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1、河北理工大学 机械工程学院,工程材料铸铁,1,第八章 铸铁,第一节 铸铁的石墨化 第二节 灰铸铁 第三节 球墨铸铁 第四节 蠕墨铸铁 第五节 可锻铸铁 第六节 合金铸铁,2,概 述,铸铁是碳含量大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。 铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，并具有许多优良的使用性能和工艺性能，所以应用非常广泛，是工程上最常用的金属材料之一。它可用于制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等。,3,4,二、铸铁的分类,根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断口颜色的不同，可分为三大类：

2、白口铸铁： 碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合物状态的渗碳体析出，凝固后断口呈白亮的颜色； 麻口铸铁： 碳既以化合状态的渗碳体析出，又以游离状态的石墨析出，凝固后断口夹杂着白亮渗碳体和暗灰色的石墨 ； 灰口铸铁： 碳全部或大部分以游离状态的石墨析出，凝固后断口呈灰色 。,5,6,铸铁的分类,按照石墨的形态,铸铁可分为: 石墨呈片状铸铁,称灰铸铁； 石墨呈团絮状的铸铁称可锻铸铁； 石墨呈球状的铸铁称球墨铸铁； 石墨呈蠕虫状的铸铁称蠕墨铸铁。,7,从灰铸铁金相照片中看到的片状石墨，实际上是一个立体的多枝石墨团。由于石墨各分枝都长成翘曲的薄片，在金相磨片上所看到的仅是这种多枝石墨团的某一截面，因此

3、呈孤立的长短不等的片状（或细条状）石墨。,图7-2 片状石墨的立体模型,8,灰 铸铁 的显 微组 织,9,第一节 铸铁的石墨化,一 铁碳合金双重相图 二 石墨化过程 三 影响石墨化的因素,10,铁碳合金双重相图,在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：一是固溶在F、A中，二是化合物态的渗碳体(Fe3C)，三是游离态石墨（G）。渗碳体为亚稳相，具有复杂的斜方结构。在一定条件下能分解为铁和石墨（Fe3C3Fe+C）。 石墨为稳定相，具有特殊的简单六方晶格，其底面原子呈六方网格排列，原子间距小（1.4210-10m），结合力很强；而底面之间的间距较大（3.0410-10m），结合力较弱。所以石墨的强度、

4、硬度和塑性都很差。,11,铁碳合金双重相图,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FeG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）。,12,13,铸铁的石墨化,铸铁中碳原子析出并形成石墨过程称为石墨化。 石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。 灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出； 可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得到。,14,铸铁的石墨化,按照FeG相图，可将铸铁的石墨化过程分为三个阶段：

5、 第一阶段石墨化：铸铁液体结晶出一次石墨(过共晶铸铁)和在1154通过共晶反应形成共晶石墨。 第二阶段石墨化 ：在1154738温度范围内奥氏体沿ES线析出二次石墨。 第三阶段石墨化 ：在738通过共析反应析出共析石墨。,15,影响铸铁石墨化的因素可分为内因和外因两个方面，内因是化学成分，外因是冷却速度。,影响石墨化的因素,16,内因-化学成分,促进石墨化和阻碍石墨化二类。 1、 C、Si为强烈促进石墨化的元素。 石墨本身就是碳，所以碳含量越高，石墨化越容易， 石墨越多； 硅能减弱碳和铁的亲合力，不利于渗碳体的析出， 从而促进了石墨化； 在铸铁中，1%Si对石墨化的作用相当于1/3%C， 所以

6、有： 碳当量CE=C%+1/3Si%,17,内因-化学成分,2、 S 是阻碍石墨化的元素。 硫强烈促进白口化，并使铸铁的铸造性能和机械性能恶化。少量硫即可生成FeS(或MnS)。FeS与铁形成低熔点(约980)共晶体，沿晶界分布。因此限定硫的含量在0.15%以下。 锰是阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体中，增强铁、碳原子间的结合力，扩大奥氏体区，阻止共析转变时的石墨化，促进珠光体基体的形成。锰还能与硫生成MnS，减少硫的有害作用。锰含量一般为0.5%1.4%。,18,内因-化学成分,磷是促进石墨化的元素。 铸铁中磷含量增加时，液相线降低，从而提高了铁水的流动性。在铸铁中，磷含量大于0.3%

7、时，常常形成二元或三元磷共晶体，其性能硬而脆，降低铸铁的强度，但提高其耐磨性。所以，要求铸铁有较高强度时，要限制磷含量（一般在0.12%以下），而耐磨铸铁则要求有一定的磷含量（可达0.3%以上）。,19,外因-冷却速度,在生产过程中，铸铁的冷却速度越缓慢，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。 在其它条件一定的情况下，冷却速度与铸件的壁厚有关，壁厚越大，冷却速度越小，越有利于石墨化，反之亦然； 在生产，铸件的表面和薄壁处常形成白口组织，使切削加工困难，就是由于这个原因造成的。,20,影响石墨化的因素,铸件壁厚/mm,铸件壁厚(冷却速度）和成分对铸铁组织的影响,碳硅当量,10,20,30,40,

