《金屬材料工程概論（第2版）》9鑄鐵課件

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鑄鐵定義：鑄鐵是含碳量大于2.11％(一般為2.5％～4.0％)的鐵碳合金。它是以鐵、碳、硅為主要組成元素，并含有比鋼較多的錳、硫、磷等雜質(zhì)的多元合金。為了提高鑄鐵的力學(xué)性能或物理、化學(xué)性能，還可加入一定量的鉻、鉬、釩等合金元素，得到合金鑄鐵。分類：根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形式、石墨形狀，鑄鐵可分為：白口鑄鐵、灰口鑄鐵、蠕墨鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵9.1.1鑄鐵合金雙重相圖

9.1.2

鑄鐵的石墨化鑄鐵中石墨的形成過(guò)程稱為石墨化。在鐵碳合金中，碳可以呈兩種形式存在，即滲碳體和石墨(用符號(hào)G表示)。石墨的晶格形式為簡(jiǎn)單六方。石墨依靠較弱的共價(jià)鍵結(jié)合的，使石墨不具有金屬性能(如導(dǎo)電性)。由于石墨面間結(jié)合力弱，層與層間易滑移，故石墨的力學(xué)性能低，硬度僅為3～5HB，σb約為20MN／m2，延伸率δ近于零。當(dāng)鐵碳合金的含碳量比較高時(shí)，滲碳體這個(gè)相很不穩(wěn)定，在一定的條件下要分解為游離狀態(tài)的石墨，即Fe3C→3Fe+G。這是因?yàn)槭且粋€(gè)穩(wěn)定的相。鑄鐵石墨化過(guò)程可分三個(gè)階段:第一階段，即液相至共晶結(jié)晶階段。包括從過(guò)共晶成份的液相中直接結(jié)晶出一次石墨和共晶成分的液相結(jié)晶出奧氏體加石墨；以及由一次滲碳體在高溫退火時(shí)分解為奧氏體加石墨。第二階段，即共晶至共析轉(zhuǎn)變之間階段。包括從奧氏體中直接析出二次石墨和二次滲碳體在此溫度區(qū)間內(nèi)分解為奧氏體加石墨。第三階段，即共析轉(zhuǎn)變階段。包括共析轉(zhuǎn)變時(shí)，奧氏體變?yōu)殍F素體加石墨和共析滲碳體退火時(shí)分解為鐵素體加石墨。9.1.3

鑄鐵的分類根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形式及斷口顏色分類：白口鑄鐵碳除少量溶入鐵素體外，其余的碳都以滲碳體的形式存在于鑄鐵中，其斷口呈銀白色，故稱白口鑄鐵。Fe—Fe3C相圖中的亞共晶、共晶、過(guò)共晶合金即屬這類鑄鐵。這類鑄鐵組織中都存在著共晶萊氏體，性能硬而脆，很難切削加工，所以很少直接用來(lái)制造各種零件。但有時(shí)也利用它硬而耐磨的特性，如鑄造出的表面有一定深度的白口層。中心為灰口組織的鑄鐵，稱為冷硬鑄鐵件。冷硬鑄鐵件常用作一些要求高耐磨的工件。如軋輥、球磨機(jī)的磨球及犁鏵等。目前，白口鑄鐵主要用作煉鋼原料和生產(chǎn)可鍛鑄鐵的毛坯。麻口鑄鐵一部分碳以石墨形式存在，大部分以滲碳體形式存在。斷口上呈黑白相間的麻點(diǎn)，故稱麻口鑄鐵。這類鑄鐵也具有較大的硬脆性，故工業(yè)上很少應(yīng)用。灰口鑄鐵碳全部或大部分以石墨形式存在于鑄鐵中，其斷口呈暗灰色，故稱為灰口鑄鐵。工業(yè)上的鑄鐵大多是這一類，其力學(xué)性能雖然不高，但生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，故在工業(yè)上獲得廣泛使用。根據(jù)化學(xué)成份分類普通鑄鐵即常規(guī)元素鑄鐵。包括灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵及蠕墨鑄鐵。合金鑄鐵合金鑄鐵又稱特殊性能鑄鐵，是向普通鑄鐵中加入一定量的合金元素，如鉻、鎳、銅、鉬、鋁等制成具有某種特殊或突出性能的鑄鐵。9.2工業(yè)常用鑄鐵9.2.1灰口鑄鐵9.2.2球墨鑄鐵9.2.3蠕墨鑄鐵9.2.4

