機械工程材料第十章鑄鋼與第十一章鑄鐵

1、LOGO機械工程材料機械工程材料哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學(威海威海)，材料科學與工程學院，材料科學與工程學院鑄鋼軋機機架，加工后198t鑄造的特點鑄造的特點 ：1、適應性強、適應性強 司母戊青銅方鼎中國古代貨幣2、利用某些合金特性、利用某些合金特性(如耐磨用高錳鋼如耐磨用高錳鋼)3、精度高、精度高4、成本低、成本低 鑄造方法尺寸精度等級(CT)表面粗糙度(Ra/m)普通砂型11-1550-400高壓造型8-1012.5-50熔模鑄型(鋼)5-70.8-12.5低壓鑄造5-9-金屬型鑄造5-80.8-100各種鑄造方法的尺寸精度和表面粗糙度各種鑄造方法的尺寸精度和表面粗糙度金屬鑄造成形的缺點

2、第三篇第三篇 鑄鋼與鑄鐵鑄鋼與鑄鐵第十章第十章 鑄鋼鑄鋼第十一章第十一章 鑄鐵鑄鐵按化學成分，包括：按化學成分，包括：鑄造碳鋼和鑄造合金鋼鑄造碳鋼和鑄造合金鋼。按用途，包括：鑄造特殊鋼按用途，包括：鑄造特殊鋼(耐磨鋼、不銹鋼及耐耐磨鋼、不銹鋼及耐熱鋼等熱鋼等)和鑄造工具鋼和鑄造工具鋼(如鑄造高速鋼如鑄造高速鋼)等。等。其強度、塑性及韌性其強度、塑性及韌性優(yōu)于灰口鑄鐵（使用性能）優(yōu)于灰口鑄鐵（使用性能）鑄鋼鑄造性能比鑄鐵差。鑄鋼鑄造性能比鑄鐵差。流動性差、易氧化、收縮流動性差、易氧化、收縮大、產(chǎn)生缺陷傾向大。大、產(chǎn)生缺陷傾向大。應用：量大、形狀復雜、對性能要求不高的零件。應用：量大、形狀復雜、對

3、性能要求不高的零件。第十章第十章 鑄鋼鑄鋼鑄鋼牌號鑄鋼牌號舊牌號舊牌號新牌號新牌號ZG45ZG25sbZG230-450ZG310-570C第一節(jié)第一節(jié) 鑄造碳鋼鑄造碳鋼鑄造碳鋼含碳量在鑄造碳鋼含碳量在0.12%-0.62%之間，多屬亞之間，多屬亞共析鋼。共析鋼。硫、磷硫、磷為鑄鋼的有害雜質(zhì)。為鑄鋼的有害雜質(zhì)。鑄鋼屬亞共析鋼鑄鋼屬亞共析鋼鑄造過程屬于非平衡結(jié)晶，且鑄態(tài)組織為粗鑄造過程屬于非平衡結(jié)晶，且鑄態(tài)組織為粗大的魏氏體組織。大的魏氏體組織。魏氏體組織特征：先共析鐵素體呈針狀插向魏氏體組織特征：先共析鐵素體呈針狀插向奧氏體晶粒內(nèi)部奧氏體晶粒內(nèi)部。1、組織、組織魏氏體降低鋼的韌性魏氏體降低鋼的

4、韌性改善組織方法：通過改善組織方法：通過退火和正火消除魏氏退火和正火消除魏氏體組織體組織。影響鑄造碳鋼的因素2、化學成分、化學成分降低硅錳硫磷含量，使碳成為影響機械性能降低硅錳硫磷含量，使碳成為影響機械性能的主要元素。的主要元素。改善碳鋼鑄件的組織與性能，通常進行完全退火、改善碳鋼鑄件的組織與性能，通常進行完全退火、正火或正火正火或正火+回火處理?；鼗鹛幚怼Ｄ康模杭毣Я?，消除魏氏組織和鑄造應力。目的：細化晶粒，消除魏氏組織和鑄造應力。鑄造碳鋼淬透性低，且性能相對較差時，需要合金鑄造碳鋼淬透性低，且性能相對較差時，需要合金化?；?。常用元素有常用元素有Mn、Si、Mo、Cr、Ni、Cu等。等。根

