工程材料学铸铁精.ppt

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1、工程材料学铸铁第1页，本讲稿共57页o在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：固溶在固溶在F F、A A中中 化合物态的渗碳体化合物态的渗碳体(Fe3C)(Fe3C)，游离态石墨（游离态石墨（G G）分类：分类：根据碳在铸铁中的存在形式（根据碳在铸铁中的存在形式（G or CemG or Cem）分为）分为 白口铸铁白口铸铁-碳主要以游离碳化物的形式析出，断口呈碳主要以游离碳化物的形式析出，断口呈银白色银白色 灰口铸铁灰口铸铁-碳大部分或全部以石墨的形式析出，断碳大部分或全部以石墨的形式析出，断口呈暗灰色口呈暗灰色 麻口铸铁麻口铸铁-碳部分以游离碳化物形式析出，

2、部分以碳部分以游离碳化物形式析出，部分以石墨形式析出，断口灰、白色相间石墨形式析出，断口灰、白色相间 第2页，本讲稿共57页 二二 复线铁碳相图复线铁碳相图 在铁碳相图中，碳可以化合态的渗碳体的形式和游离态的石墨在铁碳相图中，碳可以化合态的渗碳体的形式和游离态的石墨(G)(G)的的形式存在。渗碳体具有复杂的斜方结构。石墨具有特殊的简单六方晶格，形式存在。渗碳体具有复杂的斜方结构。石墨具有特殊的简单六方晶格，其底面碳原子呈六方网络排列，原子间为共价键结合，间距小（其底面碳原子呈六方网络排列，原子间为共价键结合，间距小（1.421.42）结合力很强；底面层之间为分子键，面间距离大（）结合力很强；底

3、面层之间为分子键，面间距离大（3.043.04），结合力），结合力弱，所以石墨的强度和硬度不高，韧性很低。弱，所以石墨的强度和硬度不高，韧性很低。石墨的晶体结构如图石墨的晶体结构如图 第3页，本讲稿共57页o渗碳体为亚稳定相，在一定条件下能渗碳体为亚稳定相，在一定条件下能分解为铁和石墨（分解为铁和石墨（FeFe3 3C3Fe+GC3Fe+G）;o石墨为稳定相。所以在不同情况下，铁碳石墨为稳定相。所以在不同情况下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的合金可以有亚稳定平衡的Fe-FeFe-Fe3 3C C相图，以相图，以及稳定平衡的铁石墨相图。即铁碳合金相及稳定平衡的铁石墨相图。即铁碳合金相图应该是复合相图

4、，图应该是复合相图，见图见图。其中，实线表。其中，实线表示示Fe-FeFe-Fe3 3C C相图，虚线表示铁碳合金相图，虚线表示铁碳合金.究究竟按哪种相图变化，决定于其加热或冷竟按哪种相图变化，决定于其加热或冷却条件或获得的平衡的性质（亚稳定平却条件或获得的平衡的性质（亚稳定平衡还是稳定平衡）。虚线相图的分析方衡还是稳定平衡）。虚线相图的分析方法，与前面讨论过的实线相图完全相同。法，与前面讨论过的实线相图完全相同。第4页，本讲稿共57页 三铸铁的石墨化过程三铸铁的石墨化过程 石墨化石墨化-铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程。铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程。石墨既可以直接从液体和奥氏体中析出，也

5、可以通过渗碳石墨既可以直接从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要从液体体分解来获得。灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间高中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间高温退火，由渗碳体的高温分解来获得。温退火，由渗碳体的高温分解来获得。第5页，本讲稿共57页 按照铁石墨相图，可将铸铁的石墨形成过程（石墨化）按照铁石墨相图，可将铸铁的石墨形成过程（石墨化）分为分为三个阶段三个阶段。o第一阶段石墨化第一阶段石墨化 铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶铸铁）和在铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶铸铁）和在 1154(

6、ECF1154(ECF线线)通过共晶反应形成共晶通过共晶反应形成共晶石墨，其反应式为：石墨，其反应式为：LcA LcAE E+G+G（共晶）（共晶）o第二阶段石墨化第二阶段石墨化 在在1154 1154 738738温度范围内奥氏体沿温度范围内奥氏体沿ESES线析线析出二次石墨。出二次石墨。o第三阶段石墨化第三阶段石墨化 在在738 738（PSKPSK）通过共析反应析出石墨，）通过共析反应析出石墨，其反应方程式为：其反应方程式为：AsFp+G(AsFp+G(共析共析)含含3 3的亚共晶铸铁石墨相图进行转变的过程的亚共晶铸铁石墨相图进行转变的过程如图如图所示所示第6页，本讲稿共57页 四影响石

