工程材料学铸铁优秀课件.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，断口碳大部分或全部以石墨的形式析出，断口呈暗灰色呈暗灰色 麻口铸铁麻口铸铁-碳部分以游离碳化物形式析出，

2、部分以石墨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)的形的形式存在。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，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），结合力弱，），结合力弱，所以石墨的强度和硬度不高，韧性很低。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，在一定条件下能分解渗碳体为亚稳定相，在一定条件下能分解为铁和石墨（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碳合金可以有亚稳定平衡的Fe-FeFe-Fe3 3C C相图，相图，以及稳定平衡的铁石墨相图。即铁碳以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，合金

4、相图应该是复合相图，见图见图。其中，。其中，实线表示实线表示Fe-FeFe-Fe3 3C C相图，虚线表示铁碳合相图，虚线表示铁碳合金金.究竟按哪种相图变化，决定于其加究竟按哪种相图变化，决定于其加热或冷却条件或获得的平衡的性质（亚热或冷却条件或获得的平衡的性质（亚稳定平衡还是稳定平衡）。虚线相图的稳定平衡还是稳定平衡）。虚线相图的分析方法，与前面讨论过的实线相图完分析方法，与前面讨论过的实线相图完全相同。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中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间高温退火，由渗碳体的高温分解来获得。时间高温退火，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石墨，其反通过共晶反应形成共晶石墨，其反应式为：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线析出二次石墨。线析出二次石墨。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，其反）通过共析反应析出石墨，其反应方程式为：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，通常按铁石墨相图进行。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体而不是石墨，因为渗碳体的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（含碳量（669669）比石墨（）比石墨（100100）更接近于合金的含碳量（）更接近于合金的含碳量（25254040），析出渗碳），析出渗碳体所需的碳原子扩散量较少。在低温（共晶反应温度）条件下，碳原子扩散能

8、力较差，铸体所需的碳原子扩散量较少。在低温（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。铁的石墨化过程往往难以进行。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。加热温度越以上，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，二次渗碳体共晶渗碳体和共晶渗碳体和一次渗碳体先后分解成奥氏体和石墨。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。最强烈。生产中，调整碳生产中，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、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促进石墨化，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，因此一般控制在白口化，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 显显微微组织组织 第一第一阶阶段段 第二第二阶阶段段 第三第三阶阶段段 灰灰铸铁铸铁 充分充分进进行行 充分充分进进行行 充分充分进进行行 充分充分进进行行 充分充分进进行行 充分充分进进行行 充分充分进进行行 部分部分进进行行 不不进进行行 F FG G

12、 F FP PG G P PG G 麻麻铸铁铸铁 部分部分进进行行 部分部分进进行行 不不进进行行 LeLe+P+G+P+G 白口白口铸铁铸铁 不不进进行行 不不进进行行 不不进进行行 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，另一部分是组织构成：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，相当于铁或钢的组织。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。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，相当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

14、力集中。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）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

15、低铸件中的内应力。收缩，降低铸件中的内应力。（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。在各类应用最广泛的铸铁材料。在各类铸铁的总产量中，灰口铸铁占

16、铸铁的总产量中，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珠光体基体和铁素体加珠光体基体三种铸铁，其组织体三种铸铁，其组织见图见图。第13页，本讲稿共57页 三三 灰口灰口铸铁

17、铸铁的性能的性能 1 1、优优良的良的铸铸造性能造性能 由于灰由于灰铸铁铸铁的化学成分接近共晶点，所以的化学成分接近共晶点，所以铁铁水流水流动动性好，可以性好，可以铸铸造非常复造非常复杂杂的零的零件；另外由于石墨比容件；另外由于石墨比容较较大，使大，使铸铸件凝固件凝固时时的收的收缩缩量减少可量减少可简简化工化工艺艺，减，减轻轻铸铸件的件的应应力，并可得到致密的力，并可得到致密的组织组织。2 2、优优良的耐磨性良的耐磨性 石墨本身具有石墨本身具有润润滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和储储存存润润滑油，使滑油，使铸铸件有良好的耐磨性；此外由于件有良好的耐磨性；此外由于

