機(jī)械工程材料課件第八章

1、第八章 鑄鐵第一節(jié) 鑄鐵的石墨化第二節(jié) 灰鑄鐵第三節(jié) 球墨鑄鐵第四節(jié) 蠕墨鑄鐵第五節(jié) 可鍛鑄鐵第六節(jié) 合金鑄鐵概述 鑄鐵是碳含量大于2.11%、并常含有較多的硅、錳、硫、磷等元素的鐵碳合金。 鑄鐵的生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，并具有許多優(yōu)良的使用性能和工藝性能，所以應(yīng)用非常廣泛，是工程上最常用的金屬材料之一。它可用于制造各種機(jī)器零件，如機(jī)床的床身、床頭箱；發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體、缸套、活塞環(huán)、曲軸、凸輪軸；軋機(jī)的軋輥及機(jī)器的底座等。 鑄鐵的分類 按照碳的存在形式，鑄鐵可分為： 碳以滲碳體滲碳體形式存在的，稱為白口鑄鐵白口鑄鐵； 碳以石墨石墨形式存在的，稱為灰口鑄鐵灰口鑄鐵；鑄鐵的分類按照石墨的形態(tài),

2、鑄鐵可分為:石墨呈片狀片狀的鑄鐵,稱灰鑄鐵灰鑄鐵；石墨呈團(tuán)絮狀團(tuán)絮狀的鑄鐵稱可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵；石墨呈球狀球狀的鑄鐵稱球墨鑄鐵球墨鑄鐵；石墨呈蠕蟲狀蠕蟲狀的鑄鐵稱蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵。第一節(jié) 鑄鐵的石墨化 一 鐵碳合金雙重相圖 二 石墨化過程 三 影響石墨化的因素 鐵碳合金雙重相圖 在鐵碳合金中，碳可以以三種形式存在：一是固溶在F、A中，二是化合物態(tài)的滲碳體(Fe3C)，三是游離態(tài)石墨（G）。滲碳體為亞穩(wěn)相，具有復(fù)雜的斜方結(jié)構(gòu)。在一定條件下能分解為鐵和石墨（Fe3C3Fe+G）。 石墨為穩(wěn)定相，其強(qiáng)度、硬度和塑性都很差。 鐵碳合金雙重相圖LL+亞穩(wěn)系亞穩(wěn)系+Fe3C亞穩(wěn)系亞穩(wěn)系L +Fe3C穩(wěn)定系穩(wěn)

3、定系L +GCESPQGC%6.69FeT JNA1穩(wěn)定系穩(wěn)定系+G亞穩(wěn)系亞穩(wěn)系 +Fe3C穩(wěn)定系穩(wěn)定系 +G2.080.684.257381154 鑄鐵的石墨化 鑄鐵中碳原子析出并形成石墨的過程稱為石墨石墨化化。 石墨既可以從液體和奧氏體中析出，也可以通過滲碳體分解來獲得。灰口鑄鐵和球墨鑄鐵中的石墨主要是從液體中析出從液體中析出；可鍛鑄鐵中的石墨則完全由白口鑄鐵經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間退火，由滲碳體滲碳體分解分解而得到。 鑄鐵的石墨化按照按照FeFeG G相圖，可將鑄鐵的石墨化過程分為三個(gè)階相圖，可將鑄鐵的石墨化過程分為三個(gè)階段：段： 第一階段石墨化： 鑄鐵液體結(jié)晶出一次石墨（過共晶鑄鐵）和在1154通過共

4、晶反應(yīng)形成共晶石墨。 第二階段石墨化 ：在1154738溫度范圍內(nèi)奧氏體沿ES線析出二次石墨。 第三階段石墨化 ：在738通過共析反應(yīng)析出共析石墨。 影響鑄鐵石墨化的因素可分為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面，內(nèi)因是化學(xué)成分內(nèi)因是化學(xué)成分，外因是冷卻速度外因是冷卻速度。影響石墨化的因素內(nèi)因-化學(xué)成分 分為促進(jìn)石墨化和阻礙石墨化二類。1、 C、Si為強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素為強(qiáng)烈促進(jìn)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； 硅能減弱碳和鐵的親合力，不利于滲碳體的析出，從而促進(jìn)了石墨化； 在鑄鐵中，1%Si對(duì)石墨化的作用相當(dāng)于1/3%C，所以有： 碳當(dāng)量CE=C%+1/3Si%內(nèi)因-

