材料性能及其加工第6章铸铁.ppt
第6章 铸铁,本章知识点先导案例第一节 铸铁概述第二节 灰铸铁第三节 球墨铸铁第四节 可锻铸铁第五节 蠕墨铸铁,下一页,第6章 铸铁,知识扩展先导案例解决本章小结思考题,上一页,返回,本章知识点,1掌握铸铁的基本概念及石墨在铸铁中的作用。2掌握灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁的特性及牌号选用。3了解铸铁的分类及其石墨化过程。,返回,先导案例,试分析图片中的零件结构尺寸有什么特点？应选用什么材料制造比较合理？,返回,第一节 铸铁概述,一、铸铁的含义铸铁是指由铁、碳、硅组成的合金系的总称，在这些合金中，碳含量超过了在共晶温度时奥氏体中的饱和含碳量。从成份上看，铸铁与钢的主要区别在于铸铁比碳钢含有更高的碳和硅，同时硫、磷等杂质元素含量也较高，一般铸铁中的WC=2.5%4.0%、WSi=1.0%3.0%、WMn=0.3%1.2%、WS0.05%0.15%、WP 0.05%1.0%常用铸铁具有优良的铸造性能，生产工艺简便，成本低，所以应用广泛，通常，50%以上的机器（以质量计）是铸铁件。,下一页,返回,第一节 铸铁概述,二、铸铁的分类铸铁中的碳除少量可熔于铁素体外，其余部分因结晶条件不同可以形成渗碳体或者石墨。根据碳在铸铁中的存在形式，铸铁可分为以下三类。（1）灰口铸铁。碳全部或大部分以石墨存在于铸铁中，断口呈灰黑色，这类铸铁是工业上最常用的铸铁。根据灰口铸铁中石墨存在的形式不同，可分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁四类，如图6-1所示。,上一页,下一页,返回,第一节 铸铁概述,（2）白口铸铁。碳主要以渗碳体存在，断口呈白亮色，其性能硬而脆，很难进行切削加工，故这种铸铁很少直接使用，但在某些特殊场合可使零件表面获得一定深度的白口层，这种铸铁称为“冷硬铸铁”，它可用作表面要求高耐磨性的零件，如气门挺杆、球磨机磨球、轧辊等。（3）麻口铸铁。碳一部分以石墨存在，另一部分以渗碳体存在，断口呈黑白相间，这类铸铁的脆性较大，故很少使用。,上一页,下一页,返回,第一节 铸铁概述,三、石墨在铸铁中的作用铸铁的性能和使用价值与碳的存在形式有着密切联系。常用铸铁中，碳主要以石墨的形式存在，石墨用符号“G”表示，其强度、硬度、塑性、韧性很低，硬度仅为HBS35，b约为20MPa，伸长率接近于零；石墨具有不太明显的金属性能（如导电性）。,上一页,下一页,返回,第一节 铸铁概述,常用铸铁的性能与其组织具有密切关系。常用铸铁的组织可以看成是由钢的基体与不同形状、数量、大小及分布的石墨组成，因而，铸铁的力学性能不如钢，铸铁中石墨的存在使力学性能下降，一般铸铁的抗拉强度、屈服点、塑性和韧性比钢低（但抗压强度与钢相当），且不能锻造。石墨的数量越多，越粗大，分布越不均匀，石墨的边缘部位越尖锐，铸铁力学性能越差。但是，石墨的存在赋予铸铁许多钢所不及的优良性能，如良好的铸造性能、切削加工性能、良好的减振性和减摩性等，同时还有低的缺口敏感性。,上一页,下一页,返回,第一节 铸铁概述,四、铸铁的石墨化及影响因素1）石墨化过程铸铁中石墨的形成过程称为石墨化。铸铁结晶时，石墨化若能充分或大部分进行，则能获得灰口铸铁；反之，将会得到白口铸铁。铁碳合金结晶时，碳更容易形成渗碳体，但在具有足够扩散时间的条件下，碳也会以石墨析出。石墨还可通过渗碳体在高温下的分解获得。