金属材料学第7章铸铁课件

第7章铸铁铸铁是指含碳量大于2.14%或组织中具有共晶组织的铁碳合金。实际上是以铁-碳-硅为主的多元合金。如再加入铝、铬、锰、铜等元素,则是各种特殊性能铸铁.铸铁可分为以下几类：灰口铸铁，球墨铸铁，蠕墨铸铁，可锻铸铁，白口铸铁等

上图沧州铁狮子铸于953年，重40余吨。右图当阳铁塔铸于1061年，八棱13层，塔体分段铸造

中国曾发现陨铁制兵器3件,2件被盗卖至美国7.1铸铁石墨化及影响因素

1铸铁的石墨化过程

渗碳体是介稳定相，而石墨才是稳定相。

热力学条件：有利于石墨化的过程

动力学条件：主要有成分起伏、结构起伏和原子扩散.有利于渗碳体的形成.为了使G化进行,可人为地改变热力学和动力学条件.成分起伏L4.3%CFe3C（6.67%C）+AG（100%C）+A结构起伏L（或γ-Fe）Fe、C并存(面心)Fe3C（复杂斜方结构）G（六角形层状结构）比较接近浓度差小原子扩散

G长大，不但要C原子扩散集中，而且Fe原子要从G生长前沿逆向扩散。而Fe3C长大只要C扩散，Fe原子局部移动即可。G长大较难。

有利于Fe3C长大2、影响铸态组织的因素

（1）化学成分的影响

CSi

C和Si是基本成分，是↑↑G元素。石墨来源于C。Si含量一般在0.8~3.5%之间，Si的加入对Fe-G相图发生变化。Si作用

①共晶点和共析点碳量随硅含量的↑而↓；②使共晶和共析转变在一温度范围内进行；③↑共晶和共析温度。共析温度提高更多，大约每↑1％Si

，可使共析温度↑28℃；④Si促进铸铁石墨化的作用相当于1/3C。↑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—

（2）冷却速度的影响

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。V冷越缓慢，越有利于按Fe-C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.

G化过程可分为两个阶段：发生在P′S′K′线以上的G化为第一阶段；发生在P′S′K′线以下的G化为第二阶段，实际是以共析线为界。第一阶段G化决定G形态,第二阶段G化决定基体组织.石墨化阶段与组织第一阶段第二阶段组织铸铁名称完全进行完全进行F+G不同基体的灰部分进行F+P+G铁、球铁、蠕铁、未进行P+G可锻铁部分进行未进行Ld+P+G麻口铸铁未进行未进行Ld白口铸铁

石墨晶体结构

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球状石墨内部的年轮状结构

球状石墨的结构示意图

2、球状G的形成过程（1）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.(2)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

图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7.3灰铸铁

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）

组织：片状G+金属基体（F，F+P，P）。石墨形态:有A、B、C、D、E、F6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?1、灰铸铁组织特点（a）A型石墨

(b)B型石墨

(c)C型石墨

(d)D型石墨

(e)D型石墨

(f)F型石墨

图

片状石墨的分布类型

（2）缺口敏感性小,可切削性好大量G相当于已经存在了许多缺口,工件的人为缺口就不太敏感了。G在机加工时可以起到断屑和对刀具润滑作用→可切削性是优良的（3）良好的铸造性灰铁成分接近共晶点，铁水流动性好，可铸造出形状复杂零件。且不易形成缩孔和缩松，能获得较致密的铸件。（4）良好的减震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麿粒,因此具有良好的减摩性。如机床导轨7.4球墨铸铁

牌号意义

例如QT400-15，QT为球铁代号，400表示抗拉强度不低于400MPa，15表示伸长率不低于15%。组织：球状G+金属基体（F，F+P，P，S回，B下等）。球状G孤立分布，理想的是“小、匀、圆、适量”。1、球铁组织与性能

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70~90％。对灰口铸铁来说，主要的矛盾是片状G，→改变基体组织无明显作用。当G变为球状时，矛盾的主要方面发生了变化，基体成为决定性的主导因素，基体性能可得到较大的发挥。

退火球铁组织铁素体+球状石墨

铸态球铁组织(“牛眼”状)珠光体+铁素体+球状石墨（2）奥氏体含C量可在较宽范围内变化石墨是C的“仓库”,既可在高温时”输出给奥氏体,也可在冷却时容纳奥氏体中析出的C（3）G参与相变,但一般不能改变G形状与分布（4）一般热处理工艺方法基本上可采用3、球墨铸铁的热处理（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A—B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

本章小结铸铁中G参与相变过程，但热处理不能改变石墨形态和分布。石墨形状、大小、数量、分布影响了铸铁基体性能的发挥程度，→基本上决定了铸铁宏观力学性能。从片状石墨到球状石墨，使铸铁中石墨和基体的组织配合发生了质的变化。不同类型G形成主要取决于成分和冷却速度球墨铸铁基体的性能可得到较大的利用，钢的各种热处理强化工艺基本上都可以在球墨铸铁中应用。不同类型铸铁有不同用途，根据零部件的工作条件和技术要求，可合理地选择铸铁类型及其处理工艺。通过成分组织和工艺的特殊设计，可得到相应的耐热、耐磨、耐蚀等特种铸铁。铸铁中心问题：G形状、大小、数量、分布

石墨化过程Ⅰ决定G形态Ⅱ决定基体热力学自由焓有利于石墨化动力学成分、结构、扩散有利于Fe3C析出

影响因素化学成分C、Si促进石墨化；Mn、S阻止石墨化冷却速度薄壁表面易白口。壁厚敏感性，性能差异牌号及数字意义HT20