铸铁及其熔炼

1、铸铁及其熔炼铸铁及其熔炼 绪绪 言言 1.铸造在国民经济中的地位和作用铸造在国民经济中的地位和作用 1）近代工业生产中占有不可替代的地位，特别是基础工业）近代工业生产中占有不可替代的地位，特别是基础工业: （1）机械加工工业）机械加工工业如机床，铸件占如机床，铸件占5090%； （2）汽车、拖拉机工业；）汽车、拖拉机工业； （3）铁路；）铁路； （4）石油化工、矿山冶金；）石油化工、矿山冶金； （5）国防工业；）国防工业； （6）其他）其他造船、仪表、航空航天、民政城建等。造船、仪表、航空航天、民政城建等。 0-1 （1）机械化、自动化生产；）机械化、自动化生产； （2）质量（包括表面质量）大

2、大提高；）质量（包括表面质量）大大提高； （3）生产规模扩大；）生产规模扩大； （4）产量。）产量。 0-2 2）铸造生产水平的标志：）铸造生产水平的标志： 2.铸造生产工艺流程和控制关键铸造生产工艺流程和控制关键 1）生产工艺流程：）生产工艺流程： 砂处理砂处理造型造型 金属炉料金属炉料 制芯材料制芯材料砂处理砂处理制芯制芯 熔炼熔炼 下芯下芯 浇注浇注落砂落砂清理清理成品成品 热处理热处理机加工机加工 造型材料造型材料 0-3 （1）原材料（包括金属的、非金属的、以及辅料）；）原材料（包括金属的、非金属的、以及辅料）； （2）熔炼（包括配料及其控制，熔炼方法及设备）；）熔炼（包括配料及其控

3、制，熔炼方法及设备）； （3）造型（包括造型方法、铸型工艺设计以及造型材）造型（包括造型方法、铸型工艺设计以及造型材 料处理）；料处理）； （4）热处理；）热处理； （5）检测。）检测。 0-4 2）控制关键：）控制关键： 3.铸铁的特性和分类铸铁的特性和分类 1）特性：）特性： （1）具有一定的力学性能；）具有一定的力学性能； *性能举例和检测方法介绍。性能举例和检测方法介绍。 0-5 bHBak金相组织 HT100350/150270/P、F、G片 QT4009002-181503003060P、F、B、G球 RuT260420 0.53.0 120280/P、F、G虫 KT3007002

4、151202703060 P、F、G团（Cm） BT300500/500800/P、Cm、M 0-6 （2）铸造性能好，造型工艺性好）铸造性能好，造型工艺性好流动流动 性、补缩性、防裂性；性、补缩性、防裂性； （3）减震性好，缺口敏感性低；）减震性好，缺口敏感性低； （4）加工切削性能好；）加工切削性能好； （5）有一定的耐磨性和其他特殊性能；）有一定的耐磨性和其他特殊性能； （6）较好的热处理性；）较好的热处理性； （7）生产成本低、设备可简单。）生产成本低、设备可简单。 0-7 2）分类：）分类： HT、QT、RuT、KT、特种铸铁等。、特种铸铁等。 0-8 4.铸铁（及其他铸造合金）课程

5、的学习目的铸铁（及其他铸造合金）课程的学习目的 通过学习掌握：通过学习掌握： 力学性能力学性能 其他性能其他性能 使用（寿命）性能使用（寿命）性能 铁液质量铁液质量 热处理热处理 化学成分化学成分金相组织金相组织性能性能 0-9 第一章第一章 铸铁的结晶与组织的形成铸铁的结晶与组织的形成 1-1 铁碳双重相图和铁碳硅准二元相图铁碳双重相图和铁碳硅准二元相图 1.Fe-C相图相图 1-1 说明：说明： （1）稳定系和介稳定系。）稳定系和介稳定系。 （2）点、线的变迁与测试手段。）点、线的变迁与测试手段。 （3）典型成分分析）典型成分分析。 1-2 亚共晶铸铁亚共晶铸铁 序号（温度）结晶反应和生成

6、物 1点析出A初 L+A初 2点 2-3点 3点 结果 1-3 序号（温度）结晶反应和生成物 1点析出A初 L+A初 2点 2-3点 3点 结果 亚共晶铸铁亚共晶铸铁 1-4 过共晶铸铁过共晶铸铁 序号序号 （温度）（温度） 结晶反应和生成物结晶反应和生成物 1点点稳定系稳定系 析出析出G L+G 2点点 2-3点点A晶 晶 A(0.69)+G A晶 晶 A(0.76)+Cm 3点点稳稳AF+G析 析 介介AF+Cm析 析 稳稳AF+G析 析 介介AF+Cm析 析 结果结果 F+G +G晶晶+ G +G析析 P+ G +G晶晶+G F+G +G析析+ Cm晶 晶+Cm P+G +Cm晶晶+ C

7、m 1-5 序号序号 （温度）（温度） 结晶反应和生成物结晶反应和生成物 1点点介稳定系介稳定系 析出析出Cm L+Cm 2点点 2-3点点A晶 晶 A(0.69)+G A晶 晶 A(0.76)+Cm 3点点稳稳AF+G析 析 介介AF+Cm析 析 稳稳AF+G析 析 介介AF+Cm析 析 结果结果 F+Cm +G晶晶+ G +G析析 P+Cm +G晶晶+G F+Cm +Cm晶晶+ Cm +G析析 P+Cm +Cm晶晶+ Cm 过共晶铸铁过共晶铸铁 1-6 共晶铸铁（共晶铸铁（4种可能结果）种可能结果） *用作学生练习题用作学生练习题 1-7 2.Fe-C-Si准二元相图准二元相图 Si的作用

