第07章鑄鐵和鑄鋼北大

第07章鑄鐵和鑄鋼北大鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及生產(chǎn)簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而是應(yīng)用最廣泛的材料之一。

7.1概述例如，機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)的汽缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等都可用鑄鐵制造.鑄鐵曲軸內(nèi)燃機(jī)汽缸最近10年是我國鑄鐵業(yè)發(fā)展最快、最好的時(shí)間。我國鑄件產(chǎn)量持續(xù)增長，其中，鑄鐵業(yè)以年均20%的速度增長，遠(yuǎn)高于同期GDP約10%的增長速率。我國鑄鐵件的材質(zhì)結(jié)構(gòu)持續(xù)改善，球鐵在鑄件中所占的比重由1998年的14％增至2009年的24.7％；球鐵與灰鐵的比例由0.226上升到0.51。目前，我國年產(chǎn)鑄鐵件10000噸以上，圖1、1998～2009年我國鑄件、灰鐵件、球鐵件的產(chǎn)量（近10年來，我國鑄件產(chǎn)量持續(xù)增長，其中，尤以鑄鐵件的產(chǎn)量增長最快）圖7-1中國2009年各材質(zhì)鑄件產(chǎn)量（萬噸）2009年我國鑄件產(chǎn)量為3530萬噸，其中，鑄鐵件產(chǎn)量占2630萬噸（球墨鑄鐵產(chǎn)量為870萬噸，灰鑄鐵產(chǎn)量1700萬噸，蠕墨鑄鐵產(chǎn)量約30萬噸），占我國鑄件產(chǎn)量的74.5%，約占當(dāng)年世界鑄鐵件產(chǎn)量的39.4％一、鑄鐵的石墨化過程1、Fe-Fe3C和Fe-G(石墨)雙重相圖Fe3C是亞穩(wěn)相，在一定條件下將發(fā)生分解：

Fe3C→3Fe+C（石墨）共晶白口鑄鐵F基體球墨鑄鐵石墨是碳的單質(zhì)之一，其強(qiáng)度、塑性、韌性幾乎為零。鑄鐵中的碳除少量固溶于基體中外，主要以化合態(tài)的滲碳體(Fe3C)和游離態(tài)的石墨(G)兩種形式存在。存在兩個(gè)鐵碳相圖：Fe-Fe3C和Fe-G雙重相圖L+GL+Fe3C2、鑄鐵的石墨化過程鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過程稱為石墨化。鑄鐵中的石墨可以在結(jié)晶過程中直接析出,也可以由滲碳體加熱時(shí)分解得到。石墨化分兩個(gè)階段：在P’S’K’線以上發(fā)生的石墨化稱為第一階段石墨化。包括結(jié)晶時(shí)一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加熱時(shí)一次滲碳體、二次滲碳體及共晶滲碳體的分解.P’在P’S’K’線以下發(fā)生的石墨化稱為第二階段石墨化。包括冷卻時(shí)共析石墨的析出和加熱時(shí)共析滲碳體的分解。石墨化程度不同，所得到的鑄鐵類型和組織也不同。P’鑄鐵的石墨化程度與其組織之間的關(guān)系

（以共晶鑄鐵為例）

石墨化進(jìn)行程度鑄鐵的顯微組織鑄鐵類型第一階段石墨化第二階段石墨化

完全進(jìn)行完全進(jìn)行F+G

灰口鑄鐵部分進(jìn)行F+P+G未進(jìn)行P+G部分進(jìn)行未進(jìn)行Le’+P+G麻口鑄鐵未進(jìn)行未進(jìn)行Le’白口鑄鐵3、影響石墨化的因素⑴化學(xué)成分的影響

