《工程材料與熱加工基礎(chǔ)》doc第8章 鑄鐵

1、第8章 鑄鐵(Cast iron)鑄鐵：鑄鐵： C含量大于含量大于2.11%（2.5%-5.0%）并含有）并含有Si, Mn, S, P等元素的多元鐵基合金等元素的多元鐵基合金抗拉強度塑性韌性鋼鋼鑄鐵鑄鐵鑄造性能切削加工性能減振性Fe-G相圖石墨 Graphite8.1 鑄鐵的石墨化1，鑄鐵的成分、組織和性能特點 成分成分：C：2.54.0%；Si：1.03.0%；S：0.020.20%；P：0.010.5%；特點特點：與鋼比較：與鋼比較1)C、Si、S、P含量高；含量高；2)強度、塑性、韌性低，減磨性好；強度、塑性、韌性低，減磨性好；3)價格低廉，球墨鑄鐵（價格低廉，球墨鑄鐵（QT）：“可以

2、實現(xiàn)以鐵代鋼可以實現(xiàn)以鐵代鋼”；4)鑄造性能好鑄造性能好2，鑄鐵的石墨化過程 碳在鋼中存在的形式：化合態(tài) Fe3C固溶態(tài)游離態(tài) ：石墨G石墨的晶體結(jié)構(gòu) 3.40 1.42(1)石墨化過程分為三個階段 第一階段石墨化第一階段石墨化 鑄鐵液體結(jié)晶出鑄鐵液體結(jié)晶出一次石墨（過共晶鑄鐵）和在一次石墨（過共晶鑄鐵）和在1154（ECF線）通過共晶反線）通過共晶反應(yīng)形成共晶石墨。應(yīng)形成共晶石墨。 LC AE+ G(共晶）共晶） 第二階段石墨化第二階段石墨化 在在1154738溫度范圍內(nèi)奧氏體沿溫度范圍內(nèi)奧氏體沿ES線線析出二次石墨。析出二次石墨。 第三階段石墨化第三階段石墨化 在在738 （PSK線）通過

3、共析反應(yīng)析出共線）通過共析反應(yīng)析出共析石墨。析石墨。 AEFFP P + G(共析）共析） (1) 溫度和冷卻速度溫度和冷卻速度 在生產(chǎn)過程中，鑄鐵的緩慢冷在生產(chǎn)過程中，鑄鐵的緩慢冷卻，或在高溫下長時間保溫，均有利于石墨化。卻，或在高溫下長時間保溫，均有利于石墨化。 (2) 合金元素合金元素 按對石墨化的作用，可分為促進石墨按對石墨化的作用，可分為促進石墨化的元素（化的元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co等）和阻礙石等）和阻礙石墨化的元素（墨化的元素（Cr、W、Mo、V、Mn、S等）兩大類。等）兩大類。一般來說，碳化物形成元素阻礙石墨化，非碳化物形一般來說，碳化物形成元素阻礙石墨化，非碳化物

4、形成元素促進石墨化，其中以碳和硅最強烈。生產(chǎn)中，成元素促進石墨化，其中以碳和硅最強烈。生產(chǎn)中，調(diào)整碳、硅含量，是控制鑄鐵組織和性能的基本措施。調(diào)整碳、硅含量，是控制鑄鐵組織和性能的基本措施。 (2)影響石墨化的主要因素影響石墨化的主要因素(2) 鑄鐵的分類鑄鐵的分類白口鑄鐵白口鑄鐵：C大部分以滲碳體的形式存在，斷口呈亮白大部分以滲碳體的形式存在，斷口呈亮白色。萊氏體組織，脆性大。主要用做煉鋼原料或高耐色。萊氏體組織，脆性大。主要用做煉鋼原料或高耐磨零件。磨零件。灰鑄鐵灰鑄鐵：C全部或大部分以石墨形式存在，斷口呈灰色。全部或大部分以石墨形式存在，斷口呈灰色。麻口鑄鐵麻口鑄鐵：C介于白口和灰口鑄鐵