8、：的作用： 1）使共晶点和共析点左移，即缩小了共晶点）使共晶点和共析点左移，即缩小了共晶点 和共析点的含和共析点的含C量。量。C当 当=C+1/3Si。 。 2）共晶和共析温度）共晶和共析温度。 3）共晶和共析转变在一区间（即三相共存）共晶和共析转变在一区间（即三相共存 区）内进行。区）内进行。 4）随）随Si量增加，量增加，A体区（体区（）缩小、）缩小、F体区（体区（） 扩大。扩大。Si10%后，后，A体区体区0。 1-8 1-2 灰铸铁的一次结晶灰铸铁的一次结晶 灰铸铁的一次结晶阶段是在共晶及灰铸铁的一次结晶阶段是在共晶及 其上温度的结晶过程。其上温度的结晶过程。 1-9 1.结晶组织结晶

9、组织 固固-液：液： 初生初生A 亚共晶；亚共晶； 初生初生G过共晶。过共晶。 共晶：共晶： L4.26AE2.10+G晶 晶 L4.30 AE2.14+Cm晶 晶（ （La）（白口铁）（白口铁） 1-10 G晶 晶先析出（主导相）， 先析出（主导相），A晶 晶后析出。 后析出。 共晶团：共晶转变中结晶出来的共晶团：共晶转变中结晶出来的G-A构成的集合体。构成的集合体。 共晶团内石墨片之间的距离称为层片间距。共晶团内石墨片之间的距离称为层片间距。 1-11 2.灰铸铁的形核和孕育灰铸铁的形核和孕育 形核形核非均质核心（氧化物、硫化物等）；非均质核心（氧化物、硫化物等）； 孕育孕育加入能形成大量

10、非均质核心的物质。加入能形成大量非均质核心的物质。 1-12 1）对非均质形核的要求：）对非均质形核的要求： （1）按）按HT结晶结晶消除白口；消除白口； （2）较好的石墨形态）较好的石墨形态消除消除D、E型过冷石墨；型过冷石墨； （3）细化晶粒）细化晶粒增加共晶团数量；增加共晶团数量； （4）提高组织均匀性）提高组织均匀性消除壁厚差别；消除壁厚差别； （5）提高力学性能）提高力学性能对于对于HT，主要是，主要是b 。 1-13 2）孕育剂和作用原理：）孕育剂和作用原理： Si-Fe，Ca、Al、Zr、Ba、Sr、Ti，还有，还有Bi、 RE等。等。 原理有多种多样。原理有多种多样。 1-14

11、 3.铸铁的凝固方式铸铁的凝固方式 白口、灰口、麻口白口、灰口、麻口 1）结晶过冷度：）结晶过冷度： A G平衡温度平衡温度 1153 A Cm平衡温度平衡温度 1147 1-15 讨论：讨论： （1）在两者之间，石墨共晶形核生长，生成）在两者之间，石墨共晶形核生长，生成 灰口；灰口； （2）在）在1147 以下，则二者都能生长，但以下，则二者都能生长，但 Cm生长速度快；生长速度快； （3）1012%，(CrFe)3C(CrFe)7C3 条状 条状 块状、角状块状、角状 V 10%， (VFe)3C (VFe)C 条状条状 块状块状 1-22 3.促使促使G 或 或Cm 的形成 的形成 Si

12、、Ni G ； ； Cr、Mo、V Cm 。 。 1-23 4.共析转变中对共析转变中对A体稳定性的影响体稳定性的影响 1）促进白口凝固的元素）促进白口凝固的元素 按介稳定系进行共析转变按介稳定系进行共析转变 如如Cr、Mo、V （阻碍石墨化）（阻碍石墨化） （生成（生成P体）体） 1-24 2）促进灰口凝固的元素）促进灰口凝固的元素 （促进（促进G化）化） Si、P按稳定系共析转变（按稳定系共析转变（G析 析+F） ） Ni、Cu按介稳定系共析转变（按介稳定系共析转变（P） 1-25 5.对共晶含碳量和共析含碳量的影响对共晶含碳量和共析含碳量的影响 例如：例如：Si、P、S 促使共晶点左移促

13、使共晶点左移 Mn、Mg 促使共晶点右移促使共晶点右移 1-26 1）共晶点实际含碳量应为：）共晶点实际含碳量应为： 稳定系：稳定系： 介稳定系：介稳定系： 1-27 0.05Cr - 0.07Ni -0.027Mn 0.40S - 0.33P - 0.31Si - 4.26 C 共晶 0.05Cr - 0.07Ni -0.027Mn 0.40S - 0.33P - 0.31Si - 4.30 C 共晶 2）共晶度：）共晶度： （介稳定系） （稳定系） 共晶 实 共晶 实 C C Sc C C cS （过共晶） （共晶） （亚共晶） ）（ 1 1 1 SccS 1-28 3）碳当量：）碳当量：

14、 Si 3 1 CPSi 3 1 C Cr05. 0Ni07. 0S40. 0Mn027. 0P33. 0Si31. 0CCE ）（ 稳定系 过共晶 共晶 亚共晶 若 26. 4 26. 4 26. 4 CE 1-29 4）共析点实际含碳量应为：）共析点实际含碳量应为： ）（介稳： ）（稳： 共析 共析 S7 . 1MnCrNi05. 0Si02. 076. 0C S7 . 1MnCrNi05. 0Si02. 069. 0C 1-30 第二章第二章 灰铸铁灰铸铁 *研究灰铸铁的重要性和必要性研究灰铸铁的重要性和必要性: 某某汽车配件厂，高牌号灰铁制动某某汽车配件厂，高牌号灰铁制动 鼓中的鼓中的