可见，渗碳体是一种亚稳定相，而石墨才是一种稳定的相。,上一页,下一页,返回,第一节 铸铁概述,铸铁结晶时的石墨化过程可分为三个阶段。第一个阶段为高温石墨化，是指从液相中析出的石墨，它包括液相线到共晶温度区间内析出的一次石墨（G）和共晶反应时析出的石墨（G共晶）。第二阶段为中温石墨化，是指共晶和共析温度之间从奥氏体中析出的二次石墨（G）。第三个阶段为低温度石墨化，是指共析转变及以后析出的石墨（G共析）等。,上一页,下一页,返回,第一节 铸铁概述,石墨化过程是原子的扩散过程。在实际生产中，上述3个阶段的石墨化过程不一定都能充分进行，其中第一阶段和第二个阶段石墨化时由于温度较高，碳原子的扩散能力强，石墨化容易进行；第三阶段石墨化时由于温度较低，碳原子的扩散能力较差，石墨化较难进行。按第三阶段石墨化进行的程度不同，灰口铸铁的基体组织会出现以下3种类型：铁素体、铁素体珠光体、珠光体。除以上各阶段石墨化外，生产中将白口铸铁在高温下进行退火，也能使渗碳体分解获得石墨，这也是生产可锻铸铁的方法。,上一页,下一页,返回,第一节 铸铁概述,2）影响石墨化的因素铸铁的石墨化主要与化学成份和冷却速度有关。（1）化学成份。碳和硅是强烈促进石墨化的元素，含碳量增加使石墨晶核数量增加，因而促进石墨化。硅原子容易与铁结合，溶于铁素体中，削弱了铁与碳的结合力，并使共晶点下降，也促进石墨化。铸铁中的碳与硅越多，石墨化程度越充分，越容易获得灰口铸铁组织，但碳和硅含量过高会导致石墨粗大、增多，降低力学性能。因此，适当提高铸铁中的碳和硅含量是控制铸铁组织的基本措施之一。,上一页,下一页,返回,第一节 铸铁概述,硫是强烈阻碍石墨化的元素，促使铸铁白口化。同时，硫还降低铁液的流动性并促进铸件高温开裂，使铸铁的铸造性能变差，因此，硫是有害元素，一般控制在WS0.15%锰是阻碍石墨化的元素，但锰能与硫结合形成硫化锰，减弱了硫对石墨化的阻碍作用，所以，又能间接促进石墨化。磷是微弱促进石墨化的元素，同时能提高铁液的流动性，但使铸铁的脆性增大，一般铸铁中的磷含量也应严格控制。,上一页,下一页,返回,第一节 铸铁概述,（2）冷却速度。缓慢冷却时，碳原子扩散充分，易形成稳定的石墨，即有利于石墨化。铸造生产中，凡影响冷却速度的因素均对石墨化有影响。如铸件壁越厚，铸型材料的导热性越差，越有利于石墨化。,上一页,返回,第二节 灰铸铁,一、灰铸铁的成份、组织及性能灰铸铁生产工艺简单，铸造性能优良，是生产中应用最广泛的一种铸铁，约占铸铁总量的80%。灰铸铁的化学成份一般为WC=2.7%3.6%,WSi=1.0%2.5%,WMn=0.5%1.3%,WP0.3%；WS0.15%灰铸铁的组织特征是片状石墨分布于钢的基体上。由于化学成份和冷却速度的综合影响，灰铸铁的组织有以下三种：铁素体+片状石墨（F+G片）；珠光体+铁素体+片状石墨（P+F+G片）；珠光体+片状石墨（P+G片）。,下一页,返回,第二节 灰铸铁,灰铸铁的力学性能主要取决于石墨的形状、大小及分布状态，同时也与基体的组织有关。由于石墨的力学性能几乎为零，在铸铁中相当于孔洞和裂纹，破坏了基体的连续性，使基体的有效承载面积减小，且片状石墨的端部容易造成应力集中，因此，灰铸铁的力学性能明显低于碳钢，也明显低于其他铸铁件。灰铸铁中的石墨数量越多、尺寸越大、分布越不均匀，对基体的割裂作用越强烈，其力学性能越差，生产时应尽量获得细小的石墨片。同时，灰铸铁的力学性能还与基体的组织有关，具有珠光体基体的灰铸铁强度较高。