第1章鑄鐵緒論

第一章鑄鐵的緒論§1.1鑄鐵的特性及種類

§1.2鑄鐵的基本相

§1.1鑄鐵的特性及種類

1.鑄鐵的金相組織=金屬組織+高碳相組成，它們的結(jié)構(gòu)及其存在形式?jīng)Q定鑄鐵的力學(xué)性能。2.金屬基體可提高合金強(qiáng)度，碳化物可提高合金硬度和耐磨性。而石墨有助于改善鑄鐵的加工性能、減震/耐磨和耐熱性能。3.鑄鐵的種類既與化學(xué)成分有關(guān)又與液態(tài)鐵水的處理?xiàng)l件有關(guān)

非合金鑄鐵-

液態(tài)鐵水的石墨化能力及其處理情況決定凝固過程的最終組織.圖2.1表示不同石墨化能力的鐵水結(jié)晶過程及其組織轉(zhuǎn)變情況：

鑄鐵及熔煉1）鐵水快速冷卻

,石墨化能力最弱,碳只能以碳化物的形式結(jié)晶,最后為白口鐵。2）鐵水冷卻速度不很快或孕育不良

,石墨化能力居于中等條件,鐵水在這種狀態(tài)下結(jié)晶比較復(fù)雜,部分鐵水可能析出石墨,另一部分鐵水可能析出碳化物,結(jié)果得到由石墨、碳化物和金屬基體組成的麻口鐵。3）如果鐵水冷卻緩慢

,不經(jīng)過特殊處理,凝固結(jié)果為灰口鐵、若鐵水經(jīng)過蠕化處理則結(jié)品為蠕墨鑄鐵,如經(jīng)過球化處理則獲得球墨鑄鐵。

鑄鐵及熔煉4.白口鐵基體=碳化物+珠光體

,性能硬而脆,很少直接被應(yīng)用。

把白口鐵鑄件經(jīng)過高溫石墨化處理,碳化物即分解為石墨,這種石墨是固態(tài)相變的產(chǎn)物,結(jié)構(gòu)為團(tuán)絮狀,這種金屬基體和團(tuán)絮狀石墨組成的鑄鐵稱為可鍛鑄鐵

,并按金屬基體的變化分為珠光體可鍛鑄鐵和鐵素體可鍛鑄鐵兩類。

5.非合金鑄鐵

可以分為白口鐵、麻口鐵、灰口鐵、蠕墨鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵六種。

鑄鐵及熔煉6.合金鑄鐵1）合金鑄鐵——低合金和高合金鑄鐵

,低合金鑄鐵含合金元素3%以下（1%以下屬于高強(qiáng)度鑄鐵范疇）,高合金鑄鐵含(3～30)%合金元素,屬于耐磨、耐熱、耐蝕鑄鐵范疇。2）合金元素對(duì)組織的作用比較復(fù)雜,單一元素的性質(zhì)、數(shù)量以及多種元素的不同組合對(duì)合金鑄鐵都顯示出不同的作用,它們不僅影響金屬基體的結(jié)構(gòu),而且影響石墨和碳化物的數(shù)量、形態(tài)及分布狀況。(見7頁(yè)表1-2元素對(duì)鐵碳相圖的影響)合金元素在灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵中都獲得應(yīng)用,這些鑄鐵利用合金化使其性能得到改善,并使品種規(guī)格變得更加豐富多彩。

鑄鐵及熔煉§1.2鑄鐵的基本相

盡管鑄鐵的種類牌號(hào)繁多,但就顯微組織而言,它們都是由以下各種金屬或非金屬相組成的。只是由于組成相的性質(zhì)及其相互比例的變化而使鑄鐵的性能發(fā)生了變化。一、奧氏體二、鐵素體三、珠光體四、石墨五、碳化物六、磷共晶

鑄鐵及熔煉一、奧氏體1.非合金鑄鐵的奧氏體是一種高溫組織，它只在共析溫度以上存在，溫度下降到共析轉(zhuǎn)變溫度以下即轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w或鐵素體※但高鎳或高錳鑄鐵的奧氏體十分穩(wěn)定,其共析轉(zhuǎn)變溫度降到室溫以下,使奧氏體能在室溫條件下存在。2.奧氏體的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方晶格,完全由Fe原子組成的面心立方晶格叫Y-Fe,晶格常數(shù)與溫度t有關(guān):(0.3618+0.8496×10-5t)m。實(shí)際上,奧氏體是一種含有其它元素的固溶體,鐵-碳-硅合金的奧氏體是硅以置換方式,碳以嵌入方式固溶于Y-Fe的固溶體。圖2.2

表示C原子在奧氏體中的侵入位置

面心立方晶格最大空隙位置(1/2,1/2,1/2)的空隙半徑,

鑄鐵及熔煉注:Fe原子半徑r=0.130nm,而C原子半徑為0.077nm,因此,C原子固溶于Y-Fe晶格將引起晶體膨脹。碳在奧氏體中的最大溶解度為2.1%,共析反應(yīng)時(shí)溶解度下降到0.69%。3.非合金鑄鐵的奧氏體固溶碳量對(duì)奧氏體的共析轉(zhuǎn)變影響很大,由于C是穩(wěn)定奧氏體的元素,隨著溶碳量增加奧氏體將變得更加穩(wěn)定或共析轉(zhuǎn)變更困難,因而更容易獲得數(shù)量更多,組織更致密的珠光體基體。

