课件工程材料基础

第五章

铸铁CastIronwC＞2.11%，并含Si、Mn、S、P生产设备、冶炼工艺简单价格低廉良好的铸造性能减摩切削加工好低的缺口敏感性消震性能好

铸铁特点固溶于F、A中形成Fe3C游离态的石墨Graphite(G)

5.1铸铁的石墨化碳在铁碳合金中的存在形式：石墨化过程影响石墨化的因素一、石墨化过程Fe3CwC＝6.69%GwC＝100%（一）石墨的特性成分结构Fe3C

正交晶体结构G

简单六方晶体结构在成分和结构上石墨与铁液相差很大，但渗碳体和液相差别较小，因此，从铸铁中液相或A中析出渗碳体比石墨较为容易。石墨的晶体结构简单六方0.340nm0.142nm石墨的结晶特点0.340nm0.142nm在简单六方晶体中,碳原子是分层排列同一层上的原子间距小(0.142nm),结合力强层间原子间距大(0.340nm)结合力弱结晶时原子层方向的生长速度大于层间容易形成片状石墨熔点Fe3C

熔点1227℃G熔点高于1227℃力学性能Fe3C

硬而脆,硬度800Hv，能轻易划破玻璃,塑性几乎为零。G

强度、塑性和韧性几乎为零，硬度仅为3Hv。铸铁组织铸铁（非白口铸铁）中的C主要以游离态的石墨（G）存在；基体组织几乎和钢没有什么区别，随工艺条件及热处理条件的不同，可以获得F、P、S、T、M、A等组织。铸铁可以简单看作由钢的基体上分布着不同形态的石墨因而，A中析出渗碳体较易形核，而G的晶体结构与A相差较大，不易从A中形核和长大。铁碳合金中，C以何种形式存在取决于化学成分和冷却速度。在铁碳合金中，C既可以G形式也可以渗碳体的形式存在。从热力学上，G比Fe3C要稳定；从动力学上，渗碳体的成分与铁液更接近，Fe的排列与A也有相似之处。铸铁性能石墨的晶体结构是简单的六方晶格，它的强度、塑性和韧性均很低，（和钢相比几乎为零），因此我们可以把铸铁看作是布满裂纹的空洞的钢。（二）石墨化的三个阶段铸铁组织中析出碳原子形成石墨的过程称石墨化过程。石墨化过程的三个阶段铁－碳双重相图为了便于比较，习惯上把两个相图画在一起。此种合二为一的相图称铁－碳双重相图0.682.081154℃738℃L+GA+GF+GE’C’4.26S’ABCDFGHJNKPPSQLEL+++L++Fe3C

+Fe3CL+Fe3CI0.682.081154℃738℃L+GA+GF+GE’C’4.26S’ABCDFGHJNKPPSQLEL+第一阶段石墨化第二阶段石墨化第三阶段石墨化第一阶段(液态阶段)

从铸铁液相中直接析出GI及共晶反应析出共晶石墨G晶第二阶段(共晶—共析阶段)

自A中沿E′S′线析出二次石墨GII第三阶段(共析阶段)

发生共析反应析出G析共晶合金的石墨化过程1石墨化三个阶段都充分进行LL→A+G晶A+G晶+GIIA→F+G析F+G晶+GII+G析第一阶段充分进行第二阶段充分进行第三阶段充分进行时间温度CDFKLEL+2.081154℃738℃0.68L+GA+GF+G4.26F+G共晶合金的石墨化过程2石墨化第一第二个阶段充分进行第三阶段部分进行LL→A+G晶A+G晶+GIIA→F+G析+PF+P+G晶+GII+G析第一阶段充分进行第二阶段充分进行第三阶段部分进行时间温度F+P+G共晶合金的石墨化过程3石墨化第一第二个阶段充分进行第三阶段不进行LL→A+G晶A+G晶+GIIA→PP+G晶+GII第一阶段充分进行第二阶段充分进行第三阶段不进行时间温度P+G石墨化后得到的组织石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行部分进行不进行F+GF+P+GP+G灰口铸铁白口铸铁石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段不进行不进行不进行L’d+P+Fe3CL’dL’d+Fe3C共晶合金的石墨化过程4共晶合金的石墨化过程5石墨化第一第二个阶段部分进行第三阶段不进行LL→A+Ld+G晶A→

