机械工程材料第七章

1、第七章 铸铁 l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。 l铸铁具有许多优良的性能及生产简 便、成本低廉等优点，因而是应用 最广泛的材料之一。 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. 铸铁曲轴铸铁曲轴 内燃机汽缸内燃机汽缸 根据碳存在形式铸铁可分为三大类 白口铸铁碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合态的 渗碳体析出，凝固后断口呈白亮的颜色，故称为白口铸铁； 麻口铸铁碳既以化合态的渗碳体析出，又以游离态的石墨 析出，凝固后断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨，故 称为麻口铸铁； 灰口铸铁碳大部分以游离状态的石墨析出，凝固

2、后断口呈 暗灰色，故称为灰口铸铁。 灰口铸铁按石墨的形状和大小来分分为： 灰铸铁：石墨呈片状。 普通灰铸铁石墨为片状； 孕育铸铁石墨为细小片状； 可锻铸铁石墨为团絮状； 球墨铸铁石墨为球状； 蠕墨铸铁石墨为蠕虫状。 一、铁碳合金双重相图 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； 石墨是碳的单质之一，其强度、 塑性、韧性几乎为零。 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 F基体球墨铸铁基体球墨铸铁 第一节 铸铁的石墨化 Fe3C是亚稳相，在一 定条件下将发生分解： Fe3C3Fe+C（石墨） 铁液冷却速度越慢， 越容易析出石墨。 存在两个铁碳相图

3、： Fe-Fe3C和Fe-G双重相图 L+G L+Fe3C 二、铸铁的石墨化过程 1、石墨化方式 铸铁中的碳原子析出形成 石墨的过程称为石墨化。 两种方式： 在结晶过程中直接析出； 由渗碳体加热时分解得到。 2、石墨化过程 缓慢结晶时，石墨化分三 个阶段： 第一阶段，液相至共晶结 晶阶段。包括从过共晶成 分的液相中直接结晶出一 次石墨和共晶成分的液相 结晶出奥氏体和石墨； 中间阶段； 共析阶段 P 渗碳体高温分解也可分 三个阶段 石墨化程度不同，所得 到的铸铁类型和组织也 不同。 P 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

4、化 第二阶段石墨化 完全进行 完全进行F+G 灰口铸铁 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 三、影响石墨化的因素 （一）化学成分的影响 1、碳和硅 l碳和硅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； 碳当量： SiCCE 3 1 2、锰：锰是阻碍石墨化的元素。它能溶于铁素体和渗碳体 中，起固碳的作用，从 而阻碍石墨化。当铸铁中的锰含 量较低时，它主要阻碍共析阶段石墨化，有利于形成珠光 体基体铸铁。锰还能与硫化合形成Mn

5、S，可以消除硫的有 害影响，所以是有益元素。普通灰口铸铁的锰含量一般在 0.51.4%范围内，过高时易产生游离渗碳体。 3、硫：硫是有害元素。阻碍石墨化并使铸铁变脆。生产上 对硫含量应严格控制，一般控制在0.15以下。 4、磷：虽然可促进石墨化,但其含量高时易在晶界上形成硬 而脆的磷共晶，降低铸铁的强度，只有耐磨铸铁中磷含量 偏高 (达0.3%以上)；另外，磷提高流动性。 （二）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。 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. WC + Wsi (%) 铸件壁厚和碳硅含

6、量对铸铁组织的影铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影 响响 第二节 灰铸铁 灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约占铸铁总 产量的80%以上。 一、灰铸铁的化学成分、组织和性能 （一）化学成分 l主要化学元素：C、Si、Mn、P、S等； lC、Si、Mn是调节组织的元素； lP是控制使用的元素，S是应该限制的元素； l灰铸铁的化学成分范围：wC=2.7%3.6%，wSi=1.0%2.5%， wMn=0.5%1.3%，wP0.3%，wS0.15%。 （二）灰铸铁的组织 由片状石墨和金属基体组成，石墨 镶嵌在金属基体内。 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