灰铸铁的抗压强度比较高，约为抗拉强度的34倍，故灰铸铁适宜制造承受简单压力的构件，如机床床身、底座、支柱等。,上一页,下一页,返回,第二节 灰铸铁,二、灰铸铁的孕育处理在铸铁液中加入少量的孕育剂（一般加入铁液质量4%的硅铁或硅钙合金）以形成大量的结晶核心，获得极为细小的片状石墨和珠光体基体。经这样处理后的铸铁称为孕育铸铁。孕育铸铁的抗拉强度高于普通灰铸铁，同时，由于结晶时冷却速度对孕育铸铁的结晶影响较小，故铸件各个部位的组织较均匀，性能也趋于一致。孕育铸铁适用于制造性能要求较高、截面尺寸变化较大的大型铸件。,上一页,下一页,返回,第二节 灰铸铁,三、灰铸铁的牌号及应用灰铸铁的牌号、力学性能及应用如表6-1所列。牌号中的“HT”是“灰铁”两字的第一个拼音字母，后面的数字表示最低抗拉强度，如HT200表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁。灰铸铁的强度与铸件的壁厚有关，同一牌号的铸铁，随壁厚的增加，强度和硬度下降。,上一页,下一页,返回,第二节 灰铸铁,四、灰铸铁的热处理热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的形状、数量、大小和分布，对提高灰铸铁的力学性能作用不大。因此用于灰铸铁的热处理主要作用是消除应力、改善切削加工性、提高表面的硬度和耐磨性等。1去应力退火铸件在冷却过程，因壁厚不同，造成各部位的冷却速度不同，铸件内部会产生很大的内应力，使铸件出现变形或开裂，故需进行去应力退火。其工艺为：加热至500600，保温一段时间后，随炉冷至200以下出炉空冷。,上一页,下一页,返回,第二节 灰铸铁,2消除白口、降低硬度退火铸件的表面和薄壁处冷却速度快，容易产生白口组织，使铸件的硬度增加，切削加工困难，需采用降低硬度的退火处理。渗碳体在退火的保温和缓冷过程中分解而析出石墨，从而降低铸件硬度、改善切削加工性能。退火方法是将铸件加热到850900，保温25h，然后随炉冷却至250400出炉空冷。最后形成以铁素体或铁素体+珠光体为基体的灰铸铁。3表面淬火表面淬火的主要作用是提高铸件的表面硬度和耐磨性。常用的方法有火焰淬火、感应淬火、接触电阻加热淬火等。,上一页,返回,第三节 球墨铸铁,球墨铸铁是指铸铁液经过球化处理，使石墨全部或大部分呈球状分布的铸铁。球化处理方法是在浇注前的铸铁液中，加入一定量的球化剂（镁或稀土镁合金）和促进石墨化的孕育剂（硅铁），以改变石墨的结晶条件，促使石墨形成球状。我国目前主要应用的球化剂是稀土镁合金。,下一页,返回,第三节 球墨铸铁,一、球墨铸铁的化学成份、组织和性能球墨铸铁的化学成份一般也在共晶点附近，按基体组织的不同分为4类：铁素体球墨铸铁、铁素体+珠光体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁和贝氏体球墨铸铁，其显微组织如图6-2所示。,上一页,下一页,返回,第三节 球墨铸铁,球墨铸铁是指铸铁液经过球化处理，使石墨全部或大部分呈球状分布的铸铁。球化处理方法是在浇注前的铸铁液中，加入一定量的球化剂（镁或稀土镁合金）和促进石墨化的孕育剂（硅铁），以改变石墨的结晶条件，促使石墨形成球状。我国目前主要应用的球化剂是稀土镁合金。,上一页,下一页,返回,第三节 球墨铸铁,在球墨铸铁中，由于石墨呈球状，表面积最小，与片状石墨相比，大大减少了对基体的割裂作用，应力集中现象也大大降低，提高了基体的承载能力。