铸铁及其熔炼-第二章教材课件.ppt
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1、School of Materials Science and Engineering铸铁及其熔炼第二章第二章 灰铸铁灰铸铁王悔改王悔改 主讲主讲School of Materials Science and Engineering第一节 灰铸铁金相组织和力学性能特点一一.灰铸铁金相组织特点灰铸铁金相组织特点 灰铸铁组织是由金属基体加片状石墨组成的。石墨是灰铸铁中碳以游灰铸铁组织是由金属基体加片状石墨组成的。石墨是灰铸铁中碳以游离态存在的一种形式,石墨的分布形态及尺寸是决定灰铸铁性能的重要因离态存在的一种形式,石墨的分布形态及尺寸是决定灰铸铁性能的重要因素,而石墨形态和尺寸则主要是由石墨的形成
2、条件,即形核程度及长大条素,而石墨形态和尺寸则主要是由石墨的形成条件,即形核程度及长大条件所决定。件所决定。1.1.片状石墨的分布类型及形成条件片状石墨的分布类型及形成条件图图2-1 A型石墨型石墨 均匀分布无方向性的片状石墨(均匀分布无方向性的片状石墨(A A型)型)冷却速度较低的情况下形成的。存在于冷却速度较低的情况下形成的。存在于石墨石墨-奥氏体共晶团内,分布比较均匀。由于奥氏体共晶团内,分布比较均匀。由于冷速较低,结晶过程缓慢,故热流的方向性冷速较低,结晶过程缓慢,故热流的方向性对晶体的生长影响不明显,石墨片的生长方对晶体的生长影响不明显,石墨片的生长方向和个体尺寸不规则。碳当量高、生
3、长慢、向和个体尺寸不规则。碳当量高、生长慢、共晶过冷度低时,片体粗大。共晶过冷度低时,片体粗大。School of Materials Science and Engineering图图2-2 B型石墨型石墨 菊花状石墨(菊花状石墨(B型)型)冷速较大时形成的。共晶开始阶段,冷速较大时形成的。共晶开始阶段,G分枝多而密,随着共晶转变中结晶潜热的释分枝多而密,随着共晶转变中结晶潜热的释放,外层放,外层G片沿热流方向伸展较长,随着热片沿热流方向伸展较长,随着热流方向性减弱,外围流方向性减弱,外围G生长进一步减缓而呈生长进一步减缓而呈蜷曲状。对基体的削弱作用大于蜷曲状。对基体的削弱作用大于A型型G。
4、图图2-3 C型石墨型石墨 块片状石墨(块片状石墨(C型)型)过共晶铁液在小的过冷度下形成的,过共晶铁液在小的过冷度下形成的,常称为初生石墨。液相中碳的来源充足,常称为初生石墨。液相中碳的来源充足,而且石墨的形成不受其他固相阻碍,结晶而且石墨的形成不受其他固相阻碍,结晶条件较好,晶体能充分发育,形成枝晶形条件较好,晶体能充分发育,形成枝晶形态的分枝。石墨片体比较粗大,对基体有态的分枝。石墨片体比较粗大,对基体有严重的削弱作用。严重的削弱作用。School of Materials Science and Engineering图2-4 D型石墨 枝晶点状石墨(枝晶点状石墨(D型)型)初生奥氏体
5、结晶温度范围宽,液相处初生奥氏体结晶温度范围宽,液相处于较高的共晶过冷条件下,由充分发育的于较高的共晶过冷条件下,由充分发育的奥氏体枝晶间熔液进行共晶转变而析出的奥氏体枝晶间熔液进行共晶转变而析出的点状或细片状石墨。这是一种细小的过冷点状或细片状石墨。这是一种细小的过冷石墨,分枝频繁,普遍发生弯曲、扭转、石墨,分枝频繁,普遍发生弯曲、扭转、片体尺寸小,分散度高,没有明显的方向片体尺寸小,分散度高,没有明显的方向性。性。图2-5 E型石墨 枝晶片状石墨(枝晶片状石墨(E型)型)亚共晶铁液在小的过冷度下形成的。亚共晶铁液在小的过冷度下形成的。共晶之前析出初生奥氏体,残留在奥氏体共晶之前析出初生奥氏