鑄鐵及熔煉二、鐵素體1.鐵素體是奧氏體在平衡條件下的共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,其晶體結(jié)構(gòu)為體心立方晶格,由純鐵原子組成的體心立方晶格稱為α-Fe,其晶格常數(shù)為(0.2860十0.4252×10-5t)nm。鐵素體是碳、硅的固溶體,當(dāng)碳和硅固溶于α-Fe時(shí)其晶體稍微膨脹。2.鐵素體的體心立方晶格最大間隙位置,一個(gè)為四面體,如圖2.3(a)

所示,間隙半徑R=0.29f=0.036nm,另一個(gè)為八面體,如圖2.3(b)所示,（間隙半徑R=0.154r0.019nmb為鐵的原子半徑)。而碳的原子半徑為0.07nm,比上述間隙半徑大得多,※碳在鐵素體中的溶解度很小,727℃時(shí)為0.02%C,溫度下降時(shí)溶解度更小,所以鐵素體是一種微碳固溶體。

鑄鐵及熔煉3.鑄鐵含硅量比較高

,硅置換體心立方晶格中的鐵原子變?yōu)楹梃F素體。硅有固溶強(qiáng)化作用,隨著含硅量的增加,鑄鐵的強(qiáng)度及硬度提高。但硅的有效半徑大于鐵

,當(dāng)含硅量大于3.0%時(shí),鐵素體晶格畸變的程度使材料的脆性增大。4.鐵素體是一種高塑性、高韌性、中等強(qiáng)度的金屬基體

,是高韌性鑄鐵期望的顯微組織,如鐵素體球墨鑄鐵,鐵素體可鍛鑄鐵的鐵素體含量在80%以上。與此相反,高強(qiáng)度鑄鐵則限制鐵素體的含量

,以保證足夠的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。5.工業(yè)鑄鐵的鐵素體含量取決于化學(xué)成分、冷卻速度、孕育及熱處理?xiàng)l件

,提高碳、硅含量,減少穩(wěn)定珠光體的元素,降低冷卻速度,強(qiáng)化孕育作用或用高溫退火處理都有助于增加鐵素體量。

鑄鐵及熔煉三、珠光體珠光體也是奧氏體的共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,由于冷卻速度較快,反應(yīng)按介穩(wěn)定系進(jìn)行,形成由

Y-Fe和

Fe3C組成的機(jī)械混合物。1.純珠光體基體的抗拉強(qiáng)度為(686~784)MPa,硬度

HB170~330,延伸率(15~25)%,是一種強(qiáng)度、硬度、韌性都較理想的基體,其性能波動(dòng)與Fe、Fe3C層狀結(jié)構(gòu)的片間距有關(guān),片間距越小或分散度越大則強(qiáng)度、硬度越高。2.通常把片間距大于0.3μ的層狀結(jié)構(gòu)稱為珠光體,小于0.3μ在1000倍光學(xué)顯微鏡下可看清層狀結(jié)構(gòu)的組織稱為索氏體

,光學(xué)顯微鏡無(wú)法辨認(rèn),需用10000倍以上電子顯微鏡才能看清的層狀組織稱為屈氏體.

鑄鐵及熔煉3.珠光體可能在鑄態(tài)下形成,也可能在正火處理過程中形成。化學(xué)成分中的碳化物形成元素(如Mn、Cr)或穩(wěn)定珠光體形成元素(如Ni、Cu、Sn)越多,冷卻速度越快,珠光體的數(shù)量就越多,片間距越小,強(qiáng)度、硬度越高。4.珠光體鑄鐵的強(qiáng)度受石墨形態(tài)的影響很大。片狀石墨使金屬基體受到割裂

,因而強(qiáng)度、韌性被嚴(yán)重削弱,珠光體灰口鐵的抗拉強(qiáng)度約為234MPa,延伸率為零。球狀石墨對(duì)基體的損害比較小,珠光體球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度為(680~785)MPa,延伸率為(2~4)%。5.珠光體鑄鐵有比較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性,有一定的塑性和韌性,加工性也好,因而是高強(qiáng)度鑄鐵所要求的組織,但對(duì)高韌性球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵則盡量減少珠光體的含量。

