第二篇铸铁及其熔炼 第二章 灰铸铁优秀PPT.ppt

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1、第二篇铸铁及其熔炼第二章灰铸铁第一页，本课件共有119页第一节概述一、HT的概念及用途二、本章阐述的主要内容第二页，本课件共有119页第二节灰铸铁的金相组织、性能特点、牌号及技术要求一、灰铸铁的金相组织1、石墨及其对性能的影响2、金属基体对性能的影响3、铸铁中的碳化物和磷共晶对其性能的影响二、灰铸铁的性能特点1、灰铸铁的力学性能2、灰铸铁的使用性能3、灰铸铁的工艺性能三、灰铸铁的牌号术要求1、灰铸铁的牌号第三页，本课件共有119页第三节灰铸铁的结晶一、碳在铸铁中的存存形式二、铁碳（渗碳体）合金二元相图三、灰铸铁的结晶1、灰铸铁的一次结晶2、灰铸铁的二次结晶四、石墨结晶的特点1、G形核2、G长大

2、3、灰铸铁中片状石墨的形态第四页，本课件共有119页第四节影响铸铁组织和性能的主要因素一、铸铁的化学成分对铸铁组织和性能的影响1、各元素在铸铁中的存在形式2、铸铁中常见元素有对铁碳双重相图各临界点的影响3、化学成份对铸铁G化的影响4、化学成分对金属基体的影响5、碳当量CE和共晶度SC二、铸件冷却速度对铸铁组织和性能的影响1、铸件壁厚对冷却速度的影响2、浇注温度对铸件冷却速度的影响3、铸型散热条的影响三、其它因素对铸铁组织和性能的影响1、铁液的过热和高温静置2、炉料的影响3、孕育处理的影响第五页，本课件共有119页第五节普通灰铸鉄化学成分的确定及熔制工艺一、确定化学成分的一般原则二、确定铸铁化学

3、成分的数学模型1、铸件化学分与力学性能间的数学模型2、相对强度、相对硬度和对冶金质最指标三、铸铁化学成分确定的经验数据四、普通灰铸铁的熔制工艺1、普通灰铸铁原材料的选择与炉料配比第六页，本课件共有119页第六节提高灰铸铁力学性能的主要途径及孕育铸铁一、提高灰铸铁力学性能的主要途径1、适当调整灰铸铁的化学成分，采用髙的比WSi/WC比2、采用合金化3、改进炉料4、对铸铁件进行热处理5、对原铁液进行炉前孕育处理二、孕育铸铁1、孕育铸铁的熔制原理2、孕育铸铁的熔制工艺3、孕育铸铁的金相组织和性能特点第七页，本课件共有119页第七节灰铸铁的铸造性能、铸造工艺及热处理特点一、HT铸造性能特点1、流动性2

4、、灰铸件的缩松与缩孔、的应力、变形及裂纹三、的铸造工艺特点四、的热处理特点习题与思考题第八页，本课件共有119页第二篇铸铁及其熔炼铸铁是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。铸铁中一般碳量WC=2.14.0%范围内变动。除了铁、碳、硅外。铸铁中还含有锰、磷、硫及其它合金元素和一些杂质元素。在工业生产中铸铁的种类很多，将其按以下几种进行分类：1）按铸铁断口特征或组织中是否有石墨存在分为：灰口铸铁（简称灰铸铁）、白口铸铁、麻口铸铁。2）按铸铁中石墨存在的形状分：具有片状石墨的灰铸铁（包括普通灰铸铁和孕育铸铁)、具有球状石墨的球墨铸铁、具有蠕虫状石墨的蠕墨铸铁和具有团絮状石墨的可锻铸铁。第九页，本

5、课件共有119页3）按铸铁的化学成分分为：普通铸铁和合金铸铁。其中合金铸铁是指除碳外的其它元素，如钒、钛、钼的质量分数化;Wi0.1%，铬、镍、铜的质量分数Wi0.3%，而锰的质量分数加Wi2%，硅的质量分数Wi4%的铸铁。若合金元素的总量W合金元素5%称其为低合金铸铁，合金元素总量量W合金元素=510%，称其为中合金铸铁，合金元素总量加合金元素W合金元素10%的称其为高合金铸铁。4）按铸铁的性能可分为：工程结构件用铸铁和特种性能铸铁（包括：耐热铸铁、耐磨铸铁和耐蚀铸铁等）；5）按铸铁的基体组织对铸铁进行分类，如珠光体球墨铸铁、铁素体球墨铸铁、贝氏体球墨祷铁、铸态球墨铸铁等。各类铸铁分类及牌号

6、的表示方法如下：第十页，本课件共有119页第十一页，本课件共有119页铸铁的名称代号由表示该铸铁特征的汉语拼音字母的第一个大写字母组成，若两种铸铁代号字母相同时，在大写字母后加小写字母区别。牌号中后面有一组数字时，表示该铸铁的抗拉强度;有两组数时，第一组表示抗拉强度值，第二组表示断后伸长率值，两组数宇间用一隔开;当铸铁中存在起特殊作用的合金元素时（如特种铸铁），在牌号合金元素以元素符号和名义质量分数来表示。如QT400-15、QT400-18A、HT200、ZG40Mn2等。本篇主要介绍各种铸铁的金相组织、性能特点、技术要求、化学成分的选择、熔制工艺、熔炼用炉等内容。重点是灰铸铁、球墨铸件及结

