金属学与热处理第十二章

1、第十二章第十二章 铸铸 铁铁概述(铸铁的石墨化)常用铸铁特殊性能铸铁 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。 铸铁材料的重要性铸铁性能品种多样化(球铁、灰铁、蠕铁、奥贝球铁等)铸造性能及加工性能优良资源广泛制造成本低占铸件总产重量的75%占载货车车重的20%，轿车的1012%第一节 概述铸铁分类： 在铁碳合金中的游离态是石墨。石墨具有简单六方晶格。同一晶面上碳原子以共价键结合,间距0.142nm结合力较强，两层晶面的间距为0.34nm，结合力弱。 生长方式：沿基面的择优生长，优先生长方向为a轴方向。1.1 铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程(1) 石墨的晶体结

2、构 共晶转变中由石墨起领先作用，首批石墨晶核的形成标志着共晶转变的开始。石墨晶核在其生长过程中很快形成片状分枝，邻近铸铁熔体发生贫碳，促使奥氏体以石墨片的(0001)面为基础，在石墨片之间析出。奥氏体的生长反过来又引起邻近熔体的富碳，促进了石墨片的继续生长。以每个石墨晶核为中心所形成的石墨-奥氏体两相共生生长的共晶晶粒称为共晶团 (2) Fe-C相图的双重性 共晶点的含碳量和温度不同1154(4.26%)(2.08%)CCLAG 1148(4.30%)(2.11%)3CCLAFe C 共析点的含碳量和温度不同738(0.68%)CAG 727(0.77%)3CAFe C 奥氏体 + 石墨能量低

3、、稳定奥氏体 + 渗碳体能量高、亚稳定热力学石墨较Fe3C更稳定 (Fe3C Fe + G)浓度的影响 石 墨：C100% 渗碳体：C6.67%, 凝固时渗碳体的形成较石墨容易。相结构的影响 渗碳体为间隙型金属间化合物(碳为间隙原子),冷却 速度较快时，形成Fe3C结构所需动力小。结晶动力学(3) 石墨化过程第一阶段 高温石墨化，发生在1154 共晶转变时石墨的形成，LCAEG。得到的组织为(奥氏体石墨)的共晶体，这个石墨也称为共晶石墨。 第二阶段 中间石墨化，发生在1154738之间 奥氏体随温度在下降，对碳的溶解度也下降，这时过饱和的碳以石墨的方式析出，奥氏体的成分沿ES变化，析出的石墨也

4、称为二次石墨GII。 第三阶段 低温石墨化，发生在738共析转变时石墨的形成，ASFG。得到的组织为(铁素体石墨)，这时析出石墨难以形核，往往在前两阶段出现的石墨基础上长大 。 工程实际中这三个阶段有时可能发生，有时只能发生部分转变。(4) 影响石墨化的主要因素 化学成分的影响C和Si：铸铁中的C和Si是促进石墨化元素。1()3CEwwwcSiP碳当量S：S是强烈阻碍石墨化元素。Mn：Mn是阻碍石墨化元素。(MnS作用)P：P微弱促进石墨化。 合金元素的影响促进石墨化的元素（Al、Cu、Ni、Co等） 阻碍石墨化的元素（Cr、W、Mo、V等） 冷却速度的影响 冷却速度越缓慢，石墨化的效果越强。

5、而快速冷却时，难聚集100%形成石墨，聚集到6.69%以Fe3C方式析出。 (4) 铸铁的组织铸铁的组织依石墨化的程度不同而呈现不同的状态。 1.2 石墨与基体对铸铁性能的影响石墨与基体对铸铁性能的影响铸铁组织：石墨 + 基体石墨：松软、脆弱，b20MPa基体：铁素体、珠光体石墨对性能的影响：破坏金属基体的连续性，减少了铸铁的有效承载面积。石墨尖端引起应力集中、形成裂纹源。石墨的形态、数量、大小和分布等对铸铁的性能 均有显著影响。 片状、团絮状、球状基体组织：铁素体（强度低、塑性、韧性高） 珠光体（强度高、塑性、韧性较铁素体低）第二节 常用铸铁灰口铸铁(灰铸铁)、球墨铸铁(球铁)、蠕墨铸铁(蠕

6、铁)、可锻铸铁大型船用柴油机汽缸体(HT-300)核乏燃料贮存运输容器(QT350-22)蠕墨铸铁制动鼓可锻铸铁工具(1) 灰铸铁的成分 灰 铸铁中的碳、硅含量一般控制在以下范围：2.5%4.0%C; 1.0%2.0%Si，适量的Mn，(S、P) 2.1 灰铸铁灰铸铁石墨的形态(2) 灰铸铁的组织A型石墨(片状)B型石墨(菊花状)C型石墨(块片状)D型石墨(枝晶点状)E型石墨(枝晶片状)F型石墨(星状)灰口铸铁的基体组织F+G片F+P+G片P+G片基体组织灰铸铁的机械性能首先取决于石墨的形状、数量、尺寸与分布，其次取决于基体组织。灰铸铁的机械性能利用率仅有30（与钢比） 力学性能(3) 灰铸铁