15、S量与缩孔缩松的关系；量与缩孔缩松的关系； 某某柴油机厂，灰铁缸盖的裂纹与某某柴油机厂，灰铁缸盖的裂纹与 牌号升高、时效处理的关系（牌号升高、时效处理的关系（0.7% 赔付率）。赔付率）。 2-1 2-1 灰铸铁的特点灰铸铁的特点 1.金相组织与力学性能金相组织与力学性能 组织组织:G片 片+P 或 或G片 片+P+F（间或有少量 （间或有少量Cm） 非金属夹杂物非金属夹杂物: 硫化物硫化物+磷共晶磷共晶 FeS 二元二元 三元三元 F+Fe3PF+Fe3P +Fe3C 熔点：熔点：1050 900 *Cm+P共晶 共晶13% 2-2 G片 片：分布状态 ：分布状态A、B、C、D、E、F 数数

16、 量量多少多少 尺寸大小尺寸大小 8级级 2-3 G片 片对性能的影响： 对性能的影响： （1）使力学性能）使力学性能： 缩减作用；缩减作用； 切割作用。切割作用。 bG = 20 N/mm2 bP = 800850 N/mm2 bF = 250300 N/mm2 基体组织的强度利用率只有基体组织的强度利用率只有25%左右。左右。 2-4 （2）降低弹性模量）降低弹性模量E： EZG =（200,000210,000）N/mm2 EHT =（70,000150,000） N/mm2 EQT =（160,000180,000） N/mm2 2-5 （3）缺口敏感性低）缺口敏感性低由于大量石墨由于

17、大量石墨“空洞空洞”存在。存在。 （4）良好的减震性）良好的减震性割裂基体、阻止震动传播。割裂基体、阻止震动传播。 （5）良好的导热性）良好的导热性G：125.6w/mk，为，为P体的体的 三倍。三倍。 （6）减摩性好）减摩性好石墨本身作为润滑剂并可储存润滑石墨本身作为润滑剂并可储存润滑 油，如机床床身导轨。油，如机床床身导轨。 （7）加工切削性能好。）加工切削性能好。 2-6 2.牌号与成分牌号与成分 1）牌号：）牌号： HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、 HT350，共，共6个牌号。个牌号。 2-7 表一表一 灰铸铁件的化学成分灰铸铁件的化学成分 牌号 铸件主要壁

18、 厚(mm) 化学成分(%) CSiMnPS HT100所有尺寸3.23.82.12.70.50.80.200.15 HT150 50 3.33.7 3.23.6 3.13.5 3.03.4 2.02.4 2.02.3 1.92.2 1.82.1 0.50.80.200.12 HT200 50 3.23.6 3.13.5 3.03.4 3.03.2 1.92.2 1.82.1 1.51.8 1.41.7 0.60.9 0.70.9 0.81.0 0.81.0 0.150.12 2-8 牌号 铸件主要壁 厚(mm) 化学成分(%) CSiMnPS HT250 50 3.23.5 3.13.4 3

19、.03.3 2.93.2 1.82.1 1.61.9 1.51.8 1.41.7 0.70.9 0.81.0 0.81.0 0.91.1 0.150.12 HT300 50 3.13.4 3.03.3 2.93.2 2.83.1 1.51.8 1.41.7 1.41.7 1.31.6 0.81.0 0.81.0 0.91.1 1.01.2 0.150.12 HT350 50 2.93.2 2.83.1 2.83.1 2.73.0 1.41.7 1.31.6 1.21.5 1.11.4 0.91.2 1.01.3 1.11.3 1.11.4 0.150.12 表一表一 灰铸铁件的化学成分灰铸铁件

20、的化学成分 2-9 说明说明: 1.随牌号提高（即随牌号提高（即b），则），则C、Si； 2.同一牌号，铸件壁厚同一牌号，铸件壁厚，则，则C、Si； 3.高于高于HT250的牌号（或高于的牌号（或高于HT200），）， 是通过孕育处理得到的；是通过孕育处理得到的； 4.根据目前国内的生产水平，一般要求根据目前国内的生产水平，一般要求 P、S0.10%； 5.高牌号灰铸铁件可采用低合金化。高牌号灰铸铁件可采用低合金化。 2-10 表二表二 灰铸铁件灰铸铁件 （GB76- 67） 牌号 铸件主要壁 厚（mm） 式样毛坯直 径D（mm） 抗拉强度 b （N/mm2） 抗弯强度 w （N/mm2） 挠

21、度 支距=10D （mm ） 硬度HB HT10-26所有尺寸301002602.0143229 HT15-33 48 815 1530 3050 50 13 20 30 45 60 280 200 150 120 100 470 390 330 250 210 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 170241 170241 163229 163229 143229 HT20-40 68 815 1530 3050 50 13 20 30 45 60 320 250 200 180 160 530 450 400 340 310 1.8 2.5 2.5 3.0 4.5 187255 170

22、241 170241 170241 163229 2-11 牌号 铸件主要壁 厚（mm） 式样毛坯直 径D（mm） 抗拉强度 b （N/mm2） 抗弯强度 w （N/mm2） 挠度 支距=10D （mm） 硬度HB HT25-47 815 1530 3050 50 20 30 45 60 290 250 220 200 500 470 420 390 2.8 3.0 4.0 4.5 187255 170241 170241 163229 HT30-54 1530 3050 50 30 45 60 300 270 260 540 500 480 3.0 4.0 4.5 187255 170241

23、 170241 HT35-61 1530 3050 50 30 45 60 350 320 310 610 560 540 3.5 4.0 4.5 197269 187255 170241 HT40-68 2030 3050 50 30 45 60 400 380 370 680 650 630 3.5 4.0 4.5 207269 197269 197269 注：铸件主要壁厚指主要受负荷之处。 表二表二 灰铸铁件灰铸铁件 （GB76-67） 2-12 2）成分：）成分： CSiMnPS 2.83.51.42.40.61.00.150.12 2-13 2-2 影响灰铸铁铸态组织的基本因素影响灰