5、化學(xué)成分2、 S 是阻礙石墨化的元素是阻礙石墨化的元素。硫強(qiáng)烈促進(jìn)白口化，并使鑄鐵的鑄造性能和機(jī)械性能惡化。少量硫即可生成FeS(或MnS)。FeS與鐵形成低熔點(diǎn)(約980)共晶體，沿晶界分布。因此限定硫的含量在0.15%以下。 錳是阻礙石墨化的元素錳是阻礙石墨化的元素，能溶于鐵素體和滲碳體中，增強(qiáng)鐵、碳原子間的結(jié)合力，擴(kuò)大奧氏體區(qū)，阻止共析轉(zhuǎn)變時(shí)的石墨化，促進(jìn)珠光體基體的形成。錳還能與硫生成MnS，減少硫的有害作用。錳含量一般為0.5%1.4%。內(nèi)因-化學(xué)成分v磷是促進(jìn)石墨化的元素磷是促進(jìn)石墨化的元素。 鑄鐵中磷含量增加時(shí)，液相線降低，從而提高了鐵水的流動(dòng)性。在鑄鐵中，磷含量大于0.3%時(shí)，

6、常常形成二元或三元磷共晶體，其性能硬而脆，降低鑄鐵的強(qiáng)度，但提高其耐磨性。所以，要求鑄鐵有較高強(qiáng)度時(shí)，要限制磷含量（一般在0.12%以下），而耐磨鑄鐵則要求有一定的磷含量（可達(dá)0.3%以上）。外因-冷卻速度 在生產(chǎn)過程中，鑄鐵的冷卻速度越緩慢，或鑄鐵的冷卻速度越緩慢，或在高溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫，均有利于石墨化在高溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫，均有利于石墨化。 在其它條件一定的情況下，冷卻速度與鑄件的壁厚有關(guān)，壁厚越大壁厚越大，冷卻速度越小冷卻速度越小，越有利越有利于石墨化于石墨化，反之亦然； 在生產(chǎn)，鑄件的表面和薄壁處常形成白口組織，使切削加工困難，就是由于這個(gè)原因造成的。 影響石墨化的因素鑄件壁厚/mm鑄件壁厚

7、(冷卻速度）和化學(xué)成分對(duì)鑄鐵組織的影響碳硅當(dāng)量102030405060704.06.05.07.0F+GP+GP+F+GFe3CFe3C+P 第二節(jié) 灰鑄鐵 一 灰鑄鐵的化學(xué)成分、組織和性能 二 灰鑄鐵的孕育處理 三 灰鑄鐵的牌號(hào)和應(yīng)用 四 灰鑄鐵的熱處理灰鑄鐵的化學(xué)成分v 碳含量一般控制在： 2.5%4.0% 硅含量一般控制在：1.0%2.0%。 灰鑄鐵的組織灰鑄鐵的力學(xué)性能v灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和塑性都很低，這是石墨石墨對(duì)基體的嚴(yán)重割裂對(duì)基體的嚴(yán)重割裂所致。石墨強(qiáng)度、韌性極低，相當(dāng)于鋼基體上的裂紋或空洞，它減小基體的有效截面，并引起應(yīng)力集中。石墨越多，越大，對(duì)基體的割裂作用越嚴(yán)重，其抗拉強(qiáng)度

8、越低v孕育處理可細(xì)化石墨片孕育處理可細(xì)化石墨片，減輕其對(duì)基體的割裂作用，因而提高鑄鐵的強(qiáng)度，但塑性無明顯改善。灰鑄鐵的工藝性能石墨的存在，使鑄鐵具備某些優(yōu)良的工藝性能石墨的存在，使鑄鐵具備某些優(yōu)良的工藝性能v因石墨的存在，造成脆性切屑，鑄鐵的切削加工性能優(yōu)異。v灰鑄鐵的鑄造性能良好，鑄件凝固時(shí)形成石墨產(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。v石墨有良好的潤(rùn)滑作用，并能儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，使鑄件有很好的耐磨性能。 v石墨對(duì)振動(dòng)的傳遞起削弱作用，使鑄鐵有很好的減振性能。 v大量石墨的割裂作用，使鑄鐵對(duì)缺口不敏感。 灰鑄鐵的孕育處理 經(jīng)孕育處理（亦稱變質(zhì)處理）后的灰鑄鐵叫做孕育鑄鐵。 孕育的