6、体,残留在奥氏体枝晶间的铁液在共晶转变中沿奥氏体枝晶枝晶间的铁液在共晶转变中沿奥氏体枝晶方向析出而形成有方向性的石墨。由于冷方向析出而形成有方向性的石墨。由于冷速较低,因此速较低,因此G片比片比D型大。型大。School of Materials Science and Engineering图图2-6 F型石墨型石墨 星状石墨(星状石墨(F型)型)过共晶铁液在大的冷速下形成的。过共晶铁液在大的冷速下形成的。星状石墨中心的大块状星状石墨中心的大块状G为初生为初生G,由,由于冷速较大,初生于冷速较大,初生G不能长大,而共晶不能长大,而共晶G则以初生则以初生G为依附沿辐射方向生长。为依附沿辐射方向
7、生长。2.2.基体组织基体组织 基体是由不同比例的珠光体和铁素体组成。有些情况下,还存在一定基体是由不同比例的珠光体和铁素体组成。有些情况下,还存在一定量的磷共晶、碳化物及硫化夹杂物等。量的磷共晶、碳化物及硫化夹杂物等。磷共晶呈网状、孤立岛状或鱼骨状,硬而脆,使铸铁的韧性降低,脆磷共晶呈网状、孤立岛状或鱼骨状,硬而脆,使铸铁的韧性降低,脆性增加。性增加。硫以硫以FeSFeS形式完全溶解在铁液中,但凝固时形式完全溶解在铁液中,但凝固时S S在固溶体或渗碳体中的溶在固溶体或渗碳体中的溶解度小,会形成独立的硫化物,存在于共晶团晶界上,使铸铁的强度低。解度小,会形成独立的硫化物,存在于共晶团晶界上,使
8、铸铁的强度低。School of Materials Science and Engineering二.力学性能特点1.1.强度性能强度性能 灰铸铁的强度性能由石墨形态、尺寸和基体中珠光体和铁素体的比例灰铸铁的强度性能由石墨形态、尺寸和基体中珠光体和铁素体的比例等因素所决定。等因素所决定。石墨的作用石墨的作用 a.a.缩减作用:石墨在铸铁中占有一定的体积,几乎没有强度,是金缩减作用:石墨在铸铁中占有一定的体积,几乎没有强度,是金属基体的有效承载截面积减小。主要取决于石墨的大小、数量和分布,以属基体的有效承载截面积减小。主要取决于石墨的大小、数量和分布,以数量为主。数量越多,尺寸越大,缩减程度越
9、大,铸铁的强度和塑韧性降数量为主。数量越多,尺寸越大,缩减程度越大,铸铁的强度和塑韧性降低越严重。低越严重。b.b.缺口作用:石墨的片端好像是存在于铸铁中的裂口,在承受负荷缺口作用:石墨的片端好像是存在于铸铁中的裂口,在承受负荷时造成应力集中,导致裂纹的早期产生并发展,出现脆性断裂,使灰铁的时造成应力集中,导致裂纹的早期产生并发展,出现脆性断裂,使灰铁的塑韧性几乎表现不出来。主要取决于石墨的形状和分布,尤以形状为主,塑韧性几乎表现不出来。主要取决于石墨的形状和分布,尤以形状为主,如为片状石墨则主要取决于石墨片的尖锐程度,通常可以用石墨的表面积如为片状石墨则主要取决于石墨片的尖锐程度,通常可以用
10、石墨的表面积与体积之比来说明。尖锐程度越大,造成应力集中越严重,强度越低。因与体积之比来说明。尖锐程度越大,造成应力集中越严重,强度越低。因此,可通过改变此,可通过改变G G的形态来提高铸铁的力学性能。的形态来提高铸铁的力学性能。School of Materials Science and Engineering 基体的作用基体的作用 铁素体较软,强度较低;珠光体有较高的强度和硬度,但塑韧性较铁铁素体较软,强度较低;珠光体有较高的强度和硬度,但塑韧性较铁素体低。因此,基体的强度随着珠光体含量的增加和分散度的增大而增素体低。因此,基体的强度随着珠光体含量的增加和分散度的增大而增大。大。共晶团的