7、，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。 金属基体依照共析阶段石墨化进行的程度不同可分为铁素 体，铁素体珠光体和珠光体三种。 （三）灰铸铁的性能 1、力学性能 石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性， 且易导致应力集中，塑性、韧性和弹性模量比钢低。 石墨数量越多，石墨“共晶团”越粗大，石墨片的长度越 长，石墨的两端越尖锐，则抗拉强度降低的数值越大。 抗压强度约为抗拉强度的2.5-4.0倍。灰铸铁的抗压强度 显著地大于抗拉强度， 灰铸铁的硬度随其成分和组织的变化而变化，一般在 HB130270范围内变化，随着共晶度增加，铸

8、铁的硬度降 低。 2、其它性能 铸造性能：灰口铸铁具有熔点低(约为1200)、流动性好、 铸造收缩率小(一般从铁水注入铸型凝固冷却至室温其收 缩率约为0.5-1)、铸件内应力小、易于铸造成型等特点； 耐磨性：铸铁的耐磨性比钢好。 减振性 ：物体吸收振动能的能力称为减振性。灰铸铁的 减振性比钢约大610倍； 切削加工性能：由于石墨使切削加工时易于形成断削，故 灰口铸铁的切削加工性能优于钢。 缺口敏感性低。 二、灰铸铁的孕育处理 孕育处理的目的：细化、均匀片状石墨。 方法：加入孕育剂 常用孕育剂：硅铁和硅钙合金。 经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。 孕育处理孕育处理 前前 孕育处理孕育处理 后后 硅

9、铁硅铁 硅钙硅钙 三、灰铸铁的牌号和应用 牌号：以“灰铁”的汉语拼音字头“HT”为标志符号，后 面三位数字表示直径为30mm单铸试棒测得的最低抗拉强度 值（MPa）。 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。 选择：根据工况和铸件壁厚。 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大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身重型机床床身(HT-250) 变速箱体变速箱体 四、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3050%，热处理强化效果不大。 灰铸铁常用的热处理有： 消

10、除内应力退火(又称人工时效) 500560，防止机加工、使用时变形或开裂。 消除白口组织退火 850900， 表面、薄壁等白口处Fe3C G, 硬度, 切削加工性 表面淬火 提高导轨表面、汽缸体内壁等的耐磨性。 球墨铸铁：石墨呈球形的灰口铸铁。与灰铸铁相似，也是由 液态石墨化而获得的一种铸铁，在工艺上是通过浇注前往一 定成分的铁水中加入定量的球化剂（如：稀土等）和孕育剂， 以促进碳呈球状石墨结晶析出。球状石墨对金属基体的损坏、 减少有效承载面积以及引起应力集中作用均比片状石墨的灰 铸铁小得多。因此，球墨铸铁中的基体组织的强度、塑性和 韧性可充分发挥作用，从而具有比灰铸铁高得多的强度、塑 性和韧

11、性，并保持有耐磨、减震、缺口不敏感等灰铸铁的特 性。 第三节 球墨铸铁 一、球墨铸铁的化学成分、组织和性能 （一）化学成分 l与灰铸铁相比，其特点是碳和硅的含量高； l锰含量较低，磷、硫含量低，并含有一定量的稀土与镁。 l球墨铸铁的化学成分范围一般为：wC=3.6%4.0%， wSi=2.0%3.2，wMn=0.6%0.9%，wP0.1%，wS0.04%， wRE残0.030.05%。 （二）组织： l铸态组织：基体（F、F+P、P）+ 球状G； l如果将铸件进行调质或等温淬火，则基体组织可转变为回 火索氏体或下贝氏体组织 铁素体珠光体球墨铸铁 铁素体球墨铸铁铁素体球墨铸铁 珠光体球墨铸铁 球