GII+Fe3CIIA→PP+GII+Fe3CII+L’d+G晶第一阶段部分进行第二阶段部分进行第三阶段不进行时间温度P+L’d+G+Fe3C麻口铸铁石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段部分进行部分进行不进行P+L’d+G+Fe3C各类铸铁经不同程度

石墨化后得到的组织铸铁类型石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段灰口铸铁充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行部分进行不进行F+GF+P+GP+G麻口铸铁部分进行部分进行不进行L’d+P+G+Fe3C亚共晶白口共晶白口过共晶白口不进行不进行不进行L’d+P+Fe3CL’dL’d+Fe3C二、影响石墨化的因素wC↑有利于石墨形核；Si可削弱铁原子间的结合力，并使共晶温度提高、共晶点左移，故有利于石墨形核；生产中，通过调整(wC+1/3wSi)来控制铸铁的组织；（一）化学成分除C、Si外，P、Al、Cu、Ni、Co也为石墨化元素；S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素为白口化元素。渗碳体的成分（碳含量）更接近于液态铸铁，与G相比，结构亦更近于A，在快冷时易得到渗碳体；而G是一种更稳定的相，在缓冷时易得到G。（二）冷却速度铸件壁厚mmwC+1/3wSi%2040604.05.06.07.0白口麻口P灰P+F灰F灰冷却速度铸铁通常按石墨化程度或石墨形态两种方法进行分类。5.2各类铸铁的特点及应用一、铸铁的分类按石墨化程度分灰口铸铁白口铸铁第一阶段石墨化充分进行，C主要以G形式存在，断口呈灰暗色，应用广。石墨化过程完全被抑制，C主要以渗碳体存在，断口呈银白色，性能脆硬，主要做炼钢原料。按石墨形态分灰铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁可锻铸铁石墨呈片状，生产工艺简单，价格低，应用最广。石墨呈团絮状，生产周期长，成本高。石墨呈球状，生产工艺比可锻铸铁简单，力学性能好，应用较广。石墨呈蠕虫状，是一种新型铸铁，有大的应用前景。二、不同石墨形态铸铁的特性及用途（一）灰铸铁wC＝2.5～4.0%wSi＝1.0～2.5%wMn＝0.5～1.4%wS≤0.10～0.15%wP≤0.12～0.25%

成分因C、Si含量高，第一阶段和第二阶段石墨化过程都能充分进行，显微组织特征是片状石墨分布在钢的基体组织上。根据第三阶段石墨化的程度不同，有三种组织：F+G、F+P+G、P+G组织灰铸铁的显微组织对比F+GP+GF+P+G工业上最常用的是P＋F灰口铁，因其综合力学性能好。按照GB/T9439-1988规定，灰铸铁的牌号用HT

牌号HT×××最低抗拉强度MPa灰铁如：

HT150灰铁最低抗拉强度为150MPa用途使用范围：汽车、拖拉机气缸、气缸套，机床床身等受压力及振动的零件。注意事项：HT的强度随厚度增加而降低，选材时应注意普通灰口铸铁的主要缺点不仅仅是石墨片粗大，力学性能低，更重要的是铸件组织对冷却速度很敏感。

同一铸件薄截面上可能出现白口或麻口组织，而厚截面上则可能出现大量的石墨片或过量的Ｆ，结果力学性能不均匀。

为了解决麻口问题，生产上采用孕育处理或称变质处理孕育处理就是在尚未浇铸的过热（1400℃以上)铁水中加入少量的孕育剂，搅拌后进行浇铸，而得到孕育铸铁（变质铸铁）孕育剂Si-Fe或Si-Ca合金孕育铸铁的组织

孕育铸铁的组织为细Ｐ基体上加细小均匀分布的片状石墨。并使铸件各部位得到均匀一致的组织。（二）球墨铸铁措施：球化剂＋孕育剂在尚未浇铸的一定成分的铁水中加入一定量的球化剂（如Mg、Ce、RE