11、作用共晶团的作用细化共晶团,可使铸铁的强度提高。细化共晶团,可使铸铁的强度提高。2.2.硬度硬度 灰铸铁的硬度决定于基体,珠光体硬度较高。因此,随着珠光体含量灰铸铁的硬度决定于基体,珠光体硬度较高。因此,随着珠光体含量的增加和分散度的增大,铸铁的硬度增大。的增加和分散度的增大,铸铁的硬度增大。3.3.缺口敏感性缺口敏感性 石墨片的存在已在基体上形成大量的缺口,所以外来缺口(铸件上的石墨片的存在已在基体上形成大量的缺口,所以外来缺口(铸件上的孔洞、键槽、非金属夹杂等)对灰铸铁的疲劳强度影响甚微,使铸铁的缺孔洞、键槽、非金属夹杂等)对灰铸铁的疲劳强度影响甚微,使铸铁的缺口敏感性降低,提高了零件工作
12、的可靠性。随着石墨细化或石墨形态的改口敏感性降低,提高了零件工作的可靠性。随着石墨细化或石墨形态的改变,敏感性可能提高。变,敏感性可能提高。School of Materials Science and Engineering4.4.良好的减震性和减摩性良好的减震性和减摩性 石墨具有缓冲作用,能阻止振动能量的传播;石墨是润滑剂,脱落在石墨具有缓冲作用,能阻止振动能量的传播;石墨是润滑剂,脱落在摩擦面上,使灰铁摩擦面上形成大量显微凹坑,起到储存润滑油的作用,摩擦面上,使灰铁摩擦面上形成大量显微凹坑,起到储存润滑油的作用,使摩擦面上保持油膜连续。使摩擦面上保持油膜连续。School of Mate
13、rials Science and Engineering第二节第二节 影响铸铁铸态组织的因素影响铸铁铸态组织的因素一一.冷却速度的影响冷却速度的影响 当化学成分一定时,改变冷却速度,可在很大的范围内改变铸铁的当化学成分一定时,改变冷却速度,可在很大的范围内改变铸铁的铸态组织。铸态组织。冷却速度对铸铁结晶过程的影响主要在于对相变过程中原子冷却速度对铸铁结晶过程的影响主要在于对相变过程中原子扩散的影响。扩散的影响。图图2-7 冷却速度对铸铁凝固组织影响示意图冷却速度对铸铁凝固组织影响示意图School of Materials Science and Engineering1.1.共晶转变:若冷
14、速很小,则在该温度下有较长的转变时间,有条件共晶转变:若冷速很小,则在该温度下有较长的转变时间,有条件进行碳原子的充分扩散,使转变倾向于按石墨共晶方式进行。因此,具进行碳原子的充分扩散,使转变倾向于按石墨共晶方式进行。因此,具有一定硅、碳含量的铁液在共晶转变中,可因冷速不同而生成白口或灰有一定硅、碳含量的铁液在共晶转变中,可因冷速不同而生成白口或灰口铸铁。口铸铁。2.2.共析转变:在固态下进行,碳原子的扩散速率比共晶转变中的扩散共析转变:在固态下进行,碳原子的扩散速率比共晶转变中的扩散速率要低得多,需要很低的冷速才能完成奥氏体向石墨的转变。因此,速率要低得多,需要很低的冷速才能完成奥氏体向石墨
15、的转变。因此,在实际铸铁组织中,白口基体为珠光体,灰口基体为不同比例的珠光体在实际铸铁组织中,白口基体为珠光体,灰口基体为不同比例的珠光体和铁素体。和铁素体。图图2-8 形成晶间碳化物示意图形成晶间碳化物示意图School of Materials Science and Engineering3.3.冷却速度的影响因素冷却速度的影响因素 铸件壁厚越大,冷速越慢;铸件壁厚越大,冷速越慢;图图2-9 铸件壁厚对组织的影响铸件壁厚对组织的影响School of Materials Science and Engineering 铸件模数越大,冷速越慢;铸件模数越大,冷速越慢;浇注温度越高,冷速越慢