12、墨铸铁中石墨球 （三）球墨铸铁的性能 1、力学性能 基体利用率高70%90%； 其它铸铁相比，不仅具有高的抗拉强度，而且其 屈服强度也高；球墨铸铁的屈强比(0.2/b)为 0.70.8，远高于碳钢的0.50左右； 塑性与韧性虽低于钢，但却高于其它各类铸铁； 力学性能与石墨形态、大小相关； 力学性能与基体相关，可热处理强化。 2、其它性能 工艺性能较灰口铁差； 减磨性、耐热性、切削夹攻性好； 可热处理强化。 二、球墨铸铁的牌号和应用 牌号： 用“球铁”二字的汉语拼音的第一个字母 “QT”加两组 数字表示，第一组数字代表最低抗拉强度（单位为MPa）； 第二组数字代表最低延伸率(%)， 如QT400

13、-18。 应用： 球墨铸铁以可以代替部分锻钢、铸钢、某些合金钢及可锻 铸铁等，用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要 求较高的零件； 如具有高强度与高耐磨性的球墨铸铁常用来制造拖拉机或 柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮、机床的主轴、 蜗杆、蜗轮、轧钢机的轧辊、大齿轮及大型水压机的工作 钢、缸套、活塞等； 具有高韧性和一定塑性的铁素体球墨铸铁常用来制造受压 阀门、机器底座、汽车的后桥壳等。 制品(轧辊与辊环) 贝氏体基球墨铸铁贝氏体基球墨铸铁 承受震动、载荷 大的零件，如曲 轴、传动齿轮等。 核燃料贮存运输核燃料贮存运输 容器容器(QT350-22) 铸铁曲轴铸铁曲轴 三、球墨铸铁的热

14、处理 （一）热处理特点 （1）加热温度较高，淬火冷却速度较慢 （2）高温时间要长 （3）加热速度要缓慢 （4）通过控制加热温度和保温时间，调整奥氏体中含碳量 （二）热处理方法 包括退火、正火、等温淬火、调质等。 1、退火 （1）去应力退火 将铸件以50100/h的速度加热到500550，保温 28h，然后炉冷（灰铸铁）或空冷（球墨铸铁）。 （2）石墨化退火 高温石墨化退火：消除自由渗碳体。将铸件加热到 900950，保温24h，随后炉冷到500550，再 出炉空冷。 低温石墨化退火：得到铁素体基体。 2、正火 目的：获得珠光体基体组织，并可使晶粒细化，组织均匀， 以提高铸件的力学性能。 （1）

15、高温正火 （2）低温正火 高温正火和低温正火后的组织 3、等温淬火 目的：得到贝氏体。满足高速、大马力机器中受力复 杂件（如齿轮、曲轴、凸轮轴等）的要求，提高其综 合力学性能。 球墨铸铁等温淬火后可以获得高强度，同时兼有较好 的塑性和韧性。 等温淬火加热温度的选择主要考虑使原始组织全部奥 氏体化，不残留铁素体，同时也避免奥氏体晶粒长大。 故加热温度一般选择在Ac1以上3050，等温处理温 度为250350，以保证获得具有综合性能的下贝氏 体组织。 球墨铸铁经球墨铸铁经880880加热、加热、270270等温等温1h1h空冷后的显微组织空冷后的显微组织 4、调质处理 目的：得到回火索氏体基体组织

16、，提高球墨铸铁的力学性 能，挖掘球墨铸铁的内在潜力； 工艺： 淬火：是将铸件加热到Ac1以上3050，使铸铁基体在高 温下转变为均一的奥氏体，然后淬入油中，得到淬火马氏 体组织。 回火：高温回火的温度为500600，回火后的组织为回 火索氏体和球状石墨。这种组织具有良好的塑性、韧性和 强度相结合的综合性能。 第四节 蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁。 蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的。 一、蠕墨铸铁的化学成分 化学成分要求与球墨铸铁相似，即要求高碳、高硅、低硫、 低磷，并含有一定量的稀土与镁。 蠕墨铸铁的成分范围一般为：wC=3.5%3.9%，wSi=2.