等）进行球化处理，并加入少量的孕育剂（Si-Fe、Si-Ca合金）以促进石墨化，在浇铸后得到具有球状石墨的铸铁。与灰铁相比，球铁的成分更严格Ｃ、Ｓi↑,S、P↓

wC＝3.8～4.0%,wSi＝2.0～2.8%

wMn＝0.6～0.8%wS≤0.04%,wP≤0.10%

wRE<0.03~0.05%成分组织根据基体的不同球墨铸铁为：F+球状石墨F+P+球状石墨P+球状石墨由于石墨呈球状，对基体的割裂作用小，应力集中小，所以，球墨铸铁既具有灰铸铁良好铸造性、耐磨性、可切削加工性及低的缺口敏感性等；又具有与中碳钢媲美的抗拉强度、弯曲疲劳强度及良好的塑韧性；并可通过合金化及热处理来改善和提高性能。生产中应用最为广泛的是F和P球墨铸铁，在制造发动机曲轴、连杆、凸轮轴和机床主轴中已可用球墨铸铁代替中碳钢及中碳合金钢（45、42CrMo等）。编号GB/T1348-1988

QT400-18

最低伸长率%最低抗拉强度MPa球墨铸铁（三）可锻铸铁

DuctileCastIronDuctileadj.易延展的,易教导的,柔软的（简明英汉字典）Adj.可展性（科技大字典）可锻铸铁不可锻可锻铸铁是由白口铸铁在固态下，经长时间的石墨化退火，使其中的

Fe3C→3Fe+G而得到团絮状石墨的一种铸铁。温度时间900～980℃15hFe3C→A+GP+团絮石墨A→PP可锻铸铁石墨化退火工艺F可锻铸铁石墨化退火工艺温度时间900～980℃Fe3C→A+GA→F+GF+团絮石墨770℃650℃典型可锻铸铁的显微组织黑心可锻铸铁白心可锻铸铁性能因石墨呈团絮状，对基体的切割作用小，故可锻铸铁具有高的强度、塑性和抗冲击能力。白心可锻铸铁生产工艺复杂，退火周期长，性能与黑心可锻铸铁相近，故应用少。可锻铸铁的生产周期长，工艺复杂，成本高，已逐渐被球墨铸铁代替。编号GB/T9440-1988KTH350—10最低伸长率%最低抗拉强度，MPa黑心可锻铸铁KTZ550-04

最低伸长率%最低抗拉强度，MPaP可锻铸铁（四）蠕墨铸铁

介于片状石墨和球状石墨之间。特点：保持了球墨铸铁塑、韧性好的特点。又具有灰铸铁良好的铸造性能及耐热性。新型铸铁。典型铸铁的显微组织典型铸铁的显微组织1F+GP+GF+P+G典型铸铁的显微组织2典型铸铁的显微组织3典型铸铁的显微组织4典型铸铁的显微组织5典型铸铁的显微组织6三、合金铸铁为了满足特种性能，在铸铁中加入合金元合金素，就形成铸铁。合金铸铁高强度合金铸铁耐热合金铸铁耐蚀合金铸铁耐磨合金铸铁（一）高强度合金铸铁加入少量的Cr、Ni、Cu、Mo等基体中的P数量增加并细化P提高铸铁的强度稀土镁钼系合金铸铁稀土铜钼系合金铸铁常用铸铁（二）耐热合金铸铁

加入Al、Cr、Si等1）在铸铁表面形成致密的氧化膜，防止内氧化。

2）得到单相F，防止Fe3C分解。常用铸铁中硅球墨铸铁、高硅球墨铸铁、高铬耐热铸铁。（三）耐蚀合金铸铁

加入Si、Al、Cr、Mo、Cu、Ni等1）提高基体电极电位

2）形成单相基体上分布着彼此孤立的石墨

3）在铸件表面形成致密的氧化物。常用铸铁稀土高硅球墨铸铁、中铝耐蚀铸铁、