模块二---工程材料性能与选用-第5章-1

NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming1第五章铸铁铸铁中碳元素按主要存在方式不同分为两大类：一是白口铸铁（断口呈现白色），碳的主要存在形式是化合物，如渗碳体；另一是灰口铸铁（断口呈现黑灰色），碳的主要存在形式是碳的单质，即游离状态石墨。介于白口铸铁与灰口铸铁之间为麻口铸铁，其中的碳既有游离石墨又有渗碳体。白口铸铁的脆性特别大，又特别坚硬，作为零件很少用，只有少数的部门采用，例如农业上用的犁，除此之外多作为炼钢用原料，此时通常称它为生铁。在铸铁中还有一类特殊性能铸铁，如耐热铸铁、耐蚀铸铁、耐磨铸铁等，它们都是为了改善铸铁的某些特殊性能加入一定的合金元素Cr、Ni、Mo、Si等，所以又把这类铸铁叫合金铸铁。铸铁是历史上使用得较早的材料，也是最便宜的金属材料之一，同时它具有很多优点。比如，在汽车发动机中，铸铁占80%。同钢一样，铸铁也是Fe、C元素为主的铁基材料，含碳量很高（大于2.11％），达到亚共晶、共晶或过共晶成分。铸铁成型制成零件毛坯只能用铸造方法。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming2§5.1铸铁的分类及特征2.11%C,Fe,C,Si,Mn为主。与钢相比，铸铁的优点：熔炼简便、成本低、铸造性优良、减摩耐磨、良好的消震性和切削加工行、低缺口敏感性缺点：强度、塑韧性较低1.铸铁的分类1）根据C在铸铁中的存在形式(1)白口铸铁：C大部或全部以渗碳体形式存在，断口呈白亮颜色。(2)灰口铸铁：－－－－－－－游离的石墨－－，－－－暗灰色。(3)麻口铸铁：一部分以渗碳体形式存在，另一部分以游离态石墨存在，断口呈黑白相间的麻点。2）铸铁中石墨形态(1)灰铸铁：石墨呈片状(2)球墨铸铁：石墨呈球状(3)可锻铸铁：石墨呈团絮状(4)蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming3NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming4二、铸铁的石墨化过程及其影响因素1.铸铁的石墨化过程和组织特点Fe-C合金中，C有三种形式存在：a.溶于-Fe或-Fe中形成固溶体F或Ab.形成Fe3CC.游离态石墨(G).石墨具有简单六方晶格，底面原子呈六方网格排列，原子间呈共价键结合，结合力强；底面层间为分子健结合，面间距大，结合力弱。故G强度和塑性很低Fe3C为亚稳相：Fe3C3Fe+C;石墨为稳定相不同情况下Fe-C合金有亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图，即铁碳合金相图应是复线相图（图4.2）.按哪种相图变化，决定于加热、冷却条件。铸铁中碳原子析出并形成G的过程称为石墨化。G既可从液体和A中析出，也可由Cm分解获得。灰铁、球铁中G主要从液体中析出，可锻铸铁中G完全由白口铸铁长时间退火，由渗碳体分解而得。4.1石墨晶体结构NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming5据Fe－C(石墨)系相图，极缓慢冷却条件下石墨化过程分三阶段：第一阶段：高温石墨化阶段，液相中直接结晶出初生相石墨或1154℃共晶转变形成石墨。即Lc‘AE’＋C共晶石墨第二阶段：石墨化过程阶段，1154~738℃间，A中析出二次石墨第三阶段：低温石墨化阶段，738℃时通过共析转变形成石墨。即As‘FP‘＋C共析石墨铸铁的组织与石墨化过程及其进行的程度密切相关。高温下扩散条件好，第一、二阶段G化易进行；第三阶段G化温度低，扩散条件差，一定条件下G化过程可能全部/部分抑制，从而得到三种不同组织：F＋G(低温G化完全)、F+P+G（低温G化不完全）、P+G（低温G化被抑制）.NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming63.影响石墨化的因素：化学成分、冷速1)化学成分的影响C、Si强烈促进石墨化进程，Al、Ti、Ni、Cu、P、Co等也促进石墨化Mn、Mo、Cr、V、W、Mg、Ce等阻碍石墨化生产中为避免产生白口、麻口，需加入足够的C、Si、Al等促进石墨化元素2）冷却速度的影响当铁液或A以极缓慢速度冷却(过冷度很小)至图中S'E'F'和SEF间温度范围，常按Fe-C(石墨)系结晶，石墨化过程充分。冷速较快(薄壁件)，过冷度大，通过S'E'F'和SEF范围共晶石墨或二次石墨来不及析出，过冷到实线以下温度时，将析出Fe3C。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming7§5.2常用铸铁一、灰口铸铁(HT)－价廉、用广，占铸铁量80％多。1)HT的化学成分、组织与性能C2.7~3.6%C、1~2%Si,0.5~1.3%Mn,0.3%P,0.15%SC,Si,Mn是调节组织的元素，P是控制使用元素，S应限制元素HT牌号：HT100、HT150---~HT350(6种)HT200－最低b=200MPa,N牌号的铸铁,b:N~(N+100)MPa组织：片状石墨和钢的基体两部分组成的。根据不同阶段石墨化程度的不同，HT有三种不同的基体组织(F、P、F＋P)性能：b:P%b,片状G％b；抗压比抗拉强度高3-4倍。延伸率：很低0.2~0.7%脆性材料工艺性能：铸造性好，切削加工性好，焊接性差。