碳和硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素。碳、硅含量過低，易出現(xiàn)白口組織，力學(xué)性能和鑄造性能變差。碳、硅含量過高,會(huì)使石墨數(shù)量多且粗大，基體內(nèi)鐵素體量增多，降低鑄件的性能.SiC白口鑄鐵灰口鑄鐵麻口鑄鐵共晶碳、硅含量對(duì)鑄鐵石墨化的影響⑵冷卻速度的影響鑄件冷卻緩慢，有利于碳原子的充分?jǐn)U散，結(jié)晶將按Fe-G相圖進(jìn)行，因而促進(jìn)石墨化。WC+Wsi(%)鑄件壁厚和碳硅含量對(duì)鑄鐵組織的影響

快冷時(shí)由于過冷度大，結(jié)晶將按Fe-Fe3C相圖進(jìn)行,不利于石墨化.二、鑄鐵的特點(diǎn)及分類工業(yè)上使用的鑄鐵主要是灰口鑄鐵。1、鑄鐵的組織特點(diǎn)鋼的基體+G（石墨）基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種。F+GF+P+GP+G⑵耐磨性能好。由于石墨本身有潤滑作用。⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振動(dòng)能量。⑷鑄造性能好。由于鑄鐵硅含量高,成分接近于共晶.⑸切削性能好。由于石墨使車屑容易脆斷，不粘刀。2、鑄鐵的性能特點(diǎn)⑴力學(xué)性能低。由于石墨相當(dāng)于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基體的連續(xù)性，且易導(dǎo)致應(yīng)力集中。鑄鐵與鑄鋼的強(qiáng)度比較鑄鐵根據(jù)石墨的形態(tài)進(jìn)行分類。鑄鐵中石墨的形態(tài)有片狀、團(tuán)絮狀、球狀和蠕蟲狀四種，其所對(duì)應(yīng)的鑄鐵分別為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。7.2灰鑄鐵碳大部分是以片狀石墨存在，因其斷口呈暗灰色而得名?；诣T鐵生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、應(yīng)用廣泛，其產(chǎn)量約占鑄鐵總產(chǎn)量的70％汽車業(yè)是灰鑄鐵的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，近年來隨著汽車輕量化要求的不斷提高，薄壁高強(qiáng)度灰鑄鐵的應(yīng)用迅速推進(jìn)(1)灰鑄鐵的組織灰鑄鐵的顯微組織

鐵素體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵鐵素體加珠光體灰鑄鐵石墨片的三維形貌(2)灰鑄鐵的熱處理熱處理只改變基體組織，不改變石墨形態(tài)?；诣T鐵強(qiáng)度只有碳鋼的30~50%，熱處理強(qiáng)化效果不大?；诣T鐵常用的熱處理有：①消除內(nèi)應(yīng)力退火(又稱人工時(shí)效)②消除白口組織退火③表面淬火灰鑄鐵件汽缸套活塞環(huán)12.9L6缸蠕鐵柴油機(jī)缸體（2008，Brazil）3、用途制造承受壓力和震動(dòng)的零件,如機(jī)床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體。大型船用柴油機(jī)汽缸體(HT-300)重型機(jī)床床身(HT-250)變速箱體(3)灰鑄鐵的牌號(hào)及用途

灰鑄鐵牌號(hào)中“HT”為灰鐵漢語拼音字首，其后數(shù)字表示該材料的最低抗拉強(qiáng)度（MPa）。例如HT200表示抗拉強(qiáng)度σb≥200MPa的灰鑄鐵。灰鑄鐵的強(qiáng)度與鑄件的壁厚大小有關(guān)系，因此在根據(jù)性能要求選擇鑄鐵牌號(hào)時(shí)，必須注意到鑄件的壁厚。如鑄件的壁厚超出表中所列的尺寸時(shí)，應(yīng)根據(jù)基體情況適當(dāng)提高或降低鑄鐵的牌號(hào)?；诣T鐵主要用于制造承受壓力和振動(dòng)的零部件。