7、天炉熔炼工艺等方面的基本知识。第十二页，本课件共有119页第一节概述断口呈银灰色、碳分主要以片状石墨形式存在的铸铁叫灰铸铁（也叫灰囗铸鉄，用字母HT表示）。灰铸铁包括普通灰铸铁及孕育灰铸铁（也称高强度灰口铸铁）。在所有铸铁材料总量中灰铸铁约占80%以上。其特点为：1）灰铸铁具有生产工艺简单，成品率高、成本低等特点。2）和其它铸铁材料相比，其力学性能较差，但铸造性能良好，特别是使用性能（如耐磨性能、减振性能好、对缺口的敏感性小）。3）切削加工性能好。因此，灰铸铁在工农业生及国民经济建设中起着极为重要的作用，广泛应用于各行各业来制造各种零件。如可用灰铸铁制造机床的机座、机架；发动机的缸体、缸套、缸

8、盖；液压缸、泵体、阀体；铸管、齿轮等本章主要介绍灰铸铁的金相组织和力学性能特点，牌号及技术要求，灰铸铁的结晶，影响灰铸铁组织和性能的主要因素，熔制工艺等基本知识。第十三页，本课件共有119页第二节灰铸铁的金相组织、性能特点、牌号及技术要求一、灰铸铁的金相组织灰铸铁的金相组织由片状石墨和金属基体两部分组成（即：F+G片、F+P+G片或P+G片）。此外，还有少量的夹杂物，如硫化物、磷化物、碳化物、氧化物等。1、石墨及其对性能的影响石墨本身有两个显著的特点：一是密度小（约2.25g/cm3，仅为铁的1/3），在铸铁组织中占体积大；二是石墨本身软而脆，力学能差，且强度较低（b20Mpa）。石墨在铸铁组

9、织中就相当于存在着许多切口一样，对金属基体起着割离作用；另一方面，引起应力集中，致使金属基体的力学性能得不到充分的发挥（据测定基体的性能发挥30%50%）。石墨对灰铸铁性能的影响起着决定性的作用。这主要表现在石墨的形状、分布、大小和数量等方面。第十四页，本课件共有119页(1）石墨形状在铸铁中一般石墨形状有片状、蠕虫状、团絮状和球状四种，如图2-1所示。片状石墨对基体组织的割离作用最为严重（见图2-2所示）。片状石墨的尖锐缺口在承载时会产生应力集中，当实际应力超过基体的抗拉度时，就会产生裂纹。如果石墨形状改变，即由片状变为蠕虫状、团絮状或球状时，石墨周围的应力集中现象可大为缓和，基体的性能可得

10、以充分的利用，强度和塑性可得到提高。第十五页，本课件共有119页第十六页，本课件共有119页(2)片状石墨的分布GB721687规定将片状石墨的分布形式分为六种，如图2-3、图2-4所示。而有些国家则将其分为五种。第十七页，本课件共有119页片状石墨的六种分布形式的特征、形成条件对灰铸铁的力学情能的影响见表2-1。从表中可见，相同条件下，片状石墨的六种分布形式中以细小的A型石墨出现时，灰铸铁的性能较好。第十八页，本课件共有119页（3）片状石墨的长度根据GB721687的规定，石墨长度在放大100倍的金相显微镜下迸行检验；共分八级，如表2-2所示。验收购价时可对应标准图册进行评定。第十九页，本

11、课件共有119页在灰铸铁中，石墨长度越长，即石墨片就越粗大，力学性能越差。相反，在其它条件相同时，石墨片越细小，分布均匀，则力学性能越好，如图2-5所示。第二十页，本课件共有119页（4）灰铸铁中石墨的数量石墨数量对其性能有一定影响。在其它条件相同时，石墨数量增加，减小了有效承载面积，使力学性能降低。石墨数量一般是指石墨片在金相照片上所占的面积分数，目前尚无统一的标准。（5）灰铸铁中共晶团的数量共晶团：结晶时晶粒中包括了A+G的晶粒团。共晶团数量越多，其力学性能越好，即强度越高。见图2-6所示。通常，灰铸铁中共晶团边界上常有低熔点的偏析和夹杂物存在，可用金相分析的方法将共晶团显示出来，一般在放

12、大10倍（或40倍）下观察，然后按标准规定，有A、B两组分8级进行评定，试样直径取70mm，见图2-7所示。侵蚀处理的显示剂：Cu2Cl210g、MgCl40g、浓盐酸200cm3、加酒精1000cm3侵蚀。第二十一页，本课件共有119页第二十二页，本课件共有119页2、金属基体对性能的影响灰铸铁的金属基体主要分为三种：F体、F体+P体、P体。如面2-8所示。（1）F体：铁素体本身质软，强度和硬度较低（b约为250MPa，硬度约为90HBS）,塑性高（约为50%左右）。但是在铁素体基体的灰铸铁中,由于片状石墨的存在，铁素体的塑性难发挥。（2）F体+P体：铁珠光体本身强度硬度较高（b约为700M