24、铸铁铸态组织的基本因素 主要因素：主要因素： 化学成分；化学成分； 冷却速度；冷却速度； 炉料遗传性；炉料遗传性； 铁水过热和高温静置；铁水过热和高温静置； 孕育处理；孕育处理； 气体。气体。 2-14 基本成分：基本成分：C、Si、Mn、P、S 主要为：主要为：C、Si 合金成分：合金成分：Cu、Cr、Mo、Ni、V等等 2-15 1.化学成分化学成分 1）存在状态：）存在状态： （1）固溶于基体中：）固溶于基体中： Si固溶于固溶于A、F中；中； Mn、Ni、Co固溶于固溶于A中；中； P、S在在A中溶解度极小；中溶解度极小； Al 在在(89)%、(2024)%进入固溶体。进入固溶体。

25、2-16 A.介绍铸铁化学成分中各种元素的作用：介绍铸铁化学成分中各种元素的作用： （2）组成碳化物：强）组成碳化物：强 V、Zr、Nb、Ti； 中中 Cr、Mo、W； 弱弱 Mn。 （3）形成硫化物、氮化物、氧化物等夹杂：）形成硫化物、氮化物、氧化物等夹杂： S、V、Ti、Ca、Mg、P等。等。 （4）纯金属相：）纯金属相：Cu、Pb。 2-17 2）对石墨化影响：）对石墨化影响： Si、Al、Ni、Co、Cu Mn、Mo、Sn、Cr 、V、 Sb、 Te、Ti、Zr、Mg、Ce、B 促进石墨化（灰口）促进石墨化（灰口） 阻碍石墨化（白口）阻碍石墨化（白口） 2-18 3）对石墨形状、分布、

26、大小的影响：）对石墨形状、分布、大小的影响： C、SiG片粗化O、S G成片状 C、SiG片细化 O、S （S0.00004%） G球、团 C、Si出现GDMg、REG球、团 Cu、Ni、Mo Mn、Cr、Sn G片细化 2-19 4）对基体的影响：）对基体的影响： C、Si、Al F体体； Mo、Mn、Cr、Cu、Ni、Sn P体体并细化并细化P； Cu、Ni、Mo B； 中中Mn（57%） M； Ni、Mn A。 2-20 5）合金元素的具体作用：）合金元素的具体作用： 常用合金元素：常用合金元素： Ni、Cu、Cr、Mo、W、Mn、V、Ti、Nb； 微量合金元素：微量合金元素： Sn、S

27、b、Bi、Pb、Zn、B、Te、Zr。 2-21 一般而言：一般而言： C：2.73.8% Si：1.42.4% CE：3.24.3% Sc：0.751.00 2-22 B.对于灰铸铁，各种成分的作用：对于灰铸铁，各种成分的作用： 说明：说明： 1）C、Si是促进石墨化元素。是促进石墨化元素。 2）Mn：共晶阻碍石墨化，共析促进：共晶阻碍石墨化，共析促进P体形成，中和体形成，中和 S的有害作用（的有害作用（MnS）；量大易出白口，粗化晶）；量大易出白口，粗化晶 粒，偏析。一般粒，偏析。一般0.51.2%。 3）S：形成低熔点硫化物共晶，：形成低熔点硫化物共晶，性能，要求：性能，要求： S0.0

28、50.12%。 4）P：形成二元、三元磷共晶，：形成二元、三元磷共晶， 性能，性能，脆性。脆性。 要求：要求：P0.10%。 2-23 2.冷却速度冷却速度 影响冷速因素：影响冷速因素： （1）铸件壁厚；（）铸件壁厚；（2）铸型条件；（）铸型条件；（3）浇注温度。）浇注温度。 由于，冷速由于，冷速原子迁移的速度原子迁移的速度 按按G化结晶化结晶 按阻碍按阻碍G化结晶（化结晶（Cm） 所以，一定成分的铁水，在冷速所以，一定成分的铁水，在冷速所以，一定成分的铁水，在冷速所以，一定成分的铁水，在冷速 共晶共晶灰口灰口 共晶共晶白口白口 共析共析 形成形成F或或F+P 形成形成P 2-24 例例1）铸

29、件组织图）铸件组织图 M=铸件体积铸件体积/铸件的表面积铸件的表面积 2-25 例例 2） 铸件主铸件主 要壁厚要壁厚 （mm） 试棒直径试棒直径 （D） （mm） bHBCSiMnPS HT200 15202501702413.23.61.92.20.60.9 0.151530302001702413.13.51.82.10.70.9 305045180 170241 3.03.41.51.80.81.0 50601601632293.03.21.41.70.81.0 2-26 例例 3）山东临沂某厂出口韩国铸件）山东临沂某厂出口韩国铸件 壁厚壁厚2mm 牌号牌号HT200 C Si Mn

30、3.403.55% 2.402.45% 0.60% T出炉 出炉 T浇注浇注 15001550 14301450 2-27 3.炉料遗传性炉料遗传性 1）生铁中的石墨：）生铁中的石墨： 生铁中生铁中C量一般在量一般在3.64.4%范围内波动。范围内波动。C， 则则G易于形成易于形成G 。 。 2-28 2）铁料中的微量合金元素：）铁料中的微量合金元素： Cr、Ni、Mo、V、Cu、Pb、Ti、Sb、Bi、Te、Sn、 As、Zn、Al等等 害处：（害处：（1）易出白口；（）易出白口；（2）干扰）干扰G形态。形态。 要求：微量元素总量要求：微量元素总量T0.10%（优质生铁）；（优质生铁）； T