5、之間，一部分以滲碳介于白口和灰口鑄鐵之間，一部分以滲碳體存在，一部分以石墨存在。體存在，一部分以石墨存在。3，鑄鐵的組織特征 鑄鐵的組織可以看成是鐵或鋼的基體上分布著石墨夾雜鑄鐵的組織可以看成是鐵或鋼的基體上分布著石墨夾雜鑄鐵的組織:石墨基體鐵素體珠光體鐵素體 + 珠光體4，鑄鐵的性能特點 缺點抗拉強度和塑性低抗拉強度和塑性低灰口鑄鐵灰口鑄鐵石墨強度、韌性極低石墨強度、韌性極低相當于鋼基體上的裂相當于鋼基體上的裂紋或空洞紋或空洞減小基體的有效截面，減小基體的有效截面，并引起應(yīng)力集中并引起應(yīng)力集中石墨越多，越大，對石墨越多，越大，對基體的割裂作用越嚴基體的割裂作用越嚴重，其抗拉強度越低重，其抗拉

6、強度越低優(yōu)點因石墨的存在，造成脆性切削，鑄鐵的因石墨的存在，造成脆性切削，鑄鐵的切削加工性能優(yōu)異切削加工性能優(yōu)異鑄鐵的鑄造性能良好，鑄件凝固時形成鑄鐵的鑄造性能良好，鑄件凝固時形成石墨產(chǎn)生的膨脹，減少了鑄件體積的收石墨產(chǎn)生的膨脹，減少了鑄件體積的收縮，降低了鑄件中的內(nèi)應(yīng)力縮，降低了鑄件中的內(nèi)應(yīng)力石墨有良好的潤滑作用，并能儲存潤滑石墨有良好的潤滑作用，并能儲存潤滑油，使鑄件有很好的耐磨性能。油，使鑄件有很好的耐磨性能。石墨對振動的傳遞起削弱作用，使鑄鐵石墨對振動的傳遞起削弱作用，使鑄鐵有很好的抗振性能有很好的抗振性能大量石墨的割裂作用，使鑄鐵對缺口不大量石墨的割裂作用，使鑄鐵對缺口不敏感敏感Re

7、lative ability of ferrous metals to dampen vibrations.The energy absorbed per cycle, or specific dampingcapacity of these can differ by more than 10 times.鑄鐵和鋼減振性能的比較鑄鐵和鋼減振性能的比較8.2 常用鑄鐵普通灰鑄鐵普通灰鑄鐵（Gray cast iron）：石墨呈片）：石墨呈片狀狀球墨鑄鐵球墨鑄鐵 (Ductile /Nodular cast iron)：石墨呈球狀：石墨呈球狀可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵(Malleable cast iro

8、n )：石墨呈團絮狀：石墨呈團絮狀蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵 (Vermicular Graphite Cast Iron )：石墨呈蠕蟲狀：石墨呈蠕蟲狀1，灰鑄鐵（1）灰鑄鐵的牌號）灰鑄鐵的牌號：HT150、HT250、HT400“HT”表示表示“灰鐵灰鐵”，后面的數(shù)字表示最低抗拉強度。，后面的數(shù)字表示最低抗拉強度。灰鑄鐵有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種基體?；诣T鐵有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種基體。 F+G片 F+P+G片 P+G片（2 2）影響灰鑄鐵組織和性能的因素）影響灰鑄鐵組織和性能的因素 1）成分對鑄鐵的影響）成分對鑄鐵的影響 Mn：阻礙石墨化的元素，能溶于鐵素體和滲碳體中，增強鐵