13、Pa，硬度约为200HBS），塑性低（约为15%），在实际生产中，随着P含量的提高，其强度硬度也在提高，见图2-9所示。第二十三页，本课件共有119页第二十四页，本课件共有119页（3）P体：在实际生产中要求强度髙、耐磨性能好的铸铁，都希望获得全部的珠光体基体。而P的数量、细化程度对其性能影响较大。P数量的评定，标准规定分为8级：即珠98、珠95、珠90；珠80、珠70、珠60、珠50、珠40，检验时按照国家标准图册进行评定。P细化程度是用金相显微镜放大500倍下检查其片间距的大小，见表2-3。第二十五页，本课件共有119页3、铸铁中的碳化物和磷共晶对其性能的影响（1）铸铁中的自由碳化物碳化物

14、是碳与一种或多种元素间形成的化合物。因碳化物的出现，不仅降低铸铁的力学性能，而且也使切削加工性能恶化。因此，一般铸铁中不允许有自由碳化物存在。碳化物按其分布形状可分为针状、网状、块状和莱氏体状等，在灰铸铁中，按其在大多数视场中的百分比分为六级（碳1、碳3、碳5、碳10、碳15、碳20），检验时用标准金相图册比较进行评定。（2）磷共晶在灰铸铁中，常出现磷共晶体。磷共晶体一般都分布在晶粒边界上，有孤岛状、均匀分布、断续和连续网状分布等。磷共晶本身硬而脆（显微硬度：二元磷共晶为400HV，三元磷共晶为600HV），使铸铁的冲击韧度降低，脆性增加。磷共晶按其组成又可分为二元磷共晶、三元磷共晶、二元磷共

15、晶与碳化物复合物及三元磷共晶与碳化物复合物四种类型。第二十六页，本课件共有119页在实际生产中经常遇到的是二元和三元磷共晶。当铸铁中的平均WP为0.06%0.08%时，就会在组织中形成二元磷共晶(FeFe3P，含WP10.2%，WFe89.89%，熔点为1050C)或三元磷共晶（Fe-Fe3P-Fe3C，含WC1.96%，WP6.98%，WFe91.15%，熔点为935C)。二元磷共晶的显微组织是在Fe3P基底上分布着高铁相（珠光体或铁素体），三元磷共晶则是在Fe3P和Fe3C基底上分布着高铁相。两者可用不同的侵蚀剂侵蚀进行判别，如图2-10所示。第二十七页，本课件共有119页在灰铸铁中三元磷

16、共晶比二元磷共晶危害大，若以连续网状分布则危害更大。因此，应尽量防止磷共晶的出现，特别是三元磷共晶的出现。所以，就必须提高促进石墨化元索C、Si等的含量和降低冷却速度，防止三元磷共晶的形成，对于耐磨性能要求较市的特种铸铁(在第六章中介绍）可适当放宽含磷量，并以孤立的块状分布为好。第二十八页，本课件共有119页二、灰铸铁的性能特点1、灰铸铁的力学性能（1）灰铸铁的强度和硬度1）抗拉强度是评价灰铸铁的主要力学性能指标，世界各国都以此来划分灰铸铁的等级2）抗弯强度抗弯强度与抗拉强度之间有很好的线性关系，见图2-11所示。3）抗压强度通常用30的拉棒加工后测出，为6001000Mpa，通常为抗拉强度的

17、34倍。4）硬度在一定程度上反应强度的高低，硬度与强度成正相关关系。灰铸铁的硬度一般为170300HBS。（2）塑性和韧性其断后伸长率为0.3%0.8%和冲击韧度KV为25J/cm2,属于脆性材料。第二十九页，本课件共有119页第三十页，本课件共有119页2、灰铸铁的使用性能（1）灰铸铁的减振性能由于石墨对基体有割离作用，加强了振动的衰减，可以吸收能量，其减振性较好。当敲击钢棒时，其声音响亮清脆，余音较长；而当敲击灰铸铁时，则声音低沉，余音短。见图2-12所示。第三十一页，本课件共有119页（2）灰铸铁的耐磨性能石墨似乎是很多孔穴，有储油润滑作用，其本身也有润滑作用。故灰铸铁在润滑条件下其耐磨

18、性（减磨性）能好。（3）缺口敏感性其缺口敏感性较低，即不会因为本身的裂纹或缺口能产生向外延伸。铸钢的缺口敏感性系数为1.5，而灰铸铁为1.0。但随着石墨细化或形状的改善，对缺口的敏捷性会提高。第三十二页，本课件共有119页3、灰铸铁的工艺性能（1）切削加工性能切削加工性能较好。但若组织中渗碳体（Fe3C，用Cm表示）含量较高，石墨化不充分时。其切削加工性加差，要经退火处理才能进行加工。（2）灰铸铁的铸造性能，铸造性能良好，其生产成本低，质量容易保证。（3）焊接性能由于碳含量较高，焊接性能较差。第三十三页，本课件共有119页三、灰铸铁的牌号术要求1、灰铸铁的牌号根据GB43988，我国灰铸铁牌号