16、。浇注温度越高,冷速越慢。铸件模数铸件模数M=V/AM=V/A,表示单位面积占有的体积量,体现铸件的散热能力。表示单位面积占有的体积量,体现铸件的散热能力。M M越大,散热能力越差,冷却速度越小;反之,冷却速度越大。越大,散热能力越差,冷却速度越小;反之,冷却速度越大。二二.化学成分的影响化学成分的影响 主要化学元素主要化学元素C C、SiSi、MnMn、S S、P P对铸铁的铸态组织都有一定的影响,对铸铁的铸态组织都有一定的影响,其中对石墨的结晶过程起主要作用的是其中对石墨的结晶过程起主要作用的是C C、SiSi。1.1.C C、SiSi 存在状态存在状态 C C是形成石墨的元素,是形成石墨
17、的元素,SiSi全溶于奥氏体或铁素体中(即固溶于基体全溶于奥氏体或铁素体中(即固溶于基体中)。中)。School of Materials Science and Engineering图图2-10 硅含量与铸铁组织的关系硅含量与铸铁组织的关系图图2-11 铸铁中硅含量与强度的关系铸铁中硅含量与强度的关系School of Materials Science and Engineering 对共晶温度的影响对共晶温度的影响 Si Si提高稳定系的共晶温度,降低亚稳系的共晶温度,因此扩大两个系提高稳定系的共晶温度,降低亚稳系的共晶温度,因此扩大两个系统的共晶温度间隔,使转变按稳定系进行。统的共晶
18、温度间隔,使转变按稳定系进行。对石墨化的影响对石墨化的影响 a.a.碳含量越高,形成石墨核心越容易,扩散和聚集越容易,使转变按碳含量越高,形成石墨核心越容易,扩散和聚集越容易,使转变按稳定系进行。奥氏体和石墨共晶转变后形成的组织中稳定系进行。奥氏体和石墨共晶转变后形成的组织中G G较多,为共析转变中较多,为共析转变中G G的析出提供了更多的形核基底,促进石墨化。的析出提供了更多的形核基底,促进石墨化。b.b.硅促进石墨化,同时能提高铁液中硅促进石墨化,同时能提高铁液中C C的活度,促进灰口组织的形成。的活度,促进灰口组织的形成。对基体的影响对基体的影响 C C、SiSi增加使基体中铁素体的含量
19、增加,铸铁的强度性能降低。增加使基体中铁素体的含量增加,铸铁的强度性能降低。因此,工业上常用的灰铸铁中因此,工业上常用的灰铸铁中C C、SiSi含量控制如下:含量控制如下:WC=2.7-3.8%,WSi=1.4-2.1%,CE=3.2-4.3%,SC=0.75-1.0%。School of Materials Science and Engineering2.Mn2.Mn 可全溶于奥氏体中,降低共晶和共析转变温度,较弱的阻碍石墨化。可全溶于奥氏体中,降低共晶和共析转变温度,较弱的阻碍石墨化。但在奥氏体分解(共析转变)过程中却促使珠光体的形成,使珠光体含量但在奥氏体分解(共析转变)过程中却促使珠
20、光体的形成,使珠光体含量增加,强化基体。增加,强化基体。含含MnMn量的选择应使其在稳定珠光体方面起有利作用,同时又达不到阻量的选择应使其在稳定珠光体方面起有利作用,同时又达不到阻碍共晶石墨化的程度。碍共晶石墨化的程度。W WMnMn=0.5-1.2%=0.5-1.2%。3.S3.S 在奥氏体中的溶解度极低,能溶解在铁液中形成在奥氏体中的溶解度极低,能溶解在铁液中形成FeSFeS,与其他元,与其他元素化合成素化合成MnSMnS、MgSMgS等。等。S S降低稳定系的共晶温度,阻止石墨的析出,使转变按亚稳系进降低稳定系的共晶温度,阻止石墨的析出,使转变按亚稳系进行,同时使初生奥氏体和共晶奥氏体粗