18、铸铸件中件中带带有硬度很高的磷共晶：又能使有硬度很高的磷共晶：又能使抗磨能力抗磨能力进进一步一步 提高，提高，这对这对于制于制备备活塞活塞环环气缸套等受摩擦零件具有气缸套等受摩擦零件具有重要意重要意义义，3 3、消震性好、消震性好 石墨可以阻止震石墨可以阻止震动动的的传传播灰播灰铸铁铸铁的消震能力是的消震能力是钢钢的的1010倍，常用来制作承受振倍，常用来制作承受振动动的机床底座。的机床底座。第14页，本讲稿共57页4、较较低的缺口敏感姓和良好的切削加工性能低的缺口敏感姓和良好的切削加工性能 灰灰铸铁铸铁中由于石墨的存在，相当于存在很多小的缺口中由于石墨的存在，相当于存在很多小的缺口对对表面的

19、缺陷、缺口等几表面的缺陷、缺口等几乎没有敏感性因此，表面的缺陷乎没有敏感性因此，表面的缺陷对铸铁对铸铁的疲的疲劳劳强强度影响度影响较较小，但其疲小，但其疲劳劳强强度比度比钢钢要低；要低；由于灰由于灰铸铁铸铁中的石墨可以起断屑作用相中的石墨可以起断屑作用相对对刀具的刀具的润润滑起减摩作用、所滑起减摩作用、所以其切削加工性是良好的以其切削加工性是良好的5 5、灰、灰铸铁铸铁的抗拉的抗拉强强度、塑性、度、塑性、韧韧性及性及弹弹性模量都低于碳素性模量都低于碳素铸钢铸钢 灰灰铸铁铸铁的抗的抗压压强强度和硬度主要取决于基体度和硬度主要取决于基体组织组织；灰；灰铸铁铸铁的抗的抗压压强强度一般比抗度一般比抗拉

20、拉强强度高出度高出3-43-4倍，倍，这这是灰是灰铸铁铸铁的一种特性，因此与其把灰的一种特性，因此与其把灰铸铁铸铁用作抗拉用作抗拉零件零件还还不如做耐不如做耐压压零件更适合：零件更适合：这这就是广泛用作机床床身和支柱受耐就是广泛用作机床床身和支柱受耐压压零件零件的原因，灰的原因，灰铸铁铸铁的硬度与同的硬度与同样样基体的正火基体的正火钢钢相近相近第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，扩大奥锰是阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体中，增强

21、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，减少硫的有害作用。锰质量分数一般为有害作用。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，从而提高了铁水的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体，其性时，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，要求铸铁有较高强度时，要能硬而脆，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含量（可达以下），而耐磨铸铁则要求有一定的磷含量（可达0.3%0.3%以以上）。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。少量硫即硫是有害元素，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，沿晶界分布。因此限定硫的共晶体，沿晶界

23、分布。因此限定硫的质量分数在质量分数在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）条件下，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。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。体和铁素体灰口铸铁组织。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）铸件的组织

24、第17页，本讲稿共57页五五孕育孕育处处理理孕育孕育处处理：理：就是就是变质处变质处理，孕育理，孕育处处理后的灰口理后的灰口铸铁铸铁叫做孕育叫做孕育铸铁铸铁。常用的孕育。常用的孕育剂剂有有两种。一种两种。一种为为硅硅类类合金，例如最常用的含合金，例如最常用的含7575硅的硅硅的硅铁铁合金合金含含60606565硅硅和和25253535钙钙的硅的硅钙钙合金等，后者石墨化能力比前者高合金等，后者石墨化能力比前者高1.51.53 3倍，但价格倍，但价格较较贵贵。另一。另一类类是碳是碳类类，例如石墨粉，例如石墨粉电电极粒等。极粒等。孕育孕育处处理的目的是：理的目的是：1 1 使使铁铁水内同水内同时时生

