磷共晶硬度高，改善珠光体灰口铸铁的耐磨性。高铬耐磨铸铁、奥－贝球墨铸铁加入Cr、Mo、W、Cu等合金元素，提高基体强度和韧性，铸铁的耐磨性能等得到更大提高。弯管衬板(2)耐热铸铁制造高温下工作的炉底板、换热器、坩埚、热处理炉内的运输链条。加入Al、Si、Cr，铸件表面形成致密的氧化膜，阻碍继续氧化改善铸铁的耐热性。球墨铸铁中，石墨为孤立分布，互不相连，不形成气体渗入通道，耐热性更好。扇形扩散器托架(3)耐蚀铸铁耐蚀铸铁主要用于化工部件，如阀门、