7、的性能特点表 灰铸铁与铸造碳钢力学性能比较钢、球铁、灰铁振动衰减图 减震性好 用于机床、缸体、缸套 导热性好 用于缸体、缸套、排气管、铁锅 加工性能好 硬度HB170250 铸造性能好。可浇注复杂和薄壁铸件 成本较低 成本仅为锻钢1/3 1/4 经孕育处理后的灰口铸铁叫做孕育铸铁。 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，如缸体、缸盖、凸轮、机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件(4) 孕育铸铁(5)

8、 灰铸铁的热处理 消除内应力退火(人工时效) 500550，保温2h/10mm，随炉缓冷至150-200出炉空冷。 消除白口组织的退火 850950，保温14h，随炉缓冷，使渗碳体分解，消除白口。 正火 850950，保温13h，出炉空冷，得到珠光体基体组织。 表面淬火 表面淬火使铸件表面获得回火马氏体的硬化层，从而提高灰铸铁的表面强度、耐磨性和疲劳强度。2.2 球墨铸铁球墨铸铁(球铁球铁) 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。球墨铸铁的成分要求比较严格，一般范围是：3.63.9%

9、C, 2.22.8%Si, 0.60.8%Mn, 0.07%S, 10%)，低温冲击韧性好。本田神龙山东 影响球铁力学性能的主要因素石墨 球化率 球 数 球 径(晶粒大小)基体 珠光体(或铁素体)量， 或贝氏体及马氏体 游离碳化物量 磷共晶 夹杂物球墨铸铁力学性能利用率有80(3) 球墨铸铁的热处理 退火获得塑性好的铁素体基体，改善切削性能和消除铸造应力。 原始铸态组织中存在自由渗碳体，采用高温退火； 原始铸态组织中不存在自由渗碳体，采用低温退火。 正火增加基体中珠光体的数量，细化基体组织，提高强度和耐磨性。 完全奥氏体化，采用高温正火； 不完全奥氏体化，采用低温正火。 注：正火后要进行去应力

10、退火。（正火后有较大内应力） 调质(淬火 + 高温回火)获得较高的综合力学性能。 承受交变载荷工件 等温淬火很高的强度，良好的塑性和韧性。 这种工艺适合于综合力学性能要求高且外形又较为复杂、热处理易变形与开裂的零件，如：齿轮、凸轮轴。2.3 蠕墨铸铁蠕墨铸铁(蠕铁蠕铁) 蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形态，在光学显微镜下为互不相连的短片，与灰口铸铁的片状石墨类似。所不同的是，其石墨片的长厚比较小，端部较钝。 (1) 组织冲击韧性及延伸率较球铁底而高于灰铸铁导热性能优于球铁而次于灰铁铸造性能优于球铁而次于灰铁(2) 蠕墨铸铁的性能特点及应用应用：高性能缸体，缸盖，排气管，玻璃模具，高

11、强度机床床身及导轨等。灰铸铁灰铸铁灰铸铁灰铸铁蠕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强度介于球铁和灰铁之间屈服极限高(0.2/b: 蠕铁0.720.82；球铁0.650.70； 铸钢0.500.55)可锻铸铁是由白口铸铁经长时间石墨化退火而获得的一种高强度铸铁，又叫玛钢。白口铸铁中的渗碳体在退火过程中分解出团絮状石墨，所以明显减轻了石墨对基体的割裂。与灰口铸铁相比，可锻铸铁的强度和韧性有明显提高。可锻铸铁的牌号以“KTH或或Z数字数字数字数字”表示。牌号中的“KT”表示“可铁”二字汉语拼音的大写字头，“H”表示“黑心”，“Z”表示珠光体基体。牌号后面的两组数字分别表示

12、最低抗拉强度和最低延伸率。 2.4 可锻铸铁可锻铸铁可锻铸铁的石墨是通过白口铸件退火形成的。通常是将白口铸件加热到900980温度，一般保温6080小时，炉冷使其中渗碳体分解让“第一阶段石墨化”充分进行形成团絮状石墨。待炉冷至770650再长时间保温让“第二阶段石墨化”充分进行，这样处理后获得“黑心可锻铸铁”。若取消第二阶段的770650长时间保温，只让第一阶段石墨化充分进行炉冷后便获得珠光体基体或珠光体与少量铁素体共存的基体加团絮状石墨的“白心可锻铸铁”。 黑心可锻铸铁白心可锻铸铁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第三节 特殊

13、性能铸铁特殊性能铸铁一般指服役过程中除机悈性能外,能满足特殊使用性能的铸铁。常用特殊性能铸铁： 减摩铸铁 抗磨铸铁 耐热铸铁 耐蚀铸铁3.1 减摩铸铁减摩铸铁的特点是摩擦系数很小、加工性良好、在润滑条件下工作，其特点是磨损量很小就工作失效，如机床导轨、汽缸套、活塞环、轴承等。考虑到综合性能(减震，散热，成本及加工性能等因素)，一般采用灰铸铁。石墨本身是固体润滑剂，还可吸附和保存润滑油，保持油膜的连续性，但石墨削弱基体强度改进措施：减少石墨量和片墨长度(A型石墨，4-5级) 或 片状蠕虫状或球状（导热性降低）铸铁基体中的硬质相的影响： 在磨损过程中，硬质相在基体中能起支撑和骨架作用，对保持润滑剂