灰鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能、顯微組織及用途牌號(hào)鑄件壁厚/mm力學(xué)性能基體組織Rm/MPaσbb/MPaσbc/MPaHBWHT100所有尺寸100260＜140FHT15015～30150330650150～200F+PHT20015～30200400750170～220PHT25020～302504701000190～240HT30015～303005401100187～225細(xì)PHT35015～303506101200197～269HT40020～30400680－207～269細(xì)P實(shí)例7-1乘用車的剎車盤通常是使用HT250或相近的低合金灰鑄鐵，要求材料具有良好的導(dǎo)熱性和冷熱疲勞性能，所以要求A型石墨，以利于熱傳導(dǎo)。國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的一些缸體已采用HT300甚至HT350鑄鐵制作。我國一汽鑄造公司已穩(wěn)定地采用HT300生產(chǎn)6DL道依茨發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，同時(shí)也儲(chǔ)備了HT350的生產(chǎn)技術(shù)，7.3球墨鑄鐵中國從1950年開始研究和生產(chǎn)球鐵，是世界上較早生產(chǎn)球鐵的國家之一。從2005年起，我國球鐵產(chǎn)量連續(xù)五年居世界第一，2008年已達(dá)820萬噸，約占當(dāng)年世界球鐵產(chǎn)量的1/3，比世界第2、3、4名美國（360萬噸）、日本（200萬噸）和德國（185萬噸）的總和還多2004到2008年，世界球鐵鑄件的產(chǎn)量從1870萬噸增加到2384萬噸，年均增長率為5.5%。中國球鐵與灰鐵的比例為0.50，世界平均水平為0.55，美國的比例為1.0。我國球鐵產(chǎn)量的提升空間還很大圖7-6中國球鐵件應(yīng)用領(lǐng)域其中鑄管和管件年產(chǎn)量約280萬噸，占33%；汽車鑄件約280萬噸，為33%，約占我國工程結(jié)構(gòu)球鐵產(chǎn)量（不包括鑄管）的50%；其他如工程機(jī)械、農(nóng)機(jī)、機(jī)床、建筑、冶金、礦山、能源工業(yè)部門等約占33%DN2600X8150熱模法球鐵管（新興鑄管公司生產(chǎn).單重14.76噸，壁厚28mm）東汽生產(chǎn)的QT400-18-LT風(fēng)電球鐵鑄件要求低溫沖擊性能-20℃，V型缺口試樣沖擊韌性≥12:一汽鑄造公司用殼型背丸工藝生產(chǎn)的球鐵曲軸（尺寸精度高，外觀精美，綜合廢品率在0.5%以下）90噸重高延伸率和高低溫沖擊韌性球鐵鑄件

135噸機(jī)床球鐵件注塑機(jī)頭板、二板與尾板用途承受震動(dòng)、載荷大的零件，如曲軸、傳動(dòng)齒輪等。核燃料貯存運(yùn)輸容器(QT350-22)鑄鐵曲軸實(shí)例7-2

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸是球鐵在我國應(yīng)用最典型的零件，研究開發(fā)最早，應(yīng)用范圍最廣，產(chǎn)量最多。汽車、拖拉機(jī)、船用及工程機(jī)械上的許多發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸以及空壓機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)上的曲軸都是球墨鑄鐵的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國年產(chǎn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的各類球鐵曲軸約20萬噸，1000萬根以上。一汽鑄造公司用殼型背丸工藝年產(chǎn)球鐵曲軸約50萬只，綜合廢品率在0.2%以下。(4)球墨鑄鐵的牌號(hào)及用途球墨鑄鐵的牌號(hào)是由球鐵漢語拼音字首“QT”及其后的兩組數(shù)字組成。這兩組數(shù)字分別表示該材料的最低抗拉強(qiáng)度（單位為MPa）和最低伸長率。例如QT600-3表示Rm≥600MPa，A≥3%的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵主要用于制造受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性和耐磨性要求高的零件。如在機(jī)械制造業(yè)中，珠光體球墨鑄鐵常用于制造拖拉機(jī)或柴油機(jī)的曲軸、連桿、凸輪軸、各種齒輪、機(jī)床的主軸、蝸桿、蝸輪、軋鋼機(jī)的軋輥、大齒輪及大型水壓機(jī)的工作缸、缸套、活塞等；鐵素體球墨鑄鐵常用于制造受壓閥門、機(jī)器底座、汽車后輪殼等表7-4球墨鑄鐵的牌號(hào)、組織、力學(xué)性能及用途牌號(hào)Rm