21、化。当硫含量很高时,形成硫共行,同时使初生奥氏体和共晶奥氏体粗化。当硫含量很高时,形成硫共晶,降低铸铁的性能,故晶,降低铸铁的性能,故应限制铸铁中的含硫量。应限制铸铁中的含硫量。W WS S=0.03-0.12%=0.03-0.12%。S S对石墨形态影响:硫含量较高时石墨呈片状,反之呈球状或团对石墨形态影响:硫含量较高时石墨呈片状,反之呈球状或团状。状。School of Materials Science and Engineering4.P4.P 在奥氏体中溶解度极低,且有在奥氏体中溶解度极低,且有严重的结晶偏析倾向严重的结晶偏析倾向,当含量不高,当含量不高(0.05%0.05%)时,形
22、成磷共晶,使铸铁的脆性增加,但)时,形成磷共晶,使铸铁的脆性增加,但P P有促进共晶石墨有促进共晶石墨化的作用。化的作用。W WP P0.3%。5.5.其他合金元素其他合金元素图图2-12 合金元素对合金元素对Fe-G、Fe-Fe3C共晶共晶平衡温度的影响平衡温度的影响School of Materials Science and Engineering图图2-13 硅、镍、铬、硫对共晶温度的影响硅、镍、铬、硫对共晶温度的影响School of Materials Science and Engineering三三.炉料的影响炉料的影响炉料的遗传性炉料的遗传性 当由一种炉料换成另一种炉料时,虽
23、然铁液的基本成分并未改变,但当由一种炉料换成另一种炉料时,虽然铁液的基本成分并未改变,但铸铁的组织,包括石墨化程度、白口倾向及石墨形态和基体组成却发生了铸铁的组织,包括石墨化程度、白口倾向及石墨形态和基体组成却发生了变化,这种变化的原因来自炉料,称为炉料的遗传性。在铸铁生产中,炉变化,这种变化的原因来自炉料,称为炉料的遗传性。在铸铁生产中,炉料对铸铁组织的影响来自下述几方面原因。料对铸铁组织的影响来自下述几方面原因。综上,综上,C和和Si是灰铸铁的基本成分;是灰铸铁的基本成分;Mn含量一般较低,影响不大;含量一般较低,影响不大;P、S常被看作杂质,应加以限制。为改善铸铁的某些性能,可分别加入其
24、他常被看作杂质,应加以限制。为改善铸铁的某些性能,可分别加入其他的一些合金元素。的一些合金元素。School of Materials Science and Engineering1.1.生铁中石墨的遗传性生铁中石墨的遗传性 某些生铁中某些生铁中SiSi、C C含量较高,组织中有粗大的初生石墨。重熔时,由含量较高,组织中有粗大的初生石墨。重熔时,由于于石石墨墨熔熔点点较较高高,铁铁液液在在炉炉中中停停留留的的时时间间较较短短,因因此此,粗粗大大的的石石墨墨来来不不及及完完全全溶溶解解在在铁铁液液中中,而而在在铁铁液液凝凝固固过过程程中中,残残留留的的石石墨墨作作为为石石墨墨析析出出的的晶晶芽
25、芽而而继继续续长长大大,故故有有时时在在亚亚共共晶晶铁铁液液中中出出现现粗粗大大的的初初生生石石墨墨,这这是是由由于于生生铁中石墨的遗传性所致。铁中石墨的遗传性所致。2.2.铁料中的微量合金元素铁料中的微量合金元素 Pb Pb、SbSb、TiTi、BiBi等,会使铸铁的结晶过程产生明显的过冷,或生成不等,会使铸铁的结晶过程产生明显的过冷,或生成不正常的形态,甚至促进白口组织的形成。正常的形态,甚至促进白口组织的形成。四四.铁液过热和高温静置的影响铁液过热和高温静置的影响 铁液过热的温度越高,高温静置的时间越长,铁液中残留的石墨溶解铁液过热的温度越高,高温静置的时间越长,铁液中残留的石墨溶解而消
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- 铸铁 及其 熔炼 第二 教材 课件
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