鑄鋼和鑄鐵解析課件

1、 鑄鋼和鑄鐵cast steel and cast iron1本章主要內容1、鑄鋼 2、鑄鐵的石墨化及影響因素3、鑄鐵組織特征及其分類4、常用鑄鐵 （灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵 可鍛鑄鐵、合金鑄鐵）3.3.1 鑄鋼重型機械齒輪 外殼 軋輥 3.3.1 鑄鋼鑄鋼主要用于制造形狀復雜，需要一定強度、塑性和韌性的零件。1. 鑄鋼的化學成分 ZG XX ZG XXX-XXX(新牌號） ZG“鑄鋼” XX含碳量（萬分數(shù)）思考題：45、T10、40Cr、9SiCr、ZG35、鑄鐵 含碳量由低到高的順序 隨著C% 的增加，屈服強度和抗拉強度均增加，但抗拉強度增加得更快，超過0.45%時，屈服強度很少增加，而

2、塑韌性卻顯著下降。碳素鑄鋼的成分、機械性能及應用 隨著C的增加，屈服強度和抗拉強度均增加，但抗拉強度增加得更快，超過0.45%時，屈服強度很少增加，而塑韌性卻顯著下降。 控制S、P，（S 熱裂，P冷脆） 與鑄鐵相比，強度和塑性高，但流動性差，收縮率大。（采取較高的澆注溫度；大冒口補償）2 鑄鋼的組織特征和熱處理 由于澆注溫度高，而且冷卻速度慢，容易得到粗大的奧氏體晶粒。 在冷卻過程中，鐵素體首先沿著奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，然后沿一定方向生長，形成“魏氏體”。使鋼的塑韌性下降。 退火或正火處理，消除魏氏組織和鑄造應力。3.3 鑄鐵 引言 在常用合金鑄件生產中，鑄鐵件的應用最為廣泛，約占鑄件總重的7

3、075。 鑄鐵的各種性能主要取決于組織狀態(tài)，在基體組織一定后，其性能與石墨析出的形狀、大小和分布狀況有密切關系。 3.3.2 鑄鐵鑄鐵是c%大于2.11%的鐵碳合金；常含有較多的硅、錳、硫、磷等元素；鑄鐵的生產設備和工藝簡單，價格便宜；具有許多優(yōu)良的使用性能和工藝性能，應用廣泛。如：機床床身，汽缸體，曲軸等。 箱體 啟動閥鑄鐵應用舉例一、鑄鐵的石墨化過程和特點 1. 鑄鐵的石墨化過程 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）Graphite 。 石墨化：鑄鐵中碳原子析出并形成石墨的過 程。 滲碳體：亞穩(wěn)相，復雜的斜方結

4、構。 Fe3C3Fe+C石墨：穩(wěn)定相，特殊的簡單六方晶格，底面原子呈六方網(wǎng)格排列，原子間距小，結合力很強；底面之間的間距較大，結合力較弱。強度、硬度和塑性都很差。 鐵碳合金復線相圖Fe-Fe3C亞穩(wěn)平衡相圖Fe-G穩(wěn)定平衡相圖石墨化過程鑄鐵中碳原子析出并形成石墨的過程。三個階段第一階段石墨化： 從過共晶鐵水中直接析出的初生（一次）石墨 在共晶轉變中形成的共晶石墨 LcAE+G（共晶） ECF線 1154 第二階段石墨化： 奧氏體析出二次石墨 沿ES線 1154 -738 第三階段石墨化 共析轉變過程中形成的共析石墨 AEFP+G（共析） 由共析滲碳體分解析出的石墨。鐵碳合金復線相圖 階段階段

5、階段石墨化影響因素化學成分 C、Si 強烈促進石墨化 S 強烈阻礙石墨化 Mn 阻礙石墨化，間接促進石墨化 碳化物形成元素阻礙石墨化 非碳化物元素促進石墨化溫度和冷卻速度 ，時間 有利于石墨化 冷速慢 促進石墨化 冷速快 抑制石墨化2 鑄鐵的組織特征和分類顯微組織 常用各類鑄鐵的組織是兩部分組成的， 一 是石墨，二是基體， 基體可以是F、P或F+P，相當于鐵或鋼的組織。 鑄鐵的組織可以看成是鐵或鋼的基體上分布著石墨夾雜。 不同類型鑄鐵組織中的石墨形態(tài)是不同的。普通灰口鑄鐵和變質鑄鐵中的石墨呈片狀；可鍛鑄鐵中石墨呈團絮狀，球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，蠕墨鑄鐵中的石墨呈蠕蟲狀。鑄鐵經(jīng)不同程度石墨化后所