9、、碳原子間阻礙石墨化的元素，能溶于鐵素體和滲碳體中，增強鐵、碳原子間的結(jié)合力，擴大奧氏體區(qū)，阻止共析轉(zhuǎn)變時的石墨化，促進珠光體基體的的結(jié)合力，擴大奧氏體區(qū)，阻止共析轉(zhuǎn)變時的石墨化，促進珠光體基體的形成。錳還能與硫生成形成。錳還能與硫生成MnS，減少硫的有害作用。錳質(zhì)量分數(shù)一般為，減少硫的有害作用。錳質(zhì)量分數(shù)一般為0.5%1.4%。P：是促進石墨化的元素。鑄鐵中磷含量增加時，液相線降低，從而提高是促進石墨化的元素。鑄鐵中磷含量增加時，液相線降低，從而提高了鐵水的流動性。在鑄鐵中，磷質(zhì)量分數(shù)大于了鐵水的流動性。在鑄鐵中，磷質(zhì)量分數(shù)大于0.3%時，常常形成二元或時，常常形成二元或三元磷共晶體，其性能

10、硬而脆，降低鑄鐵的強度，但提高其耐磨性。所以，三元磷共晶體，其性能硬而脆，降低鑄鐵的強度，但提高其耐磨性。所以，要求鑄鐵有較高強度時，要限制磷含量（一般在要求鑄鐵有較高強度時，要限制磷含量（一般在0.12%以下），而耐磨以下），而耐磨鑄鐵則要求有一定的磷含量（可達鑄鐵則要求有一定的磷含量（可達0.3%以上）。以上）。S：有害元素，它強烈促進白口化，并使鑄鐵的鑄造性能和機械性能惡：有害元素，它強烈促進白口化，并使鑄鐵的鑄造性能和機械性能惡化。少量硫即可生成化。少量硫即可生成FeS(或或MnS)。FeS與鐵形成低熔點與鐵形成低熔點(約約980 )共共晶體，沿晶界分布。因此限定硫的質(zhì)量分數(shù)在晶體，沿

11、晶界分布。因此限定硫的質(zhì)量分數(shù)在0.15%以下以下。2）冷卻速度的影響）冷卻速度的影響 在一定的鑄造工藝（如澆注溫度、鑄型溫度、造型材料種在一定的鑄造工藝（如澆注溫度、鑄型溫度、造型材料種類等）條件下，鑄件的冷卻速度對石墨化程度影響很大類等）條件下，鑄件的冷卻速度對石墨化程度影響很大不同C+Si含量，不同壁厚（冷卻速度）鑄件的組織麻口鐵： G+Fe3C3）孕育處理）孕育處理在澆鑄前在鑄鐵液中加入少量在澆鑄前在鑄鐵液中加入少量孕育劑（硅鐵合金或硅鐵鈣孕育劑（硅鐵合金或硅鐵鈣合金），合金），鐵水內(nèi)同時生成大量均勻分布的非自發(fā)核心，以鐵水內(nèi)同時生成大量均勻分布的非自發(fā)核心，以獲得細小均勻的石墨片，并

12、細化珠光體基體組織，提高鑄獲得細小均勻的石墨片，并細化珠光體基體組織，提高鑄鐵強度；避免鑄件邊緣及薄斷面處出現(xiàn)白口組織，提高斷鐵強度；避免鑄件邊緣及薄斷面處出現(xiàn)白口組織，提高斷面組織的均勻性。面組織的均勻性。孕育鑄鐵具有較高的強度和硬度，可用來制造機械性能要孕育鑄鐵具有較高的強度和硬度，可用來制造機械性能要求較高的鑄件，如求較高的鑄件，如汽缸、曲軸、凸輪、機床床身汽缸、曲軸、凸輪、機床床身等，尤其等，尤其是截面尺寸變化較大的鑄件是截面尺寸變化較大的鑄件Cast IronCast IronCast AluminumCast Nodular Iron Cast Nodular IronCast N

13、odular Iron Forged Carbonized Steel汽車發(fā)動機常用材料汽車發(fā)動機常用材料2，球墨鑄鐵 球墨鑄鐵的石墨呈球狀，使其具有很高的強度，又有良好球墨鑄鐵的石墨呈球狀，使其具有很高的強度，又有良好的塑性和韌性。其綜合機械性能接近于鋼，因其鑄造性能的塑性和韌性。其綜合機械性能接近于鋼，因其鑄造性能好，成本低廉，生產(chǎn)方便，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用好，成本低廉，生產(chǎn)方便，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用 球墨鑄鐵的成分要求比較嚴格，一般范圍是：球墨鑄鐵的成分要求比較嚴格，一般范圍是：3.6%3.9%C, 2.2%2.8%Si, 0.6%0.8%Mn, 0.07%S, 0.1%P。 球