25、成大量均匀的非自生成大量均匀的非自发发形核，以形核，以获获得得细细小均匀的石墨片，并小均匀的石墨片，并细细化基体化基体组织组织，提高提高铸铁铸铁的的强强度；度；2 2 避免避免铸铸件件边缘边缘及薄断面及薄断面处处出出现现白口白口组织组织，提高断面，提高断面组织组织的均匀性。的均匀性。应应用：用：孕育孕育铸铁铸铁具有具有较较高的高的强强度和硬度，可用来制造机械性能要求度和硬度，可用来制造机械性能要求较较高的高的铸铸件，如气缸件，如气缸曲曲轴轴凸凸轮轮机床床身等，尤其是截面尺寸机床床身等，尤其是截面尺寸变变化化较较大的大的铸铸件。件。第18页，本讲稿共57页 六六灰口铸铁的热处理灰口铸铁的热处理

26、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面耐磨性等。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。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：加热温度定是：加热温度50050055

27、0550，加热速度为，加热速度为6060120/h120/h。温度不宜过。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：壁厚温度和铸件壁厚，一般是：壁厚20mm20mm时，保温时间为时，保温时间为2h2h，壁厚每，壁厚每增加增加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 灰口铸铁件表面和薄壁处产

28、生的白口组织难以切削加工，需要退火降低硬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。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：加热到工艺是：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后后出炉空冷。退火铸件的硬度可下降出炉空冷。退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，因需要提高硬度和耐磨性

29、，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页第三第三节节 球墨球墨铸铁铸铁 球墨球墨铸铁铸铁是本世是本世纪纪5050年代年代发发展起来的一种高展起来的一种高强强度材料，其度材料，其综综合机合机械性能接近于械性能接近于钢钢，因，因铸铸造性能很好，成本很低，生造性能很好，成本很低，生产产方便，在工方便，在工业业生生产产中得到了广泛的中得到了广泛的应应用。用。一一球墨球墨铸铁铸铁的成分和球化的成分和球化处处理理 球墨球墨铸铁铸铁的成分：的成分：要求比要求比较严较严格

30、，一般范格，一般范围围是：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。与灰口铸铁铸铁相比，它的碳当量相比，它的碳当量较较高，一般高，一般为过为过共晶成分，通常在共晶成分，通常在4.54.54.7%4.7%范范围围内内变动变动，以利于石墨球化。，以利于石墨球化。第21页，本讲稿共57页 球墨球墨铸铁铸铁的球化的球化处处理理：必必须须伴随以孕育伴随以孕育处处理，通常是在理，通常是在铁铁水中加入一定量的球水中加入一定量的球化化剂剂和孕育和孕育剂剂。国外使用球化。国外使

31、用球化剂剂主要是金属主要是金属镁镁，实实践践证证明，明，铁铁水中含水中含0.040.040.080.08镁时镁时，石墨就能完全球化。我国普遍使，石墨就能完全球化。我国普遍使用稀土用稀土镁镁球化球化剂剂。镁镁是是强强烈的反石墨化元素，烈的反石墨化元素，为为了避免白口，了避免白口，并使石墨球并使石墨球细细小小均匀分布均匀分布光园，一定要加入孕育光园，一定要加入孕育剂剂。常。常用的孕育用的孕育剂为剂为7575硅硅铁铁和硅和硅钙钙合金等。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“QTQT”标明

32、，其后两组数字表示最标明，其后两组数字表示最低抗拉强度极限和延伸率，低抗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，重量更静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材

33、料，重量更轻。轻。第23页，本讲稿共57页 2.2.组织组织 不同的基体的球墨不同的基体的球墨铸铁铸铁见图见图，性能差，性能差别别很大。珠光体球墨很大。珠光体球墨铸铁铸铁的抗拉的抗拉强强度比度比铁铁素体基体的高素体基体的高5050以上，而以上，而铁铁素体基的球墨素体基的球墨铸铁铸铁的延伸率的延伸率为为珠光体基的珠光体基的3 35 5倍。倍。3.3.性能性能 球墨球墨铸铁铸铁具有具有较较好的疲好的疲劳劳强强度。度。表中表中给给出了球墨出了球墨铸铁铸铁和和4545钢试验钢试验的的对对称弯曲称弯曲疲疲劳劳强强度。可度。可见带见带孔和孔和带带台肩的台肩的试样试样疲疲劳劳强强度大致相同。度大致相同。试验