因此，球墨铸铁的力学性能比灰口铸铁高得多，特别是强度与钢接近，屈强比达到0.70.8，比碳钢高；塑性和韧性虽比灰铸铁大为改善，仍比钢差。此外，还可通过改变球墨铸铁的基体组织、球状石墨的圆整度、大小和分布进一步改善力学性能。球墨铸铁仍然具有良好的铸造性能、减振性、减摩性、低的缺口敏感性、切削加工性等。但与灰铸铁相比存在收缩率较大、流动性稍差、白口倾向大等缺陷，故对原材料、熔炼和铸造工艺的要求也高些。,上一页,下一页,返回,第三节 球墨铸铁,二、球墨铸铁的牌号、性能及用途球墨铸铁的牌号用“QT+A组数字-B组数字”表示，QT是“球铁”两字的汉语拼音字首；A组数字表示最低的抗拉强度值（MPa）；B组数字表示最低伸长率。例如QT600代表抗拉强度b600MPa、3%的球墨铸铁。球墨铸铁在机械制造、造船、冶金、化工等行业中，广泛用于制作受力复杂、性能要求较高的重要零件，如代替铸钢、锻钢，制作柴油机曲轴、连杆、齿轮等。球墨铸铁的牌号、性能及用途见表6-2所列。,上一页,下一页,返回,第三节 球墨铸铁,在球墨铸铁中，由于石墨呈球状，表面积最小，与片状石墨相比，大大减少了对基体的割裂作用，应力集中现象也大大降低，提高了基体的承载能力。因此，球墨铸铁的力学性能比灰口铸铁高得多，特别是强度与钢接近，屈强比达到0.70.8，比碳钢高；塑性和韧性虽比灰铸铁大为改善，仍比钢差。此外，还可通过改变球墨铸铁的基体组织、球状石墨的圆整度、大小和分布进一步改善力学性能。球墨铸铁仍然具有良好的铸造性能、减振性、减摩性、低的缺口敏感性、切削加工性等。但与灰铸铁相比存在收缩率较大、流动性稍差、白口倾向大等缺陷，故对原材料、熔炼和铸造工艺的要求也高些。,上一页,下一页,返回,第三节 球墨铸铁,三、球墨铸铁的热处理球墨铸铁的热处理与钢相似，但因含碳、硅量较高，有石墨存在，因此热处理的加热温度略高些、保温时间长些、加热速度和冷却速度要慢些。1退火球墨铸铁的退火是为了获得铁素体基体，提高塑性和韧性。根据铸铁的铸造组织不同，采用的退火方法有以下3种。1）去应力退火对不再进行其他热处理的铸铁件，常进行去应力退火，以消除铸件的应力。其工艺是将其加热至500600，保温28h，然后缓冷。,上一页,下一页,返回,第三节 球墨铸铁,2）低温退火对铸态组织是铁素体+珠光体和石墨，而没有自由渗碳体时，可进行低温退火，使珠光体中的渗碳体分解为铁素体和石墨，最后得到铁素体基体的球墨铸铁。其退火工艺是加热至700760，保温36h，然后随炉缓冷至600出炉空冷。3）高温退火对铸态组织不仅有石墨还有自由渗碳体时，可进行高温退火，使渗碳体分解为铁素体和石墨，最后得到铁素体基体的球墨铸铁。其退火工艺是加热至920980，保温25h，然后随炉缓冷至600出炉空冷。,上一页,下一页,返回,第三节 球墨铸铁,2正火球墨铸铁的正火是为了增加基体组织中的珠光体的数量，细化组织，提高球墨铸铁的强度和耐磨性。正火后，常采用消除应力的回火。1）低温正火低温正火又称不完全奥氏体化正火，其工艺是将铸件加热至820860，保温13h（使基体组织大部分奥氏体化，保留少量铁素体）然后出炉空冷，以得到珠光体和少量铁素体基体的球墨铸铁，既提高强度又具有较好的塑性和韧性。,上一页,下一页,返回,第三节 球墨铸铁,2）高温正火高温正火又称完全奥氏体化正火，其工艺是将铸件加热至880950，保温13h（使基体组织全奥氏体化）然后出炉空冷，以得到珠光体基体的球墨铸铁，提高强度、硬度和耐磨性。