材料加工物理

1、11.2.1铁的组织与性能(1) 石墨的形态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)2第二节铁铁的组织与性能提高铁性能的途径铁研究和生产的新进展2铁的性能特点 力学性能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。铁的机械性能利用率仅有30（与钢比）表铁与铸造碳钢力学性能比较4性能指标抗拉强度 b/ MPa延伸率 /%冲击韧性 k/ J弹性模量 E/ MPa铸造碳钢4006501025206020104铁1004000.55.0(716)104(2) 基体组织F+F+P+P+33(4)铁的标准号：GB

2、/T 9439-201030mm单铸试棒的抗拉强度和布氏硬度6牌号最小抗拉强度Rm（MPa）布氏硬度(HBW)HT100100170HT150150125-205HT200200150-230HT225225170-240HT250250180-250HT275275190-260HT300300200-275HT350350220-290 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钢、球铁、铁振动衰减图54度表：元素对Fe-C相图的影响碳当量： CE C 1

3、(Si P)38元素铁石墨系温度共析温度点碳 量(%)饱和碳量共析点碳量S-+-0.36+-Si+14+-0.31-Mn-8-0.027+-P-21+-0.33-Cr-6+0.063+-Ni+3-0.053-Cu+3-0.074Co+-V-+0.135Ti-+Al+-0.25Mo-10+0.025(5)铁的冶金质量同一成分的铁水经不同的处理，可获得不同性能的铸铁，因此，必须对 铁件生产的冶金过程作周密的考虑，以便既能得到要求的强度指标，又能保证铸铁具有良好的工艺性能。为了衡量 铁的冶金质量，提出了一些综合性指标。75表 同等强度下机床铸件度对比10抗拉强度(MPa)国家牌号C(%)Si (%)

4、平均C (%)平均度250FC253.253.351.852.053.950.90中国HT2503.103.301.501.803.750.85300FC303.153.251.802.003.830.87中国HT3002.903.201.401.703.610.82350FC353.103.201.751.953.760.85中国HT3502.803.101.301.603.430.77度：铸铁偏离点的程度，还可用铸铁的实际含碳量和点的实际含碳量的比值来表示，这个比值称为度，以Sc表示。S C / C C铁C铁C4.26% 1 / 3(Si P)式中 C铁铸铁实际含碳量(%)； Cc稳定态点

5、的含碳量(%)； Si、P铸铁中硅、磷含量(%)Sc的大小还能间接地推断出铸铁铸造性能的好坏以及石墨化能力的大小，因此是一个较重要的参数。96表 中德缸体缸盖的碳当量和度对比德国单缸缸盖Mo0.25%, 双缸缸盖Ni0.75%, 6缸缸盖Cu0.3%, 柴油机双缸缸盖Ni1.1%中国缸盖Mo0.5%，红岩缸盖Cu0.4%，195缸盖Cu0.9%12铸件公司名C(%)Si(%)CE(%)度Cr(%)b(MPa)德国单缸缸盖MAN3.4-3.51.9-2.04.100.940.15250双缸缸盖MAN3.5-3.551.7-1.84.100.940.302506缸缸盖MAN3.4-3.51.7-1

6、.84.030.930.30250柴油机缸盖Motortex3.4-3.451.84.020.920.3250中国缸盖3.2-3.41.8-2.03.930.900.5250EQ140缸体二汽3.2-3.41.9-2.13.960.900.3250缸盖红岩3.1-3.31.6-2.13.810.860.3250195缸盖3.191.583.710.850.33270的FC35与中国的HT250 度、碳当量相当，而抗拉强度却与中国的HT350相当；相同的牌号 的 度却比我国高出0.050.08，碳当量高出0.20%0.33%。目前国外机床铸件比我国同类型铸件高一个牌号，正因为强度高碳当量也较高，

7、国外机床不断地向轻量化方向发展，机床铸件主要壁厚从2025mm减至1420mm，比我国机床铸件薄 515mm。117成熟度RG b测1000-800Scb测从30mm试棒上测得的抗拉强度(MPa)Sc度铁：RG可在0.5-1.5内波动，适当的过热与孕育处理能提高RG值。如RG1，表示通过熔炼技术和孕育改进的铸铁在较高的度下获得了高强度。14 成熟度和相对强度b 800ScHB 4Sc上述公式计算出的抗拉强度和硬度被称为正常强度和正常硬度。随着近几十年熔炼技术和孕育工艺的发展，实际的强度远高于计算出的正常强度。8 硬化度及相对硬度硬化度HG HBS测HBS测Sc.5+0.793(TL TS )H

