第四章 铸铁

2020/2/161第四章铸铁基本要求掌握：铸铁的石墨化及其对铸铁性能的影响熟悉：白口铸铁灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁了解：特殊性能铸铁重点与难点：铸铁的石墨化及其对铸铁性能的影响2020/2/162第一节概述铸铁是碳质量分数大于2.11%（工业上通常使用的铸铁的含碳量为2.5%-4.0%)，除碳以外，常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。硅1.0%-3.0%、锰0.5%-1.4%、磷0.01%-0.5%、硫0.02%-0.2%等。2020/2/163与钢相比，成分上铸铁含碳、硅量较高，杂质元素硫、磷较多，另外，铸铁虽然强度、塑性、韧性较差，不能进行锻造，但铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，并具有许多优良的使用性能和工艺性能，所以应用非常广泛，是工程上最常用的金属材料之一。2020/2/164用于制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等。2020/2/1652020/2/166箱体2020/2/167阀体2020/2/168叶轮2020/2/169发动机飞轮2020/2/16102020/2/16112020/2/1612一、铸铁的石墨化过程一)、铁碳合金双重相图在铸铁中，碳可以以二种形式存在：●化合物态的渗碳体(Fe3C)，●游离态石墨（G）。渗碳体为亚稳相，具有复杂的斜方结构。在一定条件下能分解为铁和石墨（Fe3C→3Fe+C）。石墨为稳定相，具有特殊的简单六方晶格，底面原子呈六方网格排列，原子间距小（0.142nm），结合力较强；底面之间的间距较大（0.340nm），结合力较弱。所以其结晶形态常易发展为片状，且强度、硬度、塑性和韧性都很差。2020/2/1613石墨的晶体结构2020/2/1614在不同条件下，即根据成分和冷却速度不同,铁碳合金的结晶过程和组织形成规律,可以有亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图综合在一起形成的所谓铁碳合金双重相图来描述，即铁碳合金相图应该是复线相图：Fe-Fe3C相图和Fe－G相图。2020/2/16152020/2/1616铁碳合金究竟按哪种相图变化，决定于成分、加热和冷却条件。视具体合金的结晶条件不同，铁碳合金可以全部或部分地按照其中一种或另一种相图进行结晶。对于同一成分的铁碳合金，在熔炼条件等完全相同的情况下，石墨化过程主要取决于冷却条件。当铁液或奥氏体以极其缓慢速度冷却到图S’E’F’和SEF之间温度范围时，通常按Fe－G相图结晶，石墨化过程能够较充分地进行。2020/2/1617二）、铸铁的石墨化过程无论是铸铁的金属基体组织，还是游离态的石墨，它们的形成都与石墨化过程有关。铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。1.石墨化方式1）按照Fe－G相图，石墨可以从液体和奥氏体中直接析出。在生产中经常出现的石墨漂浮现象，就证明了石墨可以从铁液中直接析出。2）按照Fe-Fe3C相图，结晶出渗碳体，随后可以通过渗碳体分解来获得。2020/2/1618如:灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得到。2.石墨化过程现以共晶成分的铁液为例,以极缓慢的速度冷却并全部按照Fe－G相图结晶时，可将铸铁的石墨化过程分为如下三个阶段：2020/2/16192020/2/1620●第一阶段石墨化在1154℃（E'C'F'线）通过共晶反应形成共晶石墨。LC'→AE'+G(共晶）●第二阶段石墨化在1154℃～738℃温度范围内奥氏体沿E'S'线析出二次石墨。●第三阶段石墨化在738℃（P'S'K'线）通过共析反应析出共析石墨。AS'→FP'+G(共析）2020/2/1621一般说来，铸铁自高温冷却的过程中，由于具有较高的原子扩散能力，故其第一和第二阶段的石墨化较易进行，即通常都能按照Fe－G相图进行结晶，凝固后得到(A+G)的组织；而随后在较低温度下的第三阶段的石墨化，则常因铸铁的成分及冷却速度等条件的不同，而被全部或部分的抑制，从而会得到三种不同的组织，即：F+G;F+P+G;P+G。