5、據(jù)合金元素量：鑄造低合金鋼、鑄造高合金鋼。根據(jù)合金元素量：鑄造低合金鋼、鑄造高合金鋼。第二節(jié)第二節(jié) 鑄造合金鋼鑄造合金鋼v鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及生產(chǎn)簡便、成本低廉、減震生產(chǎn)簡便、成本低廉、減震性好、耐磨、易切削、流動性好、耐磨、易切削、流動性好等優(yōu)點，因而是應用最性好等優(yōu)點，因而是應用最廣泛的材料之一。廣泛的材料之一。v塑性差，不能鍛造。塑性差，不能鍛造。v鑄鐵是含碳量大于鑄鐵是含碳量大于2.14%并含有較多硅、錳、并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。硫、磷等元素的多元鐵基合金。第十一章第十一章 鑄鐵鑄鐵鑄鐵曲軸鑄鐵曲軸內(nèi)燃機汽缸內(nèi)燃機汽缸v例如，機床床身、

6、內(nèi)燃機的汽例如，機床床身、內(nèi)燃機的汽缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等都可用鑄鐵制造。曲軸等都可用鑄鐵制造。FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%溫度溫度Le為A和Fe3C的機械混合物(蜂窩狀)，Le為P和Fe3C的機械混合物Fe-Fe3C 和和 Fe-G (石墨石墨)雙重相圖。雙重相圖。Fe3C是亞穩(wěn)相，在一定條件下將發(fā)生分解：是亞穩(wěn)相，在一定條件下將發(fā)生分解：

7、Fe3C3Fe+C（石墨）（石墨）一般為片狀一般為片狀球墨鑄鐵球墨鑄鐵石墨化：鑄鐵中石墨的形成。按石墨化程度按石墨化程度按石墨形態(tài)按石墨形態(tài)白口鑄鐵白口鑄鐵蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵麻口鑄鐵麻口鑄鐵灰口鑄鐵灰口鑄鐵灰鑄鐵灰鑄鐵可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵球墨鑄鐵白口鑄鐵碳全以滲碳體形式存在，端口呈白亮色，硬而脆，難于加工。第一節(jié)第一節(jié) 灰口鑄鐵灰口鑄鐵第二節(jié)第二節(jié) 可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵第三節(jié)第三節(jié) 球墨鑄鐵球墨鑄鐵第四節(jié)第四節(jié) 特殊性能鑄鐵特殊性能鑄鐵鑄鐵中的碳除少量固鑄鐵中的碳除少量固溶于基體中外，主要溶于基體中外，主要以以化合態(tài)的滲碳體化合態(tài)的滲碳體(Fe3C)和游離態(tài)的和游離態(tài)的石墨石墨(G)兩種形式存兩

8、種形式存在。在。第一節(jié)第一節(jié) 灰口鑄鐵灰口鑄鐵灰口鑄鐵中全部或大灰口鑄鐵中全部或大部分碳以石墨形式存部分碳以石墨形式存在，斷口呈灰色。在，斷口呈灰色。珠光體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵v鑄鐵中的石墨可以在鑄鐵中的石墨可以在結(jié)晶過程中直接析出，也可結(jié)晶過程中直接析出，也可以由滲碳體加熱時分解得到以由滲碳體加熱時分解得到。v鑄鐵石墨化的條件：鑄鐵石墨化的條件：v1、極其緩慢的冷卻速度、極其緩慢的冷卻速度v2、具有促進石墨形成的元素、具有促進石墨形成的元素灰口鐵一般時結(jié)晶過程得到的鑄鐵灰口鐵一般時結(jié)晶過程得到的鑄鐵結(jié)晶過程中，形成石墨的階段有哪些？結(jié)晶過程中，形成石墨的階段有哪些？v石墨化分三個階段：石墨化分

9、三個階段：v在在1153oC左右通過共左右通過共晶反應形成石墨晶反應形成石墨(G)；v1153-738oC范圍自奧范圍自奧氏體中析出二次石墨氏體中析出二次石墨(GII)；v738oC時，共析反應形時，共析反應形成石墨。成石墨。P高溫條件下，碳高溫條件下，碳原子擴散能力原子擴散能力大，容易轉(zhuǎn)變?yōu)榇螅菀邹D(zhuǎn)變?yōu)槭?，因此前兩石墨，因此前兩個轉(zhuǎn)變階段容易個轉(zhuǎn)變階段容易實現(xiàn)。實現(xiàn)。鐵素體灰鑄鐵鐵素體灰鑄鐵如果鑄鐵三個階段石墨化全部完成，如果鑄鐵三個階段石墨化全部完成，其組織為：其組織為：鐵素體鐵素體+石墨。石墨。片狀石墨片狀石墨F 基體基體鐵素體加珠光體灰鑄鐵鐵素體加珠光體灰鑄鐵如果鑄鐵前兩個階段石墨

