第八章铸铁

第八章铸铁铸铁是碳质量分数wc2.11%的铁碳合金。铸铁在工业生产的使用量仅次于钢。铸铁的特点：（1）铸铁含碳和含硅量较高，含杂质元素硫、磷较多。（2）铸铁的强度、塑性和韧性较差，不能进行锻造。但是，铸铁的硬度和抗压强度与钢相近。（3）铸铁的生产设备和工艺简单，价格低廉；铸铁具有优良的铸造性、减摩性、可切削加工性，优异的消振性和好的耐磨性等。8.1铸铁的石墨化：铁碳合金中，含碳量超过2.11%，碳可以Fe3C形式存在，在一定的条件下（调整化学成分和控制冷却速度），碳也可以石墨的形式结晶。问题：为什么碳会以两种形式存在？碳何时以渗碳体形式存在，何时又以石墨形式存在，它们受那些因素的影响？这些问题称为铸铁的石墨化问题。铁-碳二元合金双重相图8.1.1铁碳合金双重相图8.1.2石墨化过程铸铁中石墨形成过程称为石墨化过程。铁-碳二元合金双重相图将石墨化过程分为两个阶段：第一阶段：从过共晶液态中析出的一次石墨L→GⅠ，通过共晶反应而形成的共晶石墨LC’→γE’+G；第二阶段：又称二次结晶阶段或固态石墨化阶段，包括沿E'S'线从奥氏体中析出的二次石墨A→GⅡ.，通过共析反应形成的石墨γS'→αP’+G。8.1.3影响石墨化的因素1.化学成分C、Si的影响：碳当量（CE）和共晶度（SC）：CE=C%+1/3Si%SC=C%/(4.2%-1/3Si%)P：形成磷共晶，增加铸铁的脆性；S：是强烈阻碍石墨化的元素，一般要求含硫量越低越好。Mn：因除硫而有促进石墨化的作用。一般来说，碳化物形成元素如Cr、Mo、V等都阻碍石墨化；而非碳化物形成元素如Ni、Cu和Sn的影响却较复杂。2.冷却速度铸件在高温慢冷的条件下，过冷度小，有利于石墨化。实际生产中影响冷却速度的主要因素是：①造型材料：②铸造方法：③铸件壁厚：化学成分和冷却速度对铸铁组织的影响生产中不可能根据铸件的壁厚来调整铸铁的组织，只能根据壁厚来调整碳和硅的质量分数来控制铸铁的组织和性能。8.2铸铁的分类与牌号1.灰口铸铁：第一阶段充分石墨化的铸铁。根据基体组织可分为：珠光体+石墨；铁素体+石墨；珠光体+铁素体+石墨。（1）灰铸铁：石墨结晶形态呈片状。（2）可锻铸铁：石墨结晶形态呈团絮状。（3）球墨铸铁：石墨结晶形态呈球状或粒状。（4）蠕墨铸铁：石墨结晶形态呈蠕虫状。2.白口铸铁：第一、第二阶段的石墨化全部都被抑制的铸铁；3.麻口铸铁：第一阶段的石墨化过程中未得到充分石墨化的铸铁；8.2.1铸铁的分类8.2.2铸铁的编号（GB/T5612-1985）1.灰铸铁：“HT”+直径为30mm试棒的最低抗拉强度值表示。例：HT100。2.球墨铸铁：“QT”+最低抗拉强度+最低断后伸长率，%表示。例：QT400-18。3.蠕墨铸铁：“RuT”+最低抗拉强度表示。例：RuT420。4.可锻铸铁：“KT”+“H”或“Z”+最低抗拉强度表示+最低断后伸长率。例：KTH300-06、KTZ350-04。5.合金铸铁：耐热铸铁RTCr2、耐蚀铸铁STSi11Cu2CrRE、抗磨铸铁KmTBCr20Mo、耐磨铸铁MTCu1PTi-50。8.3常用铸铁的牌号、组织与性能8.3.1灰铸铁：价格便宜，占铸件产量的80%。1.灰铸铁的成分：wc=2.7~3.6%，wSi=1.0~2.5%，wMn=0.5~1.2%；2.灰铸铁的组织：3.