14、墨鑄鐵的的球化處理必須伴隨著孕育處理，通常是球墨鑄鐵的的球化處理必須伴隨著孕育處理，通常是在鐵水中同時加入一定量的球化劑和孕育劑。我國普遍在鐵水中同時加入一定量的球化劑和孕育劑。我國普遍使用稀土鎂球化劑。鎂是強烈阻礙石墨化的元素，為了使用稀土鎂球化劑。鎂是強烈阻礙石墨化的元素，為了避免白口，并使石墨球細小、均勻分布、一定要加入孕避免白口，并使石墨球細小、均勻分布、一定要加入孕育劑。常用的孕育劑為硅鐵和硅鈣合金等。育劑。常用的孕育劑為硅鐵和硅鈣合金等。(1) 球墨鑄鐵的成分和球化處理球墨鑄鐵的成分和球化處理(2) 球墨鑄鐵的牌號、組織和性能球墨鑄鐵的牌號、組織和性能 QT420-10、QT600

15、-2、QT800-2 球墨鑄鐵牌號用球墨鑄鐵牌號用“QT”標明，其后標明，其后兩組數(shù)值表示最低抗拉強度極限和延伸率兩組數(shù)值表示最低抗拉強度極限和延伸率不同基體的球墨鑄鐵，性能差別很大。珠光體球墨鑄鐵的抗拉強度比鐵不同基體的球墨鑄鐵，性能差別很大。珠光體球墨鑄鐵的抗拉強度比鐵素體基體高素體基體高50%以上，而鐵素體球墨鑄鐵的延伸率為珠光體基的以上，而鐵素體球墨鑄鐵的延伸率為珠光體基的3-5倍倍 機械性能 牌號基體bMPa0.2MPa5%akkJ/m2HB應(yīng) 用 舉 例QT400-17鐵素體40025017600179 汽車、拖拉機床底盤零件；16-64大氣壓閥門的閥體、閥蓋QT420-10鐵素體

16、42027010300207QT500-5鐵素體+球光體5003505147241 機油泵齒輪QT600-2球光體60042022297302 柴油機、汽油機曲軸；磨床、銑床、車床的主軸；空壓機、冷凍機缸體、缸套QT700-2球光體70049022297302QT800-2球光體80056022417321QT1200-1下貝氏體1200840130038HRC 汽車、拖拉機傳動齒輪球墨鑄鐵的牌號和機械性能球墨鑄鐵的牌號和機械性能 球墨鑄鐵具有較好的疲勞強度。表中給出了球墨鑄鐵和球墨鑄鐵具有較好的疲勞強度。表中給出了球墨鑄鐵和45鋼試驗的對稱彎曲疲勞強度?？梢杂们蚰T鐵來代替鋼試驗的對稱彎曲疲

17、勞強度。可以用球墨鑄鐵來代替鋼制造某些重要零件，如鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿、凸輪軸曲軸、連桿、凸輪軸等。等。球墨鑄鐵和球墨鑄鐵和45鋼的疲勞強度鋼的疲勞強度 材 料 對稱彎曲疲勞強度 /MPa 光滑試樣 光滑帶孔試樣 帶臺肩試樣 帶孔、帶臺肩試樣 珠光體球墨鑄鐵 255 100% 205 80% 175 68% 155 61% 45號鋼 305 100% 225 74% 195 64% 155 51% Replacing steel with ironSurface hardening曲軸曲軸 （crankshaft）QT800-63. 可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵通過退火處理得到的