19、按单铸30试棒的抗拉强度值分为六个牌号，见表2-5所示。第三十四页，本课件共有119页2、灰铸铁的力学性能检验（1）b为验收时的主要指标，国标规定了试样规格和毛坯单铸试棒的尺寸及制备要求，如表2-6及图2-13所示、图2-14、图2-15所示。第三十五页，本课件共有119页第三十六页，本课件共有119页浇注试棒用的砂型为干型（也可用湿型），但必须用与所浇铸件的同一包铁液进行浇注。当铸件壁厚超过20mm，重量又超过200Kg时，或对于特殊要求的铸件经供需双同意，也可采用两种附铸试棒，如图2-16所示。试棒在制作时，应将其安置在铸件具有代表性的部位处，对測出的性能指标按表2-7进行验收。第三十七页

20、，本课件共有119页第三十八页，本课件共有119页第三十九页，本课件共有119页（2）硬度国家标准规定，对于特殊要求经供需双方同意，硬度也可以作为灰铸铁件验收的重要技术条件，按铸件上规定部位的布氏硬度来分类和验收，见表2-8。国家标准也规定，硬度值供需双方可以协商确定，但其波动范围必须在25HBS之内，试样见图2-17所示。第四十页，本课件共有119页第四十一页，本课件共有119页第三节灰铸铁的结晶灰铸铁的力学能是由其金相组织所决定，而金相组织又是在结晶过程中形成的，只有掌握了灰铸铁的结晶过程，才能达到控制其力学性能的目的。一、碳在铸铁中的存在形式铸铁的结晶过程实际上是碳的析出和形成过程，碳在

21、铸铁中的存在形式主要有三种：固溶解状态（F及A）结晶状态（G形式）、化合态（渗碳体形式）。二、铁碳（渗碳体）合金二元相图在结晶条件不同时，碳以两种形态析出，即石墨（G）与渗碳体（Cm）。即在结晶过程中，就会出现FeG和FeCm两种不同的结晶系统。把前者称为稳定系结晶系统（即冷却速度缓慢），后者称为亚稳定系结晶系统。见图2-20所示。图中虚线部分为稳定系，实线部分为亚稳定系。第四十二页，本课件共有119页图中所示的共晶成份，当温度在1154C以上时，成份为液相；而当温度降到1148C至1154C之间时，以稳定系结晶，形成A+G；若温度降至1148C以下结晶时，以亚稳定系结晶，形成A+Fe3C。第

22、四十三页，本课件共有119页三、灰铸铁的结晶灰铸铁的结晶包括一次结晶和二次结晶。一次结晶决定灰铸铁晶粒的大小、石墨形状和分布形式；二次结晶则决定着灰铸铁的最终组织。1、灰铸铁的一次结晶灰铸铁的一次结晶过程，是指铸铁由液态到固态的凝固结晶过程。对于亚共晶铸铁来说，它包括初生奥氏体的析出和共晶结晶两个阶段；对于共晶铸铁只有一个共晶结晶阶段；而对于过过晶铸铁则包括初生（一次）石墨的析出和共晶结晶两个阶段。在灰铸铁的一次结晶过程中，高碳相全部以片状石墨的形式析出。选三种典型的铁碳合金，成分为WC=3.0%（亚共晶成份）、WC=4.5%（过共晶成份）和WC=4.26%（共晶成份）进行分析其结晶过程。第四

23、十四页，本课件共有119页（1）初生A的结晶（WC=3.0%亚共晶成份）见图2-21所示。第四十五页，本课件共有119页（2）初生G（也称一次）的结晶（WC=4.50%过共晶成份）见图4-22所示。第四十六页，本课件共有119页（3）共晶转变（WC=4.26%）见图2-23所示。第四十七页，本课件共有119页通常在灰铸铁的共晶转变中，最先是G核心的形成和成长，首批G晶核的形成标志着共晶转变开始。由于G的形成使其周围发生贫碳，从而促使A以G片的（0001）面为基础，在石墨片之间形成。A的生长又促使周围熔体富碳，又促使了石墨的增长，并且G的生长过程中不断发生分枝。所形成的GA两相共存生长的共晶晶粒

24、称其为共晶团，见图4-24所示。共晶团的数量越多，组织越致密，力学性能越好。第四十八页，本课件共有119页灰铸铁的一次结晶过程见图2-25所示。第四十九页，本课件共有119页2、灰铸铁的二次结晶铸铁在凝固以后的继续冷却过程中，组织还要发生一系列的相变，称其为二次结晶。一般包括二次石墨的析出、共析转变和渗碳体的分解等过程。二次结晶决定着铸铁最终所形成的金属基本组织。（1）G的析出稳定系：AA+G；亚稳定系：AA+Fe3C在灰铸铁中，析出的G一般沉积于原有的片状G上，使其长大，但不改变其形状，故在金相显微镜下观察时一般不能区分出来。在没有条件析出G时，常在A晶界机出网状分布的Fe3C。当温度降至7

25、38C时，发生共析转变。（2）共析转变（A(wc)0.68%P）稳定系：A(wc)0.68%F+G；亚稳定系：A(wc)0.68%P+G第五十页，本课件共有119页四、石墨结晶的特点（1）G形核在铸铁中G的形核可以是自发形核和非自发形核两种。铁液中石墨的自发形核是铁液中碳的浓度起伏为基础，当铁液冷却至液相线以下并具有一定的过冷度时，超过临界半径的碳原子集团，则成为石墨的结晶核心。但实践表明，灰铸铁的结晶多以非自发形核为主。如在铸铁中的氧化物、碳化物、氮化物以及尚未熔化的石墨颗粒等都可能成为G的结晶核心。实验表明，结晶时的过冷度愈大，非均质形核的临界尺寸就愈小，成为石墨核心的微粒数量就愈多。因此

