第一篇-铸铁及其熔炼

CastingAlloyanditsSmeltingProcess

铸造合金及其熔炼第一篇铸铁及其熔炼第一章铸铁的结晶及组织的形成第二章灰铸铁第三章强韧铸铁第四章特种性能铸铁第五章铸铁的熔炼Δημόκριτος

第二章灰铸铁§1金相组织和力学性能的特点§2影响铸铁铸态组织的因素§3灰铸铁件的生产§4灰铸铁的铸造性能§5灰铸铁的热处理返回到章英文名称灰铸铁gray(grey)castiron球墨铸铁ductile(nodular)castiron蠕墨铸铁compactedgraphitecastironvermicularcastironcoral-likecastiron可锻铸铁malleablecastiron耐热铸铁Heatresistantcastiron

Fe-Fe3C／G

相图

Fe3C——亚稳定相G——稳定相在不同条件下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图，即铁碳合金相图应该是复线相图：Fe-Fe3C相图和Fe－G相图。铁碳合金究竟按哪种相图变化，决定于加热、冷却条件或获得的平衡性质（亚稳平衡还是稳定平衡）。

铸铁的基体转变(二次结晶)铸铁共晶结束,(1153℃)形成固体,组织为A+G,随温度降低,奥氏体中的碳溶解度降低,碳析出,在石墨上长大.温度降低到共析温度以下,A发生相变,根据冷却速度不同,A→F→P影响因素:冷却速度快,易得到珠光体,冷却速度慢,易得到铁素体.铸态一般是F+P混合组织.与Si量有关,Si高,易得到铁素体,Mn;Cu;Sn高,易得到珠光体.控制冷却速度和合金元素,控制基体组织.改变强度和硬度.共析温度以下,碳从铁素体中析出,在石墨上长大(三次石墨),量很少,不改变大小和形状分布.白口铸铁,共晶和共析转变后析出的碳在碳化物上长大,与先形成的相有关.在600℃以下缓冷时,可能在晶界上形成渗碳体.组织控制铸态铁素体组织:Mn<0.3%.铸态珠光体组织:Mn0.5—0.8%;加Cu;Sn;Sb(0.005%)因为灰铸铁片状石墨多,基体利用率低,一般不进行改变组织的热处理,(F+P)消除应力退火,或人工时效处理.球墨铸铁,通过热处理,控制冷却速度,可的到不同的组织,性能有很大不同.P;F;P+F;B;M;也有铸态得到F;P的工艺.(铸态球墨铸铁曲轴),主要是控制化学成分和冷却速度.§1金相组织和力学性能的特点

灰铸铁是断面呈灰色、碳主要以片状石墨形式出现的铸铁。化学成分：碳含量一般控制在：2.5%～4.0%；硅含量一般控制在：1.0%～2.0%。1灰铸铁的金相组织特点F基体F+P基体P基体ＳMnP

灰铸铁gray(grey)castiron石墨为片状,断口为灰色.灰铸铁强度不高100-300MPa.承重件;箱体;壳体;支架;P+F基体,石墨大多为A型,B;D;E.一般有磷共晶.工艺简单,感应炉和冲天炉熔炼,液态收缩小,出品率高,价格便宜.占铸件总量的60%多.其中25%用于汽车.用途广泛，多为承压和耐磨件，如机床，导轨等EADB2灰铸铁的性能特点（1）力学性能灰口铸铁的抗拉强度和塑性都很低，这是石墨对基体的严重割裂所致。石墨强度、韧性极低，相当于钢基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效截面，并引起应力集中。石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，其抗拉强度越低孕育处理可细化石墨片，减轻其对基体的割裂作用，因而提高铸铁的强度，但塑性无明显改善。

(2)灰铸铁的工艺性能石墨的存在，使铸铁具备某些优良的工艺性能因石墨的存在，造成脆性切屑，铸铁的切削加工性能优异。灰铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少了铸件体积的收缩，降低了铸件中的内应力。石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的减振性能。大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。

§2影响铸铁铸态组织的因素1、铸件的冷却速度2、化学成分的影响3、铁液的过热和高温静置的影响4、孕育影响5、气体的影响6、炉料的影响铸铁的性能取决于石墨和基体.凡是与此有关的因素都影响组织和性能.冷却速度-----石墨的大小.形状分布,基体.化学成分-----石墨数量,基体,P;F形核能力-----共晶团大小,石墨形状分布.杂质含量------气体,硫,磷含量,(纯净度)1、铸件的冷却速度

冷却速度增大,向介稳定系转变,形成白口的倾向性大.(灰口铸铁,不允许出现大量的渗碳体.收缩大,不易机加工.)影响冷却速度的主要因素:铸件壁厚;铸型材料;浇注温度等;成分相同,冷却速度慢,共晶团粗大,强度低,薄壁处易出白口.浇注温度高,铸型热量多,冷速慢.干型,潮型,(紧实度)冷速不同.金属型冷却速度大.要求相同的强度,如果铸件壁厚不同,化学成分应不同.P422、化学成分的影响主要成分:C;Si;Mn;P;S.