17、1% 2.8%，wMn=0.6%0.8%，wP0.1%，wS0.1%。 在上述成分的铁液中加入适量的蠕化剂进行蠕化处理和孕 育剂进行孕育处理。 二、蠕墨铸铁的显微组织和性能 组织： 基体+蠕虫状石墨组成，铸态时 铁素体量50%； 蠕虫状石墨的长宽比值一般 为210，有分叉，侧面高低不 平，端部较钝、较圆。 可通过合金化和热处理改变基 体。 蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中的石墨 蠕墨铸铁的显微 组织 蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中的石墨 珠光体基体珠光体基体 铁素体基体铁素体基体 力学性能：蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁， 其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。 灰铸铁灰铸铁 灰铸铁灰铸铁 蠕

18、墨铸铁蠕墨铸铁 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 灰铸铁灰铸铁 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 工艺性能：优于球墨铸铁。 应用：蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复 杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、 汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。 玻璃模具玻璃模具 制动鼓制动鼓 l蠕墨铸铁的牌号 用“RuT”表示蠕墨铸铁，后面三位数字表示其最小抗拉 强度值。如RuT420表示最小抗拉强度为420MPa的蠕墨铸铁。 可锻铸铁又俗称为马铁（玛钢）。石墨呈团絮状的灰口铸 铁，是由白口铸铁经石墨化退火获得的。 可锻铸铁的生产过程通常包含两个步骤：

19、 第一步先浇铸成白口铸铁; 第二步再经高温长时间的石墨化退火使渗碳体分解出团絮 状石墨。 第五节 可锻铸铁 一、可锻铸铁的化学成分及显微组织 （一）化学成分 较低的含碳量和含硅量。 若含碳量和含硅量过高，由于它们都是强烈促进石墨化元 素，所以铸铁的铸态组织中就有片状石墨形成，并在随后 的石墨化退火过程中，从渗碳体分解出的石墨将会附着在 片状石墨上析出而得不到团絮状石墨；同时石墨数量也增 多，使铸铁的力学性能下降。 如果含碳量和含硅量太低，则不仅使石墨化退火困难，延 长退火周期，而且还使熔炼困难和铸造性能变差。 锰可消除硫的有害影响，但锰又是阻隘石墨化元素，含锰 量过高也会延长退火周期。 化学成

20、分范围一般为：wC=2.2%2.8%，wSi=1.0%1.8%， wMn=0.4%1.2%，wP0.2%，wS0.18%。 （二）可锻铸铁的组织 按工艺分三类 黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁 白心可锻铸铁 1、黑心可锻铸铁： 如果白口铸铁在退火过程中第一阶段石墨化和第二阶段石 墨化都能充分进行，则退火后得到铁素体加团絮状石墨组 织； 其断口颜色为：心部由于石墨析出而呈黑色，表面因退火 时有些脱碳而呈白亮色。 2、珠光体可锻铸铁： 如果退火过程中使第二阶段石墨化不进行，则退火后的组 织为珠光体加团絮状石墨的组织。 3、白心可锻铸铁： 如果白口铸铁在长时间退火过程中主要发生氧化脱碳过程， 故经退火后

21、在一定深度的表层得到铁素体组织，而心部由 于脱碳不完全则得到珠光体加团絮状石墨组织，甚至残留 少量未分解的游离渗碳体。 其断口颜色为表层呈黑绒色，而心部呈白色。 可锻铸铁的显微组织 黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁 可锻铸铁的石墨化退可锻铸铁的石墨化退火火 二、可锻铸铁的牌号、性能和应用 1、可锻铸铁的牌号 l用“可铁”两字汉语拼音的第一个大写字母“KT”表 示， 其后面的H表示黑心可锻铸铁；Z表示珠光体可 锻铸铁；B表示白心可锻铸铁；符号后面的两组数字 分别表示其最小的抗拉强度和伸长率。如KTH300-06 ， KTZ450-06。 2、可锻铸铁的性能和应用 可锻铸铁的