8、G硬化度 Sc度TL、TS铸铁液相线和固相线温度HBS测30mm试棒上测得的硬度HG1，表示强度高，硬度低，材料综合性能好。159 品质系数Q RGiHGQi在0.7-1.5之间波动，希望控制在Qi 1Qil，表示铁在保持高强度的同时具有良好的铸造性能与加工性能。18相对硬度RH HBS测= HBS测100 0.44 b测HBS计算RH波动在0.6-1.2之间，以0.8-1.0为佳。RH低，表明 铁的强度高，硬度低，有良好的切削性能。良好的孕育处理能降低RH值。1710铁之所以除了强度以外对硬度的要求越来越严格，是因为随着加工机床的数控化、精密化、切削高速化，铸件硬度对机床的切削速度和刀具磨损

9、影响变得更加突出。因此，在铁的内在质量中，力学性能以抗拉强度b为指标，铸造性能以 度Sc为指标，加工性能以HBS为指标，这三者的关系用成熟度，硬化度，品质系数来表示 铁的内在质量的优良程度。20近年来，一些国家用抗拉强度和布氏硬度之比：m bHBS表示 铁的切削性能指标，这一方式更为直接。m值大，则表明在强度高时，硬度低，切削性能好。这些国家用m值作为内控标准，根据不同的牌号将m控制在1.01.4。19111.2.2 提高铁性能的途径(1) 提高Si/C比在CE保持不变的条件下，适当提高Si/C比，铁的凝固特性、组织结构与材质性能方面的变化：组织中初生奥氏体量增加，有加固基体的作用；由于总碳量

10、降低，石墨数量相应减少，减少了石墨对基体的割裂作用；固溶于铁素体中的Si量增加，强化了铁素体；由于Si增加，使铁水的白口倾向有所降低；Si提高共析转变温度，珠光体稍有粗化，对强度性能有不利影响。22铸铁的内在质量实际上由三部分组成：化学成分、抗拉强度、硬度：这三者的关系由铁的冶金质量来表示。铁的金相组织：以金属基体、石墨、晶界物来表示。铁的使用性能与缺陷：以试验的性能指标和无损探伤的结果来表示。2112(2) 孕育处理定义：孕育处理是在铁水中加入少量材料，促使形成结晶核心以改善金属组织和性能的方法目的：促进石墨化，降低白口倾向；降低断面敏感性；控制石墨形态，消除过冷石墨；适当增高团数和促进细片

11、状珠光体的形成；改善铸铁的强度性能及其它性能(如致密性、耐磨性及切削性能等)。24Si/C比对铁强度和白口倾向的影响2313 孕育方法一次孕育一次孕育最常用的方法：出铁槽或浇包加入。优点：操作简单缺点：孕育剂加入量大，孕育26(1) 孕育剂与孕育方法 孕育剂石墨化孕育剂：75SiFeBa, RE, Sr, Zr + 75SiFe(具有促进石墨化和改善石墨形态的特性)稳定化孕育剂：Cr-Si-Mn, Cr-Si-Mn-Zr Cr-Si-C(强化基体、提高强度和硬度)复 合 孕 育剂：RE-Sb-Ca-Si, RE-Sb-Cr-Ca-Si (兼有上述两种孕育剂的特性)2514保温浇注炉的随流孕育(

12、法国某铸造厂)28瞬时孕育(后孕育、晚期孕育)随流孕育把2040目粒状的孕育剂随铁水浇注流加入0.080.2%的孕育剂，即可使铁水得到充分的孕育，这种方法的孕育剂用量很少，对消除碳化物非常有效，并可大幅度增加 团或石墨球数。2715孕育丝孕育孕育丝：粒度：40140号筛板厚：0.20.4mm直径：1.87.0mm加入量：0.020.03%特点：无粉尘污染；可避免不 熔质点带入铸型造成白点；便 于自动控制；但装置比较复杂。30江铃铸造厂气冲生产线浇注现场2916(3) 合金化32孕育块孕育孕育块可用铸造方 造，也可将粉状孕育剂用硬脂酸粘结成块，然后 浇口杯或特设的反应室内，当铁水流过时孕育块逐层

13、熔化带入铸型产生孕育作用。特点：孕育效果好，适用于大批量生产。缺点: 不易检验。31171.2.3铁研究和生产的新进展(1) 冲天炉与电炉双联熔炼冲天炉熔炼：用于铸铁(灰铁、球铁、蠕铁等)优点:成本低(为电炉1/3),效率高(最大100t/h)缺点:温度及成分不可调,增硫夹杂物增多343318双联熔炼能耗比较：36.感应炉熔炼与双联熔炼的铁力学性能的比较. 铸造，2013, 62(2): 96-98感应电炉熔炼： 铁水化学成分变化小,可控 铁水温度高,可控 熔化率低(130T/h)， 成本高发展趋势冲天炉熔炼+工频炉(双联熔炼)35元素CSiMnPS变化率%-510+510-5不变不变19(2