18、一種高強鑄可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵通過退火處理得到的一種高強鑄鐵。它有較高的強度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替鐵。它有較高的強度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。可鍛鑄鐵依靠石墨化退火獲得；碳鋼?？慑戣T鐵依靠石墨化退火獲得；KTH黑心可鍛鑄鐵，即黑心可鍛鑄鐵，即F體基體的可鍛鑄鐵；體基體的可鍛鑄鐵；KTB白心可鍛鑄鐵，即白心可鍛鑄鐵，即F+P基體的可鍛鑄鐵基體的可鍛鑄鐵KTZP基體的可鍛鑄鐵基體的可鍛鑄鐵 其后的兩組數(shù)字表示最低抗拉強度和延伸率其后的兩組數(shù)字表示最低抗拉強度和延伸率(1)可鍛鑄鐵的牌號可鍛鑄鐵的牌號 可鍛鑄鐵常用來制造可鍛鑄鐵常用來制造形狀復(fù)雜、承受沖擊和振動載荷的形狀復(fù)雜、承受

19、沖擊和振動載荷的零件零件，如汽車拖拉機的后橋外殼、管接頭、低壓閥門等。，如汽車拖拉機的后橋外殼、管接頭、低壓閥門等。這些零件用鑄鋼生產(chǎn)時，因鑄造性不好，工藝上困難較這些零件用鑄鋼生產(chǎn)時，因鑄造性不好，工藝上困難較大；而用灰口鑄鐵時，又存在性能不能滿足要求的問題。大；而用灰口鑄鐵時，又存在性能不能滿足要求的問題。與球墨鑄鐵相比，可鍛鑄鐵具有成本低、質(zhì)量穩(wěn)定、鐵與球墨鑄鐵相比，可鍛鑄鐵具有成本低、質(zhì)量穩(wěn)定、鐵水處理簡單、容易組織流水生產(chǎn)等優(yōu)點。水處理簡單、容易組織流水生產(chǎn)等優(yōu)點。尤其對于薄壁尤其對于薄壁件件，若采用球墨鑄鐵易生成白口，需要進行高溫退火，若采用球墨鑄鐵易生成白口，需要進行高溫退火，采

20、用可鍛鑄鐵更為適宜。采用可鍛鑄鐵更為適宜。(2)可鍛鑄鐵的用途可鍛鑄鐵的用途(3)可鍛鑄鐵的生產(chǎn)和熱處理可鍛鑄鐵的生產(chǎn)和熱處理 第一步，第一步，先鑄造純白口鑄鐵，不允許有石墨出現(xiàn)，否先鑄造純白口鑄鐵，不允許有石墨出現(xiàn)，否則在隨后的退火中，碳在已有的石墨上沉淀，得不到則在隨后的退火中，碳在已有的石墨上沉淀，得不到團絮狀石墨團絮狀石墨第二步，進行第二步，進行長時間的石墨化退火處理長時間的石墨化退火處理將白口鑄鐵加熱到將白口鑄鐵加熱到900 960 ，長時間保溫，使共晶，長時間保溫，使共晶滲碳體分解為團絮狀石墨，完成第一階段的石墨化過程。隨滲碳體分解為團絮狀石墨，完成第一階段的石墨化過程。隨后以較快

21、的速度（后以較快的速度（100 /h）冷卻通過共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，）冷卻通過共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，得到珠光體基體的可鍛鑄鐵。若第一階段石墨化保溫后慢冷，得到珠光體基體的可鍛鑄鐵。若第一階段石墨化保溫后慢冷，使奧氏體中的碳充分析出，完成第二階段石墨化，并在冷至使奧氏體中的碳充分析出，完成第二階段石墨化，并在冷至720 760 后繼續(xù)保溫，使共析滲碳體充分分解，完后繼續(xù)保溫，使共析滲碳體充分分解，完成第三階段石墨化，在成第三階段石墨化，在650 700 出爐冷卻至室溫，出爐冷卻至室溫，可以得到鐵素體基體的可鍛鑄鐵可以得到鐵素體基體的可鍛鑄鐵石墨化過程石墨化過程可鍛化退火時間常常要幾十小時，為了縮短時間，并細

