機械加工基礎(chǔ)與技能實訓 課件 第二章 鑄鐵

第7章鑄鐵鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。wC=2.4~4.0%,wSi=0.6~3.0%鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及生產(chǎn)簡便、成本低廉等優(yōu)點，因而是應用最廣泛的材料之一。

例如，機床床身、內(nèi)燃機的汽缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等都可用鑄鐵制造.鑄鐵曲軸內(nèi)燃機汽缸第一節(jié)概述1、鑄鐵的分類與牌號表示方法

在鐵碳合金中，碳可以以三種形式存在：一是固溶在F、A中，二是化合物態(tài)的滲碳體(Fe3C)，三是游離態(tài)石墨（G）。滲碳體為亞穩(wěn)相，在一定條件下能分解為鐵和石墨（Fe3C→3Fe+C）。石墨為穩(wěn)定相，具有特殊的簡單六方晶格，底面之間的間距較大（3.04×10-10m），結(jié)合力較弱。所以石墨的強度、硬度和塑性都很差。根據(jù)碳在鑄鐵組織中存在形式和形態(tài)的不同，可分為以下幾類：1、白口鑄鐵

簡稱為白口鐵，完全按照Fe-Fe3C相圖進行結(jié)晶而得到的鑄鐵。其中碳全部以滲碳體(Fe3C)形式存在，斷口呈銀白色。由于存在有大量硬而脆的Fe3C，硬度高，脆性大，很難切削加工。很少用來直接制造機器，主要用于煉鋼原料或制造可鍛鑄鐵的毛坯。2、灰口鑄鐵1）灰鑄鐵碳主要結(jié)晶成游離狀態(tài)的石墨。其中碳主要以片狀石墨形狀存在，斷口為暗灰色，常見的鑄鐵件多數(shù)是灰鑄鐵。2）可鍛鑄鐵由一定成分的白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火處理而獲得，其中碳大部分或全部以團狀石墨形式存在，由于具有較灰口鑄鐵高得多的塑性和韌性，習慣上稱為可鍛鑄鐵，實際上并不可鍛，常用來制造一些重要的小件。3）球墨鑄鐵鐵水在澆注前經(jīng)球化處理，其中碳大部分或全部以球狀石墨形式存在，機械性能高，生產(chǎn)工藝比可鍛鑄鐵簡單，近年來日益得到廣泛的應用。4）蠕墨鑄鐵

碳以蠕蟲狀石墨形式存在，介于片狀和球狀石墨之間。此外，為了滿足一些特殊要求，向鑄鐵中加入一些合金元素，如Cr、Cu、Al、B等，可得到耐蝕、耐熱及耐磨等特性的合金鑄鐵。片狀G

團絮狀G球狀GG（蠕蟲狀）Fe3C+G，是介于白口鑄鐵和灰鑄鐵之間的一種鑄鐵。麻口鑄鐵中的碳既以滲碳體形式存在，又以石墨狀態(tài)存在，斷口夾雜著白亮的游離滲碳體和暗灰色的石墨。由于麻口鑄鐵性能不好，故極少應用。3、麻口鑄鐵鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號方法牌號實例

灰鑄鐵片狀FHT+一組數(shù)字數(shù)字表示最低抗拉強度值，單位MPa。“HT”表示灰鑄鐵代號。

HT100F+PHT150PHT200

可鍛鑄鐵團絮狀FKTH+兩組數(shù)字KTB+兩組數(shù)字KTZ+兩組數(shù)字KTH300-06表F心PKTB350-04PKTZ450-06KTH、KTB、KTZ分別為黑心、白心、珠光體可鍛鑄鐵代號；第一組數(shù)字表示最低抗拉強度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低伸長率值，%

鑄鐵的分類與牌號表示方法鑄鐵的分類與牌號表示方法（續(xù)）鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號方法牌號實例球墨鑄鐵球狀FQT+兩組數(shù)字

第一組數(shù)字表示最低抗拉強度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低伸長率值，%。

“QT”表示球墨鑄鐵代號QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨鑄鐵蠕蟲狀FRuT+一組數(shù)字數(shù)字表示最低抗拉強度值,MPa?！癛uT”表示蠕墨鑄鐵代號

RuT260F+PRuT300PRuT420二、鑄鐵的性能工業(yè)上使用的鑄鐵主要是灰口鑄鐵。1、鑄鐵的組織特點鋼的基體+G（石墨）基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種。F+GF+P+GP+G⑵減摩性能好。由于石墨本身有潤滑作用。⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振動能量。⑷鑄造性能好。由于鑄鐵硅含量高,成分接近于共晶.⑸切削性能好。由于石墨使車屑容易脆斷，不粘刀。2、鑄鐵的性能特點⑴力學性能低。由于石墨強度、塑性、韌性幾乎為零，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。鑄鐵與鑄鋼的強度比較1、Fe-Fe3C和Fe-G(石墨)雙重相圖在鐵碳合金中，碳可以以三種形式存在，鐵碳合金究竟按哪種相圖變化，決定于加熱、冷卻條件或獲得的平衡性質(zhì)（亞穩(wěn)平衡還是穩(wěn)定平衡）。Fe3C是亞穩(wěn)相，在一定條件下將發(fā)生分解：