,上一页,下一页,返回,第三节 球墨铸铁,3调质处理球墨铸铁的调质处理是为了得到回火索氏体基体，以获得较高的综合力学性能。其工艺为，淬火加热温度860900、油冷，550600回火。4等温淬火球墨铸铁的等温淬火是为了得到下贝氏体基体，使其具有高硬度、高强度和较好的韧性。其工艺为，淬火加热温度850900、保温后迅速放入250350的盐浴中等温11.5h，然后取出空冷。,上一页,返回,第四节 可锻铸铁,可锻铸铁一般是先浇铸成白口铸铁，然后，通过高温石墨化退火，使渗碳体分解得到团絮状石墨。根据石墨化退火工艺不同，可分别获得铁素体基体可锻铸铁和珠光体基体可锻铸铁，如图6-3所示。,下一页,返回,第四节 可锻铸铁,将白口铸铁加热至900980经长时间保温，Fe3C分解形成团絮状石墨，在缓慢冷却时奥氏体中将析出二次石墨，却至共析转变温度（770720）时进入低温石墨化阶段。此时，若冷却速度十分缓慢，将使第三阶段石墨化充分进行，得到铁素体基体可锻铸铁。若冷速较快或在略低于共析温度范围作长时间等温，将获得珠光体基体的可锻铸铁。生产中，也可将铁素体可锻铸铁重新加热至共析转变温度以上保温一段时间，再以较快的速度冷却，以获得珠光体可锻铸铁。,上一页,下一页,返回,一、可锻铸铁的成份、组织及性能为保证浇注后获得全部白口组织，可锻铸铁的含碳和含硅量一般较低，WC=2.2%2.8%，WSi=1.0%1.8%，WMn=0.4%1.2%一般要求WS0.18%，WP0.2%可锻铸铁的组织为钢的基体上分布着团絮状石墨，根据石墨化退火工艺不同，有铁素体基体可锻铸铁和珠光体基体可锻铸铁。铁素体基体的可锻铸铁具有较好的塑性和韧性，珠光体基体的可锻铸铁具有较高的强度。,上一页,下一页,返回,第四节 可锻铸铁,由于团絮状石墨对基体的割裂作用较小，可锻铸铁的力学性能普遍比灰铸铁好，通常可锻铸铁具有较高的强度和韧性，它适宜于制造薄壁、形状复杂且要求有一定韧性的小型铸件，如水管接头，汽车后桥壳、轮毂、减速器壳、散热器进水管等。由于石墨化退火工艺复杂，生产率低，可锻铸铁的应用受到了限制，有时也采用球墨铸铁来代替。,上一页,下一页,返回,第四节 可锻铸铁,二、可锻铸铁的牌号及应用可锻铸铁的牌号用“KT+表示类别的字母+A组数字-B组数字”表示，KT是“可铁”两字的汉语拼音字首；表示类别的字母有H、B、Z，分别代表“黑心”“白心”“珠光体基体”；A组数字表示最低的抗拉强度值（MPa），B组数字表示最低伸长率。例如KTH370-12，代表b370MPa、12%的黑心可锻铸铁。可锻铸铁用于制作形状复杂、要求强度、韧性较高的薄壁零件。可锻铸铁的常用牌号、性能及用途见表6-3所列。,上一页,返回,第五节 蠕墨铸铁,蠕墨铸铁的生产方法与球墨铸铁相似，是通过在一定成份的铁水中加入适量的蠕化剂、再加孕育剂而生产制得的。蠕化剂有镁钛合金、稀土镁钛合金、稀土镁钙合金等。,下一页,返回,第五节 蠕墨铸铁,一、蠕墨铸铁的成份、组织与性能蠕墨铸铁的化学成份一般为：WC=3.5%3.9%,WSi=2.2%2.8%,WMn=0.4%0.8%,WP0.1%,WS0.1%.由于蠕虫状石墨的形态介于球状和片状之间，比片状短、粗，端部呈球状，如图6-4所示。所以，蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间。减振性、铸造性能、导热性优于球墨铸铁，切削加工性比灰铸铁差。蠕墨铸铁的基体组织有铁素体、铁素体+珠光体和珠光体三种，一般为铁素体蠕墨铸铁。