第六章铸铁

第六章铸铁引言铸铁：碳的质量分数大于2.11%的一系列由Fe、C、Si组成的合金的总称。为主要成分且在结晶过程中具有共晶转变的多元铁基合金。化学成分：C：2.4-4.0％；Si：0.6-3.0％；Mn：0.2%-1.2%；P:0.1%-1.2%；S：0.008%-0.150%。有时还特别加入Si、Mn、Cr、Cu等合金元素，以得到特种性能的铸铁。如耐磨、耐热及耐蚀钢。特点：铸造性能优良，熔化加工简单，成本低，耐磨性能、减震性能好。用途：广泛用于机械制造，冶金矿山，石油化工，交通运输等。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铸铁泵体机盖农机车轮上的零部件球墨铸铁及灰铸铁齿轮箱体按化学成分普通铸铁合金铸铁强度的不同分低强度铸铁高强度铸铁按金相组织分珠光体铸铁铁素体铸铁工业生产中通常是按照铸铁中碳的存在形式和石墨的形态进行分类的。铸铁的分类拖拉机箱体碳在铸铁中除了少量溶于基体外，大部分以是石墨或者碳化物的形式存在。根据碳的存在形式及石墨的存在形式，可将铸铁分为：白口铸铁灰铸铁灰口铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁麻口铸铁铸铁的分类（续）沧州狮子铸于1953年，重40余吨拖拉机零部件按石墨存在的形式及石墨形态分类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；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；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；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；麻口铸铁灰口＋白口铁的混合组织；冷硬铸铁铸铁表面一定深度是全白口组织，心部是灰口组织，成为冷硬组织。图6-1铸铁中的石墨形态a）片状石墨b）团絮状石墨c）球状石墨d）蠕虫状石墨6.1铸铁的石墨化及其控制铸铁（除白口铁外）的组织都是由金属机体和石墨两部分组成的。石墨的形态、大小、数量和分布状态对铸铁的性能有着重要的影响。铸铁的石墨形态和基体组织都与铸铁的石墨化过程有关。Fe-Fe3C和Fe-G双重相图Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：Fe3C→3Fe+C（石墨）石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、韧性几乎为零。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。一、铁碳合金的双重相图L+GL+Fe3C按Fe-Fe3C相图结晶，得到白口铸铁按Fe-C相图结晶的为灰口铸铁实线为Fe-Fe3C相图；虚线为Fe-G相图二、铸铁的石墨化过程铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。石墨既可以直接从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解获得。灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁中的石墨主要是从液相中通过冷却凝固结晶过程得到；可锻铸铁中的石墨则是由液体通过冷却凝固结晶过程先得到白口组织，然后经过长时间高温退火使渗碳体分解而得到的。按照Fe-G相图分析铁液由高温到室温的冷却过程，可以将铸铁的石墨化过程分为以下三个阶段：从液体中析出一次石墨；由共晶反应生成共晶石墨；奥氏体中析出二次石墨；由共析反应生成共析石墨；共晶转变阶段，包括共析转变时奥氏体转变为铁素体+石墨。从分析铸铁石墨化过程可知，在冷却凝固过程中，高温液态中的碳可以以游离态石墨或渗碳体两种方式析出。生产实践也表明，用相同化学成分的铁液浇注不同壁厚的铸件时，或采用不同冷速的铸型时可得到不同的组织。高温铸铁按什么方式进行结晶，取决于石墨化过程的热力学和动力学条件。二、铸铁的石墨化过程（续）1、热力学条件1.当液态合金温度1154℃时，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。铁结晶时，热力学条件对石墨化有利2、动力学条件当共晶成分液态铸铁合金以较快的冷却速度过冷到1148℃时，将发生莱氏体的共晶转变，而不是析出γ＋G两相混合物，这是由于形成石墨与Fe3C的动力学条件不同。1）由液态形成石墨的过程是通过石墨的形核和长大进行的。共晶成分的液态合金的Wc％为4.3％，渗碳体为6.67％，而石墨为100％，相比渗碳体的与液相的浓度差小，石墨需更大的浓度起伏条件。因此，从动力学条件看，有利于渗碳体的形成2、动力学条件（续）2）石墨的形核与长大，不仅需要考虑碳原子的扩散，还需要Fe原子做反向长距离迁移。因Fe原子扩散较慢，故石墨长大困难。渗碳体的长大，主要依赖碳原子的扩散，需要Fe原子做长距离迁移，长大速度快得多。3）从晶体结构看，渗碳体晶体结构比石墨更接近液相。三、铸铁石墨化的控制通过控制铸铁的石墨化过程可以获得所需要的组织和性能。铸铁的石墨化过程受化学成分、熔炼条件及铸造时的冷却条件等一系列因素的影响，其中化学成分和冷却速度是影响组织和性能的主要因素。铸铁中常见的合金元素有：C，Si，Mn，P，S五大元素。它们对铸铁的石墨化过程和组织均有较大影响。C，Si强烈促进石墨化，调整其含量可控制铸铁的组织和性能；1、化学成分的控制（续）Mn，S阻碍石墨化，Mn溶于Fe3C中，增加Fe与C的结合力，从而阻止石墨化。少量的S就能形成FeS或MnS，以FeS-Fe共晶形式分布于晶界，阻碍C原子扩散；S可以降低铁水的流动性，恶化铸件性能。PP能促进石墨化，作用较小。