Fe3C→3Fe+G（石墨）共晶白口鑄鐵F基體球墨鑄鐵第二節(jié)鑄鐵的石墨化2、鑄鐵的石墨化過程鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過程稱為石墨化。鑄鐵中的石墨可以在結(jié)晶過程中直接析出,也可以由滲碳體加熱時分解得到。臺車式石墨化退火爐鑄鐵的石墨化程度與其組織之間的關(guān)系

（以共晶鑄鐵為例）

名稱

石墨化程度

顯微組織

第一階段

第二階段

第三階段

灰鑄鐵

充分進行

充分進行

充分進行

充分進行

充分進行

充分進行

充分進行

部分進行

不進行

F＋GF＋P＋GP＋G麻鑄鐵

部分進行

部分進行

不進行

Le’+P+G

白口鑄鐵

不進行

不進行

不進行

Le’+P+Fe3C3、影響石墨化的因素⑴化學成分的影響

碳和硅是強烈促進石墨化的元素。碳、硅含量過低，易出現(xiàn)白口組織，力學性能和鑄造性能變差。碳、硅含量過高,會使石墨數(shù)量多且粗大，基體內(nèi)鐵素體量增多，降低鑄件的性能.SiC白口鑄鐵灰口鑄鐵麻口鑄鐵共晶碳、硅含量對鑄鐵石墨化的影響碳、硅量控制范圍：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si。Al、Cu、Ni、Co等元素對石墨化有促進作用。S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素阻礙石墨化。

鑄鐵中的磷共晶磷雖然可促進石墨化,但其含量高時易在晶界上形成硬而脆的磷共晶，降低鑄鐵的強度，只有耐磨鑄鐵中磷含量偏高(達0.3%以上)。⑵冷卻速度的影響鑄件冷卻緩慢，有利于碳原子的充分擴散，結(jié)晶將按Fe-G相圖進行，因而促進石墨化。WC+Wsi(%)鑄件壁厚和碳硅含量對鑄鐵組織的影響

快冷時由于過冷度大，結(jié)晶將按Fe-Fe3C相圖進行,不利于石墨化.工業(yè)鑄鐵的成分范圍與組織工業(yè)鑄鐵的成分范圍溫度快冷中速冷卻中速冷卻緩冷緩冷緩冷快冷白口鑄鐵珠光體灰鑄鐵鐵素體灰鑄鐵鐵素體球墨鑄鐵珠光體球墨鑄鐵珠光體可鍛鑄鐵鐵素體可鍛鑄鐵石墨化退火中速冷卻緩冷珠光體蠕墨鑄鐵鐵素體蠕墨鑄鐵Si/Mg/Ce第三節(jié)常用鑄鐵一、灰鑄鐵灰鑄鐵是指石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵?；诣T鐵中的碳、硅質(zhì)量分數(shù)一般控制在以下范圍：2.5%～4.0%C;1.0%～2.0%Si。1、組織灰鑄鐵的組織是由液態(tài)鐵水緩慢冷卻時通過石墨化過程形成的，其基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種。灰鑄鐵齒輪箱灰鑄鐵的顯微組織

鐵素體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵鐵素體加珠光體灰鑄鐵石墨片的三維形貌常對灰鑄鐵進行孕育處理，以細化片狀石墨。常用的孕育劑有硅鐵和硅鈣合金。經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。

孕育處理前孕育處理后硅鐵硅鈣2、熱處理熱處理只改變基體組織，不改變石墨形態(tài)?；诣T鐵強度只有碳鋼的30~50%，熱處理強化效果不大?；诣T鐵常用的熱處理有：①消除內(nèi)應力退火(又稱人工時效):

500~550℃，防止機加工、使用時變形或開裂。灰鑄鐵件汽缸套活塞環(huán)850~950℃,表面、薄壁等白口處Fe3C→G,硬度↓,切削性↑②消除白口組織退火③表面淬火有些鑄件如機床導軌、缸體內(nèi)壁等，因需要提高硬度和耐磨性，可進行表面淬火處理，如高頻表面淬火，火焰表面淬火和激光加熱表面淬火等。淬火后表面硬度可達50HRC～55HRC。3、用途制造承受壓力和震動的零件,如機床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體。大型船用柴油機汽缸體(HT-300)重型機床床身(HT-250)變速箱體可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線

