《工程材料第八章》PPT課件.ppt

1、第八章 鑄鐵,鑄鐵概念 鑄鐵是碳質(zhì)量分數(shù)大于2.11%、含有較多的硅、錳、硫、磷等元素的鐵碳合金。,特點： 生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡單，價格便宜; 具有許多優(yōu)良的使用性能和工藝性能，應(yīng)用廣泛。,一、鑄鐵的石墨化過程和特點 1. 鑄鐵的石墨化過程 在鐵碳合金中，碳能以三種形式存在： 固溶在F、A中， 化合物態(tài)滲碳體(Fe3C)， 游離態(tài)石墨（G）（晶體）。,在啥條件下，鐵、碳合金中析出石墨？ 滲碳體是一種亞穩(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下能分解為鐵和石墨。 鐵、碳合金在其其緩慢冷卻（C擴散時間足夠），或含有可促進石墨（G）形成元素（如Si）時，就可直接自液體或A中析出（G)。 注意：在此條件下，鐵、碳合金相圖 F

2、e-G相圖,鐵碳合金雙重相圖 Fe-Fe3C相圖和Fe-G相圖。,按Fe-G相圖結(jié)晶，含（2.54.0%C）的鐵碳合金的石墨化的過程可分為三個階段： (1)從液體中析出。 (2)奧氏體中分解出。 共析反應(yīng)析出。,石墨的晶體結(jié)構(gòu),石墨(G) 穩(wěn)定相，簡單六方晶格。 底面上原子呈六方網(wǎng)格排列，原子間距?。?.4210-10 m），結(jié)合力很強； 兩底面間的間距較大（3.04 10-10 m），結(jié)合力較弱。 石墨的強度、硬度和塑性很差。,石墨的作用： （1）石墨提高鑄鐵的切削加工性能。,（2）鑄件凝固時石墨膨脹，減少鑄件體積收縮，降低內(nèi)應(yīng)力。鑄鐵鑄造性能良好。,（3）石墨有良好的潤滑作用，并能儲存潤滑

3、油，使鑄件有很好的耐磨性能。,（4）石墨對振動的傳遞起削弱作用，使鑄鐵有很好的抗振性能。,（5）石墨強度、韌性極低，相當于裂紋或空洞。石墨越多，越大，對基體的割裂作用越嚴重，鑄鐵抗拉強度越低。,鐵碳合金雙重相圖 Fe-Fe3C相圖和Fe-G相圖。,鑄鐵的石墨化過程： 第一階段石墨化 形成一次石墨和共晶石墨。 L LC +G(一次） LC AE + G(共晶）,第二階段石墨化 A析出二次石墨A G(二次） 1154738,第三階段石墨化 共析反應(yīng) AsFP + G(共析） 738一下 F G(三次）,影響石墨化的主要因素： (1) 溫度和冷卻速度 在生產(chǎn)過程中，鑄鐵在高溫下長時間保溫，或緩慢冷卻

4、，有利于石墨化。,老師提示 :生產(chǎn)中，調(diào)整碳、硅含量，是控制鑄鐵組織和性能的基本措施。,(2) 合金元素 C、Si、Al、Cu、Ni、Co等非碳化物形成元素促進石墨化，碳和硅最強烈。 Cr、W、Mo、V、Mn、S等碳化物形成元素阻礙石墨化。,鑄鐵分類,2.灰口鑄鐵的組織特征和分類 鑄鐵組織：由基體和石墨組成。 基體：鐵素體、珠光體或鐵素體加珠光體 石墨：片狀、球狀、蠕蟲狀、團絮狀,灰口鑄鐵的分類,二、常用鑄鐵 1. 灰鑄鐵 價格便宜、應(yīng)用最廣。 （1）灰鑄鐵的牌號 HT150、HT250、HT400 “HT”表示“灰鐵”，數(shù)字表示最低抗拉強度。灰鑄鐵有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種基體。

5、灰鑄鐵中的碳、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。,灰鑄鐵的顯微組織,F+G片 F+P+G片 P+G片,（2）影響灰鑄鐵組織和性能的因素 成分的影響 錳：阻礙石墨化，促進珠光體基體形成。提高鑄鐵強度。與硫生成MnS，減少硫有害作用。錳質(zhì)量分數(shù)一般為0.5%1.4%。,硫：有害元素，強烈促進白口化，使鑄造性能和機械性能惡化。硫的質(zhì)量分數(shù)在0.15%以下。,磷：促進石墨化。提高鐵水流動性。量大時形成磷共晶體，硬而脆，降低鑄鐵強度，但提高耐磨性。要求鑄鐵有較高強度時，磷質(zhì)量分數(shù)0.3%。,冷卻速度的影響 鑄件的冷卻速度對石墨化程度影響很大。 隨著鑄件壁厚增加，冷