9、目的是：使鐵水內(nèi)同時(shí)生成大量均勻分布的非自發(fā)核心，以獲得細(xì)小均勻的石墨片，并細(xì)化基體組織，提高鑄鐵強(qiáng)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。 孕育鑄鐵具有較高的強(qiáng)度和硬度，可用來制造機(jī)械性能要求較高的鑄件，如汽缸、曲軸、凸輪、機(jī)床床身等，尤其是截面尺寸變化較大的鑄件?；诣T鐵的牌號(hào)灰鑄鐵的牌號(hào)由HT+三位數(shù)字組成：其中HT是灰鐵的漢語拼音縮寫；數(shù)字代表鑄鐵的抗拉強(qiáng)度。如HT200表示最低抗拉強(qiáng)度為200M Pa的灰鑄鐵。最小的灰鐵是HT100，往上以50為間隔遞增，最大為HT350。 四、灰鑄鐵的熱處理 熱處理不能改變石墨的形態(tài)和分布，對(duì)提高灰口鑄鐵整體機(jī)械性能作用不大，因

10、此生產(chǎn)中主要用來消除鑄件內(nèi)應(yīng)力、改善切削加工性能消除鑄件內(nèi)應(yīng)力、改善切削加工性能和和提高表面提高表面耐磨性等耐磨性等。四、灰鑄鐵的熱處理 消除內(nèi)應(yīng)力退火消除內(nèi)應(yīng)力退火（又稱人工時(shí)效）。 一些形狀復(fù)雜和尺寸穩(wěn)定性要求較高的重要鑄件，如機(jī)床床身、柴油機(jī)汽缸等，為了防止鑄件的變形和開裂，須進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)為了防止鑄件的變形和開裂，須進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力退火力退火。 消除鑄件白口、降低硬度的退火消除鑄件白口、降低硬度的退火。 灰口鑄鐵件表層和薄壁處產(chǎn)生白口組織難以切削加工，需要退火以降低硬度。退火在共析溫度以上進(jìn)行，使?jié)B碳體分解成石墨，所以又稱高溫退火。 表面淬火表面淬火 。有些鑄件如機(jī)床導(dǎo)軌、缸體內(nèi)壁等，因需

11、要提高硬度和耐磨性，可進(jìn)行表面淬火處理，如高頻表面淬火，火焰表面淬火和激光加熱表面淬火等。淬火后表面硬度可達(dá)50HRC55HRC。 第二節(jié) 球墨鑄鐵 球墨鑄鐵的石墨呈球狀，使其具有很高的強(qiáng)度，又有良好的塑性和韌性。其綜合機(jī)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。 球墨鑄鐵的化學(xué)成分 球墨鑄鐵的成分要求比較嚴(yán)格，有“兩高三低”之說,即 “高碳、高硅，低錳、高碳、高硅，低錳、低磷和低硫低磷和低硫” 。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。 球墨鑄鐵的的球化處理 一般在澆注之前，在鐵液中加

12、入少量球化劑（通常為鎂、稀土鎂合金或含鈰的稀土合金）和孕育劑（通常為硅鐵），使鐵水凝固后形成球狀石墨。 球墨鑄鐵的的球化處理 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(shí)加入一定量的球化劑和孕育劑。 我國(guó)普遍使用稀土鎂球化劑稀土鎂球化劑。鎂是強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素，為了避免白口，并使石墨球細(xì)小、均勻分布、一定要加入孕育劑。常用的孕育劑為75%硅鐵硅鐵和硅鈣合金硅鈣合金等。 球鐵的組織 球鐵的性能 v球墨鑄鐵是一種具有優(yōu)良機(jī)械性能的灰口鑄鐵，球鐵的強(qiáng)度和韌性比其他鑄鐵高。v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(qiáng)度比鐵素體基體高50%以上，而鐵素體球墨鑄鐵的延伸率為珠

13、光體基的3-5倍。球墨鑄鐵還具有較好的疲勞強(qiáng)度。 球墨鑄鐵的牌號(hào)球墨鑄鐵牌號(hào)用“QT”標(biāo)明，其后兩組數(shù)值表示最低抗拉強(qiáng)度極限最低抗拉強(qiáng)度極限和伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率。如QT420-10、QT600-2、QT800-2 球墨鑄鐵的應(yīng)用有時(shí)可代替鑄鋼和可鍛鑄鐵在機(jī)械制造工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用?？梢杂们蚰T鐵來代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿、軸等。 球墨鑄鐵的應(yīng)用 球墨鑄鐵的熱處理 退火： 900950、2h5h 。目的在于獲得鐵素體基體，并改善切削性能，消除鑄造應(yīng)力。正火 880920，空冷。目的在于得到珠光體基體（占基體75%以上），并細(xì)化組織，提高強(qiáng)度和耐磨性。 球墨鑄鐵的熱處理調(diào)質(zhì) 要求綜合機(jī)械性