2020/2/1622三）、影响石墨化的主要因素铸铁的化学成分和结晶过程中的冷却速度是影响石墨化的主要因素(1)化学成分●碳、硅：强烈促进石墨化的元素，其含量越高，石墨化程度愈充分。碳当量＝含碳量＋１／３含硅量生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施之一。2020/2/1623●锰是阻碍石墨化的元素。●硫是强烈阻碍石墨化的元素。●磷是微弱促进石墨化的元素。(2)冷却速度在生产过程中，铸铁的缓慢冷却，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。2020/2/1624二、铸铁的特点和分类1、铸铁的组织特点石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。铸铁经不同程度石墨化后所得的组织常用各类铸铁的组织是两部分组成的，一部分是石墨，另一部分是基体。基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，相当于铁或钢的组织。所以，铸铁的组织可以看成是铁或钢的基体上分布着石墨夹杂。不同类型铸铁组织中的石墨形态是不同的。2020/2/1625●灰铸铁中的石墨呈片状；●可锻铸铁中石墨呈团絮状；●球墨铸铁中的石墨呈球状；●蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。2020/2/16262、铸铁的性能特点石墨与基体对铸铁性能的影响铸铁的组织由金属基体和石墨组成，其性能则取决于金属基体的性能和石墨的性质及其数量、大小、形状、分布。石墨的性质对铸铁性能的影响灰铸铁的抗拉强度和塑性都很低，石墨对基体严重割裂。石墨强度、韧性极低，就像金属基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效截面，并引起应力集中。2020/2/1627石墨的数量、大小、分布、形状对铸铁的性能有显著影响就片状石墨而言，石墨越多，对基体的削弱作用和应力集中程度越大，其强度、塑性越低．数量一定时，石墨片越粗大，对基体的割裂作用越严重，铸铁抗拉强度越低。变质处理可细化石墨片，提高铸铁的强度，但塑性无明显改善。2020/2/1628当数量、尺寸一定时，石墨的分布不均，会产生方向性排列，则灰铸铁的强度和塑性也显著下降．石墨形状显著影响铸铁性能，以基体为珠光体铸铁为例：石墨由粗片状分别变成细片状、团絮状、球状时，其抗拉强度、延伸率会明显提高，无缺口试样冲击韧性则提高。原因是石墨对基体的削弱程度和应力集中程度不同造成的。2020/2/1629基体组织对铸铁的力学性能也起重要作用对同一种铸铁，铸铁基体中铁素体越多，塑性越好，基体中珠光体越多，则铸铁的拉伸强度和硬度越高，但对于普通灰铸铁，由于粗片状石墨对基体的强烈作用，即使全部得到铁素体基体组织，塑性和冲击韧性仍很低。只有当石墨团絮状、蠕虫状、球状时，改变基体组织才能显示对性能的影响。2020/2/1630由此可见，铸铁的机械性能主要受基体和石墨所控制，因此强化铸铁时，一方面要改变石墨的数量、大小、分布、形状，尽量减少石墨的有害作用；另一方面还可通过合金化、热处理方法调整基体组织、提高基体性能，改善铸铁的强韧性。2020/2/1631除此之外，石墨的存在使铸铁具备下列特殊性能：（1）石墨造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。（2）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。（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）大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。2020/2/16323、分类根据断口形貌不同,铸铁可分为三类:1.白口铸铁:碳除少量溶于铁素体外，其余的碳都以渗碳体的形式存在于铸铁中，其断口呈银白色，故称白口铸铁。性能硬脆。2.灰口铸铁：碳全部或大部分以游离状态的石墨存在于铸铁中，其断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。