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河北理工大学机械工程学院工程材料——铸铁1第八章铸铁第一节铸铁的石墨化第二节灰铸铁第三节球墨铸铁第四节蠕墨铸铁第五节可锻铸铁第六节合金铸铁2概述铸铁是碳含量大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。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。它可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。34二、铸铁的分类根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断口颜色的不同，可分为三大类：白口铸铁：碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合物状态的渗碳体析出，凝固后断口呈白亮的颜色；麻口铸铁：碳既以化合状态的渗碳体析出，又以游离状态的石墨析出，凝固后断口夹杂着白亮渗碳体和暗灰色的石墨；灰口铸铁：碳全部或大部分以游离状态的石墨析出，凝固后断口呈灰色。5普通灰口铸铁可锻铸铁球墨铸铁6铸铁的分类按照石墨的形态,铸铁可分为:石墨呈片状铸铁,称灰铸铁；石墨呈团絮状的铸铁称可锻铸铁；石墨呈球状的铸铁称球墨铸铁；石墨呈蠕虫状的铸铁称蠕墨铸铁。7从灰铸铁金相照片中看到的片状石墨，实际上是一个立体的多枝石墨团。由于石墨各分枝都长成翘曲的薄片，在金相磨片上所看到的仅是这种多枝石墨团的某一截面，因此呈孤立的长短不等的片状（或细条状）石墨。图7-2片状石墨的立体模型8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9第一节铸铁的石墨化一铁碳合金双重相图二石墨化过程三影响石墨化的因素10铁碳合金双重相图在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：一是固溶在F、A中，二是化合物态的渗碳体(Fe3C)，三是游离态石墨（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，其底面原子呈六方网格排列，原子间距小（1.42×10-10m），结合力很强；而底面之间的间距较大（3.04×10-10m），结合力较弱。所以石墨的强度、硬度和塑性都很差。11铁碳合金双重相图在不同条件下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图，即铁碳合金相图应该是复线相图：Fe-Fe3C相图和Fe－G相图。铁碳合金究竟按哪种相图变化，决定于加热、冷却条件或获得的平衡性质（亚稳平衡还是稳定平衡）。1213铸铁的石墨化铸铁中碳原子析出并形成石墨过程称为石墨化。石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。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。14铸铁的石墨化按照Fe－G相图，可将铸铁的石墨化过程分为三个阶段：第一阶段石墨化：铸铁液体结晶出一次石墨(过共晶铸铁)和在1154℃通过共晶反应形成共晶石墨。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℃通过共析反应析出共析石墨。15影响铸铁石墨化的因素可分为内因和外因两个方面，内因是化学成分，外因是冷却速度。影响石墨化的因素16内因---化学成分促进石墨化和阻碍石墨化二类。1、C、Si为强烈促进石墨化的元素。石墨本身就是碳，所以碳含量越高，石墨化越容易，石墨越多；硅能减弱碳和铁的亲合力，不利于渗碳体的析出，从而促进了石墨化；在铸铁中，1%Si对石墨化的作用相当于1/3%C，所以有：碳当量CE=C%+1/3Si%17内因---化学成分2、S是阻碍石墨化的元素。硫强烈促进白口化，并使铸铁的铸造性能和机械性能恶化。少量硫即可生成FeS(或MnS)。FeS与铁形成低熔点(约980℃)共晶体，沿晶界分布。因此限定硫的含量在0.15%以下。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。锰含量一般为0.5%～1.4%。18内因---化学成分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，磷含量大于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）。19外因---冷却速度在生产过程中，铸铁的冷却速度越缓慢，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。在其它条件一定的情况下，冷却速度与铸件的壁厚有关，壁厚越大，冷却速度越小，越有利于石墨化，反之亦然；在生产，铸件的表面和薄壁处常形成白口组织，使切削加工困难，就是由于这个原因造成的。20影响石墨化的因素铸件壁厚/mm铸件壁厚(冷却速度）和成分对铸铁组织的影响碳硅当量102030405060704.06.05.07.0F+GP+GP+F+GFe3CFe3C+P铸件壁厚/mm碳硅当量102030405060704.06.05.07.0F+GP+GP+F+GFe3CFe3C+P21第二节灰铸铁一、灰铸铁的化学成分、组织和性能二、灰铸铁的孕育处理三、灰铸铁的牌号和应用四、灰铸铁的热处理22灰铸铁的化学成分碳含量一般控制在：2.5%～4.0%硅含量一般控制在：1.0%～2.0%。23灰铸铁的组织24灰铸铁的力学性能灰口铸铁的抗拉强度和塑性都很低，这是石墨对基体的严重割裂所致。石墨强度、韧性极低，相当于钢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。石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，其抗拉强度越低孕育处理可细化石墨片，减轻其对基体的割裂作用，因而提高铸铁的强度，但塑性无明显改善。25灰铸铁的工艺性能石墨的存在，使铸铁具备某些优良的工艺性能因石墨的存在，造成脆性切屑，铸铁的切削加工性能优异。