6、卻速度減慢，依次出現(xiàn)珠光體灰口鐵、珠光體加鐵素體灰口鐵和鐵素體灰口鐵。,不同C+Si含量，不同壁厚（冷卻速度） 鑄件的組織,（3）灰鑄鐵的熱處理及應(yīng)用 熱處理不能改變石墨的形態(tài)和分布。 消除內(nèi)應(yīng)力退火 形狀復(fù)雜和尺寸穩(wěn)定性要求較高的鑄件 （機床床身、柴油機汽缸），為防止變形和開裂，須進行500 550 消除內(nèi)應(yīng)力退火。, 消除鑄件白口、降低硬度的退火 灰鑄鐵件表層和薄壁處產(chǎn)生白口組織難以切削加工，需要退火(850 900 保溫25 h)，使?jié)B碳體分解成石墨，降低硬度。, 表面淬火 機床導軌、缸體內(nèi)壁等，需要提高硬度和耐磨性，進行表面淬火。淬火后表面硬度可達50 HRC55 HRC。,灰鑄鐵的應(yīng)

7、用,葉輪 發(fā)動機飛輪,箱體 啟動閥,灰鑄鐵鑄造性能優(yōu)良、價格便宜，但強度較低、韌性差。制造機床床身、床頭箱、閥體、葉輪、飛輪等。,注意：,灰鑄鐵獲得方法 液態(tài)金屬石墨化+孕育處理,原因： C、Si促進石墨化,但C、Si 石墨片多、粗大,灰鑄鐵的孕育處理,通常在碳、硅含量較低的灰鑄鐵液中加入孕育劑進行孕育處理，經(jīng)過孕育處理的灰鑄鐵叫孕育鑄鐵或變質(zhì)鑄鐵。 細化灰鑄鐵組織，提高鑄鐵的力學性能； 孕育劑（變質(zhì)劑）硅鐵和硅鈣合金，加入重量為鐵水總重量的0.40%.,孕育鑄鐵的金相組織： 細密的珠光體基體上，均勻分布細小的石墨片。故其強度高于普通的灰鑄鐵。,應(yīng)用： 孕育鑄鐵用來制造力學性能要求高，截面尺寸

8、變化較大的大型鑄件，如:箱體,重型機床的床身、液壓件、齒輪和導軌,缸體等。,原理：大量人工晶核結(jié)晶均勻截面上組織均勻性能均勻斷面敏感性小,2. 球墨鑄鐵 球墨鑄鐵的石墨呈球狀。 具有很高的強度，良好的塑性和韌性。綜合機械性能接近于鋼，鑄造性能好，成本較低，生產(chǎn)方便，得到廣泛應(yīng)用。,F+G球 F+P+G球 P+G球,(1) 球墨鑄鐵的成分和球化處理 成分：要求比較嚴格。3.6%3.9%C, 2.2%2.8%Si, 0.6%0.8%Mn, 0.07%S, 0.1%P。,獲得方法 液態(tài)金屬石墨化+球化處理+孕育處理 在鐵水中加入一定量的稀土鎂球化劑和孕育劑，獲得細小、均勻分布的球狀石墨。,鎂強烈阻礙

9、石墨化。為了避免白口，并使石墨球細小、均勻分布、一定要加入孕育劑。 常用的孕育劑為硅鐵和硅鈣合金等。,(2) 球墨鑄鐵的牌號、組織和性能 QT400-15、QT600-3、QT800-2 球墨鑄鐵牌號用“QT”標明，其后兩組數(shù)值表示最低抗拉強度和延伸率。,不同基體的球墨鑄鐵，性能差別很大。 珠光體球墨鑄鐵的抗拉強度比鐵素體基體高50%以上。 鐵素體球墨鑄鐵的延伸率為珠光體基的3 5倍。,(3) 球墨鑄鐵的熱處理 退火 900 950 、2 h5 h。 當鑄件薄壁處出現(xiàn)滲碳體和珠光體時，退火可獲得塑性好的鐵素體基體，改善切削性能，消除鑄造應(yīng)力。, 正火 880 920 ，空冷。 得到珠光體基體（

10、占基體75%以上），并細化組織，提高強度和耐磨性。, 調(diào)質(zhì) 加熱到850 900 ，使基體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在油中淬火得到馬氏體，然后經(jīng)550 600 回火，空冷。 組織：回火索氏體+球狀石墨,調(diào)質(zhì)后強度高，塑性、韌性好。 用于要求綜合機械性能較高的球墨鑄鐵零件，如連桿、曲軸等， 表面要求耐磨的零件可以再進行表面淬火及低溫回火。, 等溫淬火 加熱到奧氏體區(qū)（840 900 左右），保溫后在300 左右的等溫鹽浴中冷卻并保溫，使基體在此溫度轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w。 組織：下貝氏體+球狀石墨。,性能：獲得高的強度，具有良好的塑性和韌性。強度1200 MPa1450 MPa, 沖擊韌性300 kJ/m2360