31、0.02%（高纯生铁）。（高纯生铁）。 2-29 实例：实例：Pb、Te对对HT汽缸体的影响汽缸体的影响石墨形态石墨形态 恶化、缸体易渗漏恶化、缸体易渗漏 *Pb（要求）（要求） 0.009%（最高达（最高达0.013%）。）。 2-30 4.铁水过热与静置铁水过热与静置 临界铁水温度临界铁水温度15001550。 在此以下，石墨和基体细化，有大量非均质晶核，渣在此以下，石墨和基体细化，有大量非均质晶核，渣 易上浮；易上浮； 在此以上，成核能力在此以上，成核能力，G形态恶化，可能出现形态恶化，可能出现Cm。 2-31 5.孕育孕育 加入大量非均质晶核加入大量非均质晶核细化晶粒、改善铸态细化晶粒

32、、改善铸态 组织，消除组织，消除Cm，提高性能。，提高性能。 2-32 6.气体气体 一般而言，气体量一般而言，气体量气孔气孔；阻碍阻碍G化；化； 稳定稳定Cm；G形态恶化。形态恶化。 2-33 2-3 灰铸铁组织中的石墨和基体灰铸铁组织中的石墨和基体 1.石墨石墨 1）分布形态：）分布形态： A 均匀分布、无向性均匀分布、无向性过冷度小结晶；过冷度小结晶； B 片状和点状石墨聚集成菊花状（蔷薇片状和点状石墨聚集成菊花状（蔷薇 状）状）较大过冷下结晶；较大过冷下结晶； C 部分石墨带尖角块状、粗大片状、初生部分石墨带尖角块状、粗大片状、初生 石墨石墨过共晶成分、冷速小；过共晶成分、冷速小； 2

33、-34 D 晶间点状石墨、呈无向分布晶间点状石墨、呈无向分布冷速冷速 大，为过冷石墨。亚、共、过共晶成分大，为过冷石墨。亚、共、过共晶成分 都存在；都存在； E 晶间网状石墨、呈有向分布晶间网状石墨、呈有向分布冷速冷速 小，小，Sc较小的成分下存在；较小的成分下存在； F 星状石墨、初生石墨星状石墨、初生石墨过共晶成分、过共晶成分、 冷速大（薄壁铸件）。冷速大（薄壁铸件）。 2）尺寸大小：分）尺寸大小：分8级。级。 2-35 2.基体基体 珠光体珠光体(P):b=800850N/mm2，HB=160260，=2025% 铁素体铁素体(F): b=250300N/mm2，HB=80100，=40

34、55% 需要特别指出的是，由于石墨（片状）割裂并缩减了基需要特别指出的是，由于石墨（片状）割裂并缩减了基 体，灰铸铁的体，灰铸铁的b只及纯只及纯P体的体的1/51/3，而，而0%。 2-36 说明说明: （1）HT的基体由不同比例的的基体由不同比例的F、P组成，不容许组成，不容许 Cm存在（存在（13%）（降低切削性能）。）（降低切削性能）。 （2）HT中随中随P，则，则b ，HB ；而牌号越；而牌号越 高，高，P 。高牌号。高牌号HT中，中，P100%；在；在 实际生产中，实际生产中，100%F的的HT几乎没有。几乎没有。 （3）从提高铸件的均匀性、改善切削性能的角）从提高铸件的均匀性、改善

35、切削性能的角 度出发，要求在度出发，要求在 b 同时同时HB。 2-37 2-4 灰铸铁的孕育灰铸铁的孕育 1.孕育处理的目的孕育处理的目的 1）消除白口）消除白口结晶为灰口；结晶为灰口； 2）改善石墨形态）改善石墨形态得到得到GA+P细片 细片组织 组织 b ； 3）细化晶粒）细化晶粒增加增加P量和共晶团数目；量和共晶团数目； 4）提高组织均匀性）提高组织均匀性消除壁厚差别。消除壁厚差别。 2-38 2.原铁水化学成分和温度原铁水化学成分和温度 要求：铁水的碳、硅含量处于白口向要求：铁水的碳、硅含量处于白口向 灰口过渡（但仍为白口）的临界状态。灰口过渡（但仍为白口）的临界状态。 C 2.83

36、.3%，Si 1.01.4%。 2-39 铁水温度：铁水温度：14301450 孕育铸铁的化学成分孕育铸铁的化学成分 化学 成分 牌号 C%Mn% Si% P%S% 孕育剂加 入量% （75Si-Fe） 冲天炉出 铁温度 孕育前孕育后 HT250 HT300 HT350 3.13.3 3.03.2 2.93.1 0.81.0 0.91.1 1.01.3 1.21.4 1.01.2 0.81.0 1.51.8 1.31.7 1.21.6 0.15 0.15 0.12 0.12 0.12 1450 1460 1480 2-40 3.孕育处理工艺孕育处理工艺 孕育剂：孕育剂：75Si-Fe等。等。

37、粒粒 度：度：2-5mm，加入量：，加入量：0.20.6%。 加入方式：炉前包内冲入等。加入方式：炉前包内冲入等。 *三角试样观察孕育前后三角试样观察孕育前后“白口宽度白口宽度”。 2-41 4.孕育机理孕育机理 非均质结晶核心非均质结晶核心 “孕育衰退孕育衰退”现象。现象。 原因：原因：（1）晶核老化）晶核老化失去活性；失去活性； （2）晶核上浮；（）晶核上浮；（3）富）富Si区消失。区消失。 因此，一般要求浇注时间因此，一般要求浇注时间1.0） Q品质品质 2-50 3.提高灰铸铁质量指标的措施提高灰铸铁质量指标的措施 1）提高铁水温度（利于均匀、纯净）；）提高铁水温度（利于均匀、纯净）；

38、 2）强化孕育处理工艺（增加核心、细化晶粒、）强化孕育处理工艺（增加核心、细化晶粒、 获得获得GA、消除白口）；、消除白口）； 3）控制成分，避免）控制成分，避免Cm和过量磷共晶；在较低和过量磷共晶；在较低 CE时，适当提高时，适当提高Si/C比；比； 2-51 4）电炉采用废钢做炉料并用增碳剂增）电炉采用废钢做炉料并用增碳剂增C 目的是降低铁水中的目的是降低铁水中的P、S 合成铸铁；合成铸铁； 5）灰铸铁低合金化。）灰铸铁低合金化。 2-52 2-6 低合金灰铸铁低合金灰铸铁 1.低合金化的目的低合金化的目的 提高强度和硬度。一般加入量提高强度和硬度。一般加入量3%。 2-53 其作用表现在

