《工程材料》第8章 铸铁

1、8.1概述8.2普通灰铸铁8.3球墨铸铁8.4蠕墨铸铁8.5可锻铸铁8.6合金铸铁2022/9/22第八章 铸铁cast iron8.1 概述铸铁：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。化学成分：C：2.5-4.0 Si：1.0-3.0特点：铸造性能优良，熔化加工简单，成本低，减振性能好用途：广泛用于机械制造，冶金矿山，石油化工，交通运输等2022/9/22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。2022/9/22铸铁曲轴内燃机汽缸2022/9/22箱体启动阀叶轮 进气管 8.1.1铸铁的分类17按石墨存在的形式及石墨形态分类

2、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，呈白亮色麻口铸铁 灰口白口铁的混合组织2022/9/22工业铸铁的成分范围与组织2022/9/22工业铸铁的成分范围温度快冷中速冷却中速冷却缓冷缓冷缓冷快冷白口铸铁珠光体灰铸铁铁素体灰铸铁铁素体球墨铸铁珠光体球墨铸铁珠光体可锻铸铁铁素体可锻铸铁石墨化退火中速冷却缓冷珠光体蠕墨铸铁铁素体蠕墨铸铁Si/Mg/Ce灰铸铁 的显微组织 2

3、022/9/22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球墨铸铁的显微组织 2022/9/22铁素体加珠光体球墨铸铁 铁素体球墨铸铁 珠光体球墨铸铁 球墨铸铁中的石墨球 蠕墨铸铁的显微组织2022/9/22蠕墨铸铁中的石墨珠光体基体铁素体基体 可锻铸铁的显微组织 2022/9/22黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁 可锻铸铁的石墨化退火2022/9/22共晶白口铸铁铸铁的分类与牌号表示方法 2022/9/22铸铁名称 石墨形态 基体组织 编 号 方 法 牌号实例 灰 铸 铁 片状FHT + 一组数字数字表示最低抗拉强度值，单位MPa。“HT”表示灰铸铁代号。 HT100F+PHT

4、150PHT200球 墨 铸 铁 球状FQT + 两组数字 第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低延伸率值，%。 “QT”表示 球墨铸铁代号QT400-15F+PQT600-3PQT700-2铸铁的分类与牌号表示方法（续）2022/9/22铸铁名称 石墨形态 基体组织 编 号 方 法 牌号实例 蠕 墨铸 铁 蠕虫状FRuT + 一组数字数字表示最低抗拉强度值, MPa。“RuT”表示蠕墨铸铁代号 RuT260F+PRuT300PRuT420 可 锻 铸 铁 团絮状FKTH + 两组数字KTB + 两组数字KTZ + 两组数字KTH300-06表F心PKTB35-04PKTZ4

5、50-06KTH、KTB、KTZ分别为黑心、白心、珠光体可锻铸铁代号；第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低延伸率值，% 8.1.2.1 铸铁石墨化过程2022/9/22按Fe-Fe3C相图结晶，得到白口铸铁按FeG相图结晶的为灰口铸铁L+GL+Fe3C图 8.1实线为FeFe3C相图，虚线为FeGr相图4.267368.1.2 铸铁的石墨化及影响因素2022/9/22温度T+Fe3C+GL1154 1148 自由能F1.当液态合金温度1154时，液体金属自由能FL最低，不发生任何相变2. 1148 液体合金1154 ，只能发生LG3. 液态合金的温度0.2%后，出现硬脆Fe

6、3P，呈孤立、细小、均匀分布时，可耐磨性。若粗大连续网状分布，将强度，铸件脆性。 除在耐磨铸铁中可达0.51.0%外，在普通铸铁中都作为杂质，通常灰铁中P含量控制在0.2%。 G化；Mn能与S结合生成MnS，削弱硫的有害作用。铸铁中含锰量一般在0.51.4%范围内，如要获得铁素体基体，含锰量应取下限。 P Mn2022/9/22 白口；铁水流动性，恶化铸造性；形成FeS，分布晶界，使铸铁变脆。S是有害元素，其含量应尽量低，一般将S限制在0.15%以下S促进石墨化元素 阻碍石墨化元素+ Al、C、Si、Ni、CuW、Mn、Mo、S、Cr、Fe、Mg 为综合考虑C，Si，P对铸铁组织及石墨化的影响