22、力学性能优于灰铸铁，并接近于同类基体 的球墨铸铁，尤其是珠光体基体可锻铸铁，强度可与 铸钢媲美。 可锻铸铁与球墨铸铁相比，还具有铁水处理简易、质量稳 定、废品率低等优点。所以可锻铸铁常用于制作一些截面 较薄而形状复杂、工作时受振动而强度、韧性要求较高的 零件。 珠光体可锻铸铁的可切削加工性在铁基合金中是最优良的， 可进行高精度切削加工。 珠光体可锻铸铁还可以通过火焰加热或感应加热进行表面 淬火。 3、用途 用于制造形状复杂且承受振动载 荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉 机的前后轮壳、管接头、低压阀 门等。 可锻铸铁管件可锻铸铁管件 第六节 合金铸铁 l铸铁合金化的目的： 一是为了强化铸铁组织中金属

23、基体部分并辅之以热处理以 获得高强度铸铁； 另一个目的是赋予铸铁以特殊的性能，如耐热性、耐磨性 及耐蚀性等。铸铁的合金化既适于灰铸铁，也适于球墨铸 铁和蠕墨铸铁。下面仅介绍一些常用的特殊性能铸铁。 一、耐磨合金铸铁 耐磨铸铁根据工作条件的不同，可分为减摩铸铁和抗磨铸 铁两类。 减摩铸铁是在有润滑、受粘着磨损的条件下工作，例如机 床导轨和拖板、发动机的缸套和活塞环、各种滑块和轴承 等，这类铸铁希望摩擦系数要小。 抗磨铸铁是在无润滑、受磨料磨损的条件下工作，例如轧 锟、犁铧、抛丸机叶片、球磨机磨球等，这类铸铁眼球摩 擦系数要大。 （一）减摩铸铁 减摩铸铁的组织一般为软基体上分布有坚硬的强化相。软

24、基体在磨损后形成的沟槽可保持油膜，有利于润滑；同时 坚硬的强化相可承受摩擦。细层珠光体灰铸铁就能满足这 一要求，其中铁素体为软基体，渗碳体为坚硬的强化相， 同时石墨也起贮油和润滑作用。 进一步提高减摩类铸铁的耐磨性的途径主要是合金化和孕 育处理，常用的合金元素为Cu、Mo、稀土、Mn、Si、P、 Cr、Ti等，常用的孕育剂为硅铁合金。 目前生产中常用的合金减摩铸铁有：高磷铸铁、磷铜钛铸 铁、铬钼铜铸铁、铬铜铸铁、钪铜铸铁、铜钪钛铸铁、稀 土钪钛铸铁等。 （二）抗磨铸铁 通常金相组织应为莱氏体、贝氏体或马氏体。 抗磨白口铸铁是在普通白口铸铁的基础上加入适量的Cr、 Mo、Cu、W、Ni、Mn等合

25、金元素形成。 抗磨白口铸铁的牌号用汉语拼音字母“KmTB”表示，后面 为合金元素及其含量。 抗磨白口铸铁在铸态下的硬度都高于46HRC，淬火后硬度 还可进一步提高，适用于在磨料磨损条件下工作。 含锰量为5.0%9.5%、含硅量为3.3%5.0%的中锰球墨铸 铁，其铸态组织为马氏体、奥氏体、碳化物和球状石墨， 它除了具有良好的抗磨性能外，还具有较好的韧性与强度， 适用于制造在冲击载荷和磨损条件下工作的零件。 二、耐热合金铸铁 （一）铸铁的耐热性 铸铁的耐热性 指铸铁在高温下抗氧化和抗热生长的能力。 热生长是指普通铸铁加热到450以上，随着加热温度的 提高和加热时间的延长以及反复加热次数的增多，除了在 铸铁表面发生氧化外，铸铁在每次加热冷却后其体积都发 生膨胀的现象。 铸铁发生热长大的结果使铸铁强度降低，组织变松发脆， 从而引起微裂纹，导致铸件失效。 热生长的原因 铸铁产生热生长的原因主要不是由于石墨化的缘故，而是 铸铁的内氧化引起的。 内氧化是指空气中的氧气通过石墨的边界或微小裂纹渗入 到铸铁内部与铁和石墨发生化学作用（氧与铁作用生成不 致密的氧化物，氧与石墨作用会产生气体）。 工