14、、减少磨损有利；硬质相若发生剥落，则作为磨料参与磨损，反而起到有害作用。因此，在减摩铸铁中，要求硬质相有较好的硬度并与基体结合牢靠，不易剥落。常用减磨铸铁3.2 抗磨铸铁定义：无润滑条件的干摩擦下工作的铸铁特征：在硬质磨料作用下，工件承受干态摩擦，并承受大 负载和冲击。抗磨铸铁对组织的要求良好的抗磨铸铁是高的硬度与韧性的结合高硬度及形态良好的碳化物：Fe3C，(FeM)3C，（FeM)7C3高强度的基体: 珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体无石墨或球状石墨细晶粒发展分三个阶段： 白口铁 镍硬铸铁 高Cr铸铁 我国最早采用普通白口铸铁作为抗磨材料，早在春秋时代，就已制成抗磨性能良好的白口铸铁

15、犁铧。直到目前仍广泛地应用普通白口铸铁作为一般的抗磨零件。 成分特点：较高的碳(2.53.8%C)、低硅(0.61.2Si%) 组织特点：珠光体 + 渗碳体(共晶型Fe3C) （莱氏体） 性能特点：硬度高(HRC4555)，脆性大(ak0.6) 加 工：除了磨削加工外，一般不经受其他机械加工而直接使用。 白口铸铁 镍硬铸铁1928年美国国际镍公司研制成功特点：加入Ni, Cr(35%Ni,1.53%Cr)等合金元素，大大强化碳化物和基体，硬度和韧性大幅度提高。组织：M+A残+(Fe,Cr)3C, 且随Cr量的增加，碳化物呈针状，而且半连续或不连续。性能：HB500700，b：300500MPa

16、，k值提高。耐磨性为白口铁的两倍。应用：冶金轧辊、磨球、衬板、杂质泵过流件可用冲天炉生产，因而获广泛应用。特点：Cr量增加至1128%形成复合碳化物 硬度大幅度上升，且连续M3C转变为M7C3呈孤立分布；基体合金化后成为高硬度马氏体 高铬铸铁碳化物含量及Cr/C比 碳化物(%) = 12.33(%C) + 0.55(%Cr) 15.2 其中Cr增加碳化物的效果远比碳差，因此，工艺上常常采用调整C量来改变碳化物数量的目的。 Cr/C5, 碳化物为M7C3， Cr/C比增加，淬透性增加。铸态组织：马氏体残余奥氏体碳化物；热 处 理：9501060奥氏体化(过饱和，冷却时针状二次 M7C3从中析出)

17、 ， 油淬或空冷(大件)冷却；回 火：200250/(48)h,性 能：碳化物硬度HV12001600，铸件整体硬度600HB, 冲击值7J/cm2，性能优于镍硬铸铁。应 用： 广泛应用于冶金及矿山机械，可用作轧辊、锤头、泥浆泵、磨球、衬板及大型离心泵体等3.3 耐热铸铁 铸铁的耐热性 铸铁高温失效的主要原因 (1) 氧化；(2)生长。 氧化：高温下，Fe(里层)FeO，(中层)Fe3O4， (最外层)Fe2O3 C 气体，铸铁发生脱碳 由于氧化铁膜不致密，故空气中的氧原子能穿过氧化膜而向内部深处扩散，从而使铁由外向内逐步氧化。铸铁中的石墨在长时间高温作用下被氧化而形成空洞，更加速了氧的传递过

18、程。 1MeMeOVV金属氧化物体积金属原子体积MeOMeVV致密氧化物的条件:生长：铸铁经过长期高温工作或反复加热冷却造成永久性体积增大引起零件变形的现象称为生长。引起生长的原因： 珠光体内的共析渗碳体发生分解，即共析石墨化引起体积增大，每1%化合碳变为石墨约使体积增大2.04%； 零件反复通过共析相变温度范围时，产生热应力和相变应力，导致产生微裂纹； 氧化性气体浸入铸件表面，使石墨、Fe、Si等元素遭受氧化引起体积增大； 在(350550)的CO气氛中，碳沉淀在片状石墨上也造成体积增大。 在铸铁表面形成一层牢固的、致密而完整的氧化膜，使铸铁的内部不再继续氧化； 提高铸铁的固态相变温度，使其在工作温度范围内不发生组织转变。基体最好是单相组织(如奥氏体或铁素体)，使铸铁在高温下不发生渗碳体分解的过程； 使石墨球化，球状石墨在基体中独立分布，互不相连，故不致构成氧化性气体渗入铸铁内部的通道。 为使铸铁具有耐热性，可往铸铁中加入铬、硅或铝进行合金化。为了进一步提高铸铁的抗生长性和强度，还可以采用耐热球墨铸铁。防止铸铁氧化和生长有