/MPaRp0。2/MPaA/%硬度／HBW基體組織應(yīng)用舉例QT350-22L35022022≤160汽車、拖拉機(jī)底盤零件；閥門的閥體和閥蓋等QT350-22R35022022≤160QT350-2235022022≤160QT400-18L4001818130～180FQT400-18R4001515130～180FQT400-184501010160～210FQT400-15QT450-10QT500-750077170～230F+P機(jī)油泵齒輪等QT550-5QT600-360033190～270F+P柴油機(jī)、汽油機(jī)的曲軸；磨床、銑床、車床的主軸；空壓機(jī)、冷凍機(jī)的缸體、缸套QT700-270022225～305PQT800-280022245～335P或回火組織QT900-290022280～360B或回火M汽車、拖拉機(jī)傳動(dòng)齒輪等(1)球墨鑄鐵的組織由基體和球狀石墨組成的，鑄態(tài)下的基體有三種。球狀石墨是液態(tài)鐵水經(jīng)球化處理得到的。加入到鐵水中能使石墨結(jié)晶成球形的物質(zhì)稱為球化劑，常用的球化劑為稀土鎂合金球墨鑄鐵的顯微組織

鐵素體加珠光體球墨鑄鐵鐵素體球墨鑄鐵珠光體球墨鑄鐵球墨鑄鐵中的石墨球(2)球墨鑄鐵的性能由于球狀石墨，對(duì)基體的割裂作用和產(chǎn)生的應(yīng)力集中小，基體強(qiáng)度利用率可達(dá)70％～90％，接近于碳鋼，塑性和韌性比灰鑄鐵和可鍛鑄鐵都高。球墨鑄鐵的突出特點(diǎn)是屈強(qiáng)比(σs/σb)高，約為0.7～0.8，而鋼一般只有0.3～0.5。球墨鑄鐵還具有較高的疲勞強(qiáng)度。帶孔和帶臺(tái)肩球墨鑄鐵件的疲勞強(qiáng)度與45鋼的相當(dāng)(表7-3)。因此，多數(shù)帶孔和臺(tái)肩的重要零件可用球墨鑄鐵代替鋼來制造。試驗(yàn)還表明，球墨鑄鐵的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度甚至超過45鋼表7-3球墨鑄鐵和45鋼的疲勞強(qiáng)度材料對(duì)稱彎曲疲勞強(qiáng)度/MPa光滑試樣光滑帶孔試樣帶臺(tái)肩試樣帶孔、帶臺(tái)肩試樣珠光體球墨鑄鐵25520517515545鋼305225195155(3)球墨鑄鐵的熱處理

