金属材料学第8章-铸铁

2020/10/268.1概述8.2普通灰铸铁8.3球墨铸铁8.4蠕墨铸铁8.5可锻铸铁8.6合金铸铁第八章铸铁castiron2020/10/268.1概述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。化学成分：C：2.5-4.0％Si：1.0-3.0％特点：铸造性能优良，熔化加工简单，成本低，减振性能好用途：广泛用于机械制造，冶金矿山，石油化工，交通运输等2020/10/26例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造。铸铁曲轴内燃机汽缸2020/10/26箱体启动阀叶轮进气管2020/10/268.1.1铸铁的分类17按石墨存在的形式及石墨形态分类灰铸铁C全部或大部分以游离的片状石墨形式存在，断口呈灰色球墨铸铁C全部或大部分以游离的球形石墨形式存在蠕墨铸铁C全部或大部分以游离的蠕虫状石墨形式存在可锻铸铁C全部或大部分以团絮状石墨形式存在，好的韧性，塑性白口铸铁C全部或大部分以化合态的Fe3C形式存在，呈白亮色麻口铸铁灰口＋白口铁的混合组织2020/10/26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/Ce2020/10/26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2020/10/26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2020/10/26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2020/10/26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2020/10/26共晶白口铸铁2020/10/26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+PQT600-3PQT700-22020/10/26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PKTB35-04PKTZ450-06KTH、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，%2020/10/268.1.2.1铸铁石墨化过程按Fe-Fe3C相图结晶，得到白口铸铁按Fe－G相图结晶的为灰口铸铁L+GL+Fe3C图8.1实线为Fe－Fe3C相图，虚线为Fe－Gr相图4.26736℃8.1.2铸铁的石墨化及影响因素2020/10/26温度Tγ+Fe3Cγ+GL1154℃1148℃自由能F1.当液态合金温度1154℃时，液体金属自由能FL最低，不发生任何相变2.1148℃液体合金1154℃，只能发生L→γ＋G3.液态合金的温度1148℃,虽然能形成莱氏体，但由于液态金属与奥氏体＋石墨的自有能差更大，有利于生成γ＋G一、热力学条件铸铁结晶时，热力学条件对石墨化有利图8.2γFe－Fe3C-Gr自由能与温度2020/10/261.成分起伏L4.3%CFe3C（6.67%C）+AG（100%C）+A2.结构起伏L（或γ-Fe）Fe、C并存Fe3C（复杂斜方结构）G（六角形层状结构）比较接近浓度差小从动力学条件看，有利于渗碳体的形成二、动力学条件2020/10/263.原子扩散G长大，不但要C原子扩散集中，而且Fe原子要从G生长前沿逆向扩散。而Fe3C长大只要C扩散，Fe原子局部移动即可。G长大较难。有利于Fe3C长大2020/10/26三、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。2020/10/26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。发生在P′S′K′线以下的G化为第二阶段，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.第二阶段石墨化包括共析转变石墨和共析渗碳体的分解。L+GL+Fe3C4.26736℃2020/10/26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2020/10/26CSiC和Si是基本成分，是↑↑G元素。石墨来源于C。Si含量一般在0.8~3.5%之间，Si的加入使Fe-G相图发生变化。Si作用①共晶点和共析点碳量随硅含量的↑而↓；②使共晶和共析转变在一温度范围内进行；③↑共晶和共析温度。共析温度提高更多，大约每↑1％Si，可使共析温度↑28℃；④Si促进铸铁石墨化的作用相当于1/3C。8.1.2.2影响铸态组织的因素1.碳当量的影响2020/10/26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。碳、硅量控制范围：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si。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2020/10/26↑G化，≈1/3C作用。0.2%后，出现硬脆Fe3P，呈孤立、细小、均匀分布时，可↑耐磨性。若粗大连续网状分布，将↓强度，↑铸件脆性。除在耐磨铸铁中可达0.5~1.0%外，在普通铸铁中都作为杂质，通常灰铁中P含量控制在＜0.2%。↓G化；Mn能与S结合生成MnS，削弱硫的有害作用。铸铁中含锰量一般在0.5~1.4%范围内，如要获得铁素体基体，含锰量应取下限。