S;P是有害元素.S形成FeS,在共晶团边界,降低性能.

铸铁中Mn-S有平衡,形成MnS,高熔点球形夹杂,减少S的有害作用.Mn对灰铸铁很重要,合金元素对基体的影响:

汽车缸体\缸盖加Cr;Cu;Mn;增加珠光体量,强度和耐磨性提高.

球墨铸铁中加Sn增加珠光体量.（1）各元素在铸铁中的存在形式（2）常见元素对Fe-G相图上共晶温度的影响

NiSi⊿TEu

GCrS⊿TEu

Fe3C

（3）化学成分对石墨的影响（4）各元素对基体的影响（5）常见合金元素在铸铁中的具体作用3预存石墨核心的影响(过热和孕育处理)铸铁凝固时,有高熔点质点做为结晶核心,非自发形核,有利于共晶团形成,细化.铁水过热温度过高,高熔点质点熔化,形核能力降低,共晶温度下降,过冷增加,形成白口(碳化物)倾向增加.容易形成D形石墨.1500-1550℃.国内冲天炉熔炼铸铁,1400-1450℃.孕育处理(Inoculation)浇注之前,出铁水时,向铁水中加入孕育剂(硅铁75%Si,含Sr;Ba;Ca;Al)增加石墨化核心,增加石墨化能力.可降低碳量,减少石墨数量,提高强度,1920年发现孕育作用,铸铁强度达到350MPa.200MPa以上的灰铸铁都必须孕育处理,球墨铸铁也进行孕育处理.孕育剂产生的孕育作用,远远大于孕育剂所带入的硅量的石墨化作用.灰铸铁必须经过孕育处理才能得到A型石墨.细小,均匀分布,强度提高.如果不孕育处理,靠降低C量提高强度,就会形成白口,或麻口组织.4气体的影响N;H;O;阻碍石墨化.铁水氧化,白口倾向大.5炉料的遗传性化学成分相同,炉料来源不同,凝固组织可能不同.白口倾向不同.与炉料原始组织和微量元素有关.灰铸铁的孕育处理经孕育处理（亦称变质处理）后的灰铸铁叫做孕育铸铁。

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，如汽缸、曲轴、凸轮、机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。§3灰铸铁件的生产1灰铸铁的标准灰铸铁的牌号由HT+三位数字组成：其中HT是灰铁的汉语拼音缩写；数字代表铸铁的抗拉强度。如HT200表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁。最小的灰铁是HT100，往上以50为间隔递增，最大为HT350。同一个牌号,壁厚不同时,应控制不同的化学成分.(C;Si;Mn)灰铸铁的拉伸式样铸铁拉伸实验3提高灰铸铁性能的途径(1)合理选择化学成分:在一定的碳当量条件下,选择高Si:C比,碳少,石墨数量少,减少石墨的切割和缩减作用.提高强度.增强基体.Si固溶于铁素体中,提高基体强度.缺点:石墨少,凝固时收缩大,易出现缩松.C不易太低.(2)孕育处理

孕育处理是获得高牌号铸铁的必要手段,目的:促进石墨化,降低白口倾向;改善石墨形态和分布;减少碳化物;消除过冷石墨;细化共晶团,增加铸件的致密性,提高耐磨性等.(1)选择合适的化学成分,C;Si;Mn.铁水的化学成分在不孕育的情况下应有一定的过冷倾向.一般选在麻口区或靠进麻口的白口区.壁厚越大,铁水的白口倾向可大些.孕育后效果更好.碳当量过高,孕育后石墨粗大,性能下降.Mn量可提高.(2)铁水要有一定的过热度,纯化,消除铁水中的预存核心,降低遗传性.提高孕育效果.(3)常用Si75%硅铁作孕育剂,破碎成粒状,2-5mm,也用含Sr;Al、Ca;Ba、Ti的,孕育效果更好.加入量少.孕育有效时间长.铸铁牌号越高,原铁水的碳量越低,减少石墨数量,孕育剂加入量越多.孕育处理的方法:工厂一般是在出铁时把孕育剂撒在出铁槽上,冲入铁水包,方便简单,缺点是孕育剂消耗大,浇注过程中衰退快.A生产孕育铸铁的条件冲入法孕育B关于孕育衰退孕育处理后的一段时间内,一般20分钟左右.孕育作用逐渐减弱,直至消失.孕育衰退.白口倾向增加,石墨形状变差,出现D形石墨.共晶团粗大,铸铁性能下降.防止孕育衰退采用瞬时孕育;浮硅孕育;浇口杯孕育;型内孕育;喂丝孕育;长效孕育剂等(含Ba;).可防止孕育衰退.浇口杯孕育;型内孕育有夹渣倾向.C孕育机理