39、下述方面：其作用表现在下述方面： 1）细化）细化G和共晶团；和共晶团； 2）增加并细化）增加并细化P体；体； 3）增加组织和性能的均匀性，降低断面）增加组织和性能的均匀性，降低断面 敏感性；敏感性； 4）提高特殊性（如耐热性，即增加基体）提高特殊性（如耐热性，即增加基体 的热稳定性）。的热稳定性）。 2-54 例例1 常用合金元素使用量和强度提高百分比常用合金元素使用量和强度提高百分比 合金元素合金元素 最大使用量最大使用量 % 使用使用1%强度提强度提 高百分比高百分比 备注备注 Ni Cu Mn Cr Mo V 3.00 1.50 1.50 0.50 1.00 0.35 10 10 10

40、20 40 45 激冷倾向弱或没有激冷倾向弱或没有 激冷倾向弱或没有激冷倾向弱或没有 激冷倾向弱激冷倾向弱 激冷倾向强激冷倾向强 激冷倾向中等激冷倾向中等 激冷倾向很强激冷倾向很强 2-55 例例2 Mo对不同断面铸件性能的影响对不同断面铸件性能的影响 断面断面 （mm） b HB 边缘边缘 HB 中心中心 断面断面 （mm） b HB 边缘边缘 HB 中心中心 非非 合合 金金 12.5 25 50 75 100 270 253 222 180 138 228 217 207 189 179 228 217 192 174 149 0.50% Mo 12.5 25 50 75 100 333

41、 306 284 256 222 248 228 217 207 196 248 228 207 196 187 2-56 2.种类种类 1）提高强度型：）提高强度型： 如如Cr系：系：Cr 0.20.4 Ni 0.30.5 Mo 0.30.6 Cu 0.51.0； 又如又如Sn0.1。 2-57 2）提高耐磨（减摩）性型：）提高耐磨（减摩）性型： （1）高 高P （ （2）P-Cu-Ti （3）V-Ti （4）Cr-Mo-Cu等 等 0.40.7 0.40.6 0.60.8 0.100.15 0.20.4 0.050.15 0.20.4 0.30.6 0.71.0 2-58 2-7 灰铸铁的

42、铸造性能灰铸铁的铸造性能 1. 流动性好：低熔点（亚共晶、共晶成分）流动性好：低熔点（亚共晶、共晶成分） 充型能力强。充型能力强。 如暖气片如暖气片 影响因素：铁水温度、化学成分、铸型种类等。影响因素：铁水温度、化学成分、铸型种类等。 2-59 2. 缩孔倾向小：石墨化膨胀缩孔倾向小：石墨化膨胀自补缩好自补缩好一般一般 不设冒口。不设冒口。 3. 线收缩：线收缩： G化膨胀化膨胀线收缩小。线收缩小。 HT的有碍线收缩的有碍线收缩0.81.0%。 4. 铸造应力低，冷裂倾向小。铸造应力低，冷裂倾向小。=E EHT 2-60 2-8 灰铸铁的生产灰铸铁的生产 1.确定化学成分确定化学成分 考虑方面

43、：考虑方面： （1）铸型条件；）铸型条件； （2）牌号；）牌号； （3）冷却条件（壁厚）：）冷却条件（壁厚）： 一般，薄处不出白口，厚处石墨不能太粗大；一般，薄处不出白口，厚处石墨不能太粗大； 个别，照顾重要部位的性能；个别，照顾重要部位的性能； 对于特殊性能（耐磨、耐压等）或高牌号对于特殊性能（耐磨、耐压等）或高牌号加合金化。加合金化。 （4）孕育处理。）孕育处理。 2-61 2.型（芯）砂处理和铸型造型工艺型（芯）砂处理和铸型造型工艺 3.配料、熔炼配料、熔炼 考虑方面：考虑方面： （1）熔炼方法；）熔炼方法； （2）元素烧损；）元素烧损； （3）炉前控制）炉前控制。 4.浇注、清理浇注、

44、清理 2-62 5.热处理热处理 （1）消除应力（低温退火）消除应力（低温退火）:（500600） 保温（保温（48）h。 *时效处理时效处理 人工时效人工时效低温退火低温退火 自然时效自然时效 消除应力消除应力 （2）消除局部白口组织（高温退火）：）消除局部白口组织（高温退火）： （900960） 保温（保温（14）h。 *注意合金元素含量！注意合金元素含量！ 2-63 第三章第三章 球墨铸铁球墨铸铁 3-1 概述概述 1.球墨铸铁的特点球墨铸铁的特点 1947年，英国人年，英国人H.Morrogh在实验室内采在实验室内采 用用Ce处理铁液，得到球状石墨，并于处理铁液，得到球状石墨，并于19

45、48年年 在美国铸造工程师协会上宣布，成为球铁的发在美国铸造工程师协会上宣布，成为球铁的发 明者。上世纪明者。上世纪50年代初期，我国王遵明教授在年代初期，我国王遵明教授在 东北应用球铁获得成功。球铁历经半个多世纪东北应用球铁获得成功。球铁历经半个多世纪 的发展，取得迅速的应用和推广。的发展，取得迅速的应用和推广。 3-1 球铁的根本性特点：球铁的根本性特点： 1）石墨形状的改变（从片）石墨形状的改变（从片球状），使石墨对球状），使石墨对 基体的割裂作用减到最小，从而根本上改变基体的割裂作用减到最小，从而根本上改变 了铸铁的性能水平；了铸铁的性能水平； 2）可以发挥基体的作用来达到性能要求：）