PMn2020/10/26↑白口；↓铁水流动性，恶化铸造性；形成FeS，分布晶界，使铸铁变脆。S是有害元素，其含量应尽量低，一般将S限制在0.15%以下S促进石墨化元素阻碍石墨化元素+Al、C、Si、Ni、CuW、Mn、Mo、S、Cr、Fe、Mg—2020/10/26为综合考虑C，Si，P对铸铁组织及石墨化的影响，引入了两个参量：碳当量和共晶度碳当量：把Si，P折合成相当的碳含量CE＝WC＋1/3W(Si+P)共晶度：表示铸铁中碳含量接近共晶碳含量的程度Sc=WC/[4.3%-1/3W(Si+P)]Sc=1为共晶1为过共晶1为亚共晶2020/10/262.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。图8.3壁厚和碳当量的影响2020/10/26化学成分选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，可以在很大范围内改变铸态组织。V冷越缓慢，越有利于按Fe-G状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段G化，通常情况下，共析阶段的G化难以完全进行。在生产中，铸件冷却速度是一个综合因素，它与浇注温度、铸型条件以及铸件壁厚均有关系。同一铸件不同壁厚处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效应。铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁厚铸件，可调整化学成分来保证获得所需组织。2020/10/268.2普通灰铸铁plaingraycastiron8.2.1、灰铸铁中片状石墨的生长方式内在因素G为六方点阵层状结构。层面原子间距小，较强共价键结合，层间C原子间距较大，原子作用力弱。→层面方向生长速度就大，石墨是在与铁水相接触的条件下以片状方式生长的。外在因素G形成会导致周围铁水C浓度↓,↑凝固点→生成包围G片的A体壳。但G片端生长速度超过A结晶速度,G片端总是和铁水直接接触。2020/10/26片状石墨生长机理如G片向两侧加厚生长，须依靠C从铁水中先扩散到A层再扩散到G；而Fe还必须向A层外作反方向扩散，显然是较难的→G片增厚是较慢的。最后形成了立体花朵状图8.4石墨的晶体结构2020/10/268.2.2灰铸铁的组织特点组织：片状G+金属基体（F，F+P，P）。石墨形态:有A、B、C、D、E、F6种类型，其中A型最好。经孕育处理的灰铸铁为孕育铸铁。实际生产，大部分铸铁都经过孕育处理.孕育处理目的?孕育剂是什么？硅铁硅钙2020/10/26（a）A型石墨(b)B型石墨(c)C型石墨(d)D型石墨(e)E型石墨(f)F型石墨图8.5片状石墨的分布类型2020/10/26牌号意义有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350六个国家标准牌号。“HT”表示“灰铁”，后面的数字表示抗拉强度（不低于,MPa）2020/10/268.2.3、灰铸铁性能（1）抗拉强度低、塑韧性很差G相当于空洞有效截面积↓G片端似裂口↑应力集中基体强度不能充分发挥，其强度利用率仅30~50%，表现为σb很低，塑性和韧性几乎为零2020/10/26（2）缺口敏感性小,可切削性好大量G相当于已经存在了许多缺口,工件的人为缺口就不太敏感了。铸铁的可切削性是优良的.为什么铸铁的切削铁屑是碎片状的,而钢的切屑是连续状的?2020/10/26（3）良好的铸造性灰铁成分接近共晶点，可铸造出形状复杂零件。并且不易形成缩孔和缩松，能获得较致密的铸件。为什么成分接近共晶点的铸铁，其铸造性能就比较好?2020/10/26（4）良好的减振性和减摩性灰铁内部存在大量片状G，它割裂基体，破坏连续性，阻止振动传播，并能转化为热能而发散，因而灰铁具有很好的减振性。常用于机床底座，效果很好。一方面G本身是良好的润滑剂，另一方面G脱落后的显微“口袋”，可以储存润滑油和收集微小磨粒，因此具有良好的减摩性。如机床导轨。2020/10/26热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。热处理强化效果不大。灰铸铁常用的热处理有：①消除应力退火：530-550℃。②石墨化退火（消除白口铁退火）。铸件表面冷速快，易形成白口铁，为降低其硬度及脆性，便于机加工，需进行石墨化退火。900-950℃，2-5h，使共晶Fe3C→γ＋G③表面淬火：感应淬火灰铸铁件汽缸套活塞环8.2.4灰铸铁热处理2020/10/26图8.6灰铸铁消除应力退火工艺图8.7灰铸铁石墨化退火工艺2020/10/26制造承受压力和振动的零件，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8.2.5灰铸铁的用途2020/10/268.3.1球状G的形成条件球化剂Mg/Ce/Y/La等↑铁液的过冷度球化剂与铁液中氧、硫发生反应，↓含氧、硫量，↑铁液表面张力，↑铁液/石墨间的界面张力↑球化处理:浇注前加入一定量球化剂，如稀土-硅铁-镁系等孕育处理:加入高硅铁，获得很多的非自发晶核，细化G8.3球墨铸铁nodularcastiron（GB11348—88）硅钙稀土镁2020/10/268.3.1.1球状石墨的形核机理G都是从铁水中直接析出的。球状G的形核以硫化物及氧化物夹杂微粒作为结晶中心。图8.9球状石墨的气泡理论形成过程示意图气泡理论2020/10/26螺旋位错理论:由于螺旋位错存在，碳原子优先在晶体表面造成的螺旋台阶旋出口作为开始生长的最有利位置。理想情况下晶体将长成一个近似球状的多面体，形成年轮状结构。生长机理,有许多学说,难以完美解释。8.3.1.2球