灰铸铁的性能特点：①低的力学性能：石墨的强度、硬度、塑性和韧性几乎为零。②优良的铸造性能：石墨密度小而体积大，减少了铸铁凝固时的收缩率；铸铁熔点低，流动性好。③良好的切削加工性能：石墨的存在使切屑易于断掉且有润滑减磨作用。④较好的耐磨性和减振性：石墨是润滑剂，脱落后可以储存润滑油。⑤较低的缺口敏感性：石墨本身相当于存在许多微小的缺口。4.灰铸铁的热处理：①消除内应力退火：500~550℃保温后炉冷；②改善切削加工性能的退火：850~900℃保温2~5h后炉冷；③表面淬火：高频表面淬火、电接触表面淬火等。热处理只能改变铸铁的基体组织，不能改变石墨的形态及分布。因此用热处理方法提高灰铸铁力学性能的效果不大。5.灰铸铁的应用：普通灰铸铁：HT100、HT150、HT200；孕育铸铁：HT250、HT300、HT350。用来制作各种承受压力和要求消震性的机床、机架、结构复杂的箱体、壳体和经受摩擦的导轨、缸体等8.3.2球墨铸铁球墨铸铁是在钢基体上分布着球状石墨的一种铸铁。1.球磨铸铁的化学成分和球化处理wc=3.6~4.0%、wSi=2.0~3.0%、wMn=0.6~0.8%、wS0.07%、wP0.1%、wMg=0.03~0.06%、wRE=0.02~0.06%。碳当量CE=4.5~4.7%。在铁水中同时加入一定量的球化剂和孕育剂。球化剂：镁、稀土—镁合金等。孕育剂：含75%Si的硅铁。2.球墨铸铁的组织和性能特点•球墨铸铁的力学性能与球状石墨的形状、大小和分布有关。•球墨铸铁的力学性能主要取决于基体组织。•球墨铸铁可以像钢一样进行热处理。•球磨铸铁铸造性能较差：凝固时收缩率较大；容易产生白口组织。3.球墨铸铁的牌号和应用：1）球墨铸铁的牌号：QT400-18、QT500-7、QT700-2、QT800-2、QT900-2等。2）用途：（1）汽车、拖拉机底盘零件；1600~6400MPa阀门的阀体和阀盖；（2）机油泵齿轮；（3）柴油机、汽油机曲轴；磨床、铣床、车床的主轴；空压机、冷冻机缸体、缸套等；（4）汽车、拖拉机传动齿轮等。4.球墨铸铁的热处理：（1）退火：1）高温退火：原始组织中存在自由渗碳体时用经900~950℃保温2~5小时，随炉冷约600℃，出炉空冷，得到铁素体+珠光体混合基体的球墨铸铁。2）低温退火:原始组织中不存在自由渗碳体时用经720~760℃保温3~6小时后，随炉缓冷至600℃空冷，获得铁素体基体的球墨铸铁。（2）正火：目的是获得珠光体基体组织1）低温正火：加热至840~860℃保温1~4小时后空冷。获得铁素体+珠光体混合基体的球墨铸铁。2）高温正火：加热至880~920℃保温1~3h后空冷。获得珠光体基体的球墨铸铁。球墨铸铁常用调质处理工艺为860~900℃加热，保温2~4小时，采用油冷淬火，然后立即在550~600℃回火4~6小时，得到回火索氏体加球状石墨组织。(3)调质处理：(4)等温淬火：1）球墨铸铁等温淬火的加热温度为860~900℃，保温2~4小时；2）迅速移至温度为250~350℃的等温盐浴中进行等温处理30~90分钟，然后取出空冷；3）等温淬火后的组织为下贝氏体+球状石墨；4）球墨铸铁经等温淬火后的强度极限可达1200~1500MPa，硬度为38~50HRC。上贝氏体球墨铸铁下贝氏体球墨铸铁8.3.3蠕墨铸铁20世纪六十年代发展的新型高强度铸铁，因石墨呈蠕虫状得名。