22、可鍛化退火時間常常要幾十小時，為了縮短時間，并細化組織，提高機械性能，可在鑄造時采取孕育處理。孕化組織，提高機械性能，可在鑄造時采取孕育處理。孕育劑能強烈阻礙凝固時形成石墨和退火時促進石墨化。育劑能強烈阻礙凝固時形成石墨和退火時促進石墨化。采用采用0.001%硼、硼、0.006%鉍和鉍和0.008%鋁的孕育劑，鋁的孕育劑，可將退火時間由可將退火時間由70多小時縮短至多小時縮短至30小時。小時。 縮短石墨化過程縮短石墨化過程Process of manufacturing Malleable and nodular cast iron可鍛鑄鐵與球墨鑄鐵制造工藝可鍛鑄鐵與球墨鑄鐵制造工藝4. 蠕墨

23、鑄鐵 蠕墨鑄鐵以蠕墨鑄鐵以“RuT”表示，其后的數(shù)字表示最低抗拉強度。表示，其后的數(shù)字表示最低抗拉強度。 蠕墨鑄鐵是一種新型高強鑄鐵材料。它的強度接近于球墨鑄鐵，并且有蠕墨鑄鐵是一種新型高強鑄鐵材料。它的強度接近于球墨鑄鐵，并且有一定的韌性、較高的耐磨性；同時又有和灰口鑄鐵一樣的良好的鑄造性能一定的韌性、較高的耐磨性；同時又有和灰口鑄鐵一樣的良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。和導(dǎo)熱性。蠕墨鑄鐵的石墨具有介于片狀和球狀之間的中間形態(tài)，在光學(xué)顯微鏡下為蠕墨鑄鐵的石墨具有介于片狀和球狀之間的中間形態(tài)，在光學(xué)顯微鏡下為互不相連的短片，與灰口鑄鐵的片狀石墨類似。所不同的是，其石墨片的互不相連的短片，與灰口鑄鐵的片

24、狀石墨類似。所不同的是，其石墨片的長厚比較小，端部較鈍長厚比較小，端部較鈍蠕墨鑄鐵是在一定成分的鐵水中加入適蠕墨鑄鐵是在一定成分的鐵水中加入適量的蠕化劑而煉成的，其方法與程序與量的蠕化劑而煉成的，其方法與程序與球墨鑄鐵基本相同。蠕化劑目前主要采球墨鑄鐵基本相同。蠕化劑目前主要采用鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金或稀土鎂鈣用鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金或稀土鎂鈣合金等。合金等。 蠕墨鑄鐵已成功地用于蠕墨鑄鐵已成功地用于高層建筑中高高層建筑中高壓熱交換器、內(nèi)燃機汽缸和缸蓋、汽缸壓熱交換器、內(nèi)燃機汽缸和缸蓋、汽缸套、鋼錠模、液壓閥等鑄件套、鋼錠模、液壓閥等鑄件 牌號抗拉強度bMPa屈服強度0.2MPa延伸率% 硬度

25、值范圍蠕化率VG% 組 織 不 小 于HB不小于RuT4204203350.75200280 珠光體+石墨RuT3803803000.75193274 珠光體+石墨RuT3403402701.017024950珠光體+鐵素體+石墨RuT3003002401.5140217鐵素體+珠光體+石墨RuT2602601953121197 鐵素體+石墨蠕墨鑄鐵的牌號和機械性能蠕墨鑄鐵的牌號和機械性能8.3 合金鑄鐵 在鑄鐵中加入某些合金元素，得到一些具有各種特殊性在鑄鐵中加入某些合金元素，得到一些具有各種特殊性能的合金鑄鐵能的合金鑄鐵耐磨鑄鐵耐磨鑄鐵 (2) 耐熱鑄耐熱鑄鐵鐵(3) 耐蝕鑄耐蝕鑄鐵鐵q為了進一步改善珠光體灰口鑄鐵的耐磨性，常將鑄鐵的為了進一步改善珠光體灰口鑄鐵的耐磨性，常將鑄鐵的磷的質(zhì)量分數(shù)提高到磷的質(zhì)量分數(shù)提高到0.4%0.6%(高磷鑄鐵高磷鑄鐵），生成），生成磷共晶（磷共晶（F+Fe3P, P+Fe