机械工程材料 第八章铸铁

第八章铸铁铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都是由铸铁制造的。铸铁曲轴内燃机汽缸第一节概述一、铸铁的石墨化过程1、Fe-Fe3C和Fe-G(石墨)双重相图铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体(Fe3C)和游离态的石墨(G)两种形式存在。石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、韧性几乎为零。Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：Fe3C→3Fe+C（石墨）共晶白口铸铁F基体球墨铸铁存在两个铁碳相图：Fe-Fe3C和Fe-G双重相图L+GL+Fe3C2、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。台车式石墨化退火炉石墨化分两个阶段：在P’S’K’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。在P’S’K’线以下发生的石墨化称为第二阶段石墨化。包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系（以共晶铸铁为例）石墨化进行程度铸铁的显微组织铸铁类型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麻口铸铁未进行未进行Le’白口铸铁3、影响石墨化的因素⑴化学成分的影响碳和硅是强烈促进石墨化的元素。碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差。碳、硅含量过高，会使石墨数量多且粗大，基体内铁素体量增多，降低铸件的性能。SiC白口铸铁灰口铸铁麻口铸铁碳、硅含量对铸铁石墨化的影响碳、硅量控制范围：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si。Al、Cu、Ni、Co等元素对石墨化有促进作用。S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素阻碍石墨化。铸铁中的磷共晶磷虽然可促进石墨化，但其含量高时易在晶界上形成硬而脆的磷共晶，降低铸铁的强度，只有耐磨铸铁中磷含量偏高（达0.3%以上）。⑵冷却速度的影响铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe-G相图进行，因而促进石墨化。WC+Wsi(%)铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响快冷时由于过冷度大，结晶将按Fe-Fe3C相图进行,不利于石墨化。二、铸铁的特点及分类工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。1、铸铁的组织特点钢的基体+G（石墨）基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。F+GF+P+GP+G⑵耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。⑷铸造性能好。由于铸铁硅含量高,成分接近于共晶⑸切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。2、铸铁的性能特点⑴力学性能低。由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。铸铁与铸钢的强度比较3、铸铁的分类与牌号表示方法铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例灰铸铁片状FHT+一组数字数字表示最低抗拉强度值，单位MPa。“HT”表示灰铸铁代号。HT100F+PHT150PHT200可锻铸铁团絮状FKTH+两组数字KTB+两组数字KTZ+两组数字KTH300-06表F心PKTB350-04PKTZ450-06KTH、KTB、KTZ分别为黑心、白心、珠光体可锻铸铁代号；第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低延伸率值，%铸铁的分类与牌号表示方法（续）铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例球墨铸铁球状FQT+两组数字第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低延伸率值，%。“QT”表示球墨铸铁代号QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨铸铁蠕虫状FRuT+一组数字数字表示最低抗拉强度值,MPa。“RuT”表示蠕墨铸铁代号RuT260F+PRuT300PRuT420工业铸铁的成分范围与组织工业铸铁的成分范围快冷中速冷却中速冷却缓冷缓冷缓冷快冷白口铸铁珠光体灰铸铁铁素体灰铸铁铁素体球墨铸铁珠光体球墨铸铁珠光体可锻铸铁铁素体可锻铸铁石墨化退火中速冷却缓冷珠光体蠕墨铸铁铁素体蠕墨铸铁Si/Mg/Ce第二节常用铸铁一、灰铸铁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。1、组织灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的，其基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。灰铸铁齿轮箱灰铸铁的显微组织铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁石墨片的三维形貌常对灰铸铁进行孕育处理，以细化片状石墨。常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。孕育处理前孕育处理后硅铁硅钙2、热处理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%，热处理强化效果不大。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③表面淬火灰铸铁件汽缸套活塞环3、用途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(HT-300)重型机床床身(HT-250)变速箱体可锻铸铁石墨化退火工艺曲线二、可锻铸铁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。1、组织：基体(F、P)＋团絮状G铁素体基体可锻铸铁又称黑心可锻铸铁。2、性能：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显微组织黑心可锻铸铁珠光体可锻铸铁可锻铸铁的石墨化退火3、用途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。可锻铸铁管件三、球墨铸铁石墨呈球形的灰口铸铁。由液态铁水经石墨化得到。1、组织：基体（F、F+P、P）+球状G球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。球化剂为镁、稀土和稀土镁。硅铁硅钙稀土镁为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行孕育处理。常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。球墨铸铁的显微组织铁素体加珠光体球墨铸铁铁素体球墨铸铁珠光体球墨铸铁球墨铸铁中的石墨球2、性能与热处理强度是碳钢的70~90%。球墨铸铁的突出特点是屈强比(0.2/b)高,约为0.7~0.8,而钢一般只有0.3~0.5。球墨铸铁可进行各种热处理，如退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。球墨铸铁的热处理特点是：①奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高。②淬透性比碳钢高③奥氏体中碳含量可控组织制品(轧辊与辊环)贝氏体基球墨铸铁3、用途承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。核燃料贮存运输容器(QT350-22)铸铁曲轴四、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。蠕化剂为稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。蠕墨铸铁的组织：基体（F、F+P、P）+蠕虫状G蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁的显微组织蠕墨铸铁中的石墨珠光体基体铁素体基体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。灰铸铁灰铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁灰铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁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。玻璃模具制动鼓