7、墨化的主要因素四影响石墨化的主要因素 (一一)温度及冷却速度温度及冷却速度 铸铁的结晶，在高温慢冷的条件下，由于碳原子能充分扩散，通常按铁铸铁的结晶，在高温慢冷的条件下，由于碳原子能充分扩散，通常按铁石墨相图进行。碳以石墨的形式析出。当冷速较快时，由液体析出的是渗碳石墨相图进行。碳以石墨的形式析出。当冷速较快时，由液体析出的是渗碳体而不是石墨，因为渗碳体的含碳量（体而不是石墨，因为渗碳体的含碳量（669669）比石墨（）比石墨（100100）更接近于）更接近于合金的含碳量（合金的含碳量（25254040），析出渗碳体所需的碳原子扩散量较少。在），析出渗碳体所需的碳原子扩散量较少。在低温（共晶反

8、应温度）条件下，碳原子扩散能力较差，铸铁的石墨化过程往低温（共晶反应温度）条件下，碳原子扩散能力较差，铸铁的石墨化过程往往难以进行。往难以进行。铸铁加热时，到铸铁加热时，到550550以上，共析渗碳体开始分解为石墨和铁素体。加热温以上，共析渗碳体开始分解为石墨和铁素体。加热温度越高，保温时间越长，分解越强烈。在共析温度以下，二次渗碳体度越高，保温时间越长，分解越强烈。在共析温度以下，二次渗碳体共晶共晶渗碳体和一次渗碳体先后分解成奥氏体和石墨。渗碳体和一次渗碳体先后分解成奥氏体和石墨。因此，在实际生产中，铸铁的缓慢冷却，或在高温下长时间保温，都有利因此，在实际生产中，铸铁的缓慢冷却，或在高温下长

9、时间保温，都有利于石墨化进程。于石墨化进程。第7页，本讲稿共57页 （二）合金元素合金元素 按对石墨化的作用，合金元素可分为两大类：按对石墨化的作用，合金元素可分为两大类：促进石墨化的元素促进石墨化的元素-CSiAlCuNiCo-CSiAlCuNiCo等。等。阻碍石墨化的元素阻碍石墨化的元素-CrWMoVMn CrWMoVMn 等，以及杂质元素等，以及杂质元素S S。一般来说，。一般来说，非碳化物形成元素阻碍石墨化。在促进石墨化的元素中，非碳化物形成元素阻碍石墨化。在促进石墨化的元素中，C C和和SiSi最强烈。生最强烈。生产中，调整碳产中，调整碳硅含量，是控制铸铁组织与性能的基本措施。碳不仅

10、促进硅含量，是控制铸铁组织与性能的基本措施。碳不仅促进石墨化，而且还影响石墨的数量石墨化，而且还影响石墨的数量大小和分布。大小和分布。S S强烈促进石墨的白口化，强烈促进石墨的白口化，并使机械性能和铸造性能恶化，因此一般控制在并使机械性能和铸造性能恶化，因此一般控制在015015以下以下。生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。第8页，本讲稿共57页 CE CE来评价铸铁成份的石墨化能力：来评价铸铁成份的石墨化能力：CE=Wc+1/2W(Si+P)同时用共晶度同时用共晶度（表示铸铁的碳含量接近共晶表示铸铁的碳含量接近共晶点

11、浓度的程度，点浓度的程度，Sc=1Sc=1共晶铸铁；共晶铸铁；Sc1Sc1Sc 1过共晶铸铁。过共晶铸铁。Sc CE-Sc CE-石石墨化能力墨化能力)第9页，本讲稿共57页o五.铸铁的组织特征和分类 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同 铸铁经不同程度石墨化后所得的组织铸铁经不同程度石墨化后所得的组织名称名称 石墨化程度石墨化程度 显微组织显微组织 第一阶段第一阶段 第二阶段第二阶段 第三阶段第三阶段 灰铸铁灰铸铁 充分进行充分进行 充分进行充分进行 充分进行充分进行 充分进行充分进行 充分进行充分进行 充分进行充分进行 充分进行充分进行 部分进行部分进行 不进行不进行 F FG G

12、 F FP PG G P PG G 麻铸铁麻铸铁 部分进行部分进行 部分进行部分进行 不进行不进行 LeLe+P+G+P+G 白口铸铁白口铸铁 不进行不进行 不进行不进行 不进行不进行 LeLe+P+Fe+P+Fe3 3C C 第10页，本讲稿共57页o组织构成：常用各类铸铁的组织是两部分组成的，一部分是石墨，另一部组织构成：常用各类铸铁的组织是两部分组成的，一部分是石墨，另一部分是基体。基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，相当于铁或钢分是基体。基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，相当于铁或钢的组织。所以，铸铁的组织可以看成是铁或钢的基体上分布着石墨夹杂。的组织。所以，铸铁的组织可