14、能較高的球墨鑄鐵零件，如連桿、曲軸等，可采用調(diào)質(zhì)處理。其工藝為：加熱到850900，使基體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在油中淬火得到馬氏體，然后經(jīng)550600回火，空冷，獲得回火索氏體+球狀石墨?；鼗鹚魇象w基體不僅強(qiáng)度高，而且塑性、韌性比正火得到的珠光體基體好。 第三節(jié) 蠕墨鑄鐵v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，其方法與程序與球墨鑄鐵基本相同。v蠕化劑蠕化劑目前主要采用鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金或稀土鎂鈣合金等。 蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分一般成分范圍如下： 碳=3.5%3.9% 硅=2.1%2.8% 錳=0.4%0.8% 硫0.1% 磷0.1% 蠕墨鑄鐵的組織 蠕墨鑄鐵的組織 蠕墨鑄鐵的石墨具有

15、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，其石墨片的長(zhǎng)厚比較小，端部較鈍。 蠕墨鑄鐵是一種新型高強(qiáng)鑄鐵材料。它的強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，并且有一定的韌性、較高的耐磨性；同時(shí)又有和灰口鑄鐵一樣的良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。 蠕墨鑄鐵的性能蠕墨鑄鐵的性能 蠕墨鑄鐵牌號(hào)、性能以“RuT”表示，其后的數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度，如 RuT300、RuT420 蠕墨鑄鐵的性能蠕墨鑄鐵的性能 蠕墨鑄鐵已成功地用于高層建筑中高壓熱交換器。內(nèi)燃機(jī)、汽缸和缸蓋、汽缸套、鋼錠模、液壓閥等鑄件。 蠕墨鑄鐵的應(yīng)用蠕墨鑄鐵的應(yīng)用 7.4 可鍛鑄鐵v 可鍛鑄鐵又稱為馬鐵、馬鋼；

16、v 它是由白口鑄鐵通過石墨化退火處白口鑄鐵通過石墨化退火處理理得到的一種高強(qiáng)鑄鐵。它有較高的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。v 可鍛鑄鐵不可鍛！可鍛鑄鐵的化學(xué)成分 碳=2.2%2.8% 硅=1.0%1.8% 錳=0.4%1.2% 硫0.18% 磷0.2% 可鍛鑄鐵的組織 可鍛鑄鐵的牌號(hào)v可鍛鑄鐵有鐵素體和珠光體兩種基體。 v鐵素體可鍛鑄鐵以“KTH”表示，珠光體可鍛鑄鐵以“KTZ”表示。其后的兩組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。 vKTH350-10、KTZ600-3 v可鍛鑄鐵常用來制造形狀復(fù)雜、承受沖擊和振動(dòng)載荷的零件，如汽車拖拉機(jī)的后橋外殼、管接頭、低壓閥門等?？慑戣T鐵的應(yīng)用可鍛鑄

17、鐵的應(yīng)用 第五節(jié) 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能的合金鑄鐵。 耐磨鑄鐵 在磨粒磨損條件下工作的鑄鐵應(yīng)具有高而均勻的硬度。白口鑄鐵就屬這類耐磨鑄鐵。但白口鑄鐵脆性較大，不能承受沖擊載荷，因此在生產(chǎn)中常采用激冷的辦法來獲得激冷鑄鐵。即用金屬型鑄造鑄件的耐磨表面，其它部位采用砂型。同時(shí)調(diào)整鐵水的化學(xué)成分，利用高碳低硅，保證白口層的深度，而心部為灰口鑄鐵組織，有一定的強(qiáng)度。用激冷方法制造的耐磨鑄鐵，已廣泛應(yīng)用于軋輥和車輪等的鑄造生產(chǎn)。 耐磨鑄鐵 為了進(jìn)一步改善珠光體灰口鑄鐵的耐磨性，常將鑄鐵的磷含量提高到0.4%0.6%(高磷鑄鐵），生成磷共晶（F+Fe3P, P+Fe3P或F+P+Fe3P），呈斷續(xù)網(wǎng)狀的形態(tài)分布在珠光體基體上，磷共晶硬度高，有利于耐磨。在此基礎(chǔ)上，還可加入Cr、Mo、W、Cu等合金元素，改善組織，提高基體強(qiáng)度和韌性，從而使鑄鐵的耐磨性能等得到更大的提高，如高鉻耐磨鑄鐵、奧貝球墨鑄鐵等都是近十幾年來發(fā)展起來的新型合金鑄鐵。 耐熱鑄鐵 在高溫下工作的鑄鐵，如爐底板、換熱器、坩堝、熱處理爐內(nèi)的運(yùn)輸鏈條等，必須使