10、化完成，如果鑄鐵前兩個階段石墨化完成，第三階段部分進行，第三階段部分進行，組織為：組織為：鐵素體鐵素體+珠光體珠光體+石墨。石墨。片狀石墨片狀石墨FP珠光體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵如果鑄鐵前兩個階段石墨化完成，第三階段如果鑄鐵前兩個階段石墨化完成，第三階段完全被抑制完全被抑制其組織為：其組織為：珠光體珠光體+石墨。石墨。片狀石墨片狀石墨PSiC白口鑄鐵白口鑄鐵灰口鑄鐵灰口鑄鐵麻口麻口鑄鑄 鐵鐵共晶共晶碳、硅含量對鑄鐵石墨化的影響碳、硅含量對鑄鐵石墨化的影響WC+Wsi(%)鑄件壁厚和碳硅含量對鑄鐵組織的影響鑄件壁厚和碳硅含量對鑄鐵組織的影響 冷卻速度的影響冷卻速度的影響鑄件冷卻緩慢，有利于碳原子的充

11、分擴散，而促進鑄件冷卻緩慢，有利于碳原子的充分擴散，而促進石墨化。石墨化。快冷時由于過快冷時由于過冷度大，結(jié)晶冷度大，結(jié)晶將按將按 Fe-Fe3C相圖進行相圖進行, 不不利于石墨化。利于石墨化。第三階段完全被抑制，第二階段部分或全部受抑制。鑄鐵與鑄鋼的強度比較鑄鐵與鑄鋼的強度比較三、灰口鑄鐵的性能三、灰口鑄鐵的性能 力學性能：取決于力學性能：取決于基體組織和石墨含量和形態(tài)基體組織和石墨含量和形態(tài) 石墨相當于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基石墨相當于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基體的連續(xù)性，且易導致應力集中，導致拉伸載荷下體的連續(xù)性，且易導致應力集中，導致拉伸載荷下力學性能低；力學性能低； 壓縮時

12、，基體起主要的作用，因此性能較好。壓縮時，基體起主要的作用，因此性能較好。v 耐磨性能好。耐磨性能好。石墨本身有潤滑作用。石墨本身有潤滑作用。v 消振性能好。消振性能好。由于組織疏松，可以吸收振動能量。由于組織疏松，可以吸收振動能量。v 鑄造性能好。鑄造性能好。由于鑄鐵硅含量高由于鑄鐵硅含量高, 成分接近于共晶。成分接近于共晶。v 切削性能好。切削性能好。由于石墨使切屑容易脆斷脫離工件，因此不由于石墨使切屑容易脆斷脫離工件，因此不粘刀。粘刀。鑄鐵鑄鐵名稱名稱 石墨石墨形態(tài)形態(tài) 基體基體組織組織 編編 號號 方方 法法 牌號實例牌號實例 灰灰 鑄鑄 鐵鐵 片片狀狀FHT + 一組數(shù)字一組數(shù)字數(shù)字

13、表示最低抗拉強度值，單位數(shù)字表示最低抗拉強度值，單位MPa。“HT”表示灰鑄鐵代號。表示灰鑄鐵代號。 HT100F+PHT150PHT200四、灰口鑄鐵的牌號和用途五、灰口鑄鐵的變質(zhì)處理五、灰口鑄鐵的變質(zhì)處理石墨石墨含量和尺寸含量和尺寸越大，灰口鑄鐵性能越差。越大，灰口鑄鐵性能越差?？赏ㄟ^減少硅、碳量來限制石墨含量，但應防止可通過減少硅、碳量來限制石墨含量，但應防止白口鐵出現(xiàn)；白口鐵出現(xiàn)；措施：一般通過向澆注鐵水中加入變質(zhì)劑措施：一般通過向澆注鐵水中加入變質(zhì)劑( (硅鐵和硅鐵和硅鈣合金硅鈣合金) )，促進異質(zhì)形核，增加形核數(shù)量，可獲，促進異質(zhì)形核，增加形核數(shù)量，可獲得高強度變質(zhì)鑄鐵，這一過程稱