46、可以发挥基体的作用来达到性能要求： （1 1）通过热处理调节；（）通过热处理调节；（2 2）铸态下获得。）铸态下获得。 3-2 2.球铁的主要种类和应用：球铁的主要种类和应用： 1）珠光体球铁）珠光体球铁 典型牌号典型牌号 （QT700-2） 性能特点性能特点 强度为主强度为主 应用：曲轴、连杆等应用：曲轴、连杆等 2）铁素体球铁）铁素体球铁 典型牌号典型牌号 （QT450-10） 性能特点性能特点 韧性为主韧性为主 应用：汽拖底盘零件、应用：汽拖底盘零件、 铸管等铸管等 3）混合基体球铁）混合基体球铁 典型牌号典型牌号 （QT500-7） 性能特点性能特点 强韧结合强韧结合 应用：齿轮、叶轮

47、、螺应用：齿轮、叶轮、螺 栓等栓等 4）其他类型）其他类型 A体体QT（阀门、电力金具）、（阀门、电力金具）、A+B、B（齿轮、凸轮（齿轮、凸轮 轴）、轴）、M、M+A、M+P+Cm（耐磨件、磨球）等（耐磨件、磨球）等 3-3 3.球铁的牌号球铁的牌号 国家标准国家标准国际标准国际标准FIAT美国标准美国标准 QT400-18QT350-2245-33-15 60-40-18 QT400-15 其余和中国其余和中国 国标相同国标相同 60-38-10 65-45-12 QT450-1065-48-05 80-55-06 QT500-790-52-05 100-70-03 QT600-3 120

48、-90-02 QT700-2 QT800-2*1PSi=0.70 kg/mm2 QT900-2 3-4 4.球铁生产工艺过程球铁生产工艺过程 造型制芯造型制芯合箱合箱 配料熔炼球化处理孕育处理 浇注落砂清理 检验 机加工成品 热处理 炉前检测 三角试样 化学成分取样 Y型试块 砂处理 化学分析 附体试样 金相组织标准 力学性能 * * * * *讨论：重点工艺：球化处理、孕育处理、炉前检测与金相理化检测。 3-5 3-2 球墨铸铁的化学成分球墨铸铁的化学成分 球铁的基本成分：球铁的基本成分：C、Si、Mn、P、S、Mg、RE CSiMnPSMgRE 3.43.9 2.03.0 0.10.7 0

49、.08 0.02 0.030.05 0.020.04 3-6 1.基本元素的作用基本元素的作用 1）C和和Si： 一般选择在近共晶成分（由于球化元素一般选择在近共晶成分（由于球化元素Mg 的作用，共晶点右移到的作用，共晶点右移到4.64.7%）。）。 优点优点（1）流动性好；（）流动性好；（2）形成集中缩孔倾向）形成集中缩孔倾向 大；（大；（3）致密度高。）致密度高。 C石墨漂浮；石墨漂浮； C缩松缩松裂纹倾向裂纹倾向。 因此，因此，C：3.23.9%。 3-7 而而Si能能石墨化，石墨化，F量，量，Cm量；量； 但但Si，则，则ak，T塑 塑-脆脆。故一般控 。故一般控 制制Si3.0%。

50、3-8 硅量对球铁脆性转变温度的影响 Si%T塑 塑-脆脆 Si%T塑 塑-脆脆 1.28 1.98 2.58 3.05 -50 -45 -25 -10 3.50 3.99 4.25 4.42 50 55 60 65 3-9 1.基本元素的作用基本元素的作用 2）Mn 中和中和S的有害作用，稳定细化珠光体；但晶的有害作用，稳定细化珠光体；但晶 界严重偏析。界严重偏析。 因此，因此，P体球铁，限制体球铁，限制Mn0.30.7%（高牌号（高牌号 QT取下限）；取下限）； F体球铁，限制体球铁，限制Mn0.10.3% 3-10 1.基本元素的作用基本元素的作用 3）P： 大于大于0.05%即偏析，形

51、成磷共晶，即偏析，形成磷共晶， ak、，故控制，故控制P0.08%（高牌号（高牌号 P0.030.05%）。）。 3-11 1.基本元素的作用基本元素的作用 4）S： 形成硫化物夹杂，消耗球化剂，造成球化形成硫化物夹杂，消耗球化剂，造成球化 不稳定，乃至不球化，不稳定，乃至不球化，ak、。一般控制。一般控制 S：冲天炉：冲天炉0.050.08%；电炉；电炉0.05%;冲冲-电双联电双联 （带脱（带脱S工艺）工艺）0.020.03%。 3-12 2.球化元素的作用球化元素的作用 （1）*Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K； （2） RE：轻（：轻（7个）：个）：La、Ce、Pr(镨镨)、Nd(钕钕

52、)、 Pm(钷钷)、Sm(钐钐)、En(铕铕)； 重重(10个）：个）：Y(钇钇)、Sc(钪钪)、Gd(钆钆)、 Tb(铽铽)、Dy(镉镉)、Ho(钬钬)、 Er(铒铒)、 Tu(铥铥)、Yb(镱镱)、 Lu(镥镥)。 在目前生产条件下，最佳的球化元素为在目前生产条件下，最佳的球化元素为Mg，而，而RE （主要是轻（主要是轻RE中的中的Ce、La）仅作为辅助球化元素。）仅作为辅助球化元素。 3-13 1）球化元素的物理性质）球化元素的物理性质 Mg：M=24.32，D=1.737g/cm3，T熔熔=651， T气气=11071120 。 RE：元素周期表中第：元素周期表中第族第六周期族第六周期