二、可鍛鑄鐵石墨呈團絮狀的灰口鑄鐵，是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的。1、組織：基體(F、P)＋團絮狀G鐵素體基體可鍛鑄鐵又稱黑

心可鍛鑄鐵。2、性能：強度為碳鋼的４0~７0%，接近于鑄鋼。名為可鍛，實不可鍛

可鍛鑄鐵的顯微組織

黑心可鍛鑄鐵

珠光體可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵的石墨化退火3、用途用于制造形狀復雜且承受振動載荷的薄壁小型件，如汽車、拖拉機的前后輪殼、管接頭、低壓閥門等。可鍛鑄鐵管件三、球墨鑄鐵石墨呈球形的灰口鑄鐵。由液態(tài)鐵水經(jīng)石墨化得到.球墨鑄鐵的成分要求比較嚴格，一般范圍是：3.6%～3.9%C,2.2%～2.8%Si,0.6%～0.8%Mn,<0.07%S,<0.1%P。

1、組織：基體（F、F+P、P）+球狀G球狀石墨是液態(tài)鐵水經(jīng)球化處理得到的。球化劑為鎂、稀土和稀土鎂。硅鐵硅鈣稀土鎂為避免白口，并使石墨細小均勻，在球化處理同時還進行孕育處理。

常用孕育劑為硅鐵和硅鈣合金。球墨鑄鐵的顯微組織

鐵素體加珠光體球墨鑄鐵

鐵素體球墨鑄鐵

珠光體球墨鑄鐵

球墨鑄鐵中的石墨球

2、性能與熱處理強度是碳鋼的70~90%。球墨鑄鐵的突出特點是屈強比(

0.2/

b)高,約為0.7~0.8,而鋼一般只有0.3~0.5。球墨鑄鐵可進行各種熱處理,如退火、正火、淬火加回火、等溫淬火等。

退火——塑韌性、切削性↑低溫退火，720~760℃，P→G+F高溫退火，900~950℃，P+Fe3C→G+F

正火——P↑，細化組織，強度、耐磨性↑低溫正火，840~860℃，→P+F+G，塑韌性較好。

高溫正火，880~920℃，→P+G+少量F，強度較高。

調(diào)質(zhì)——850~900℃油淬+高溫回火→回火S+G

等溫淬火——840~900℃+300℃等溫→下B+G調(diào)質(zhì)、等溫淬火后綜合力學性能好。球墨鑄鐵的熱處理特點是：①奧氏體化溫度比碳鋼高，由于硅含量高;②淬透性比碳鋼高;制品(軋輥與輥環(huán))組織貝氏體基球墨鑄鐵3、用途承受震動、載荷大的零件，如曲軸、傳動齒輪等。核燃料貯存運輸容器(QT350-22)鑄鐵曲軸四、蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型鑄鐵.蠕墨鑄鐵是液態(tài)鐵水經(jīng)蠕化處理和孕育處理得到的.蠕化劑為稀土硅鐵鎂合金、

稀土硅鐵合金、稀土硅鐵鈣合金

等。蠕墨鑄鐵的組織：基體（F、F+P、P）+蠕蟲狀G

蠕墨鑄鐵中的石墨蠕墨鑄鐵的顯微組織蠕墨鑄鐵中的石墨珠光體基體鐵素體基體蠕墨鑄鐵的強度、塑性和抗疲勞性能優(yōu)于灰鑄鐵，其力學性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間?；诣T鐵灰鑄鐵蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵球墨鑄鐵球墨鑄鐵灰鑄鐵蠕墨鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵常用于制造承受熱循環(huán)載荷的零件和結(jié)構(gòu)復雜、強度要求高的鑄件。如鋼錠模、玻璃模具、柴油機汽缸、汽缸蓋、排氣閥、液壓閥的閥體、耐壓泵的泵體等。玻璃模具制動鼓五、特殊性能鑄鐵

在鑄鐵中加入某些合金元素，得到一些具有各種特殊性能的合金鑄鐵。

(1)耐磨鑄鐵

在磨粒磨損條件下工作的鑄鐵應具有高而均勻的硬度。白口鑄鐵就屬這類耐磨鑄鐵。但白口鑄鐵脆性較大，不能承受沖擊載荷，因此在生產(chǎn)中常采用激冷的辦法來獲得激冷鑄鐵。即用金屬型鑄造鑄件的耐磨表面，其它部位采用砂型。同時調(diào)整鐵水的化學成分，利用高碳低硅，保證白口層的深度，而心部為灰口鑄鐵組織，有一定的強度。用激冷方法制造的耐磨鑄鐵，已廣泛應用于軋