灰铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少了铸件体积的收缩，降低了铸件中的内应力。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，使铸铁有很好的减振性能。大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。26灰铸铁的孕育处理经孕育处理（亦称变质处理）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。27灰铸铁的牌号灰铸铁的牌号由HT+三位数字组成：其中HT是灰铁的汉语拼音缩写；数字代表铸铁的抗拉强度。如HT200表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁。最小的灰铁是HT100，往上以50为间隔递增，最大为HT350。28灰铸铁的应用29四、灰铸铁的热处理热处理不能改变石墨的形态和分布，对提高灰口铸铁整体机械性能作用不大，因此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。30四、灰铸铁的热处理消除内应力退火（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、柴油机汽缸等,为防止变形和开裂,须进行消除内应力退火。消除铸件白口、降低硬度的退火灰口铸铁件表层和薄壁处产生向口组织难以切削加工，需要退火以降低硬度。退火在共析温度以上进行，使渗碳体分解成石墨，所以又称高温退火。表面淬火有些铸件如机床导轨、缸体内壁等，因需要提高硬度和耐磨性，可进行表面淬火处理，如高频表面淬火，火焰表面淬火和激光加热表面淬火等。淬火后表面硬度可达50HRC～55HRC。31第二节球墨铸铁球墨铸铁的石墨呈球状，使其具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性。其综合机械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。32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33球墨铸铁球墨铸铁在国外是由英国人莫洛于1947年发明，并用于工业生产的。我国于1950年开始生产。34我国球墨铸铁技术的开发者——周行健周行健，冶金学家与冶金材料学家。是我国开发电炉炼钢技术中率先进行特殊钢和合金铸铁研究者和生产者之一；与周仁等一起，倡导以铸代锻，首先在我国进行球墨铸铁研究成功；较早进行压力加工研究，并在上海创建了国内第一个压力加工实验室；开拓了金属物理性质和摩擦与润滑方面的研究工作。他长期致力于科研组织领导工作，恢复、发展和创建了三个大型冶金科研机构。35我国球墨铸铁技术的开发者——周行健1950年，国家正着手迅速恢复、发展我国的钢铁生产，周仁、周行健等受党和政府的委托。到鞍钢、大连等地考察，他们看到工厂所生产的机械强度不高的生铁，不能满足工农业生产的需要，为了提高生铁的强度，成立了球墨铸铁课题组。在周仁、周行健的亲自领导下，制订了研究计划和技术方案，一次次地试验，终于找到了合适的球墨化添加剂，掌握了球墨铸铁的生产和热处理工艺，在全国率先研制成功。球墨铸铁的性能达到当时国际先进水平,《科学通报》1950年12月第1卷第8期以《中国科学院工学实验馆球状石墨铸铁试制过程》为题作了报道，引起了国内工业界的注意。许多工厂想用球墨铸铁来代替铸钢和可锻铸铁，纷纷来馆参观学习，使这一技术迅速得到推广。面对新中国工业建设正全面展开。考虑到铸钢和可锻铸铁所需的设备比较繁多，耗资巨大，增加产量颇为不易，而球墨铸铁，有一定技术力量的普通翻砂厂均可制造，所需设备及主要原料均较简单且易于运输，周仁、周行健等于1951年7月在《科学通报》（第2卷第7期）上著文，倡导大面积的进行推广。球墨铸铁的研究成功，为推行以铸代锻及生铁变性研究开辟了道路。36球墨铸铁的化学成分球墨铸铁的成分要求比较严格，有“两高三低”之说,一般范围是：3.6%～3.9%C,2.2%～2.8%Si,0.6%～0.8%Mn,0.07%S,0.1%P。37球墨铸铁的的球化处理一般在浇注之前，在铁液中加入少量球化剂（通常为镁、稀土镁合金或含铈的稀土合金）和孕育剂（通常为硅铁），使铁水凝固后形成球状石墨。38球墨铸铁的的球化处理球墨铸铁的的球化处理必须伴随着孕育处理，通常是在铁水中同时加入一定量的球化剂和孕育剂。我国普遍使用稀土镁球化剂。镁是强烈阻碍石墨化的元素，为了避免白口，并使石墨球细小、均匀分布、一定要加入孕育剂。常用的孕育剂为75%硅铁和硅钙合金等。39球铁的组织40414243球铁的性能球墨铸铁是一种具有优良机械性能的灰口铸铁，球铁的强度和韧性比其他铸铁高。不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体高50%以上，而铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体基的3-5倍。球墨铸铁还具有较好的疲劳强度。44球墨铸铁的牌号球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。如QT420-10、QT600-2、QT800-245球墨铸铁的应用有时可代替铸钢和可锻铸铁在机械制造工业中得到了广泛应用。可以用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆、轴等。46球墨铸铁的应用47球墨铸铁的热处理退火900℃～950℃、2h～5h目的在于获得铁素体基体。球化剂增大铸件的白口化倾向，当铸件薄壁处出现自由渗碳体和珠光体时，为了获得塑性好的铁素体基体，并改善切削性能，消除铸造应力。48球墨铸铁的热处理正火880℃～920℃，空冷。目的在于得到珠光体基体（占基体75%以上），并细化组织，提高强度和耐磨性。49球墨铸铁的热处理调质要求综合机械性能较高的球墨铸铁零件，如连杆、曲轴等，可采用调质处理。其工艺为：加热到850℃～900℃，使基体转变为奥氏体，在油中淬火得到马氏体，然后经550℃～600℃回火，空冷，获得回火索氏体+球状石墨。回火索氏体基体不仅强度高，而且塑性