14、)铸铁铸铁配料：生铁 + 废钢 + 回炉料 + 中间合金生铁炉料的遗传性铸件组织中石墨粗大生铁中的粗大石墨性能降低38双联熔双联熔炼铁的炼性冶金质量比单一感应能电炉熔炼铁的冶对金质量好，切削性能比好。37.感应炉熔炼与双联熔炼的铁力学性能的比较. 铸造，2013, 62(2): 96-982040铸铁的生产通过增大金属炉料中废钢与回炉料的加入量，减少生铁的加入量，用增碳剂增碳，从而获得碳、硅、锰、硫和磷五大元素的合理配比，使铁水的冶金特性得到改善，能更好地发挥孕育处理的效果，从而提高 铁的强度。表 炉料中废钢比例对铁硬度和硬度均匀性的影响编配料比化学成分(%)抗拉各断面硬度(HB)HB号 (废

15、钢/生C强度 40mm 25mm 12mm6mmmax铁)(MPa)130/703.192.124.0028021622623926953240/603.191.963.8929524024326329252350/503.162.183.99295242241253280383921以神龙TU3F缸体为例，分析铁缸体缸盖的切削加工性能 神龙TU3F缸体采用法国PSA标准，相当于的HT250牌号，为无缸套缸体。表 化学成分, %零件的显微组织（缸筒壁上）石墨：片状A型石墨，4级，不允许C型基体：珠光体95%，游离碳化物2%42CSiMnSPCr3.00-3.501.80-2.500.60-1.

16、000.150.150.300.300.05-0.150(3) 缸体缸盖的切削加工性能汽车发缸体、缸盖：足够强度、刚度和致密性轻量化(质量/功率比：国外0.4-0.5，国内0.3-0.4)形状准确，尺寸精度高良好的加工性能铸件内外表面光洁HT250最小壁厚3.5mm4122国产件的切削加工性神龙缸体(试制期间)精镗缸孔：国产150-200，进口件为600件/把刀左右；顶面衍磨时间长：国产件90-120，进口件60s/件左右。国产6B缸体(东汽铸造公司)加工线速度小于100m/min，国产气缸体铸件材料加工性能良好；在高速加工自动线(可达870m/min)，刀具 仅为进口铸件的30%左右。和国内

17、一些大型汽车制造厂家都存在相似 或经历。44缸体性能要求缸顶面（即与缸盖连接面） HB=207-241（图1a中的15个点）缸筒上（即距缸顶面50mm）HB=207-241（图1b中的3个点均在两缸之间）图1 缸顶面(a)和缸筒(b)处硬度测量位置4323组织中的MnS进口件国产件46ElementWeight%Atomic%O7.2517.50Al2.753.93S30.4436.67Mn59.5741.89ElementWeight%Atomic%S35.5848.62Mn64.4251.38Totals100.00组织对比分析：进口国件产件4524S量的变化对MnS的形态与数量的影响(a

18、) 0.065%S(b) 0.12%S(c) 0.15%S(d) 0.18%S图 试样中的硫化物夹杂48改进切削加工性能的措施关于Mn与S对硫的认识经过了一个逐步提高的过程，从认为硫是有害元素，到 铁中要加人一定量的硫来改善切削性能，改善孕育效果和石墨形态。 铁中硫在一定含量范围内是有利的，这个范围是0.080.12%。在碳硅量高、硫量也较高的情况下，Mn量控制在0.40.5%的范围内有利于生产高强度 铁。4725关于孕育处理采用随流孕育大约可提高硬度值510HB，同时减小了铸件断面敏感性，从而改善 铁的切削加工性能。随流孕育加入量不能太大，否则会增加铁素体的数量，提高材料的韧性，这对高速切削

19、的断屑性是不利的。孕育剂中的Ca量在1.5-3.0%时，在刀尖表面形成CaO-Mn2O3- SiO2的三元复合氧化物， 1553K，在刀尖软化，起到润滑作用。当Ca的含量超出这个范围，刀尖的复合氧化物形态发生改变、 升高，不能软化而起润滑作用。50关于铁水的熔炼与孕育缸体铁液最好采用冲天炉一感应炉双联熔炼。法国SEPT FONS铸造厂采用水冷热风(400-800)冲天炉与无芯工频感应电炉双联熔炼，采用气压保温浇注，浇注温度控制在142010，并对铁水随流孕育。德国的KHD和 博铸造厂均采 联熔炼，冲天炉富氧送风，焦炭质量较好，铁水温度能达到1550以上。当采用工频炉作为熔炼设备时，铁液会有较大的激冷倾向和缩松倾向， 此时必须增S(S0.08%)，且进行充分孕育。4926(4) D型石墨铸铁玻璃模具52关于组织中的硬质点：铁缸体的基体组织中发现有碳化物、氮化物等硬质点，一般认为硬质点会打刀，从而影响 铁的加工性能。所以要改善切削性能，就要尽可能采取措施减少硬质点；在高速切削时，它们很容易从基体中剥落，对刀具的磨损影响不大。5127玻璃模具54玻璃器皿的生产工艺玻璃器皿生产线5328玻璃模具的性能要求具有抗氧化、抗生长、抗热疲劳和耐磨等性能。此外, 还