14、得高強度變質(zhì)鑄鐵，這一過程稱變質(zhì)處理或孕育變質(zhì)處理或孕育處處理理。孕育處理前孕育處理前孕育處理后孕育處理后經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵孕育鑄鐵。石墨得到細化，強度得到大幅提高，塑性和韌性亦有改善?；诣T鐵件灰鑄鐵件汽缸套汽缸套活塞環(huán)活塞環(huán)2、熱處理、熱處理熱處理只改變基體組織，熱處理只改變基體組織，不改變石墨形態(tài)。不改變石墨形態(tài)。且只能用來消除鑄件內(nèi)應且只能用來消除鑄件內(nèi)應力、穩(wěn)定尺寸、改善切削力、穩(wěn)定尺寸、改善切削加工性和提高鑄件表面耐加工性和提高鑄件表面耐磨性。磨性。1、消除應力的退火（低溫退火或時效）、消除應力的退火（低溫退火或時效）防止變形開裂，保證尺寸穩(wěn)定。防止

15、變形開裂，保證尺寸穩(wěn)定。退火工藝：加熱速度退火工藝：加熱速度50100oC/h，加熱溫度，加熱溫度500600oC，保溫，保溫48h，緩冷。，緩冷。2、 改善切削加工性的退火（高溫退火改善切削加工性的退火（高溫退火 ）降低硬度，防止產(chǎn)生白口組織降低硬度，防止產(chǎn)生白口組織退火工藝：加熱到退火工藝：加熱到850900 oC，保溫，保溫25h，緩冷至緩冷至400500 oC，出爐空冷。，出爐空冷。3、表面淬火、表面淬火提高表面硬度和耐磨性，如機床導軌表面。提高表面硬度和耐磨性，如機床導軌表面。感應加熱表面淬火感應加熱表面淬火火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火點接觸電加熱表面淬火點接觸電加熱表面淬火大型

16、船用柴油機汽缸體大型船用柴油機汽缸體(HT-300)重型機床床身重型機床床身(HT-250)變速箱體變速箱體用途用途制造承受壓力和震動的零制造承受壓力和震動的零件，如機床床身、各種箱件，如機床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體。體、殼體、泵體、缸體。性能：強度優(yōu)于灰口鑄鐵，塑性、韌性較好。性能：強度優(yōu)于灰口鑄鐵，塑性、韌性較好。制造分為兩步：制造分為兩步：(1)先澆注成白口鑄鐵；先澆注成白口鑄鐵；(2)石墨化退火石墨化退火白口鑄鐵在固態(tài)下經(jīng)長時間石墨白口鑄鐵在固態(tài)下經(jīng)長時間石墨化退火而得到的化退火而得到的團絮狀團絮狀石墨的鑄鐵。石墨化石墨的鑄鐵。石墨化過程是滲碳體在固態(tài)下分解而形成。過程是滲碳體

17、在固態(tài)下分解而形成。第二節(jié)第二節(jié) 可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線 退火工藝：白口鑄鐵加熱至退火工藝：白口鑄鐵加熱至900-980oC，保溫，保溫15h，滲碳體分解獲得奧氏體和團滲碳體分解獲得奧氏體和團絮狀石墨組織絮狀石墨組織；隨后緩冷，；隨后緩冷，奧氏體沿團絮石墨再析出二奧氏體沿團絮石墨再析出二次石墨次石墨；直至共析溫度；直至共析溫度750-720oC，奧氏體分解奧氏體分解為鐵素體和石墨為鐵素體和石墨?？慑戣T鐵的石墨化退火可鍛鑄鐵的石墨化退火鐵素體可鍛鑄鐵鐵素體可鍛鑄鐵 珠光體可鍛鑄鐵珠光體可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵分為：可鍛鑄鐵分為：鐵素體可鍛鑄鐵鐵素體可鍛鑄鐵

18、和珠光體可鍛鑄鐵。和珠光體可鍛鑄鐵。可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線 可鍛鑄鐵管件可鍛鑄鐵管件用途用途由于具有相對較高的塑性、由于具有相對較高的塑性、韌性，可用于制造形狀復雜韌性，可用于制造形狀復雜且承受振動載荷的薄壁小型且承受振動載荷的薄壁小型件，如汽車、拖拉機的前后件，如汽車、拖拉機的前后輪殼、管接頭、低壓閥門等。輪殼、管接頭、低壓閥門等。硅鐵硅鐵硅硅鈣鈣稀土鎂稀土鎂由液態(tài)鐵水中加入球化劑和孕育由液態(tài)鐵水中加入球化劑和孕育劑，經(jīng)石墨化得到。劑，經(jīng)石墨化得到。 球化劑為鎂、稀土和稀土鎂。球化劑為鎂、稀土和稀土鎂。常用孕育劑為硅鐵和硅鈣合金。常用孕育劑為硅鐵和硅鈣合金。第三