6、得的組織 名稱 石墨化程度 顯微組織 第一階段 第二階段 第三階段 灰鑄鐵 充分進行 充分進行 充分進行 充分進行 充分進行 充分進行 充分進行 部分進行 不進行 FG FPG PG 麻鑄鐵 部分進行 部分進行 不進行 Le+P+G 白口鑄鐵 不進行 不進行 不進行 Le+P+Fe3C 鐵碳合金復線相圖2.鑄鐵的分類和組織 鑄鐵中的碳能以化合態(tài)的滲碳體和游離態(tài)的石墨（G）兩種形式存在，根據(jù)碳在鑄鐵中存在形式的不同，鑄鐵可分為三類：1白口鑄鐵：碳主要以Fe3C的形式存在，斷口呈銀白色。2灰口鑄鐵：碳全部或大部分以石墨的形式存在，斷口呈暗灰色。3麻口鑄鐵：碳部分以石墨的形式存在，部分以Fe3C的形

7、式存在，斷口呈黑白相間的麻點。 灰口鑄鐵 （石墨形態(tài)不同） 灰鑄鐵石墨呈片狀球墨鑄鐵石墨呈球狀蠕墨鑄鐵石墨呈蠕蟲狀可鍛鑄鐵石墨呈團絮狀 灰口鑄鐵的抗拉強度和塑性都很低，這是石墨對基體的嚴重割裂所致。石墨強度、韌性極低，相當于鋼基體上的裂紋或空洞，它減小基體的有效截面，并引起應力集中。石墨越多，越大，對基體的割裂作用越嚴重，其抗拉強度越低。 變質處理可細化石墨片，減輕其對基體的割裂作用，因而提高鑄鐵的強度，但塑性無明顯改善。3.鑄鐵的性能特點石墨降低鑄鐵的力學性能，但使其它的性能優(yōu)良對力學性能的影響 灰鑄鐵的抗拉強度、塑性和韌性遠低于鋼 抗壓強度與鋼相當對其他性能的影響（1）良好的鑄造性能 （2

8、）良好的減振性（3）良好的耐磨性能（4）良好的切削加工性能（5）低的缺口敏感性鑄鐵適用場合床身、機架、底座、殼體、箱體等石墨在鑄鐵中的作用二、常用鑄鐵灰鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵可鍛鑄鐵合金鑄鐵 灰口鑄鐵 （石墨形態(tài)不同） 灰鑄鐵石墨呈片狀球墨鑄鐵石墨呈球狀蠕墨鑄鐵石墨呈蠕蟲狀可鍛鑄鐵石墨呈團絮狀 灰鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵可鍛鑄鐵1.灰鑄鐵 灰鑄鐵是價格便宜、應用最廣泛的鑄鐵材料。 （1）灰鑄鐵的牌號 HT150、HT250、HT400 “HT”表示“灰鐵”，后面的數(shù)字表示最低抗拉強度。 灰鑄鐵有F、P和F+P三種基體。灰鑄鐵中的碳、硅質量分數(shù)一般控制在以下范圍：2.5%4.0%C; 1.0%2.0%

9、Si。 灰鑄鐵的顯微組織 F基體灰鑄鐵F+P基灰鑄鐵P基體灰鑄鐵（2）影響灰鑄鐵組織和性能的因素 化學成分 C，Si 強烈促進石墨化 過低：白口 過高：G片過多且粗大 Mn 阻礙石墨化的元素，能溶于鐵素體和滲碳體中，增強鐵、碳原子間的結合力，擴大奧氏體區(qū)，阻止共析轉變時的石墨化，促進珠光體基體的形成。 P 促進石墨化的元素。P%增加時，液相線降低，提 高了鐵水的流動性。 P% 0.3%時，形成二元或三元磷共晶體，其性能硬而脆，降低鑄鐵的強度，但提高其耐磨性。 S 硫是有害元素，它強烈促進白口化，并使鑄鐵的鑄造性能和機械性能惡化。 生產中，一般用碳當量CE和共晶度Sc來綜合評價鑄鐵成分的石墨化能

10、力。把各元素按其對石墨化的影響程度折算成碳的相當含量。碳當量 CE=c+1/3(Si+P) 共晶度 Sc=C/4.26-1/3(Si+P) 共晶度：指鑄鐵中實際碳質量分數(shù)與共晶碳質量分數(shù)的比值。 由于共晶成分的鑄鐵具有最好的鑄造性能，常把碳當量控制在4%左右。 冷卻速度的影響 鑄件的冷卻速度對石墨化程度影響很大。隨著鑄件壁厚增加，冷卻速度減慢，依次出現(xiàn)珠光體、珠光體加鐵素體和鐵素體灰口鑄鐵組織。 （3）孕育處理 經(jīng)孕育處理（亦稱變質處理）后的灰鑄鐵叫做孕育鑄鐵。 孕育劑：硅鐵合金，硅鈣合金 孕育的目的是：大量均勻分布的非自發(fā)核心；細小均勻的G片；細化基體組織，提高鑄鐵強度；避免出現(xiàn)白口組織。