球墨鑄鐵可進(jìn)行各種熱處理,如退火、正火、淬火加回火、等溫淬火等。球墨鑄鐵的熱處理特點(diǎn)是：①奧氏體化溫度比碳鋼高，由于硅含量高;②淬透性比碳鋼高;③奧氏體中碳含量可控。制品(軋輥與輥環(huán))組織貝氏體基球墨鑄鐵AustemperedDuctileIron簡(jiǎn)稱ADIADI是一種具有較高性價(jià)比的新型工程材料，等溫淬火熱處理后有很好的綜合性能。與同等韌性的普通球墨鑄鐵相比，其強(qiáng)度提高一倍，與合金鋼相當(dāng)，但其彈性模量最低20%（減少接觸應(yīng)力），且減震性及抗磨性好等許多優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展很快，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，產(chǎn)量不斷增加，2007年世界產(chǎn)量已近30萬噸，其中美國最多，達(dá)20萬噸，歐洲2.5萬噸，中國約7萬噸；去年我國ADI年產(chǎn)量約8萬噸，約占世界年產(chǎn)量50萬噸的1/6～1/5；我國所生產(chǎn)的ADI鑄件中，要求不高的抗磨件如磨球、襯板、錘頭等占35%，重型卡車底盤上懸掛件、支架件、拖鉤件等零件、鐵路機(jī)車襯套、支架、墊板、風(fēng)鎬缸體、榨油機(jī)榨螺，小型柴油機(jī)曲軸、凸輪軸等一般機(jī)械承載件占50%，精度要求較高的齒輪和增壓發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等不到5%。在北美和歐洲ADI應(yīng)用市場(chǎng)中，汽車占了主要位置，約占ADI總量的50%以上，特別是重卡的底盤零件，應(yīng)用很多。美國每輛重卡至少有500公斤以上的ADI零件；歐洲ADI在風(fēng)力發(fā)電零件和工程機(jī)械上的應(yīng)用取得較大進(jìn)展。ADI取代原球墨鑄鐵件、鑄鋼件、鍛鋼焊接件和某些鋁合金件，在載重汽車、小轎車、柴油機(jī)、建筑機(jī)械、鐵路（機(jī)車）、農(nóng)業(yè)機(jī)械、閘門工程等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，用來制造曲軸、齒輪、齒輪架、鋼板彈簧支架、支撐座、襯套、發(fā)動(dòng)機(jī)固定支架、連桿、缸體、風(fēng)鎬機(jī)頭、萬向連軸節(jié)、閘瓦、火車斜楔、銷套、磨耗板、汽車輪轂等要求高強(qiáng)度、耐沖擊、耐磨和有疲勞性能要求的零件。實(shí)例7-4東風(fēng)汽車公司在5噸高機(jī)動(dòng)性越野車試制中，采用ADI代替?zhèn)鹘y(tǒng)的45號(hào)鑄鋼的底盤零件，使14個(gè)零件采用ADI后，總重量由630.62kg減輕至380kg，減重率達(dá)39.6%，并在后續(xù)的改進(jìn)中進(jìn)一步增加ADI零件的數(shù)量，使整車ADI件重量達(dá)到了550.4kg。7.4蠕墨鑄鐵國外（主要是歐洲）每年生產(chǎn)大約50萬臺(tái)內(nèi)燃機(jī)用的缸體、缸蓋等蠕鐵件，重量約10萬噸，約占?xì)W洲蠕鐵產(chǎn)量的2/3，其余是鋼錠模、排氣管、支架、飛輪、制動(dòng)轂、液壓閥等。在歐洲，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的比例比較高，約占50%四、蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型鑄鐵.蠕墨鑄鐵是液態(tài)鐵水經(jīng)蠕化處理和孕育處理得到的.蠕化劑為稀土硅鐵鎂合金、

稀土硅鐵合金、稀土硅鐵鈣合金等。蠕墨鑄鐵的組織：基體（F、F+P、P）+蠕蟲狀G

蠕墨鑄鐵中的石墨蠕墨鑄鐵的顯微組織蠕墨鑄鐵中的石墨珠光體基體鐵素體基體蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和抗疲勞性能優(yōu)于灰鑄鐵，其力學(xué)性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間。灰鑄鐵灰鑄鐵蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵球墨鑄鐵球墨鑄鐵灰鑄鐵蠕墨鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵常用于制造承受熱循環(huán)載荷的零件和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的鑄件。如鋼錠模、玻璃模具、柴油機(jī)汽缸、汽缸蓋、排氣閥、液壓閥的閥體、耐壓泵的泵體等。制動(dòng)鼓返回可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線

7.5可鍛鑄鐵石墨呈團(tuán)絮狀的灰口鑄鐵，是