8、50,60,70,4.0,6.0,5.0,7.0,21,第二节 灰铸铁,一、 灰铸铁的化学成分、组织和性能 二 、灰铸铁的孕育处理 三 、灰铸铁的牌号和应用 四 、灰铸铁的热处理,22,灰铸铁的化学成分,碳含量一般控制在： 2.5%4.0% 硅含量一般控制在：1.0%2.0%。,23,灰铸铁的组织,24,灰铸铁的力学性能,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

9、无明显改善。,25,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。,26,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

10、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。,27,灰铸铁的牌号,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200M Pa的灰铸铁。 最小的灰铁是HT100，往上以50为间隔递增，最大为HT350。,28,灰铸铁的应用,29,四、灰铸铁的热处理,热处理不能改变石墨的形态和分布，对提高灰口铸铁整体机械性能作用不大，因此生产中主要用来消除铸件内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。,30,四、灰铸

11、铁的热处理,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50HRC55HRC。,31,第二节 球墨铸铁,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

12、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。,32,33,球墨铸铁,球墨铸铁在国外是由英国人莫洛于 1947年发明，并用于工业生产的。 我国于1950年开始生产。,34,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。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。,35,我国球墨铸铁技术的开发者

13、周行健,1950年，国家正着手迅速恢复、发展我国的钢铁生产，周仁、周行健等受党和政府的委托。到鞍钢、大连等地考察，他们看到工厂所生产的机械强度不高的生铁，不能满足工农业生产的需要，为了提高生铁的强度，成立了球墨铸铁课题组。在周仁、周行健的亲自领导下，制订了研究计划和技术方案，一次次地试验，终于找到了合适的球墨化添加剂，掌握了球墨铸铁的生产和热处理工艺，在全国率先研制成功。球墨铸铁的性能达到当时国际先进水平,科学通报1950年12月第1卷第8期以中国科学院工学实验馆球状石墨铸铁试制过程为题作了报道，引起了国内工业界的注意。许多工厂想用球墨铸铁来代替铸钢和可锻铸铁，纷纷来馆参观学习，使这一技术迅速

14、得到推广。面对新中国工业建设正全面展开。考虑到铸钢和可锻铸铁所需的设备比较繁多，耗资巨大，增加产量颇为不易，而球墨铸铁，有一定技术力量的普通翻砂厂均可制造，所需设备及主要原料均较简单且易于运输，周仁、周行健等于1951年7月在科学通报（第2卷第7期）上著文，倡导大面积的进行推广。球墨铸铁的研究成功，为推行以铸代锻及生铁变性研究开辟了道路。,36,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, 0.07%S, 0.1%P。,37,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

15、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。,38,球墨铸铁的的球化处理,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。,39,球铁的组织,40,41,42,43,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

16、的3-5倍。球墨铸铁还具有较好的疲劳强度。,44,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、QT800-2,45,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。,46,球墨铸铁的应用,47,球墨铸铁的热处理,退火 900950、2h5h 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。,48,球墨铸铁的热处理,正火 880920

17、，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。,49,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850900，使基体转变为奥氏体，在油中淬火得到马氏体，然后经550600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。,50,51,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。,52,蠕墨铸铁的化学成分,一般成分范围如

18、下： 碳=3.5%3.9% 硅=2.1%2.8% 锰=0.4%0.8% 硫0.1% 磷0.1%,53,蠕墨铸铁的显微组织,54,蠕墨铸铁的组织,55,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。,56,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,57,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。,58,蠕墨铸铁牌号、性能以“RuT

19、”表示，其后的数字表示最低抗拉强度，如 RuT300、RuT420,蠕墨铸铁的牌号,59,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,60,61,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！,62,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%,63,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

20、后的退火中，碳在已有的石墨上沉淀，得不到团絮状石墨；,64,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900960，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720760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650700出炉冷却至室温，可以得到铁素体基体的可锻铸铁。,65,可锻铸铁的组织,66,67,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

21、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。 KTH350-10、KTZ600-3,68,可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。 这些零件用铸钢生产时，因铸造性不好，工艺上困难较大；而用灰口铸铁时，又存在性能不能满足要求的问题。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低、质量稳定、铁水处理简单、容易组织流水生产等优点。尤其对于薄壁件，若采用球墨铸铁易生成白口，需要进行高温退火，采用可锻铸铁更为适宜。,可锻铸铁的应用,69,70,第五节 合金铸铁,在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合金铸铁。,71,耐磨铸铁,在磨粒磨损条件下工作的铸铁应具有高