26、，铸件的冷却速度愈大，石墨和奥氏体形成的共晶团晶粒就愈细。（2）石墨的长大在灰铸铁中，石墨呈片状，它的结晶长大通常是从石墨形成结晶核心开始并不断分叉长大。每个石墨簇中石墨片实标上皆由结晶中心分叉生长出来。第五十一页，本课件共有119页3、灰铸铁中片状石墨的形态在金相显微镜下观察G，虽只看到许多互不连贯的G条，但通过深腐蚀后观察其立体形貌就会发现各共晶团的G是一簇簇的，由同一核心形成，呈花朵状，见图2-26所示。灰铸铁中片状石墨的形状，主要是由于G的各向异性所造成的，同时与铸铁中S、O等表面活性杂质元的作用相关。第五十二页，本课件共有119页第四节影响铸铁组织和性能的主要因素铸铁的化学成分、铸件

27、冷却速度以及其它的工艺因素（如液态金属的成核能力、金属中的气、炉料特征和炉炉料的纯净程度）对铸铁的G化影响较大。一、铸铁的化学成分对铸铁组织和性能的影响铸铁的化学成分，除了5大元素C、Si、Mn、P、S以外。还有人为加入进去满足某些特殊功能的元素有，如：Cr、Mo、Cu、W、Ni、V、Ti、Sb、Sn、B等，有的是炉料及熔炼过程中带入的元素，如：V、Ti、Al、Bi、Sb、Se、Zn、Sn等。它们对铸铁的性能都有影响。第五十三页，本课件共有119页1、各元素在铸铁中的存在形式铸铁中的各元素可以下列形式存在：溶于铁素体、奥氏体、渗碳体或其它相中；形成碳化物、与氧、硫、氮等化合物形成夹杂物；纯金属

28、相等。（1）形成固熔体Si、Co、Mn可全溶于A体中；而P、S的溶解度小，故会形成磷共晶和硫共晶。WAl=8%9%和WAl=20%24%时可溶于固溶体，表现出有促进石墨化的作用。（2）组成碳化物1）强碳化物形成元素：V、Zr、Nb、Ti等。2）中强碳化物形成元素：Cr、Mo、W等。3）弱碳化物形成元素：Mn等。4）Al和碳作用比较特殊，质量分数为WAl=10%20%时形成Fe3AlCX(X0.65)，当WAl24%时，形成Al4C3。上述元素与碳的亲和力由弱到强摆序为：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti（Nb、Zr）。第五十四页，本课件共有119页（3）组成碳化物、氧化物、氮化物等夹杂物如FeS、

29、MnS、FeSMnS等硫化物；SiO2、MnO、Al2O3、FeO、TiO2、MgO等氧化物；与V、Ti、Ca、Mg等形成的氮化物；以及由Fe3P组成的共晶体。（4）纯金属相在铸铁中，Cu、Pb等超过溶解度后，可以纯金属相微粒状态存在于基本中。2、铸铁中常见元素有对铁碳双重相图各临界点的影响其影响的情况见表2-9所示第五十五页，本课件共有119页第五十六页，本课件共有119页常见合金元素对共晶温度的影响趋势见图2-27、图2-28所示。第五十七页，本课件共有119页提高相变的临界温度,特别是提高共析临界温度的元素将有利于A向F和G转变;反之,降低共析临界温度的元素,如Cu、Ni等，按其化学性质

30、来说是属于不形成碳化物元素，但却显著阻碍共析转变时的G化。3、化学成份对铸铁G化的影响表2-10列出了各种常用化学元素对铸铁G化能力的影响。化学成分对G化的形状、分布、大小的影响也是十分复杂的，见表2-11所示。第五十八页，本课件共有119页第五十九页，本课件共有119页4、化学成分对金属基体的影响表2-12列出了主要元素对金属基体组成的影响应。由表中可见，凡是促进共析转变时G化的元素如C、Si、Al等都使基体组织中F体的数量增加，P体量减少；反之，凡是阻碍共析G化的元素如Mn、Mo、Cr、Cu、Ni、Sn、Sb等都使P量增加，而使F体减少，生产为了提高强度，期望P体含量要多。大多数合金元素（

31、除Co外）都使连续冷却下的P体转变时的冷却度加大，从而细化P体，促使S体、T体的形成。第六十页，本课件共有119页5、碳当量CE和共晶度SC由于铸铁化学成分对各临界点的影响较大，应对铸铁的成分进行判定，即亚共晶、过共晶及共晶成分。故引入了CE及SC的概念。（1）碳当量CE从实验可知，每增加1%的Si，可使共晶点的C量下降WC=0.3%，而加Si后共晶点的实际WC可用下式表示：第六十一页，本课件共有119页碳当量CE是表示铸铁中硅和磷对铁碳共晶综合影响的指标。用来估计某一铸铁成分在一定冷却速度时接近共晶的程度。其表示公式为（计算时以质量面分数计算）：计算后CE值与亚稳定系的共晶点WC=4.26%