7、，引入了两个参量：碳当量和共晶度碳当量：把Si，P折合成相当的碳含量CEWC 1/3W(Si+P)共晶度：表示铸铁中碳含量接近共晶碳含量的程度Sc=WC/4.3%-1/3W(Si+P)Sc=1为共晶 1为过共晶 1为亚共晶2022/9/222. 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。2022/9/22WC+Wsi(%)铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响 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。图8.3壁厚和碳当量的影响2022/9/22 化学成分选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，可以在很大范围内改变铸态组织。

8、V冷越缓慢，越有利于按Fe-G状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段G化，通常情况下，共析阶段的G化难以完全进行。 在生产中，铸件冷却速度是一个综合因素，它与浇注温度、铸型条件以及铸件壁厚均有关系。同一铸件不同壁厚处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效应。铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁厚铸件，可调整化学成分来保证获得所需组织。2022/9/228.2 普通灰铸铁plain gray cast iron 8.2.1、灰铸铁中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

9、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,凝固点生成包围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。2022/9/22 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图8.4石墨的晶体结构8.2.2 灰铸铁的组织特点2022/9/22 组织：片状G+ 金属基体（F，F+P，P）。 石墨形态:有A、B、C、D、E、F 6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.孕育处理目的 ?孕育剂是什么

10、？硅铁硅钙2022/9/22（a）A型石墨 (b)B型石墨 (c) C型石墨 (d)D型石墨 (e) E型石墨 (f) F型石墨 图8.5 片状石墨的分布类型 2022/9/22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）2022/9/228.2.3、灰铸铁性能（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3050%，表现为b很低，塑性和韧性几乎为零2022/9/22（2）缺口敏感性小, 可切削性好 大量G相当

11、于已经存在了许多缺口,工件的人为缺口就不太敏感了。 铸铁的可切削性是优良的. 为什么铸铁的切削铁屑是碎片状的,而钢的切屑是连续状的?2022/9/22（3）良好的铸造性 灰铁成分接近共晶点，可铸造出形状复杂零件。并且不易形成缩孔和缩松，能获得较致密的铸件。 为什么成分接近共晶点的铸铁，其铸造性能就比较好?2022/9/22（4）良好的减振性和减摩性 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磨粒，因此具有良好的减摩

12、性。如机床导轨。8.2.4灰铸铁热处理热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。热处理强化效果不大。灰铸铁常用的热处理有： 消除应力退火：530-550。 石墨化退火（消除白口铁退火）。铸件表面冷速快，易形成白口铁，为降低其硬度及脆性，便于机加工，需进行石墨化退火。900-950 ，2-5h，使共晶Fe3CG 表面淬火 ：感应淬火2022/9/22灰铸铁件汽缸套活塞环图8.6灰铸铁消除应力退火工艺2022/9/22图8.7灰铸铁石墨化退火工艺8.2.5灰铸铁的用途制造承受压力和振动的零件，如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。2022/9/22大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身(H

13、T-250)变速箱体8.3 球墨铸铁nodular cast iron（GB1134888 ）2022/9/228.3.1 球状G的形成条件球化剂Mg/Ce/Y/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化处理: 浇注前加入一定量球化剂，如稀土-硅铁-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硅钙稀土镁气泡理论2022/9/228.3.1.1 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。图8.9球状石墨的气泡理论形成过程示意图2022/9/22螺旋位错理论:由于螺旋

14、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。8.3.1.2 球状石墨的生长机理 2022/9/22 图8.8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2022/9/22球状石墨内部的年轮状结构 球状石墨的结构示意图 8.3.1.3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.2022/9/22 球状G应力集中基体的缩减作用割裂基体作用 球铁基体的利用率可大大提高，达到7090。思考题: 试从辩证法原

15、理(矛盾转化)来说明石墨G形状对铸铁性能的影响规律?8.3.2 球墨铸铁的组织和性能182022/9/22球铁组织球状石墨金属基体球化率：单位面积上球化石墨数/全部石墨数珠光体: QT600-2QT800-2铁素体: QT400-17QT450-10珠光体 +铁素体: QT500-5球径：放大100倍率下石墨的直径圆整度：石墨球面积/当量圆面积贝氏体： QT900-6，QT1200-2图8.10珠光体基体球墨铸铁金相组织 2022/9/22 例如QT400-15，QT为球铁代号，400表示抗拉强度不低于400MPa，15表示断后伸长率不低于15%。图8.11铁素体球墨铸铁金相组织 2022/9