3.麻口铸铁：一部分以石墨形式存在，类似灰口铸铁；另一部分以自由渗碳体形式存在，类似于白口铸铁。组织介于灰口与白口之间，其断口呈黑白相间的麻点，故称麻口铸铁。2020/2/1633根据铸铁中石墨形态不同，又可分为以下四种：1.灰铸铁：铸铁中石墨呈片状存在。力学性能不高，生产工艺简单，价格低，工业上应用最广。2.可锻铸铁：铸铁中石墨呈团絮状存在。力学性能较灰铸铁高，接近球墨铸铁。3.球墨铸铁：铸铁中石墨呈球状存在。不仅力学性能比灰铸铁高，还可通过热处理进一步提高其力学性能，应用日益广泛。4.蠕墨铸铁：７０年代发展起来的一种铸铁，石墨形态介于片状与球状之间，其性能也介于灰铸铁与球墨铸铁之间。2020/2/1634第二节常用铸铁一、灰铸铁灰铸铁是价格便宜、应用最广泛的铸铁材料。如：各种机器的底座、机架、工作台、机身、齿轮箱箱体、阀体及内燃机的气缸体、气缸盖等。一）灰铸铁的牌号、化学成分、组织、性能及应用1.灰铸铁的牌号HT150、HT250、HT400“HT”表示“灰铁”，后面的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。2020/2/16352.灰铸铁的化学成分铸铁中碳、硅、锰是调节组织的元素，磷是控制使用的元素，硫是应限制使用的元素灰铸铁中的碳、硅、锰质量分数一般控制在以下范围：2.5%－4.0%C;1.0%－2.0%Si；0.5%－1.3%Mn;3.灰铸铁的组织、性能2020/2/1636灰铸铁的显微组织F+G片2020/2/1637F+P+G片2020/2/1638P+G片2020/2/16394.影响灰铸铁组织和性能的因素1）成分对铸铁的影响●锰是阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体中，增强铁、碳原子间的结合力，扩大奥氏体区，阻止共析转变时的石墨化，促进珠光体基体的形成。锰还能与硫生成MnS，减少硫的有害作用。间接起促进石墨化的作用。锰质量分数一般为0.5%～1.4%。2020/2/1640●磷是促进石墨化的元素。铸铁中磷含量增加时，液相线降低，从而提高了铁水的流动性。在铸铁中，磷质量分数大于0.3%时，常常形成二元或三元磷共晶体，其性能硬而脆，降低铸铁的强度，但提高其耐磨性。所以，要求铸铁有较高强度时，要限制磷含量（一般在0.12%以下），而耐磨铸铁则要求有一定的磷含量（可达0.3%以上）。2020/2/1641●硫是有害元素，它强烈促进白口化，并使铸铁的铸造性能和机械性能恶化。形成的硫化物常以共晶体形式沿晶界分布，阻碍碳原子的扩散，因此限定硫的质量分数在0.15%以下。2）冷却速度的影响在一定的铸造工艺（如浇注温度、铸型温度、造型材料种类等）条件下，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、珠光体加铁素体和铁素体灰口铸铁组织。2020/2/1642不同C+Si含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织2020/2/16435.孕育铸铁孕育处理后的灰铸铁叫做孕育铸铁。孕育的目的是：使铁水内同时生成大量均匀分布的非自发核心，以获得细小均匀的石墨片，并细化基体组织，提高铸铁强度；避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的均匀性。孕育铸铁具有较高的强度和硬度，可用来制造机械性能要求较高的铸件，如汽缸、曲轴、凸轮、机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。2020/2/1644变质处理：有意地向液态金属中加入某些变质剂,以细化晶粒和改善组织,达到提高材料性能的目的。变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒。2020/2/16456.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，对提高灰铸铁整体机械性能作用不大，生产中主要用来消除铸件内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。1）消除内应力退火又称人工时效，一些形状复杂和尺寸稳定性要求较高的重要铸件，如机床床身、柴油