32、比较，若小于4.26%则为亚共晶成份，若等于则为共晶成份，若大于则为过共晶成分。第六十二页，本课件共有119页例：有一铸铁化学成分为WC=3.6%,Wsi=2.7%,WMn=0.4%，WP=0.06%,WS=0.06%,试判定该铸铁是属于何成分？属于过共晶成分。第六十三页，本课件共有119页（2）共晶度SC普通灰铸铁中含碳量与共晶点含碳量的比值即为SC。表示为：通过对CE或SC的计算，可从其成分属性中判断其铸造性能以及G化的能力。第六十四页，本课件共有119页6、五大元素对灰铸铁组织和性能的影响（1）C和Si二者是铸铁的主要元素，对铸铁的组织及性能起决定性的作用。C及Si都是强促进G化元素，二

33、者含量过高时，都会使G、及F体数量增多，而且G变得粗大，反而使力学性能下降。故生产中要控制其量适度，得到较多的P体并使之细化。提高力学性能。实验表明，C和Si促进G化时互为条件，在C高Si低时，Si促进G化的作用比C强（若铸铁中无Si或少Si时，即使C量很高，G化也很困难）；在C低Si高时，C促进G化的作用比Si强。二者含量的多少与铸铁组织的关系见图2-29所示。与铸铁强度的关系见图2-30所示。第六十五页，本课件共有119页由图可知，随着C、Si含量的增加，铸铁的G化程度增加，表现G从无到有，Cm由多到少，断口组织由麻口变为白口，再变为灰口。第六十六页，本课件共有119页（2）Mn和S对铸铁

34、组织性能的影响与C和Si相反，Mn和S都是阻碍石墨化元素。S是有害元素，在晶界处会形成二元及三元硫共晶，会导致铸铁产生热脆，还会降低金属液的流动性。Mn是有益元素，与S有很好的亲和力，可以用来除硫。Mn可以溶于F体中形成置换固溶体，也可以溶Cm中形成Mn渗碳体（Fe、Mn）3C,可以加强铁与碳的结使力，使渗碳体稳定；Mn还能强烈降低共晶、共析温度，扩大A体区，是一个阻碍G化的元素。当其含量达到一定量时，可以P体的量增多，而且也可以细化晶粒，从而提高铸铁的强度和硬度。为了保证铸铁有效得到P体，WMn=0.6%1.2%的范围。第六十七页，本课件共有119页（3）P对铸铁组织性能的影响P能会形成低熔

35、点的磷共晶，使铸铁产生冷脆，要求普通灰铸铁的WP在0.3%以下。并且要控制三元磷共晶的出现。P降低共晶转变温度，是弱促进G化元素。在生产中还发现，铸铁含P量较高时，铸件可以减小粘砂、气孔缺陷的倾向；可降低液相线温度，提高金属液的流动性；有时为了提高耐磨性，如机床床身、缸套和活塞环，可以提高P的加入量，即WP可达到0.6%以上。第六十八页，本课件共有119页二、铸件冷却速度对铸铁组织和性能的影响冷却速度对组织和性能影比较大，以炉前三角试块进行分析，如图2-31所示。在实际生产中，铸件的冷却速度通常是以铸件壁厚、浇注温度和铸型散热条件等因素表现出来。第六十九页，本课件共有119页1、铸件壁厚对冷却

36、速度的影响一般说来，在其它条件相同时，铸件壁愈厚，冷却速度就愈慢，组织愈粗大，其性能也愈低。铸件壁厚与组织性能的关系，见图2-32所示。铸件壁厚是铸件冷却速度的一个重要因素，生产中在确定铸件化学成分时，必须要依据铸件壁厚来进行调整。第七十页，本课件共有119页在实际生产中，铸件结构比较复杂，一般是用主要壁厚或关键壁厚来进行控制，即最小壁厚不要出现白口组织，最大壁厚不要出现缩孔、缩松、石墨粗大。从冷却及补缩的角度，引入了M铸件的概念（也称折算厚度)。对于普通灰铸铁件来说，过大地增加铸件壁厚，不但不增加铸件的强度，反而会使铸件冷却速度降低,晶粒粗大，缩松机会增多，力学性能降低。第七十一页，本课件共

37、有119页2、浇注温度对铸件冷却速度的影响铁液浇注温度对铸件的冷却速度的影响实际上是对铸型条件的影响。图2-33为浇注后铁液与铸型的温度变化曲线,。第七十二页，本课件共有119页图中实线表示高温浇注时的情况，虚线表示低温浇注时的情况。从图中可以看出，当铸件冷却到结晶温度时，高温铁液浇注的铸型已被加热至较髙温度，而低温铁液浇注的铸型尚在较低的温度。因此，铁液在凝固时,高温浇注的温度差较低温浇注的温度差小，也就是说高温浇注能在凝固前使铸型达到较高的预热温度，从而降低了铸型的吸热速度，使此时的冷却速度反而低于低温浇注时的冷却速度，故高温浇注有促进石墨化和使石墨粗化的作用。第七十三页，本课件共有119