13、以看成是铁或钢的基体上分布着石墨夹杂。o石墨形态：不同类型铸铁组织中的石墨形态是不同的石墨形态：不同类型铸铁组织中的石墨形态是不同的 灰铸铁和变质铸铁中的石墨呈片状；灰铸铁和变质铸铁中的石墨呈片状；可锻铸铁中石墨呈团絮状；可锻铸铁中石墨呈团絮状；球墨铸铁中的石墨呈球状；球墨铸铁中的石墨呈球状；蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。第11页，本讲稿共57页 六六.铸铁的性能特点铸铁的性能特点 灰铸铁的抗拉强度和塑性都很低，石墨对基体严重割裂。石墨强度、韧性极低，灰铸铁的抗拉强度和塑性都很低，石墨对基体严重割裂。石墨强度、韧性极低，相当于裂纹或空洞，它减小基体的有效截面，并引起应力集

14、中。相当于裂纹或空洞，它减小基体的有效截面，并引起应力集中。石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，铸铁抗拉强度越低。石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，铸铁抗拉强度越低。变质处理可细化石墨片，提高铸铁的强度，但塑性无明显改善。变质处理可细化石墨片，提高铸铁的强度，但塑性无明显改善。石墨的存在使铸铁具备下列特殊性能：石墨的存在使铸铁具备下列特殊性能：（1 1）石墨造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。）石墨造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。（2 2）铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少铸件体积的收缩，降低）铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少铸件体积

15、的收缩，降低铸件中的内应力。铸件中的内应力。（3 3）石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。）石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。（4 4）石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。）石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。（5 5）大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。）大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。各种铸铁的机械性能各种铸铁的机械性能 第12页，本讲稿共57页第二节第二节 灰口铸铁灰口铸铁 灰口铸铁是价格便宜灰口铸铁是价格便宜应用最广泛的铸铁材料。在各类铸铁应用最广泛的铸铁材料。在各类铸铁的总产量中，灰口铸

16、铁占的总产量中，灰口铸铁占8080以上。以上。一一铸铁的牌号铸铁的牌号 我国灰口铸铁的牌号我国灰口铸铁的牌号见表见表。“HTHT”表示表示“灰铁灰铁”，后面的数字表，后面的数字表示最低抗拉强度。灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以下范示最低抗拉强度。灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以下范围：围：2.5%2.5%4.0%C;1.0%4.0%C;1.0%2.0%Si2.0%Si。二、灰铸铁的组织二、灰铸铁的组织 灰口铸铁有铁素体基体灰口铸铁有铁素体基体珠光体基体和铁素体加珠光体基体三珠光体基体和铁素体加珠光体基体三种铸铁，其组织种铸铁，其组织见图见图。第13页，本讲稿共57页 三三 灰口铸铁的性

17、能灰口铸铁的性能 1 1、优良的铸造性能、优良的铸造性能 由于灰铸铁的化学成分接近共晶点，所以铁水流动性好，可以铸造非常复杂的零件；由于灰铸铁的化学成分接近共晶点，所以铁水流动性好，可以铸造非常复杂的零件；另外由于石墨比容较大，使铸件凝固时的收缩量减少可简化工艺，减轻铸件的另外由于石墨比容较大，使铸件凝固时的收缩量减少可简化工艺，减轻铸件的应力，并可得到致密的组织。应力，并可得到致密的组织。2 2、优良的耐磨性、优良的耐磨性 石墨本身具有润滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和储存润滑油，使铸件有良好石墨本身具有润滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和储存润滑油，使铸件有良好的耐磨性；此外由于铸件中带有硬

18、度很高的磷共晶：又能使抗磨能力进一步的耐磨性；此外由于铸件中带有硬度很高的磷共晶：又能使抗磨能力进一步 提高，这对于制备活塞环气缸套等受摩擦零件具有重要意义，提高，这对于制备活塞环气缸套等受摩擦零件具有重要意义，3 3、消震性好、消震性好 石墨可以阻止震动的传播灰铸铁的消震能力是钢的石墨可以阻止震动的传播灰铸铁的消震能力是钢的1010倍，常用来制作承倍，常用来制作承受振动的机床底座。受振动的机床底座。第14页，本讲稿共57页4、较低的缺口敏感姓和良好的切削加工性能、较低的缺口敏感姓和良好的切削加工性能 灰铸铁中由于石墨的存在，相当于存在很多小的缺口对表面的缺陷、缺口等几灰铸铁中由于石墨的存在，

19、相当于存在很多小的缺口对表面的缺陷、缺口等几乎没有敏感性因此，表面的缺陷对铸铁的疲劳强度影响较小，但其疲劳强度乎没有敏感性因此，表面的缺陷对铸铁的疲劳强度影响较小，但其疲劳强度比钢要低；比钢要低；由于灰铸铁中的石墨可以起断屑作用相对刀具的润滑起减摩作用、由于灰铸铁中的石墨可以起断屑作用相对刀具的润滑起减摩作用、所以其切削加工性是良好的所以其切削加工性是良好的5 5、灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳素铸钢、灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳素铸钢 灰铸铁的抗压强度和硬度主要取决于基体组织；灰铸铁的抗压强度一般灰铸铁的抗压强度和硬度主要取决于基体组织；灰铸铁的抗压强度一般