鑄鐵及熔煉四、石墨1.石墨結(jié)構(gòu)無(wú)論是片狀還是球狀石墨,其結(jié)構(gòu)都是六方晶系,如圖2.4

所示六方形結(jié)構(gòu)內(nèi)的C原子距離為0.1421nm,層與層之間的距離為0.335nm?；骈g的碳原子靠極性鍵即范德瓦爾力結(jié)合,結(jié)合能為16.7kJ/m01,這個(gè)方向上的抗拉強(qiáng)度不到20MPa。由于層內(nèi)的共價(jià)鍵能比層間極性鍵能約大20倍,因此石墨結(jié)構(gòu)表現(xiàn)極大的各向異性,結(jié)晶學(xué)上把垂直于基面(0001)的方向稱為C軸方向,平行于基面而垂直于柱面的方向稱為α軸方向。2.石墨的各向異性對(duì)性能和結(jié)晶方式影響很大:(1)

層間受到切向力作用時(shí)容易滑移,因此石墨有一定的潤(rùn)滑作用;(2)

平行于基面或垂直于柱面的α

軸方向是石墨優(yōu)先生長(zhǎng)方向,因?yàn)樵摲较蚓哂胁伙柡凸矁r(jià)鍵,工業(yè)鐵水中的石墨由于α軸方向和c軸方向的生長(zhǎng)速度有顯著差別而傾向于片狀結(jié)構(gòu);

鑄鐵及熔煉(3)

在純凈鐵水中,基面的界面能56.2JAm2比柱面的界面能433.OJ/cd小得多,基面強(qiáng)烈的表面活性使它具有比柱面更大的生長(zhǎng)速度,以致傾向于球狀生長(zhǎng);3.石墨類型石墨形態(tài)因結(jié)晶條件不同而有七種基本類型,如圖2.5

所示。即球狀、團(tuán)狀、團(tuán)絮狀、蠕蟲狀、水草狀、開花狀和片狀。在片狀石墨中又可分為A、B、C、D、E五種形狀,如圖2.6

所示。（3）奧氏體冷卻到共析點(diǎn)以下即發(fā)生共析發(fā)應(yīng),一方面析出共析滲碳體,一方面轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe,二者共同組成的共析體就是珠光體。

鑄鐵及熔煉五、碳化物1.由一個(gè)

C原子和三個(gè)

Fe原子組成的化合物

Fe3C稱為滲碳體

(Cementite),其顯微硬度為HM1000～1100,是普通鑄鐵中硬度最高的非金屬相。2.滲碳體是按介穩(wěn)定系結(jié)晶的產(chǎn)物,直接從過共晶成分鐵水中析出,在鐵水中形核長(zhǎng)大。（1）尺寸特別粗大的滲碳體稱為初生滲碳體

,它對(duì)強(qiáng)度的破壞最嚴(yán)重。（2）共晶反應(yīng)時(shí)與奧氏體同時(shí)生長(zhǎng)的滲碳體稱為共晶滲碳體

,它和共晶奧氏體形成的機(jī)械混合物稱為萊氏體(Ledeburite),這個(gè)共晶體在繼續(xù)冷卻過程中不斷從共晶奧氏體內(nèi)析出細(xì)小的二次滲碳體并附著在初生或共晶滲碳體上。

鑄鐵及熔煉（3）奧氏體冷卻到共析點(diǎn)以下即發(fā)生共析發(fā)應(yīng),一方面析出共析滲碳體,一方面轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe,二者共同組成的共析體就是珠光體。因此

,常溫下看到的萊氏體并不是由奧氏體和共晶滲碳體組成,而是由珠光體和共晶滲碳體組成。3.由大量初生滲碳體組成的顯微組織特別硬而脆，不能加工，強(qiáng)度很低，很難直接應(yīng)用，但若含量適當(dāng)可能是很好的抗磨材料。對(duì)于承受一定負(fù)荷的結(jié)構(gòu)零件，游離滲碳體被視為必須加以限制的有害組織，應(yīng)與消除。而對(duì)于抗磨鑄鐵則必須有一定數(shù)量的滲碳體確保其耐磨性。

鑄鐵及熔煉4.鐵-碳-硅合金中的碳化物為Fe3C，合金鑄鐵中的碳化物結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。根據(jù)中子及X射線衍射，F(xiàn)e3C為斜方晶系，晶格常數(shù)α=0.45144nm，c=0.5728nm。在Fe3C晶格中由一個(gè)C原子與鄰近的4個(gè)Fe原子以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，并把三個(gè)棱面聯(lián)接起來，層內(nèi)及層間的鐵原子由金屬鍵聯(lián)結(jié)，如圖2.7所示。這種結(jié)構(gòu)決定了Fe3C容易沿（001）晶面劈裂，性能上表現(xiàn)為脆性。碳原子和鐵原子緊密聯(lián)結(jié)形成的棱形鏈狀結(jié)構(gòu)使Fe3C具有很高的硬度和耐磨性。

鑄鐵及熔煉Fe3C和其它金屬固溶體一樣,其它合金原子也能置換晶內(nèi)的Fe原子,晶內(nèi)的空隙亦可能被別的原子嵌入形成固溶體,如(Cr、Fe)3C就是鉻置換鐵形成的復(fù)雜碳化物,其顯微硬度為HM831~1196,屬六方晶系的(Cr、Fe)7C3顯微硬度為HM1227~1475,此外還有TiC、VC等碳化物,都是抗磨鑄鐵的硬化相。