53、La系元素（原子系元素（原子 序数序数57-71）15个，另有第个，另有第族中的族中的Y、Sc 2个，个， 共共17个。个。 RE元素熔点为元素熔点为8001730 ，比重（，比重（D）为）为 4.59.7不等。不等。 3-14 2）球化元素（）球化元素（Mg）在铁水中的作用）在铁水中的作用 （1）与）与S作用：作用：MnS+FeS+2MgFe+Mn+2MgS （S由由0.050.08 0.02） （2）与）与O作用（烧损）：生成作用（烧损）：生成MgO 占占1530%。 （3）脱氧去气：）脱氧去气：Mg去气 去气0.01% 76. 0 32 24 S Mg SS76. 0Mg S （原原子子

54、量量）（消消耗耗 终终原原脱脱 3-15 2）球化元素（）球化元素（Mg）在铁水中的作用）在铁水中的作用 （4）球化衰退（回）球化衰退（回S）：）： 0.0010.004%/分钟分钟 （5）球化作用（残留）球化作用（残留Mg）：）：0.030.06% MgS+OMgO+S S+Mg MgS 因此，球化剂吸收率：因此，球化剂吸收率： ）（ 总总 去气去气脱脱 % Mg gMMgMg A S 5545100 3-16 3）讨论）讨论 球铁中合适的球化元素含量，一般为：球铁中合适的球化元素含量，一般为： Mg0.030.05%。RE0.020.04%。 若若 Mg易出白口，夹渣、皮下气易出白口，夹渣

55、、皮下气 孔、缩松；孔、缩松； RE易出白口，偏析。易出白口，偏析。 3-17 3.合金元素的作用合金元素的作用 球铁中常用的合金元素在理论上有球铁中常用的合金元素在理论上有Cu、 Mo、Mn、Ni、Sn、Sb、V、Cr、W等。由于等。由于 这些合金元素能增加铸件的淬透性，或稳定、这些合金元素能增加铸件的淬透性，或稳定、 增加和细化珠光体，或在等温淬火时易得增加和细化珠光体，或在等温淬火时易得B 体，或用于生产体，或用于生产A体球铁（如体球铁（如Ni），故在），故在P体体 QT、A-B体体QT、A体体QT、M体体QT中得到广泛中得到广泛 应用。但合金化不能用于应用。但合金化不能用于F体体QT。

56、 3-18 例如：例如： QT900-5 应用：应用：Ni 0.250.35% Cu 0.50.6%； 铸态铸态QT700-2 Cu 0.300.50% Sn 0.03% 3-19 4.微量元素的作用微量元素的作用 主要是指一些干扰球化或其他有主要是指一些干扰球化或其他有 害作用的微量元素，如害作用的微量元素，如Ti、Sn、Al、 Cr、Sb、Bi、Pb等。等。 3-20 说明：说明： （1）干扰元素在一定量的范围内发生有害作用；）干扰元素在一定量的范围内发生有害作用； （其界限量见下表）（其界限量见下表） 反球化干扰元素界限量反球化干扰元素界限量 元素元素AlTiPbAsSbBiZrSnTe

57、Se 界限量界限量% 0.05 0.07 0.002 0.05 0.01 0.002 0.03 0.05 0.003 0.03 3-21 说明：说明： （2）在一定的临界值之下，有些微量元素还）在一定的临界值之下，有些微量元素还 有合金化作用或孕育作用；有合金化作用或孕育作用； （3）用）用RE（0.010.02%）可以中和一定量的）可以中和一定量的 干扰元素。干扰元素。 3-22 3-3 球铁的生产工艺及其控制球铁的生产工艺及其控制 1.采用高质量的原材料采用高质量的原材料 主要是指选择优质生铁：低主要是指选择优质生铁：低Mn、低、低P、 S、低微量元素，且各成分含量合格稳定。、低微量元素，

58、且各成分含量合格稳定。 废钢也应注意微量元素和合金元素。废钢也应注意微量元素和合金元素。 3-23 优点：优点： （1）易于获得合格成分的铁水，如低）易于获得合格成分的铁水，如低Mn、 S、P； （2）减少杂质元素的晶间偏析，）减少杂质元素的晶间偏析，Mn、O、 N、H； （3）减少干扰球化和生成碳化物的微量元）减少干扰球化和生成碳化物的微量元 素。素。0.10%，本溪生铁，本溪生铁=0.052%； （4）提高性能，特别是塑韧性（）提高性能，特别是塑韧性（、ak）。）。 3-24 *冶金部冶金部YB（T）14-86铸造用生铁标准铸造用生铁标准 （又称推荐标准）（又称推荐标准） 对对11种微量元

59、素总量的规定：种微量元素总量的规定： 1级铁级铁 T0.1022% 2级铁级铁 T0.1229% 3-25 后来，冶金部的生铁标准（后来，冶金部的生铁标准（YB/T14-1991）中关于微）中关于微 量元素的含量，更有明确规定，见下表。量元素的含量，更有明确规定，见下表。 铸造生铁中限制的微量元素成分（铸造生铁中限制的微量元素成分（，%） 元素元素 名称名称 AsPbSnSbZnCrNiCuVTiMoT 一级铁一级铁 0.0008 0.0005 0.0005 0.0004 0.0008 0.02 0.0064 0.005 0.0095 0.070.001 0.1022 二级铁二级铁 0.001

60、8 0.0007 0.0005 0.0006 0.002 0.02 0.0064 0.006 0.0115 0.087 0.0012 0.1229 3-26 本溪生铁本溪生铁 T=Ti + V + Cr + Ni + Cu + Mo + Sn + Sb + As + Pb + Zn =0.0260 + 0.0056 + 0.0090 + 0.0043 + 0.0046+ 0.00033 + 0.00045 + 0.0001 + 0.0012 + 0.0003+0.0004 =0.05288（%） 3-27 又有：球化干扰元素综合作用系数又有：球化干扰元素综合作用系数K1： K1=4.4Ti+2