可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵是先將鐵水澆鑄成白囗鑄鐵,然后經(jīng)石墨化退火,使游離滲碳體發(fā)生分解形成團(tuán)絮狀石墨的一種高強(qiáng)度灰口鑄鐵。由于團(tuán)絮狀石墨對(duì)鑄鐵金屬基體的割裂和引起的應(yīng)力集中作用比灰鑄鐵小得多,因此，可鍛鑄鐵具有較高的強(qiáng)度，特別是塑性(延伸率δ可達(dá)～12%)比灰鑄鐵高得多，有一定的塑性變形能力，因而得名可鍛鑄鐵(或展性鑄鐵,又稱馬鐵)。實(shí)際上，可鍛鑄鐵并不能鍛造。我國(guó)可鍛鑄鐵分兩大類:鐵素體可鍛鑄鐵和珠光體可鍛鑄鐵。共有八個(gè)牌號(hào)。其中(黑心)鐵素體可鍛鑄鐵的代號(hào)為“KTH”，代號(hào)后邊的第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度(單位為kgf／mm2)，第二組數(shù)字表示最低延伸率。珠光體可鍛鑄鐵的代號(hào)為“KTZ”，其后面數(shù)字的含義同上。如KTH300-06，KTZ450－06。可鍛鑄鐵的強(qiáng)度和韌性均比灰口鑄鐵高，尤其是珠光體基體的可鍛鑄鐵，強(qiáng)度已可與鑄鋼媲美。珠光體可鍛鑄鐵的可切削加工性在鐵基合金中是最優(yōu)良的，可進(jìn)行高精度切削加工。另外，珠光體可鍛鑄鐵還可以通過(guò)火焰加熱或感應(yīng)加熱進(jìn)行表面淬火，以提高其耐磨性能。由于可鍛鑄鐵具有一定的塑性，所以常用來(lái)制造能承受小沖擊的鑄件，如暖汽片、管彎頭、三通管、自來(lái)水供水管等。9.2.5

合金鑄鐵鑄鐵合金化目的主要有兩個(gè)，一個(gè)是為了強(qiáng)化鑄鐵組織中金屬基體部分并輔之以熱處理,以獲得高強(qiáng)度鑄鐵;另一個(gè)目的是賦予鑄鐵以特殊的性能,如耐磨性、耐蝕性、耐熱性等,以獲得特殊性能鑄鐵。鑄鐵的合金化既適于灰口鑄鐵，也適于球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。1)耐磨合金鑄鐵耐磨合金鑄鐵主要是在劇烈的摩擦磨損條件下使用。根據(jù)耐磨合金鑄鐵具體的工作條件和磨損形式的不同可分為兩類。一類是在潤(rùn)滑條件下工作,象導(dǎo)軌、缸套等鑄件，希望摩擦系數(shù)要小,這類鑄鐵稱為減摩鑄鐵。另一類是在干摩條件下工作,象軋輥、拋光機(jī)葉片等鑄件,要求摩擦系數(shù)要大,要求有高而均勻的硬度,這類鑄鐵稱為抗摩鑄鐵。也可根據(jù)加入的主要合金元素，將耐磨合金鑄鐵分為鉻系、鎳系、錳系、鎢系、釩系和硼系，其顯微組織都是白口鑄鐵。(1)鉻系耐磨合金鑄鐵；(2)鎳系耐磨合金鑄鐵；(3)錳系耐磨合金鑄鐵2)耐熱合金鑄鐵鑄鐵中加入鉻、鋁、硅，與它們?cè)谀蜔徜摵湍蜔岷辖鹬幸粯?，可大大提高其抗氧化性。這些元素可單獨(dú)加入或復(fù)合加入，在表面形成穩(wěn)定的致密的氧化膜；顯微組織中減少石墨數(shù)量，并得到球狀石墨，使之不易形成氧化性氣體滲入的通道。鉻、鋁、硅都是鐵素體形成元素，提高其含量后會(huì)得到單一的鐵素體基體，使得在使用溫度范圍內(nèi)完全消除相變，可有效地阻止鑄鐵的生長(zhǎng)作用。球墨合金鑄鐵在950℃能抗氧化，若單獨(dú)加硅，Si含量要達(dá)到8％；單獨(dú)加鋁，A1含量達(dá)到10％；單獨(dú)加鉻，Cr含量達(dá)到22％。若復(fù)合加入，總量可相應(yīng)減少。3)耐蝕合金鑄鐵常用的耐蝕合金鑄鐵是高硅耐蝕鑄鐵和高鉻耐蝕鑄鐵。(1)高硅耐蝕鑄鐵硅含量為14.25％～15.25％的高硅鑄鐵的基體是含硅合金鐵素體+具有面心立方結(jié)構(gòu)的Fe3Si2有序固溶體，其電極電位為正，與石墨間電位差很小，因而電化學(xué)腐蝕微弱，在氧化性腐蝕介質(zhì)中能生成致密的Si02保護(hù)膜。在各種氧化性酸(如硝酸、硫酸)介質(zhì)中，在各種溫度下都有良好的耐蝕性。在室溫的鹽