铸铁中加入孕育剂后,石墨化能力增强,共晶团数量增加,铸铁强度增加.其作用的机理目前尚未有一致的结论.主要有两种假说:1.”浓度起伏”.认为铁水中加入孕育剂(硅)后,在一定时间内,铁水中Si的浓度不均匀,存在硅的”浓度起伏”.浓度大的区域碳当量高,石墨容易形核.促进石墨化.

解释孕育衰退:随时间延长,.”浓度起伏”.逐渐减弱,或消失.均匀化,石墨不容易形核,造成孕育衰退:(2)“核心”学说核心观点认为:孕育剂加入铁水中,形成一些能作为石墨形核核心的质点.有实验证明在铁水中发现SiC质点,CaC,AlN等都能做为石墨形核的核心.结晶核心必须是晶格结构相同,点阵常数的差小于7%.CaC,AlN都符合这一要求.

核心观点解释孕育衰退:随时间延长,质点溶解,不能作为石墨形核核心,形成孕育衰退.包外瞬时孕育浇口杯孕育浮硅孕育型内孕育D孕育效果的评估—炉前检测生产中常用三角试片检查孕育效果.用白口宽度大小评价孕育效果.孕育后白口宽度减少越多,孕育效果越好.要浇注的铸件壁厚越薄,三角试片的白口宽度应越小.三角试片的白口宽度应小于铸件壁厚的二分之一.一般3-8mm.与三角试片的尺寸和铸件壁厚有关.断面敏感性三角试块3铸铁的合金化

WMe<3%要求强度高,耐磨的铸件,加合金元素,增加珠光体数量,基体硬度,提高耐磨性,Cu;Cr;Mn;Mo;Ni;Cu,Ni不增加白口倾向,,提高强度,硬度明显.HT300,加合金元素.§4灰铸铁的铸造性能

灰铸铁的铸造性能是所有合金中最好的,流动性好,液态收缩和固态收缩小,石墨的比重是铸铁的三分之一,凝固时有补缩作用,冒口小,HT200以下可不用冒口,工艺出品率高,价格便宜,牌号越低,铸造性能越好.§5灰铸铁的热处理

由于基体利用率低,灰铸铁不进行改变组织的热处理.退火消除应力,防止变形,或自然时效消除内应力退火（又称人工时效）一些形状复杂和尺寸稳定性要求较高的重要铸件，如机床床身、柴油机汽缸等，为了防止变形和开裂，须进行消除内应力退火。

消除铸件白口、降低硬度的退火灰口铸铁件表层和薄壁处产生向口组织难以切削加工，需要退火以降低硬度。退火在共析温度以上进行，使渗碳体分解成石墨，所以又称高温退火。

表面淬火有些铸件如机床导轨、缸体内壁等，因需要提高硬度和耐磨性，可进行表面淬火处理，如高频表面淬火，火焰表面淬火和激光加热表面淬火等。淬火后表面硬度可达50HRC～55HRC。灰铸铁的热处理工艺课后作业P511;2;5;6题的前一个问题第三章强韧铸铁§1球墨铸铁§2蠕墨铸铁§3可锻铸铁组织、结构和性能以及加工工艺§1球墨铸铁

球墨铸铁在国外是由英国人莫洛１９４７年发明，并用于工业生产的。我国于1950年开始生产。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。我国球墨铸铁技术的开发者——周行健周行健，冶金学家与冶金材料学家。他是我国开发电炉炼钢技术中率先进行特殊钢和合金铸铁研究者和生产者之一；与周仁等一起，倡导以铸代锻，首先在我国进行球墨铸铁研究成功；较早进行压力加工研究，并在上海创建了国内第一个压力加工实验室；开拓了金属物理性质和摩擦与润滑方面的研究工作。他长期致力于科研组织领导工作，恢复、发展和创建了三个大型冶金科研机构。（1）球铁的组织、性能及应用