20、比抗拉强度高出比抗拉强度高出3-43-4倍，这是灰铸铁的一种特性，因此与其把灰铸铁倍，这是灰铸铁的一种特性，因此与其把灰铸铁用作抗拉零件还不如做耐压零件更适合：这就是广泛用作机床床身和支用作抗拉零件还不如做耐压零件更适合：这就是广泛用作机床床身和支柱受耐压零件的原因，灰铸铁的硬度与同样基体的正火钢相近柱受耐压零件的原因，灰铸铁的硬度与同样基体的正火钢相近第15页，本讲稿共57页 四四.影响灰铸铁组织和性能的因素影响灰铸铁组织和性能的因素 1.1.成分对铸铁的影响成分对铸铁的影响锰是阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体中，增强铁、碳原子间的结合力，扩锰是阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体中

21、，增强铁、碳原子间的结合力，扩大奥氏体区，阻止共析转变时的石墨化，促进珠光体基体的形成。锰还能与硫生成大奥氏体区，阻止共析转变时的石墨化，促进珠光体基体的形成。锰还能与硫生成MnSMnS，减少硫的有害作用。锰质量分数一般为减少硫的有害作用。锰质量分数一般为0.5%0.5%1.4%1.4%。磷是促进石墨化的元素。铸铁中磷含量增加时，液相线降低，从而提高了铁磷是促进石墨化的元素。铸铁中磷含量增加时，液相线降低，从而提高了铁水的流动性。在铸铁中，磷质量分数大于水的流动性。在铸铁中，磷质量分数大于0.3%0.3%时，常常形成二元或三元磷共晶时，常常形成二元或三元磷共晶体，其性能硬而脆，降低铸铁的强度，

22、但提高其耐磨性。所以，要求铸铁有较体，其性能硬而脆，降低铸铁的强度，但提高其耐磨性。所以，要求铸铁有较高强度时，要限制磷含量（一般在高强度时，要限制磷含量（一般在0.12%0.12%以下），而耐磨铸铁则要求有一定的磷以下），而耐磨铸铁则要求有一定的磷含量（可达含量（可达0.3%0.3%以上）。以上）。硫是有害元素，它强烈促进白口化，并使铸铁的铸造性能和机械性能恶化。硫是有害元素，它强烈促进白口化，并使铸铁的铸造性能和机械性能恶化。少量硫即可生成少量硫即可生成FeS(FeS(或或MnS)MnS)。FeSFeS与铁形成低熔点与铁形成低熔点(约约980)980)共晶体，沿晶界分共晶体，沿晶界分布。因

23、此限定硫的质量分数在布。因此限定硫的质量分数在0.15%0.15%以下。以下。第16页，本讲稿共57页2.冷却速度的影响冷却速度的影响 o在一定的铸造工艺（如浇注温度、铸型温度、造型材料种类等）条在一定的铸造工艺（如浇注温度、铸型温度、造型材料种类等）条件下，铸件的冷却速度对石墨化程度影响很大。件下，铸件的冷却速度对石墨化程度影响很大。o随着铸件壁厚增加，冷却速度减慢，依次出现珠光体、珠光体加铁素体和铁随着铸件壁厚增加，冷却速度减慢，依次出现珠光体、珠光体加铁素体和铁素体灰口铸铁组织。素体灰口铸铁组织。o不同不同C+SiC+Si含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织含量，不同壁厚（冷却速度）铸件

24、的组织 第17页，本讲稿共57页五五孕育处理孕育处理孕育处理：孕育处理：就是变质处理，孕育处理后的灰口铸铁叫做孕育铸铁。常用的孕育剂有两就是变质处理，孕育处理后的灰口铸铁叫做孕育铸铁。常用的孕育剂有两种。一种为硅类合金，例如最常用的含种。一种为硅类合金，例如最常用的含7575硅的硅铁合金硅的硅铁合金含含60606565硅和硅和25253535钙的硅钙合金等，后者石墨化能力比前者高钙的硅钙合金等，后者石墨化能力比前者高1.51.53 3倍，但价格较贵。另一类倍，但价格较贵。另一类是碳类，例如石墨粉是碳类，例如石墨粉电极粒等。电极粒等。孕育处理的目的是：孕育处理的目的是：1 1 使铁水内同时生成大

25、量均匀的非自发形核，以获得细小均匀的石墨片，并细使铁水内同时生成大量均匀的非自发形核，以获得细小均匀的石墨片，并细化基体组织，提高铸铁的强度；化基体组织，提高铸铁的强度；2 2 避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的均匀性。避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的均匀性。应用：应用：孕育铸铁具有较高的强度和硬度，可用来制造机械性能要求较高的铸件，孕育铸铁具有较高的强度和硬度，可用来制造机械性能要求较高的铸件，如气缸如气缸曲轴曲轴凸轮凸轮机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。第18页，本讲稿共57页 六六灰口铸铁的热处理灰口铸铁