38、页3、铸型散热条件的影响不同的材料具有不同蓄热和散热能力，从而导致铸件冷却速度不同，组织性能也就不同，见表2-13所示。第七十四页，本课件共有119页通常将铸型对铸件的冷却能力称为激冷作用，激冷作用愈大，铸件的冷却速度就愈快。一般砂型的冷却速度小，湿砂型对铸佚的冷却速度大于干砂型，而金属型对铸件的冷却速度就更大。在铸件的关键部位摆放冷铁就是提高冷却速度，获得P体组织，并细化晶粒。但摆放时为了防止白口组织出现，在冷铁上刷上涂料，摆放时距铸件边沿留有适当的尺寸。冷铁有生铁冷铁，石墨冷铁等。第七十五页，本课件共有119页三、其它因素对铸铁组织和性能的影响铁液的过热和髙温静置、熔化铁液用的原材料、孕育

39、处理也对铸铁组织和性能有显著的影响。1、铁液的过热和高温静置铁液的过热通常以过热温度和过热度表示。过热度是指铁液超过液相线的温度，而过热温度是指铁液的实际温度。高温静置是指铁液在过热揾度下进行静置保温。实践表明，提高铁液的过热温度（或过热度），延长高温静置时间，可使G和基体细化，力学性能提高。故生产中提倡高温出炉低温浇注。但过热度不宜太高，即过热时需要一个“临界过热度”。若将高温过热的铁液在较低温度下静置相当长时间时，过热的效果便会局部或全部消失，这种现象称为过热效果的可逆现象。第七十六页，本课件共有119页2、炉料的影响实际生产中，会遇到在相同化学成分的情况下，更换了炉料，从而使祷铁中的石墨

40、结晶特性、石墨化程度、白口倾向以及石墨形态甚至基体组织都发生变化，造成铸铁组织和性能的差异。将铸铁性能与原炉料之间的这种关系称为炉料的遗传性。主要因为生铁中的气体、形成裂纹的倾向、夹杂物及炉料的原始组织中的微量元素的缘故。生产中可以通过提高铁液的过热温度、或用两种或两种以上产地的生铁搭配使用来消除遗传性对铸铁组织和性能的影响。3、孕育处理的影响所谓孕育处理是指在浇注前向铁液中加人一定量的物质(称这种物为孕育剂)，从而改变铁液的凝固结晶过程，明显地改善铸铁的組织，使性能提高的处理方法。在实际生中孕育处理已广泛应用于灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁等。孕育处理的目的主要是为了降低铁液的过冷倾向

41、，增加石墨的成核能力,促使铁液按稳定系进结晶，从而改变石墨的形态及细化程度等。第七十七页，本课件共有119页第五节普通灰铸鉄化学成分的确定及熔制工艺化学成金相组织力学性能及其它性能。正确选择铸铁的化学成分，才能进行配料和熔化。确定化学成分时有如下几点原则：（1）使用性能是选择化学成分的前提除了力学性能将，有的铸件尚有其它性能的要求，如：耐磨性、减振性以力良好的切削加工性能。一般得遵循设计图样上的材料牌号，不得修改，除非征得设计人员的同意。1）在确定化学成分时，先确定主要元素，即C、Si、Mn、P、S。2）对于一些要求耐磨、致密的铸件，还需考虑提高强度等级或加入一些合金元素。第七十八页，本课件共

42、有119页（2）铸件在铸型中的冷却速度是确定化学成分的主要条件在选择化学成分时，必须考虑铸件的大小、壁厚、浇注温度及铸型材料等特点。1）对于性能要求不高铸件，可取其平均壁厚为依据选取化学成分。但保证薄壁不出现白口，厚大处不出现组织粗大等。2）对于性能要求较高的铸件，应按主要壁厚、关键壁厚来选取化学成分。并保证薄壁不出现白口，厚大处不出现组织粗大等。（3）孕育处理是改变灰铸铁结晶组织和性能极为有效的措施化学成分选择的实践性很强，一般是先分析铸铁的性能和铸件的结构特点,在本厂生产条件的基础上，参考有关的实际经验数据进行确定。对于初歩确定的铸件化学成分，必须结合生产条件不断调整，才能真正地获得预期的

43、铸铁组织和各种使用性能。第七十九页，本课件共有119页二、确定铸铁化学成分的数学模型搞清楚铸铁的化学成分与力学性能之间的数量关系，也就是必须建立起铸铁成分、力学性能的数学模型。国内外在这方面进行了大量的研究，得出了许多铸件化学成分与力学性能的关系式。1、铸件化学分与力学性能间的数学模型第八十页，本课件共有119页以上关系式用毛坯直径为30，毛坯直径不同，生产条件不同等所测定出的上述关系式的系数均有不同，如图2-34所示。根据各厂实际测定，以指导确定成分。如已知铸铁的硬度值，就可以间接了解其强度指标。第八十一页，本课件共有119页例1已知要求达到牌号HT200的铸铁，试求该铸铁的共晶度SC？第八

44、十二页，本课件共有119页例2测定某一牌号的铸铁硬度为200HBS，试求其抗拉强度指标?第八十三页，本课件共有119页2、相对强度、相对硬度和对冶金质最指标在生产中为了评定各因素对铸铁质量的最终影响，还可通过计算铸铁的相对强度RS、相对硬度RH和相对冶金质量RQ作为确定铸铁化学成分，控制力学性能的辅助指标。其计算如下：第八十四页，本课件共有119页例3某厂生产铸铁,其化学成分为WC=3.3%，WSi=2.1%，WMn=0.8%，WP=0.2%，WS=0.12。试求：1）该铸铁应达到强度和硬度指标;2）根据某厂实际测定，SC为0.95时，该铸铁的b为230MPa、，硬度值为214HBS。试计算其

