常用铸铁材料..

Page1/907©2012YangLi第五章铸铁铸铁石墨化过程及影响因素；铸铁的分类、成分、组织、性能、用途本章目的:掌握铁碳双重相图深入理解铸铁的石墨化过程与影响因素，石墨形态对铸铁性能的影响，铸铁的热处理特点，常用铸铁的牌号、组织和用途本章重点：Page2/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi第一节概述第二节常用铸铁第三节特殊性能铸铁本章的主要内容Page3/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi第一节概述铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。实际应用的铸铁中还会含有较多的Si、Mn和其他一些杂质元素。为了提高铸铁的性能，还可以加入一定量的合金元素，组成合金铸铁。同钢相比，虽然强度、塑性和韧性较低，但是铸铁熔炼简便，成本低廉，具有优良的铸造性能、很高的耐磨性、良好的减振性和切削加工性能等一系列的优点，因此而获得较为广泛的应用。Page4/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi在汽车上，重量约为50%~70%的金属材料为铸铁。如：汽缸体、变速箱体、后桥壳、曲轴等。随着科技的发展，新型铸铁的不断出现，为铸铁的广泛应用开辟更广泛的前景，目前有些零部件（曲轴、齿轮），形成了以铁代钢的趋势。Page5/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi碳的存在形式：①固溶于A和F中②化合物渗碳体（Fe3C）③游离态的石墨（G）石墨特点：•C%≈100%•简单六方晶体结构•强度、塑性和韧性极低•松软相，相当于孔洞和裂缝Fe3C→3Fe+G亚稳相稳定相graphite一、铸铁组织的形成Page6/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi碳存在的形式及断口的颜色白口铸铁灰铸铁麻口铸铁渗碳体游离的石墨渗碳体游离的石墨根据碳在铸铁中的存在形式，铸铁可分为：Page7/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi铁碳合金双重相图Fe-Fe3C相图Fe-G相图Page8/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi渗碳体是亚稳定相，而石墨才是稳定相。热力学条件：有利于石墨化的过程动力学条件：主要有成分起伏、结构起伏和原子扩散。有利于渗碳体的形成为了使G化进行，可人为地改变热力学和动力学条件。铸铁的石墨化过程Page9/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi成分起伏L4.3%CFe3C（6.69%C）+AG（100%C）+A结构起伏L（或γ-Fe）Fe、C并存(面心)Fe3C（复杂斜方结构）G（六角形层状结构）比较接近浓度差小Page10/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi原子扩散G长大，不但要C原子扩散集中，而且Fe原子要从G生长前沿逆向扩散。而Fe3C长大只要C扩散，Fe原子局部移动即可。G长大较难。有利于Fe3C长大Page11/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi•化学成分：C、Si促进石墨化•冷却速度：冷速慢有利碳原子的充分扩散，易于石墨化。受铸件厚度和铸型材料影响影响石墨化的因素：Page12/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi化学成分的影响CSiC和Si是基本成分，是↑↑G元素。石墨来源于C。Si含量一般在0.8~3.5%之间，Si的加入对Fe-G相图发生变化。Si作用①共晶点和共析点碳量随硅含量的↑而↓；②使共晶和共析转变在一温度范围内进行；③↑共晶和共析温度。共析温度提高更多，大约每↑1％Si，可使共析温度↑28℃；④Si促进铸铁石墨化的作用相当于1/3C。Page13/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi↑G化，≈1/3C作用。0.2%后，出现硬脆Fe3P，呈孤立、细小、均匀分布时，可↑耐磨性。若粗大连续网状分布，将↓强度，↑铸件脆性。除在耐磨铸铁中可达0.5~1.0%外，在普通铸铁中都作为杂质，通常灰铁中P含量控制在＜0.2%。↓G化；Mn能与S结合生成MnS，削弱硫的有害作用。铸铁中含锰量一般在0.5~1.4%范围内，如要获得铁素体基体，含锰量应取下限。PMnPage14/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi↑白口；↓铁水流动性，恶化铸造性；形成FeS，分布晶界，使铸铁变脆。S是有害元素，其含量应尽量低，一般将S限制在0.15%以下S促进石墨化元素阻碍石墨化元素+Al、C、Si、Ni、CuW、Mn、Mo、S、Cr、Fe、Mg—Page15/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi冷却速度的影响化学成分选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，可以在很大范围内改变铸态组织。V冷越缓慢，越有利于按Fe-C状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段G化，通常情况下，共析阶段的G化难以完全进行在生产中，铸件冷却速度是一个综合因素，它与浇注温度、铸型条件以及铸件壁厚均有关系。同一铸件不同壁厚处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效应。铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁厚铸件，可调整化学成分来保证获得所需组织.Page16/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi石墨形成的两个阶段：GⅠ共晶石墨GⅡ共析石墨第二阶段：低温石墨化阶段共析石墨第一阶段：高温石墨化阶段一次石墨（GⅠ）、共晶石墨、二次石墨（GⅡ）Page17/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi石墨化进行程度铸铁的显微组织铸铁类型性能特点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Greycastiron断口为暗灰色部分进行F+P+G未进行P+G部分进行未进行Le’+P+G麻口铸铁Mottlecastiron具有较大的硬度和脆性未进行未进行(C→Fe3C)Le’白口铸铁Whitecastiron断口白亮硬而脆,用作炼钢原料•铸铁的组织和分类Page18/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi分类灰铸铁Greycastiron球墨铸铁Spheroidalgraphitecastiron可锻铸铁Malleablecastiron石墨形态片状flake球状spherical团絮状flocculent基体组织基体（F、F+P、P）二、石墨与基体对铸铁性能的影响Page19/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。石墨机械性能很低，硬度仅为3HB～5HB，抗拉强度为20MPa，延伸率接近零。石墨与基体相比，其强度和塑性都要小得多。铸铁性能石墨的形态抗拉强度（MPa）伸长率（%）无缺口试样冲击韧度(J/cm2)粗片状100-2000-0.3%0-3细片状200-4000.2-0.5%3-8团絮状450-7002.5-5%5-15球状600-8002.0-4.015-30Page20/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi石墨造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少铸件体积的收缩，降低铸件中的内应力。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。石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的特殊性能：Page21/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi第二节常用铸铁铸铁中的石墨形态、尺寸以及分布状况对性能影响很大。铸铁中石墨状况主要受铸铁的化学成分及工艺过程的影响。通常铸铁中石墨形态(片状或球状)在铸造后即形成，也可将白口铸铁通过退火，让其中部分或全部的碳化物转化为团絮状形态的石墨。Page22/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约占铸铁总产量的80%以上。一、灰铸铁命名HT+三位数字，表示最低的抗拉强度。如：HT100，HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。Page23/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi组织石墨片的三维形貌①铁素体灰铸铁（F+G）②珠光体灰铸铁（P+G）③铁素体加珠光体灰铸铁(F+P+G)Page24/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi分类牌号显微组织基体G普通灰铸铁HT100F粗片HT150F+P较粗片HT200P中等片孕育铸铁HT250P较细片HT300细P细片HT350S或T牌号抗拉强度值，MPaPage25/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi耐磨性好——石墨有利于润滑、储油。抗压强度高——抗拉强度、塑韧性比钢低。消震性好（是钢的十倍）——G组织松软铸造性好——接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收缩小。切削加工性好——G使切屑易断，还可润滑刀具抗拉强度低、塑韧性很差——基体强度不能充分发挥，其强度利用率仅30~50%，表现为σb很低，塑性和韧性几乎为零性能Page26/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi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30-50%，所以灰铸铁热处理不能显著改善其力学性能，主要为消除铸件内应力，稳定尺寸，改善切削加工性能和提高表面耐磨性。灰铸铁常用的热处理有：①消除内应力退火(又称人工时效)②消除白口组织退火或正火③表面淬火灰铸铁的热处理Page27/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi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(HT300)重型机床床身(HT250)变速箱体应用Page28/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi石墨呈团絮状的灰口铸铁，是由白口铸铁经石墨化退火获得的。石墨呈团絮状，对基体破坏作用较小，所以比灰铸铁具有较高的强度强度为碳钢的４0-７0%，接近于铸钢、塑性和冲击韧度，但不能锻造。二、可锻铸铁命名KT+种类+三位数字-两位数字，种类：H：黑心铸铁，Z珠光体铸铁，三位数字：最低抗拉强度，两位数字：最低的伸长率。如KTH300-06，KTZ450-06Page29/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi强度为碳钢的40~70%，接近于铸钢。名为可锻，实不可锻可锻铸铁的石墨化退火性能Page30/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi黑心可锻铸铁（F＋G）珠光体可锻铸铁（P＋G）可锻铸铁石墨化退火工艺曲线组织基体(F、P)＋团絮状GPage31/907FundamentalsofMaterialsScience©2012YangLi种类牌号力学性能σbMPaσsMPaδ%硬度HBS不小于黑心可锻铸铁KTH300-06300—6≤150KTH330-0833