,上一页,下一页,返回,第五节 蠕墨铸铁,二、蠕墨铸铁的牌号、性能及用途蠕墨铸铁的牌号用“RuT+一组数字”表示，RuT是“蠕铁”两字的汉语拼音字首，一组数字表示最低的抗拉强度值（MPa）。例如RuT420，代表b420MPa的蠕墨铸铁。蠕墨铸铁的牌号、性能及用途见表6-4所列。,上一页,返回,知识拓展,合金铸铁是指在普通铸铁基础上加入一种或多种元素、提高常规元素硅、锰的含量，获得的具有较高力学性能或某些特殊性能的铸铁。1耐磨铸铁耐磨铸铁是指不易磨损的铸铁。加入的主要合金元素有锰、磷、铬、钼、钨、铜、钛、钒、硼等元素，其作用是形成硬化相，提高耐磨性。耐磨铸铁广泛用于机床导轨、气缸套、活塞环、轴承、犁铧、轧辊等。,下一页,返回,知识拓展,2耐热铸铁耐热铸铁是指在高温下使用，具有抗氧化性或抗生长性能符合使用要求的铸铁。加入的主要合金元素有硅、铝、铬等，其作用是在铸件表面形成一层致密的SiO2、Al2O3、Cr2O3等氧化膜，保护内层不被氧化。耐热铸铁主要用于制作炉底板、烟道挡板、炉条、渗碳坩埚等。3耐蚀铸铁耐蚀铸铁是指具有一定耐腐蚀能力的铸铁。加入的合金元素主要有硅、铝、铬、镍、铜等，其作用是在铸件表面形成一层致密的氧化膜、提高基体组织的电极电位、形成单相基体加球状石墨，从而提高耐蚀性。耐蚀铸铁主要用于化工管道、泵、阀门、容器等。,上一页,返回,先导案例解决,根据图片分析可知，零件的结构尺寸偏大，一般的常规加工制造方法非常困难，若采用铸造的方法比较合适，因此，选用铸铁材料比较合理，方便加工，同时强度和硬度又能够保证，成本也低。,返回,本章小结,了解铸铁的分类及其石墨化过程，掌握灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁的特性及牌号选用方法。本章重点是介绍灰铸铁和球墨铸铁的性能及热处理方法，同时也是本章的难点，这部分知识是今后分析机械制造工艺和故障维修的重要知识点，也是以后学习机械加工的必要基础知识。,返回,思考题,1什么叫铸铁？铸铁是如何分类的？可分为哪几类？2铸铁与钢相比有何优缺点？其主要原因是什么？3何为铸铁的石墨化？影响石墨化的主要因素有哪些？4对灰铸铁进行孕育处理的目的是什么？5简述铸铁的性能和基体组织、石墨形态的关系。6为何可锻铸铁适合制造壁薄的铸件，而灰铸铁和球墨铸铁却适合制作相对较厚的铸件？,下一页,返回,思考题,7可锻铸铁是否能锻压加工？为什么？8说明下列牌号的意义，举例说明其应用。HT150 QT800-2 KTH300-06 RuT3009下列铸件，应选用何种铸铁材料较合适：内燃机曲轴、车床床身、化工容器、管接头、轧辊。10下列铸件出现不正常的现象，应采取什么措施予以防止或改善？（1）灰铸铁铸件的薄壁处出现白口组织，造成切削加工困难。（2）机床齿轮箱铸造以后立即进行切削加工，在加工完后出现了不允许的变形。,上一页,返回,先导案例,返回,图6-1 灰口铸铁组织示意图,（a）灰铸铁；（b）球墨铸铁；（c）可锻铸铁；（d）蠕墨铸铁,返回,图6-2 球墨铸铁的显微组织,（a）铁素体基体；（b）铁素体+珠光体基体；（c）珠光体基体；（d）贝氏体基体,返回,图6-3 可锻铸铁,（a）黑心可锻铸铁；（b）珠光体可锻铸铁,返回,图6-4 铁素体蠕墨铸铁的显微组织,返回,表6-1 常用灰铸铁的牌号、力学性能及用途,返回,表6-2 常用球墨铸铁的牌号、力学性能及用途,返回,表6-3 常用可锻铸铁的牌号、力学性能及用途,返回,表6-4 常用蠕墨铸铁的牌号、力学性能及用途,返回,