45、相对强度RS、相对硬度RH和相对质量指标RQ。（1）先由共晶度计算公式计算出该铸铁的共晶度SC：（2）计算RS、RH及RQ因为RQ1，故其质量尚需进一步提高第八十五页，本课件共有119页三、铸铁化学成分确定的经验数据在生产实际中，铸铁化学成分的选择可参考一些经验数据，如表2-14所示。第八十六页，本课件共有119页第八十七页，本课件共有119页例4有一中型机床厂，计划生产一批变速箱体零件，其牌号为HT200，硬度要求为129227HBS，试确定其化学成分？解：据测量，该铸件加工面处的壁厚为3050mm，非加工面壁厚为1622mm。因此，化学成分的确定可基本上按壁厚在3050mm选择。从表2-1

46、4可初步确定化学成分为：WC=3.1%3.4%，WSi=1.5%1.8%，WMn=0.7%0.9%，WP0.2%，WS0.12。生产实践表明，上述确定的化学成分能满足使用要求。用30mm试棒检验，b=200215MPa、，硬度值为197HBS，在加工面上未出现局部白口。第八十八页，本课件共有119页四、普通灰铸铁的熔制工艺普通灰铸铁的牌号为HT100、HT150、HT200。其余牌号为高牌号孕育铸铁。灰铸铁配料时要加入的材料为：生铁、废钢、回炉铁、合金铸铁（如硅铁、锰铁等）。1、普通灰铸铁原材料的选择与炉料配比普通灰铸铁的CE较高，一般在WCE=3.8%4.7%，不用或少用废钢；对S、P要求不

47、严，范围较宽，炉料配比范围见表2-15所示。通常配料时，随着牌号的提高，CE数值减小，即C、Si含量降低，废钢加入量增加，而生铁加入量减少，回炉铁根据各厂实际情况酌情加入。2、采用冲天炉进行熔炼，炉前用三角试块进行调整三解试块是检验在炉前检验铁液化学成分并进行控制比较传统并常用的手段。铁液的温度可用红外线测温仪或热电偶进行测量。第八十九页，本课件共有119页第九十页，本课件共有119页炉前三角试块检验以不同的C、Si含量在不同的冷却条件下，铸铁的宏观组织有不同的表现为依据，来判定铁液的化学成分，见图2-31所示。常用三角试块尺寸见图2-35和表2-16所示。第九十一页，本课件共有119页三角试

48、块的断面尺寸以铸件壁厚大小来决定，一般厚壁大铸件取大值，薄壁中小件取小值。可用干型、湿型立浇，当试块冷却至600C时从砂型中取出平夹将下面放置水中淬冷，敲断后观察断面白口情况对CE进行判定并调整。白口越宽，说明CE低，C、Si含量低，反之CE高，C、Si高。观察断口组织及灰口层的颜色，也可判断CE的高低，断口发暗，则硅量稍低；发亮，则硅量适中；发黑，则碳高；色淡且中心粒细，则碳低。锤击时，易断，断口平齐，说明强度低；不易打断，断口不平齐，说明强度高。三角试块白口的选择，还应兼顾力学性能和最小壁厚的可工性以及铁液的铸造性能。对于壁厚在2030mm的中小铸件，白口宽度选择在HT100为02mm，H

49、T150为24mm，HT200为36mm。第九十二页，本课件共有119页第六节提高灰铸铁力学性能的主要途径及孕育铸铁一、提高灰铸铁力学性能的主要途径提高铸铁的力学性能有两条途径：首先是改变石墨的数量、大小、分布和形状；其次是控制基体组织，在石墨的影响减小到最小之后，充分发挥金属基本的作用。1、适当调整灰铸铁的化学成分，采用髙的比WSi/WC比可在保持同一碳硅总量（WCE及SC相同）的条件下，适当增加废钢加入量，将WSi/WC比从0.40.5调整提高到0.70.8，将铁液的出炉温度提到1450C以上，可使灰铸铁的抗拉强度提高约2030MPa，铸件内的剩余内应力降低，变形倾向减小：铸造性能得到进一

50、步改善，白口倾向小，断面均匀性好，切削加工性能好，且成本低第九十三页，本课件共有119页2、采用合金化在普通灰铸铁的基础上加人少暈合金元素，如Mn、Cu、Mo和少量的RE等，其目的是強化P和细化P体。（1）含锰灰铸铁生产实践证明，在HT100中将含锰量由原来的0.47%提高到1.38%后其抗弯强度可以从320Mp提高到420MPa左右。（WCE=3.9%），将含锰量增加到2.0%，可使铸件硬度稳定在210230HBS。锰量稍高于硅量的含锰灰铸铁具有强度、硬度高，耐磨性能好，铸造收缩小，切削加工性能好，不易产生縮孔缩松缺陷，且生产成本低等优点。（2）含RE的灰铸铁在高碳灰铸铁的铁液中，炉前加入少