34、还试验还表明，球墨表明，球墨铸铁铸铁的扭的扭转转疲疲劳劳强强度甚至超度甚至超过过4545钢钢。在。在实际应实际应用中，大多数承受用中，大多数承受动载动载的零件是的零件是带带孔或孔或是是带带台肩的，因此完全可以用球墨台肩的，因此完全可以用球墨铸铁铸铁来代替来代替钢钢制造某些重要零件，如曲制造某些重要零件，如曲轴轴、连连杆、凸杆、凸轮轴轮轴等等。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，具有一些特点1.1.共析

35、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，并较容易实现淬透性比碳钢好，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.可利用淬火加可利用淬火加热热温度和保温温度和保温时间时间的控制来的控制来调调整奥氏体中的整奥氏体中的碳含量碳含量:高的加高的加热热温度和温度和长长的保温的保温时间时间，使以石墨形式保存在的，使以石墨形式保存在的碳碳较较多地溶入奥氏体中，因而淬火后得到

36、多地溶入奥氏体中，因而淬火后得到较较粗大的粗大的马马氏氏体和数量体和数量较较多的残余奥氏体。多的残余奥氏体。对铸对铸件件综综合性能要球合性能要球较较高高时时，应应在保在保证证完全奥氏体化的条件下，尽量采用完全奥氏体化的条件下，尽量采用较较低的低的加加热热温度，以温度，以获获得碳含量得碳含量较较低的低的马马氏体基体氏体基体组织组织。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。球化剂增大铸件的白口化倾向，当铸

37、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，采用低温退火：铸态组织为铁素体加珠光体加石墨而没有自由渗

38、碳体时，采用低温退火：加热加热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，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）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）和低温正火（不完全奥氏体化正火）两种：和低温正火（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,3h,然后空冷，为

39、了提高基体中然后空冷，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（保证铸铁的强度铁的强度)。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氏，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，提高体，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。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、曲轴等，要求综

40、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，本讲稿共57页

41、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

42、。等温淬火工艺为：加热到奥氏体区（淬火工艺为：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。等温盐浴的冷却能力。等温盐浴的冷

43、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。等。第31页，本讲稿共57页第四第四节节 蠕墨蠕墨铸铁铸铁 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“RuTRuT”表示，其后的

44、数字表示最低抗拉强表示，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度。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，有一定的韧性、较高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。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蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间介于片状和球状之间的中间形态，在光学的中间形态，在光学显微镜下为互不相连显微镜下为互不相连的短片，与灰口铸铁的短片，与灰口铸铁的片状石墨类似。石的片状石墨类似。石墨

45、片的长厚比小，端墨片的长厚比小，端部较钝。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，其加入适量的蠕化剂而炼成的，其方法与球墨铸铁基本相同。蠕化方法与球墨铸铁基本相同。蠕化剂目前主要采用镁钛合金、稀土剂目前主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。镁钛合金或稀土镁钙合金等。蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃机汽缸和缸中高压热交换器、内燃机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。件。进气管排气管第34页，本讲稿共57页第五节第五节 可锻铸

46、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。它有较好的强度、塑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，这种铸铁有黑心和白心两性和冲击韧性，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获得；白心可锻铸铁利用氧化脱碳退火种类型。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，我国主要生产黑心可锻铸铁。来获得。后者已很少生产，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 1.1.显微组织：可

47、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，如汽车拖拉应用：可锻铸铁常用来制造

48、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，因铸造性能不好，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问题。与球墨铸铁工艺上困难较大；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，容易统一组织流水生产线相比，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口，需要进行高温退火，这时采等有点。尤其对于薄壁件，球墨铸铁还容易生成白口，需

49、要进行高温退火，这时采用可锻铸铁更为适宜。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；的退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墨，完成第一阶段

50、的石墨化过程。随后以较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（快的速度（100/h100/h）冷却通过共析转变温度区，得到珠光体基）冷却通过共析转变温度区，得到珠光体基体的可锻铸铁。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，完成第二阶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，并在冷至段石墨化，并在冷至720 720 760 760 后继续保温，使共析渗碳体充分分解，后继续保温，使共析渗碳体充分分解，完成第三阶段石墨化，在完成第三阶段石墨化，在650 650 700 700 出炉冷却至室温，