1、球墨铸铁的化性能特点球墨铸铁的组织、力学性能球墨铸铁的抗拉强度和伸长率2、球墨铸铁的生产工艺流程：

熔炼合格的铁液——球化处理——孕育处理——炉前检验——浇注铸件——清理及热处理——铸件质量检验（1）球墨铸铁的化学成分

球墨铸铁的成分要求比较严格，有“两高三低”之说,一般范围是：

3.6%～3.9%C,2.2%～2.8%Si,0.6%～0.8%Mn,<0.02%S,<0.06%P。合金元素Mo：高强度铸铁，A-B，提高铸件的淬透性Cu：稳定珠光体Ni：A-ＢCr：珠光体球墨铸铁Sb：强烈稳定珠光体（2）球墨铸铁的的球化处理一般在浇注之前，在铁液中加入少量球化剂（通常为镁、稀土镁合金或含铈的稀土合金）和孕育剂（通常为硅铁），使铁水凝固后形成球状石墨。球墨铸铁的的球化处理必须伴随着孕育处理，通常是在铁水中同时加入一定量的球化剂和孕育剂。我国普遍使用稀土镁球化剂。镁是强烈阻碍石墨化的元素，为了避免白口，并使石墨球细小、均匀分布、一定要加入孕育剂。常用的孕育剂为75%硅铁和硅钙合金等。球铁的性能球墨铸铁是一种具有优良机械性能的灰口铸铁，球铁的强度和韧性比其他铸铁高。不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体高50%以上，而铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体基的3-5倍。球墨铸铁还具有较好的疲劳强度。返回到节

球墨铸铁的牌号球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。如QT420-10、QT600-2、QT800-2返回到节球墨铸铁的应用有时可代替铸钢和可锻铸铁在机械制造工业中得到了广泛应用。可以用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆、轴等。球墨铸铁的应用

球墨铸铁的热处理

退火900℃～950℃、2h～5h目的在于获得铁素体基体。球化剂增大铸件的白口化倾向，当铸件薄壁处出现自由渗碳体和珠光体时，为了获得塑性好的铁素体基体，并改善切削性能，消除铸造应力。球墨铸铁的热处理正火880℃～920℃，空冷。目的在于得到珠光体基体（占基体75%以上），并细化组织，提高强度和耐磨性。球墨铸铁的热处理调质要求综合机械性能较高的球墨铸铁零件，如连杆、曲轴等，可采用调质处理。其工艺为：加热到850℃～900℃，使基体转变为奥氏体，在油中淬火得到马氏体，然后经550℃～600℃回火，空冷，获得回火索氏体+球状石墨。回火索氏体基体不仅强度高，而且塑性、韧性比正火得到的珠光体基体好。

球墨铸铁调质和正火后的组织性能热处理工艺显微组织机械性能

σb

MPa

5

%ak

kJ/m2

HB调质:980℃退火后,900℃油淬+

580℃回火回火索氏体+石墨

800～1000

1.7～2.7

260～320

240～340正火:980℃退火后,

900℃正火+

580℃去应力退火珠光体+5%铁素体+石墨

700

2.5

100

317～321返回到节第三节蠕墨铸铁蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的，其方法与程序与球墨铸铁基本相同。蠕化剂目前主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。返回到章蠕墨铸铁的化学成分一般成分范围如下：碳=3.5%~3.9%

硅=2.1%~2.8%

锰=0.4%~0.8%

硫<0.1%

磷<0.1%

蠕墨铸铁的组织

蠕墨铸铁的组织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。

蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁的性能

蠕墨铸铁牌号、性能以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度，如RuT300、RuT420

返回到节蠕墨铸铁的性能蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器。内燃机、汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。

蠕墨铸铁的应用

第四节可锻铸铁可锻铸铁又称为玛铁、玛钢；它是由白口铸铁通过石墨化退火处理得到的一种高强铸铁。它有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可锻铸铁不可锻！

返回到章

可锻铸铁的生产可锻铸铁生产分两个步骤。

第一步，先铸造纯白口铸铁，不允许有石墨出现，否则在随后的退火中，碳在已有的石墨上沉淀，得不到团絮状石墨；

可锻铸铁的生产第二步，进行长时间的石墨化退火处理。

将白口铸铁加热到900℃～960℃，长时间保温，使共晶渗碳体分解为团絮状石墨，完成第一阶段的石墨化过程。随后以较快的速度（100℃/h）冷却通过共析转变温度区，得到珠光体基体的可锻铸铁。若第一阶段石墨化保温后慢冷，使奥氏体中的碳充分析出，完成第二阶段石墨化，并在冷至720℃～760℃后继续保温，使共析渗碳体充分分解，完成第三阶段石墨化，在650℃～700℃出炉冷却至室温，可以得到铁素体基体的可锻铸铁。可锻铸铁的化学成分碳=2.2%~2.8%

硅=1.0%~1.8%

锰=0.4%~1.2%

硫<0.18%

磷<0.2%

可锻铸铁的组织返回到节

可锻铸铁的牌号可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体。铁素体可锻铸铁以“KTH”表示，珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。KTH