26、的热处理 热处理不能改变石墨的形状和分布，对提高灰口铸铁机械性能作用不热处理不能改变石墨的形状和分布，对提高灰口铸铁机械性能作用不大，因此生产中主要用来消除内应力、改善切削加工性能和提高表大，因此生产中主要用来消除内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。面耐磨性等。1.1.消除内应力退火（又称人工时效）消除内应力退火（又称人工时效）一些形状复杂和尺寸稳定性要求较高的重要铸件，如机床床身一些形状复杂和尺寸稳定性要求较高的重要铸件，如机床床身柴油机气缸等，柴油机气缸等，为了防变形和开裂，需进行消除内应力退火。工艺规定是：加热温度为了防变形和开裂，需进行消除内应力退火。工艺规定是：加热温度500

27、500550550，加热速度为，加热速度为6060120/h120/h。温度不宜过高，以免发生共析渗碳体的球化。温度不宜过高，以免发生共析渗碳体的球化和石墨化。保温时间则取决于加热温度和铸件壁厚，一般是：壁厚和石墨化。保温时间则取决于加热温度和铸件壁厚，一般是：壁厚20mm20mm时，时，保温时间为保温时间为2h2h，壁厚每增加，壁厚每增加25mm25mm，保温时间增长，保温时间增长1h1h。冷却速度为。冷却速度为202050/h50/h，到到150150220220后出炉空冷。后出炉空冷。第19页，本讲稿共57页 2.2.消除铸件白口消除铸件白口降低硬度的退火降低硬度的退火 灰口铸铁件表面和

28、薄壁处产生的白口组织难以切削加工，需要退火降低硬度。灰口铸铁件表面和薄壁处产生的白口组织难以切削加工，需要退火降低硬度。退火在共析温度以上进行，使渗碳体分解成石墨，所以又称高温退火。工艺是：退火在共析温度以上进行，使渗碳体分解成石墨，所以又称高温退火。工艺是：加热到加热到850850900900，保温，保温2 25h5h，然后随炉冷却，至，然后随炉冷却，至250250400400后出炉空冷。退后出炉空冷。退火铸件的硬度可下降火铸件的硬度可下降HB20HB204040。3.3.表面淬火表面淬火 有些铸件如机床导轨有些铸件如机床导轨缸体内壁等，因需要提高硬度和耐磨性，可进缸体内壁等，因需要提高硬度

29、和耐磨性，可进行表面淬火处理，如高频表面淬火行表面淬火处理，如高频表面淬火火焰表面淬火等。淬火后表面硬度火焰表面淬火等。淬火后表面硬度可达可达HRC50HRC50。第20页，本讲稿共57页第三节第三节 球墨铸铁球墨铸铁 球墨铸铁是本世纪球墨铸铁是本世纪5050年代发展起来的一种高强度材料，其综合机械性能年代发展起来的一种高强度材料，其综合机械性能接近于钢，因铸造性能很好，成本很低，生产方便，在工业生产中得到了接近于钢，因铸造性能很好，成本很低，生产方便，在工业生产中得到了广泛的应用。广泛的应用。一一球墨铸铁的成分和球化处理球墨铸铁的成分和球化处理 球墨铸铁的成分：球墨铸铁的成分：要求比较严格，

30、一般范围是：要求比较严格，一般范围是：3.63.63.9%C,2.03.9%C,2.02.8%Si,0.62.8%Si,0.60.8%Mn,0.07%S,0.1%P0.8%Mn,0.07%S,0.1%P。与灰口铸铁相比，它的碳当量较高，一般为。与灰口铸铁相比，它的碳当量较高，一般为过共晶成分，通常在过共晶成分，通常在4.54.54.7%4.7%范围内变动，以利于石墨球化。范围内变动，以利于石墨球化。第21页，本讲稿共57页 球墨铸铁的球化处理球墨铸铁的球化处理：必须伴随以孕育处理，通常是在铁水中加入一定必须伴随以孕育处理，通常是在铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂。国外使用球化剂主要是金属镁，量

31、的球化剂和孕育剂。国外使用球化剂主要是金属镁，实践证明，铁水中含实践证明，铁水中含0.040.040.080.08镁时，石墨就能完全镁时，石墨就能完全球化。我国普遍使用稀土镁球化剂。镁是强烈的反石球化。我国普遍使用稀土镁球化剂。镁是强烈的反石墨化元素，为了避免白口，并使石墨球细小墨化元素，为了避免白口，并使石墨球细小均匀分均匀分布布光园，一定要加入孕育剂。常用的孕育剂为光园，一定要加入孕育剂。常用的孕育剂为7575硅铁和硅钙合金等。硅铁和硅钙合金等。第22页，本讲稿共57页 二、球墨铸铁的牌号、组织和性能二、球墨铸铁的牌号、组织和性能 1.1.牌号牌号 我国球墨铸铁牌号用我国球墨铸铁牌号用“Q