19、節(jié)第三節(jié) 球墨鑄鐵球墨鑄鐵球墨鑄鐵：石墨呈球形的灰口鑄鐵。球墨鑄鐵：石墨呈球形的灰口鑄鐵。一、球鐵的化學成分、組織與性能一、球鐵的化學成分、組織與性能成分：與灰口鑄鐵比，成分：與灰口鑄鐵比，C、Si含量較高，含量較高，Mn較較低，低，S、P限制較嚴。限制較嚴。組織：基體（組織：基體（F、F+P、P）+ 球狀球狀GC、Si含量較高目的：得到共晶成分，增加流動含量較高目的：得到共晶成分，增加流動性，細化石墨，提高石墨圓整度。性，細化石墨，提高石墨圓整度。限制限制S目的：目的：S可消耗球化元素?？上那蚧亍ｈF素體球墨鑄鐵鐵素體球墨鑄鐵 組織：基體組織：基體F+ 球狀球狀G球墨鑄鐵中的石墨球球墨鑄

20、鐵中的石墨球 切口作用減弱，切口作用減弱，因此球鐵拉伸、因此球鐵拉伸、彎曲強度和塑性彎曲強度和塑性比灰口鑄鐵和可比灰口鑄鐵和可鍛鑄鐵高鍛鑄鐵高。珠光體球墨鑄鐵珠光體球墨鑄鐵 組織：基體組織：基體P+ 球狀球狀G鐵素體加珠光體球墨鑄鐵鐵素體加珠光體球墨鑄鐵 組織：基體組織：基體F+P+ 球狀球狀G鑄鐵鑄鐵名稱名稱 石墨石墨形態(tài)形態(tài) 基體基體組織組織 編編 號號 方方 法法 牌號實例牌號實例 球球 墨墨 鑄鑄 鐵鐵 球球狀狀FQT + 兩組數(shù)字兩組數(shù)字 第一組數(shù)字表示最低抗拉強第一組數(shù)字表示最低抗拉強度值，度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低伸長率值，第二組數(shù)字表示最低伸長率值，%。 “QT”表示表示

21、 球墨鑄鐵代號球墨鑄鐵代號Q T 4 0 0 -15F+PQT600-3PQT700-2二、球鐵的牌號及用途二、球鐵的牌號及用途三、球鐵的熱處理三、球鐵的熱處理球墨鑄鐵可進球墨鑄鐵可進行各種熱處行各種熱處理，如退火、理，如退火、正火、淬火加正火、淬火加回火、等溫回火、等溫淬火等。淬火等。消除應力退火：消除應力退火： 加熱到加熱到550600 oC ，保溫后空冷。，保溫后空冷?？上上?0-95%內(nèi)應力，提高塑性和韌性。內(nèi)應力，提高塑性和韌性。一、球鐵的一、球鐵的 退火退火目的：消除鑄造應力和白口組織目的：消除鑄造應力和白口組織消除白口退火：消除白口退火： 只完成石墨化第一、二階段，得到只完

22、成石墨化第一、二階段，得到珠光體珠光體+G組織；組織；完成前兩階段石墨化，并進行了第三階段石墨化，完成前兩階段石墨化，并進行了第三階段石墨化，可得到鐵素體可得到鐵素體+珠光體珠光體+G。通過控制保溫時間和冷卻條件，可控制鐵素體和珠通過控制保溫時間和冷卻條件，可控制鐵素體和珠光體比例。光體比例。1 高溫正火（完全奧氏體化正火）高溫正火（完全奧氏體化正火） 將工件加熱到將工件加熱到880920 oC，完全奧氏體化，保溫，完全奧氏體化，保溫3h左右，空冷，得到左右，空冷，得到P+G 組織組織2 低溫正火（不完全奧氏體化正火）低溫正火（不完全奧氏體化正火） 將工件加熱到將工件加熱到840880 oC，不完全奧氏體化，保，不完全奧氏體化，保溫一定時間，空冷，得到