图铁素体基灰口铸铁的显微组织NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming8沧州铁狮子－中国铸铁冶炼工艺领先世界的范例_重40吨，铸造於后周广顺三年(953年)含S高，已破裂NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming99IronPillarofDelhi,IndiaErected375AD-414ADMadeupof98%wroughtIron7.3mtall,withonemeterbelowtheground48cmdiameteratthefootMorethan6tonsNationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming104.1NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming11由表4.1，在同一牌号中，随铸件壁厚的增加，其抗拉强度降低。因此，根据零件的性能要求选择铸铁牌号时，必须同时注意到零件的壁厚尺寸。灰口铸铁的性能与普通碳钢相比，具有如下特点：（1）机械性能低，抗拉强度和塑性韧性远低于钢灰口铸铁中片状石墨（相当于微裂纹）的存在，不仅在尖端处引起应力集中，而且破坏了基体的连续性，这是灰口铸铁抗拉强度差，塑性韧性几乎为零的根本原因。但是，灰口铸铁在受压时石墨片破坏基体连续性的影响则大为减轻，其抗压强度是抗拉强度的2.5～4倍。所以常用灰口铸铁制造机床床身、底座等耐压零部件。（2）耐磨性与消震性好。由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所以耐磨性好。同样，由于石墨的存在，灰口铸铁的消震性优于钢。（3）工艺性能好。由于灰口铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故熔点比较低，流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件。另外，由于石墨使切削加工时易于形成断屑，所以灰口铸铁的可切削加工性优于钢。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming12管材轧机NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming133.灰口铸铁的孕育处理改善铸铁中石墨片的形状、数量、大小和分布机械性能表4.1中HT250、HT300、HT350属于较高强度的孕育铸铁（也称变质铸铁），这是普通铸铁通过孕育处理而得到的。由于在铸造之前向铁液中加入了孕育剂（或称变质剂），结晶时石墨晶核数目增多，石墨片尺寸变小，更为均匀地分布在基体中。所以其显微组织是在细珠光体基体上分布着细小片状石墨。铸铁变质剂或孕育剂一般为硅铁合金或硅钙合金小颗粒或粉，当加入铸铁液内后(加入量为铁水重量4％)立即形成SiO2的固体小质点，铸铁中的碳以这些小质点为核心形成细小的片状石墨。铸铁经孕育处理后不仅强度有较大提高，而且塑性和韧性也有所改善。同时，由于孕育剂的加入，还可使铸铁对冷却速度的敏感性显著减少，使各部位都能得到均匀一致的组织。所以孕育铸铁常用来制造机械性能要求较高、截面尺寸变化较大的铸件，如气缸、曲轴、凸轮轴等较重要的零件NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming144.灰口铸铁热处理只改变基体组织，不能改变G的形状和分布状态。提高机性效果不大。1)去应力退火（人工时效）消除铸造过程中产生的内应力，避免铸件翘曲、变形、开裂。铸件铸后应进行～。500～560℃保温(2h/10mm截面)—随炉缓冷(150～200℃)－出炉空内应力消除90％。如退火温度560℃，共析渗碳体会分解、球化铸件强度、硬度、耐磨2)消除白口、改善切削加工性的退火铸件冷却时，表层及薄壁处冷速快白口组织硬度高、难切削。850～950℃(1~4h)部分渗碳体分解为G炉冷至400～500℃空冷F/F+P基灰铸铁。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming15二、可锻铸铁（malleableiron）可锻铸铁韧性高，但并不可锻。～是由白口铸铁通过高温石墨化退火或氧化脱碳热处理，改变金相组织或成分而获得具有高韧性的铸铁。由于铸铁中G呈团絮状，大大消弱了对基体的割裂作用，具有较高的强度、塑韧性。可部分代替碳钢。类型：黑心可锻铸铁(包括P可锻铸铁)、白心可锻铸铁（很少生产）将白口铸铁件在中性介质中经高温石墨化退火而获得的铸铁件，如金相组织为F基体＋团絮状G，其断口由于G大量析出使心部为暗黑色，表层因部分脱碳呈白亮色，称黑心可锻铸铁。如金相组织为P基体＋团絮状G，则称为P可锻铸铁。但因其断口也呈灰色，也称为黑心可锻铸铁。如退火在氧化性气氛中进行，表层完全脱碳可得到F组织，而心部为P＋G，断口呈亮白色，称白心可锻铸铁。由于退火周期长，性能并不优越，很少应用。NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming16白口铸铁————可锻铸铁Fe3CA＋G(石墨)黑心可锻铸铁石墨化退火工艺：如图示，将浇铸成的白口铸铁件加热到900-980℃保温约15h,使Fe3C分解为A＋G。固态下G在各个方向长大速度相差不大，故G成团絮状。在随后的冷却中，A将沿已形成的团絮状G表面析出二次G，至共析转变温度范围（750－720℃）时，A分解为F＋GF可锻铸铁（图①）。如果通过共析转变温度时冷速较快，则得到P可锻铸铁（图②）。1)可锻铸铁的化学成分、组织与性能2.4~2.7%C、1.4~1.8%Si,0.5~0.7%Mn,0.008%P,0.025%S缩短G周期，可加入B、Al、Bi等孕育剂。组织：F基体＋G团絮状、P基体＋G团絮KTHXX－XX：铁素体基体可锻铸铁（黑心可锻铸铁）KTZXX－XX：珠光体基体可锻铸铁KTZ700－02表示P可锻铸铁、bmin=700MPa,min=2%.长时间退火Fe3C石墨化NationalEngineeringResearchCenterofLightAlloysNetForming17使用：F可锻铸铁具有一定强度和较高的塑韧性，可用在承受冲击和振动的场合。如汽车、拖拉机后桥外壳、转向机构等P可锻铸铁强度大、硬度高、耐磨好，可制