16、/22图8.12混合基体球墨铸铁金相组织 2022/9/222022/9/22制品(轧辊与辊环)贝氏体基球墨铸铁8.3.3 球墨铸铁的热处理 球墨铸铁可以通过热处理改善基体组织，从而提高其性能，凡是对钢有效的热处理都适用于球墨铸铁2022/9/22球墨铸铁的热处理2022/9/22 （1）消除内应力退火 （2）高温石墨化退火 消除游离渗碳体 （3）低温石墨化退火 消除共析渗碳体 （4）正火处理和调质处理 获得珠光体的组织和提高珠光体的分散度 （5）等温淬火处理 得到B体或AB体基体组织。提高综合机械性能 （6）表面淬火 （7）化学热处理 氮化、渗硼和渗硫等 承受振动、载荷大的零件，如曲轴、传动

17、齿轮等。2022/9/22核燃料贮存运输容器(QT350-22)铸铁曲轴8.3.4 球铁用途8.4 蠕墨铸铁vermicular cast iron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。蠕化剂为稀土硅铁镁合金（含钛）、稀土硅铁钙合金等。蠕墨铸铁的组织特征： 基体（F、F+P、P）+ 蠕虫状G 与片状石墨相比，蠕虫状石墨长/厚的比值明显减少，一般在2-10范围内。2022/9/22蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁的强度、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。2022/9/22灰铸铁灰铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁灰

18、铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁牌号（JB/T44031999 ） RuT260 RuT300 RuT340 RuT380 RuT4202022/9/22图8.13蠕墨铸铁彩色金相2022/9/22图8.14蠕化良好的蠕虫状石墨图8.15单个石墨的形状系数k值蠕墨铸铁用途 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。 2022/9/22玻璃模具制动鼓8.5 可锻铸铁malleable cast-iron（GB944088 ）一、概述亦称玛铁，玛钢。是由白口铁经过退火而制得的一种高强度铸铁，石墨呈团

19、絮状的灰口铸铁，性能优于灰铸铁，耐磨性和减振性优于普通碳素钢。可锻铸铁实际并不能锻造加工，只是塑性较好而已分类 黑心可锻铸铁：KTH30006 珠光体可锻铸铁 KTZ450-06 白心可锻铸铁 KTB380-122022/9/221.黑心可锻铸铁如果白口铁在退火过程中，石墨化充分进行，则退火后可得到铁素体基体团絮状石墨组织，该类铸铁心部呈黑绒色，表层因退火有时脱碳而呈白亮色，故称黑心可锻铸铁2022/9/22黑心可锻铸铁 图8.16可锻铸铁的退火工艺和组织变化二、可锻铸铁的组织2.珠光体可锻铸铁 如果石墨化进行的不充分，退火后的组织为珠光体团絮状石墨，则为珠光体可锻铸铁2022/9/22珠光体

20、可锻铸铁 图8.17可锻铸铁石墨化退火工艺曲线 3.白心可锻铸铁在长期退火过程中，发生氧化脱碳得到的，表层为铁素体，心部为珠光体团絮状石墨。其断口颜色表层呈黑绒色，心部白色，故称白心可锻铸铁。力学性能差，生产工艺复杂，应用较少。2022/9/22三、可锻铸铁的性能组织特点 石墨团絮状分布，对基体割裂和破坏少，石墨尖端引起的应力集中小，因而可锻铸铁力学性能比灰铸铁高，接近球墨铸铁。性能特点优点：成本低，质量稳定，铁液易处理，便于流水生产线生产，适宜生产形状复杂，薄壁铸件，加工性好，易切削。缺点：不能焊接。2022/9/22四、可锻铸铁的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。2022/9/22可锻铸铁管件8.6 合金铸铁alloy cast iron工业的快速发展对铸铁的性能提出了特殊要求，通过合金化开发出了耐磨，耐热，耐蚀的合金铸铁。1.耐热铸铁（RT耐热铸铁，RTQ耐热球墨铸铁）加入Al，Si，Cr形成氧化膜保护RTQAl4Si4，RTQAl5Si5。2.耐磨铸铁（MT减摩铸铁，KmTB抗磨白口铸铁，KmTQ抗磨球墨铸铁） KmTMn5W3、 KmTBNi4Cr2-DT、 MTQMn6、MTQMn7。 加P，V，