32、TQT”标明，其后两组数字表示最低抗标明，其后两组数字表示最低抗拉强度极限和延伸率，拉强度极限和延伸率，见表见表 由表中数据可知，球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰口由表中数据可知，球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰口铸铁，而与钢相当。其突出特点是屈强比（铸铁，而与钢相当。其突出特点是屈强比（0.20.2/b b）高，）高，约为约为0.70.70.80.8，而钢一般只有，而钢一般只有0.30.30.50.5。在一般的机械。在一般的机械设计中，材料的许用应力根据设计中，材料的许用应力根据0.20.2确定，因此对于承受静确定，因此对于承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，重量更轻。载的零件，使用球墨铸

33、铁比铸钢还节省材料，重量更轻。第23页，本讲稿共57页 2.2.组织组织 不同的基体的球墨铸铁不同的基体的球墨铸铁见图见图，性能差别很大。珠光体球墨铸铁的抗拉强度，性能差别很大。珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体的高比铁素体基体的高5050以上，而铁素体基的球墨铸铁的延伸率为珠光体基以上，而铁素体基的球墨铸铁的延伸率为珠光体基的的3 35 5倍。倍。3.3.性能性能 球墨铸铁具有较好的疲劳强度。球墨铸铁具有较好的疲劳强度。表中表中给出了球墨铸铁和给出了球墨铸铁和4545钢试验的对称弯曲钢试验的对称弯曲疲劳强度。可见带孔和带台肩的试样疲劳强度大致相同。试验还表明，球疲劳强度。可见带孔和带台肩的

34、试样疲劳强度大致相同。试验还表明，球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过4545钢。在实际应用中，大多数承受动载的钢。在实际应用中，大多数承受动载的零件是带孔或是带台肩的，因此完全可以用球墨铸铁来代替钢制造某些重零件是带孔或是带台肩的，因此完全可以用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆、凸轮轴等要零件，如曲轴、连杆、凸轮轴等。第24页，本讲稿共57页三、球墨铸铁的热处理三、球墨铸铁的热处理热处理特点热处理特点：球墨铸铁的热处理原理与钢大致相同，但由于球墨铸铁的热处理原理与钢大致相同，但由于 它含有较高的硅、碳、锰等，具有一些特点它含有较高的硅、碳、锰等，具有一些特

35、点1.1.共析转变温度较高共析转变温度较高 其奥氏体的加热温国度高于碳钢其奥氏体的加热温国度高于碳钢2.C2.C曲线右移，并形成两个曲线右移，并形成两个“鼻尖鼻尖”淬透性比碳钢好，因此中、小铸件可采用油淬，并较容易淬透性比碳钢好，因此中、小铸件可采用油淬，并较容易实现等温淬火工艺，获得下贝氏体基体实现等温淬火工艺，获得下贝氏体基体 第25页，本讲稿共57页 3.可利用淬火加热温度和保温时间的控制来调整奥氏可利用淬火加热温度和保温时间的控制来调整奥氏体中的碳含量体中的碳含量:高的加热温度和长的保温时间，使以石墨形式保存在的高的加热温度和长的保温时间，使以石墨形式保存在的碳较多地溶入奥氏体中，因而

36、淬火后得到较粗大的马氏碳较多地溶入奥氏体中，因而淬火后得到较粗大的马氏体和数量较多的残余奥氏体。对铸件综合性能要球较高体和数量较多的残余奥氏体。对铸件综合性能要球较高时，应在保证完全奥氏体化的条件下，尽量采用较低的时，应在保证完全奥氏体化的条件下，尽量采用较低的加热温度，以获得碳含量较低的马氏体基体组织。加热温度，以获得碳含量较低的马氏体基体组织。第26页，本讲稿共57页热处理工艺热处理工艺 主要有退火、正火、调质、等温淬火等。主要有退火、正火、调质、等温淬火等。1.1.退火退火 退火目的：在于获得铁素体基体。球化剂增大铸件的白口化倾向，当铸件薄壁处退火目的：在于获得铁素体基体。球化剂增大铸件

37、的白口化倾向，当铸件薄壁处现自由渗碳体和珠光体时，为了获得塑性好的铁素体基体，并改善切削性能，消现自由渗碳体和珠光体时，为了获得塑性好的铁素体基体，并改善切削性能，消除铸造应力，根据铸铁的铸造组织，可采用两种退火工艺：除铸造应力，根据铸铁的铸造组织，可采用两种退火工艺：a a高温退火高温退火-存在自由渗碳体时，进行高温退火：加热到存在自由渗碳体时，进行高温退火：加热到990990950950，保温，保温2 25h5h。随炉冷却，至随炉冷却，至600600左右出炉空冷。左右出炉空冷。b b低温退火低温退火-铸态组织为铁素体加珠光体加石墨而没有自由渗碳体时，采用低铸态组织为铁素体加珠光体加石墨而没