11、用途：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，如汽缸、曲軸、凸輪、機床床身等。（4）灰鑄鐵的熱處理及應用 熱處理不能改變石墨的形態(tài)和分布，對提高灰口鑄鐵整體機械性能作用不大，因此生產中主要用來消除鑄件內應力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。 消除內應力退火（又稱人工時效） 消除鑄件白口、降低硬度的退火 退火在共析溫度以上進行，使?jié)B碳體分解成石墨，所以又稱高溫退火。 表面淬火 提高硬度和耐磨性，可進行表面淬火處理，淬火后表面硬度可達50 HRC55 HRC。 灰鑄鐵常用牌號及應用返回葉輪 發(fā)動機飛輪 液壓件 閥門 2. 球墨鑄鐵 石墨呈球狀，具有很高的強度，又有良好的

12、塑性和韌性。其綜合機械性能接近于鋼。 (1) 成分 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。 球化劑：稀土鎂 鎂是強烈阻礙石墨化的元素 孕育劑：硅鐵和硅鈣合金等 為了避免白口，并使石墨球細小、均勻分布。 (2) 球墨鑄鐵的牌號、組織和性能 QT400-15、QT600-3、QT800-2 球墨鑄鐵牌號用“QT”標明，其后兩組數(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素

13、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3-5倍。 球墨鑄鐵的牌號和機械性能機械性能牌號基體bMPa0.2MPa5%HB應 用 舉 例QT400-18F40025018130180 汽車、拖拉機床底盤零件；16-64大氣壓閥門的閥體、閥蓋QT400-15F40025015130180QT450-10F45031010160210QT500-7F+P5003207 170230 機油泵齒輪QT600-3F+P6003703190270 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QT700-2P7004202225305QT800-2P8004802245

14、335QT900-2下B9006002 280360 汽車、拖拉機傳動齒輪 球墨鑄鐵具有較好的疲勞強度。下表給出了球墨鑄鐵和45鋼試驗的對稱彎曲疲勞強度?？梢杂们蚰T鐵來代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿、凸輪軸等。 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% (3) 球墨鑄鐵的熱處理 退火 獲得塑性好的鐵素體基體，并改善切削性能，消除鑄造應力。 正火 在于得到珠光體基體并細化組織，提高強度

15、和耐磨性。 調質 要求綜合機械性能較高的球墨鑄鐵零件，如連桿、曲軸等，可采用調質處理獲得回火索氏體+球狀石墨。 等溫淬火 獲得下B基體 機械性能 熱處理工藝 顯微組織 b MPa 5 % ak kJ/m2 HB 調質: 980退火后,900油淬+ 580回火 回火索氏體+石墨 8001000 1.72.7 260320 240340 正火: 980退火后, 900正火+ 580去應力退火 珠光體+5%鐵素體 +石墨 700 2.5 100 317321 球墨鑄鐵調質和正火后的組織性能 球墨鑄鐵的應用3. 蠕墨鑄鐵 （1）蠕墨鑄鐵牌號 RuT300、RuT420 蠕墨鑄鐵以“RuT”表示，其后的

16、數(shù)字表示最低抗拉強度。 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和導熱性。 蠕墨鑄鐵 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，其石墨片的長厚比較小，端部較鈍。灰鑄鐵 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。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。 蠕墨鑄鐵已成功地用于高層建筑中高壓熱交換器、內燃機汽缸和缸蓋、汽缸套、鋼錠模、液壓閥等鑄件。 排氣管 進氣管 4. 可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵通過退火處理得

17、到的一種高強鑄鐵。它有較高的強度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼?？慑戣T鐵依靠石墨化退火獲得；(1) 可鍛鑄鐵的牌號和用途 可鍛鑄鐵有鐵素體和珠光體兩種基體。 KT350-10、KTZ600-3 鐵素體可鍛鑄鐵以“KT”表示，珠光體可鍛鑄鐵以“KTZ”表示。其后的兩組數(shù)字表示最低抗拉強度和延伸率。 可鍛鑄鐵的顯微組織 可鍛鑄鐵常用來制造形狀復雜、承受沖擊和振動載荷的零件，如汽車拖拉機的后橋外殼、管接頭、低壓閥門等。(2) 可鍛鑄鐵的生產和熱處理 分兩個步驟。 第一步，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，得不到團絮狀石墨； 第二步，進行長時間的石墨化退火處理?？慑戣T鐵石墨化退火5. 特殊性能鑄鐵（合金鑄鐵） (1) 耐磨鑄鐵用激冷方法制造的耐磨鑄鐵，已廣泛應用于軋輥和車輪等的鑄造生產。彎管 襯板 (2) 耐熱鑄鐵 加入Al、Si、Cr等元素，一方面在鑄件表面形成致密的氧化膜，阻礙繼續(xù)氧化；另一方面提高鑄鐵的臨界溫度，使基體變?yōu)閱蜗噼F素體，不發(fā)生石墨化過程，從而改善鑄鐵的耐熱性。扇形擴散器 托架 (3)耐蝕鑄鐵耐蝕鑄鐵主要用于化工部件，如閥門、管道、泵、容器等。加入Si、Cr、Al、Mo、Cu、Ni等合金元素形成保護膜，或