1.蠕墨铸铁的成分wc=3.0~4.0%、wSi=2.0~3.0%、wMn=0.4~0.8%、wP0.08%、wS0.04%2.蠕墨铸铁的组织100μm铁素体基体的蠕墨铸铁钢基体上分布着蠕状石墨。蠕虫状石墨为互不连接的短片状，其石墨片的长度比较小，端部较钝。3.蠕墨铸铁的热处理与性能：1）力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间；2）导热性和耐热疲劳性比球墨铸铁高很多；3）减震性能高于球墨铸铁；4）工艺性能好：4.蠕墨铸铁的牌号及用途8.3.4可锻铸铁可锻铸铁亦称玛铁或玛钢。它是先将铸件浇注成白口铸铁，然后在固态下进行长时间石墨化退火，得到具有团絮状石墨的铸铁件。可锻铸铁是在钢的基体上分布着团絮状石墨的一种铸铁。100μm50μm铁素体可锻铸铁珠光体可锻铸铁1.可锻铸铁的化学成分及牌号1）化学成分：wC=2.2～2.8%；wSi=1.2～2.0%；wMn=0.4～1.2%；wP＜0.1%；wS＜0.2%。另外，加入少量孕育剂铝和铋，以保证凝固时获得全白口组织，同时缩短退火时间。2）牌号：KTH300-08；KTH350-10；KTH370-12；KTZ450-06；KTZ550-06；KTZ700-02；KTB350-04；KTB380-12；KTB450-07。2.可锻铸铁的生产1）先浇铸成白口铸铁：铁水中的碳和硅含量较低，但过低会延长退火时间。孕育剂一方面在铁水凝固时阻碍石墨化，另一方面在退火时又促进石墨化。2）石墨化退火：P+G团絮状；F+G团絮状；8.3.5合金铸铁在铸铁中加入合金元素以满足某些特殊的性能：耐磨、耐热、耐蚀。1.耐磨铸铁：分减摩铸铁和抗磨铸铁两种。1）减摩铸铁：指润滑条件下工作的铸铁，如机床导轨、活塞环、气缸套、滑动轴承等。2）抗磨铸铁：无润滑的干摩擦及抗磨粒磨损条件下的铸铁，如轧辊、犁铧、球磨机磨球、煤粉机锤头等。2.耐热铸铁牌号化学成分（ω/%）使用温度/℃CSiMnPS其它RQTSi152.4~3.24.5~5.5＜1.0＜0.20.12Cr0.5~0.1≤850RQTSi52.4~3.24.5~5.5＜0.7＜0.10.03RE0.015~0.035900~950RQTAl221.6~2.21.0~2.0＜0.7＜0.10.03Al21.~24.1000~1100RTAl5Si52.3~2.84.5~5.2＜0.5＜0.10.02Al＞5.~5.8950~1050RTCr161.6~2.41.5~2.2＜1.00＜0.100.05Cr15.~18.9003.耐蚀铸铁牌号化学成分（ω/%）抗弯强度MPa硬度HRSCSiMnPSSTSi15R1.014~160.5＜0.10.1140480STSi15Mo3R0.914~160.5＜0.10.1130480STSi17R0.816~180.5＜0.10.1130480STSi15Cr4R1.4014~160.5＜0.10.08130480STSi11Cu2CrR1.2010~120.5＜0.100.11904204.合金铸铁的组织课堂讨论：1.下列说法对吗？为什么？（1）通过热处理可将片状石墨变成球状，从而改变铸铁的力学性能？（2）可锻铸铁因具有良好的塑性，故可以锻造。（3）白口铸铁由于硬度很高，故可以用来制造各种刀具。