按合金元素对石墨化得影响程度的不同，可以将其分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素两大类。促进石墨化的元素依次为Zr、Cu、Ni、Si、C、Al；阻碍石墨化的元素依次为W、Mn、Mo、S、Cr、V、Fe、Mg、B等。1、化学成分的控制（续）2、冷却速度的影响冷速快碳原子来不及扩散，有利于形成白口铁，冷速慢有利于按Fe-C相图进行结晶，石墨化容易进行。化学成分，铸件壁厚（冷却速度）对铸件组织的影响铸造时的冷却速度是一个综合因素，它与浇注温度、铸型材料的导热能力以及铸件的壁厚等因素有关。在铸铁生产中，同一铸件的厚壁处易获得灰铸铁组织，而薄壁处易获得白口组织。3、石墨的形成及生长机理片状石墨铸铁的凝固过程就是其初生相和共晶相在铁液中的形核及长大过程。液固相转变结束后，即形成凝固组织。由于铸铁组织具有二重性和形态多样性，使它的凝固过程比较复杂。图6-5石墨的晶体结构1）、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↓,↑Si（促进A生长）→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。石墨晶体结构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球状石墨内部的年轮状结构球状石墨的结构示意图2）球状G的形成过程（1）球状石墨的结构G呈多边形轮廓，内部呈放射状。中心是G核心。球面是单晶体锥形G（0001）底面.(2)球状G的形成条件球化剂Mg/Ce/Ca/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↑（球状石墨生成的必要条件）球化处理:浇注前加入一定量球化剂,如Mg、铈、镧、钙、稀土-镁系等；孕育处理:加入高硅铁，获得很多的非自发晶核，细化G(3)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。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.(4)球状石墨的生长机理图球状石墨晶体生长示意图a)[0001]方向生长；b)长成球状多面体（3）蠕虫状石墨形核机理在向铁液中加蠕化剂（如稀土镁硅合金、稀土镁钙钛铝合金等）后，石墨会以蠕虫状形态析出。蠕墨的形成方式主要有两种：一是有片状石墨转变为蠕墨；二是由球墨畸变长成蠕墨。6.2灰铸铁灰铸铁中石墨呈片状，断口呈灰色，是使用最多的铸铁，占铸铁总量的80％以上。化学成分灰铸铁的化学成分范围一般为：Wc=2.5%~3.6%，Wsi=1.1%~2.5%，WMn=0.6%~1.2%，Wp≤0.15%，Ws≤0.15%。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。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（a）A型石墨(b)B型石墨(c)C型石墨(d)D型石墨(e)D型石墨(f)F型石墨图6-9片状石墨的分布类型二、灰铸铁的孕育处理由于普通灰铁G片粗大，强度低，从而发展了孕育铸铁。孕育铸铁：在浇铸前向铁水中加入少量可以成为G结晶核心的物质（孕育剂），使铸铁中片状石墨细化，称为孕育处理，经孕育处理的铸铁称为孕育铸铁。孕育剂：Si-Fe合金（75％Si），Si－Ca合金，Si－Ca－Re合金，Si－Ba－Ca合金等。硅铁硅钙孕育铸铁的化学成分一般控制在普通灰铸铁和白口铸铁之间，孕育后形成数量较少、细小且均匀分布在珠光体机体上的片状石墨。孕育铸铁与普通铸铁相比，壁厚敏感性较小，同一铸件不同壁厚处的组织性能均匀一致，强度、硬度和耐磨性以及吸收能量、断后伸长率均得到提高。所以，孕育处理可以应用于动载荷较小，而静载荷强度要求较高的重要零件，如缸体、齿轮及机床铸件等。二、灰铸铁的孕育处理（续）三、灰铸铁的牌号、性能及应用牌号意义有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）灰铸铁的力学性能主要取决于机体组织以及石墨的数量、形态、大小及分布特点，主要有以下四个特点：（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（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。G在机加工时可以起到断屑和对刀具润滑作用→可切削性是优良的（3）良好的铸造性灰铁成分接近共晶点，铁水流动性好，可铸造出形状复杂零件。且不易形成缩孔和缩松，能获得较致密的铸件。（4）良好的减震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麿粒,因此具有良好的减摩性。如机床导轨灰铸铁的应用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)变速箱体四、灰铸铁的熔炼冲天炉感应电炉冲天炉+感应电炉双联熔炼炉灰铸铁的热处理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。热处理的目的主要有消除内应力和白口组织，稳定尺寸，提高工件表面的硬度和耐磨性。灰铸铁常用的热处理有：①去应力退火(又称人工时效)；②消除白口组织退火；③正火；④表面热处理。灰铸铁件汽缸套活塞环6.3球墨铸铁球墨铸铁是将铁液经过球化处理，使片状石墨转化为球状石墨而获得的一种铸铁。最早使用的球化剂是纯镁。我国由于具有丰富的稀土资源，开发了稀土镁球化剂。球墨铸铁应用广泛，其产量仅次于灰铸铁。一、球墨铸铁的成分、组织、性能和用途成分特点C：3.6%-3.8%；Si：2.0%-2.8；Mn：0.6%-0.8；P0.1%；S0.07%；Mg0.3%-0.5%(稀土元素