38、有自由渗碳体时，采用低温退火：加热温退火：加热720720760760，保温，保温3 36h6h，随炉冷却至，随炉冷却至600600后出炉空冷。后出炉空冷。第27页，本讲稿共57页 2.正火正火 正火的目的：在于得到珠光体基体（占基体正火的目的：在于得到珠光体基体（占基体7575以上），并细化组织，提高以上），并细化组织，提高强度和耐磨性。根据加热温度，分高温正火（完全奥氏体化正火）和低温强度和耐磨性。根据加热温度，分高温正火（完全奥氏体化正火）和低温正火（不完全奥氏体化正火）两种：正火（不完全奥氏体化正火）两种：a a高温正火高温正火-加热到加热到880880920920，保温，保温3h,3

39、h,然后空冷，为了提高基体中珠光然后空冷，为了提高基体中珠光体的含量，还常采用风冷，喷雾冷等加快冷却速度的方法（保证铸铁的强体的含量，还常采用风冷，喷雾冷等加快冷却速度的方法（保证铸铁的强度度)。b b低温正火低温正火-加热到加热到820820860860，保温一定时间，使基体部分转变为奥，保温一定时间，使基体部分转变为奥氏体，部分保留为铁素体，空冷后得到珠光体和少量破碎铁素体的基体，氏体，部分保留为铁素体，空冷后得到珠光体和少量破碎铁素体的基体，提高铸铁的强度，保证其较好的塑性。提高铸铁的强度，保证其较好的塑性。第28页，本讲稿共57页3.调质调质o要求综合机械性能较高的球墨铸铁零件，如连杆

40、、曲轴等，要求综合机械性能较高的球墨铸铁零件，如连杆、曲轴等，可采用调质处理。可采用调质处理。o其工艺为：加热到其工艺为：加热到850 850 900 900，使基体转变为奥氏体，使基体转变为奥氏体，在油中淬火得到马氏体，然后经在油中淬火得到马氏体，然后经550 550 600 600 回火，空回火，空冷，获得回火索氏体冷，获得回火索氏体+球状石墨。回火索氏体基体不仅强度球状石墨。回火索氏体基体不仅强度高，而且塑性、韧性比正火得到的珠光体基体好。高，而且塑性、韧性比正火得到的珠光体基体好。o表面要求耐磨的零件可以再进行表面淬火及低温回火。表面要求耐磨的零件可以再进行表面淬火及低温回火。第29页

41、，本讲稿共57页球墨铸铁调质和正火后的组织性能球墨铸铁调质和正火后的组织性能热处理工艺热处理工艺显微组织显微组织机械性能机械性能bMPa5%akkJ/m2HB调质调质:980退火后退火后,900油淬油淬+580回火回火回火索氏回火索氏体体+石墨石墨80010001.72.7260320240340正火正火:980退火后退火后,900正火正火+580去应力去应力退火退火珠光体珠光体+5%铁素体铁素体+石墨石墨7002.5100317321第30页，本讲稿共57页4.4.等温淬火等温淬火o球墨铸铁经等温淬火后可获得高的强度，同时具有良好的塑性和韧性。等温淬球墨铸铁经等温淬火后可获得高的强度，同时具

42、有良好的塑性和韧性。等温淬火工艺为：加热到奥氏体区（火工艺为：加热到奥氏体区（840 840 900 900 左右），保温后在左右），保温后在300 300 左右的等温盐溶中冷却并保温，使基体在此温度下转变为下贝氏体左右的等温盐溶中冷却并保温，使基体在此温度下转变为下贝氏体+球状石墨。球状石墨。o等温处理后，球墨铸铁的强度可达等温处理后，球墨铸铁的强度可达1200 MPa1200 MPa1450 MPa,1450 MPa,冲击韧性冲击韧性为为300300 kJ/m2 kJ/m2360 kJ/m2,360 kJ/m2,硬度为硬度为38 HRC38 HRC51 HRC51 HRC。等温盐浴的冷。等

43、温盐浴的冷却能力有限，一般只能用于截面不大的零件，例如受力复杂的齿轮、曲却能力有限，一般只能用于截面不大的零件，例如受力复杂的齿轮、曲轴、凸轮轴等。轴、凸轮轴等。第31页，本讲稿共57页第四节第四节 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 o蠕墨铸铁是近几十年来发展起来的一种新型高强铸铁材料。它的强度接近蠕墨铸铁是近几十年来发展起来的一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性，较高的耐磨性；同时又有灰口铸铁良好于球墨铸铁，并具有一定的韧性，较高的耐磨性；同时又有灰口铸铁良好的铸造性能和导热性。的铸造性能和导热性。oRuT300RuT300、RuT420RuT420蠕墨铸铁以蠕墨铸铁以“RuTRu

44、T”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。表示，其后的数字表示最低抗拉强度。蠕墨铸铁的牌号和机械性能蠕墨铸铁的牌号和机械性能见表见表 o蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。强度接近于球墨铸铁，有一定的蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。强度接近于球墨铸铁，有一定的韧性、较高的耐磨性；又有和灰铸铁一样良好的铸造性能和导热性。韧性、较高的耐磨性；又有和灰铸铁一样良好的铸造性能和导热性。第32页，本讲稿共57页o蠕墨铸铁的石墨具有介蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中于片状和球状之间的中间形态，在光学显微镜间形态，在光学显微镜下为互不相连的短片，下为互不相连的短片，与灰口铸铁的片状石墨与灰口铸铁的片状石墨类

45、似。石墨片的长厚比类似。石墨片的长厚比小，端部较钝。小，端部较钝。蠕墨铸铁第33页，本讲稿共57页o蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的，其方法入适量的蠕化剂而炼成的，其方法与球墨铸铁基本相同。蠕化剂目前与球墨铸铁基本相同。蠕化剂目前主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。或稀土镁钙合金等。蠕墨铸铁已成功地用于高层建蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃机汽缸筑中高压热交换器、内燃机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。阀等铸件。进气管排气管第34页，本讲稿共57页第五

46、节第五节 可锻铸铁可锻铸铁o可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。它有较可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。它有较好的强度、塑性和冲击韧性，可以部分取代碳钢。按退火方法不同，好的强度、塑性和冲击韧性，可以部分取代碳钢。按退火方法不同，这种铸铁有黑心和白心两种类型。黑心可锻铸铁依靠石黑化退火来这种铸铁有黑心和白心两种类型。黑心可锻铸铁依靠石黑化退火来获得；白心可锻铸铁利用氧化脱碳退火来获得。后者已很少生产，获得；白心可锻铸铁利用氧化脱碳退火来获得。后者已很少生产，我国主要生产黑心可锻铸铁。我国主要生产黑心可锻铸铁。一一.可锻铸铁的牌号和用途可锻铸铁的牌号和用途 1.

47、1.显微组织：可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体显微组织：可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体见图见图。第35页，本讲稿共57页 2 2 牌号：牌号：可锻铸铁的牌号和机械性能可锻铸铁的牌号和机械性能见表见表；可锻铸铁的化学成分可锻铸铁的化学成分见表见表 KT350-10KT350-10、KTZ600-3 KTZ600-3 铁素体可锻铸铁以铁素体可锻铸铁以“KTKT”表示，珠光体可锻铸铁以表示，珠光体可锻铸铁以“KTZKTZ”表示。表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。3 3 应用：可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车应用：可锻铸

48、铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。这些零件用铸钢生产时，因铸造拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。这些零件用铸钢生产时，因铸造性能不好，工艺上困难较大；而用灰口铸铁时，又存在性能不能满足要求的性能不好，工艺上困难较大；而用灰口铸铁时，又存在性能不能满足要求的问题。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低，质量稳定，铁水处理简单，问题。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低，质量稳定，铁水处理简单，容易统一组织流水生产线等有点。尤其对于薄壁件，球墨铸铁还容易生成白容易统一组织流水生产线等有点。尤其对于薄壁件，球墨铸铁还容易生成白口，需要进行高温退

49、火，这时采用可锻铸铁更为适宜。口，需要进行高温退火，这时采用可锻铸铁更为适宜。第36页，本讲稿共57页二二.可锻铸铁的生产和热处理可锻铸铁的生产和热处理可锻铸铁的生产分两个步骤可锻铸铁的生产分两个步骤：第一步第一步：现铸造纯白口铸铁，不允许有石墨出现，否则在随后的退现铸造纯白口铸铁，不允许有石墨出现，否则在随后的退火中碳在已有的石墨上沉淀，得不到团絮状石墨；火中碳在已有的石墨上沉淀，得不到团絮状石墨；第二步：进行长时间的石墨化退火处理。第二步：进行长时间的石墨化退火处理。将白口铸铁加热到将白口铸铁加热到900 900 960 960，长时间保温，使共晶渗，长时间保温，使共晶渗碳体分解为团絮状石

50、墨，完成第一阶段的石墨化过程。随后以碳体分解为团絮状石墨，完成第一阶段的石墨化过程。随后以较快的速度（较快的速度（100/h100/h）冷却通过共析转变温度区，得到珠光）冷却通过共析转变温度区，得到珠光体基体的可锻铸铁。体基体的可锻铸铁。第37页，本讲稿共57页 若第一阶段石墨化保温后慢冷，使奥氏体中的碳充分析出，完若第一阶段石墨化保温后慢冷，使奥氏体中的碳充分析出，完成第二阶段石墨化，并在冷至成第二阶段石墨化，并在冷至720 720 760 760 后继续保温，使共后继续保温，使共析渗碳体充分分解，完成第三阶段石墨化，在析渗碳体充分分解，完成第三阶段石墨化，在650 650 700 700