11、kJ/m2, 硬度38HRC51HRC。 等溫鹽浴的冷卻能力有限，一般只能用于截面不大的零件，例如受力復(fù)雜的齒輪、曲軸、凸輪軸等。,球墨鑄鐵的應(yīng)用： 用球墨鑄鐵來代替鋼制造某些重要零件。 如曲軸、連桿、凸輪軸等。,曲軸 管道接口,3. 蠕墨鑄鐵 RuT300、RuT420 蠕墨鑄鐵以“RuT”表示， 數(shù)字表示最低抗拉強度。,蠕墨鑄鐵組織,蠕墨鑄鐵是新型高強鑄鐵。強度接近于球墨鑄鐵，有一定的韌性、較高的耐磨性；又有和灰鑄鐵一樣良好的鑄造性能和導熱性。,蠕墨鑄鐵的石墨在光學顯微鏡下為蠕蟲狀，長厚比小，端部較鈍。,蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)： 在一定成分的鐵水中加入適量的蠕化劑形成。蠕化劑主要采用鎂鈦合金、稀土

12、鎂鈦合金或稀土鎂鈣合金等。,4. 可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵通過退火處理得到的一種高強鑄鐵。 有較高的強度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼?？慑戣T鐵依靠石墨化退火獲得。 可鍛鑄鐵有鐵素體和珠光體兩種基體。,鐵素體可鍛鑄鐵 珠光體可鍛鑄鐵,(1) 可鍛鑄鐵的牌號 KT350-10、KTZ600-3 鐵素體可鍛鑄鐵以“KT”表示。 珠光體可鍛鑄鐵以“KTZ”表示。 兩組數(shù)字表示最低抗拉強度和延伸率。,(2) 可鍛鑄鐵的生產(chǎn)和熱處理 第一步 先鑄造成白口鑄鐵。 不允許有石墨出現(xiàn)，否則在隨后的退火中，碳在已有的石墨上沉淀，得不到團絮狀石墨；,第二步 石墨化退火處理。 將白口鑄鐵加熱到900 96

13、0 ，長時間保溫，使共晶滲碳體分解為團絮狀石墨，完成第一階段的石墨化過程。 若第一階段石墨化后慢冷，完成第二階段、第三階段石墨化，在650 700 出爐冷卻至室溫，得到鐵素體基體可鍛鑄鐵。 若第一階段石墨化后以較快的速度 （100 /h）冷卻通過共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，得到珠光體基體可鍛鑄鐵。,可鍛化退火時間要幾十小時，為縮短時間，并細化組織，提高機械性能，可在鑄造時采取孕育處理。 孕育劑能強烈阻礙凝固時形成石墨，退火時促進石墨化。,可鍛鑄鐵應(yīng)用： 制造形狀復(fù)雜、承受沖擊和振動載荷的零件，如汽車拖拉機的后橋外殼、管接頭、低壓閥門等。,與球墨鑄鐵比，可鍛鑄鐵成本低、質(zhì)量穩(wěn)定、鐵水處理簡單、容易組織流水生

14、產(chǎn)。尤其對于薄壁件，若采用球墨鑄鐵易生成白口，需要進行高溫退火，采用可鍛鑄鐵更為適宜。,5. 特殊性能鑄鐵 鑄鐵中加入合金元素，得到具有特殊性能的合金鑄鐵。 (1) 耐磨鑄鐵 激冷鑄鐵 白口鑄鐵耐磨。采用激冷的辦法使鑄件表面獲得白口鑄鐵。 用金屬型鑄造鑄件的耐磨表面，其它部位采用砂型。調(diào)整鐵水化學成分（高碳、低硅），保證白口層的深度。表面為白口鑄鐵，心部為灰口鑄鐵組織，有一定的強度。 應(yīng)用：制造軋輥、車輪等。,高磷鑄鐵 磷的質(zhì)量分數(shù)提高到0.4%0.6%，生成磷共晶，呈斷續(xù)網(wǎng)狀形態(tài)分布在珠光體基體上。磷共晶硬度高，改善珠光體灰口鑄鐵的耐磨性。,(2) 耐熱鑄鐵 制造高溫下工作的爐底板、換熱器、

15、坩堝、熱處理爐內(nèi)的運輸鏈條。 加入Al、Si、Cr，鑄件表面形成致密的氧化膜，阻礙繼續(xù)氧化改善鑄鐵的耐熱性。 球墨鑄鐵中，石墨為孤立分布，互不相連，不形成氣體滲入通道，耐熱性更好。,扇形擴散器 托架,(3)耐蝕鑄鐵 耐蝕鑄鐵主要用于化工部件，如閥門、管道、泵、容器等。 普通鑄鐵的耐蝕性差。 加入Si、Cr、Al、Mo、Cu、Ni等合金元素形成保護膜，或使基體電極電位升高，可以提高鑄鐵的耐蝕性能。 常用耐蝕鑄鐵有高硅、高硅鉬、高鋁、高鉻等耐蝕鑄鐵。,本節(jié)小結(jié) 常用鑄鐵 HT150、HT250 數(shù)字表示最低抗拉強度。 QT420-10、QT800-2 后兩組數(shù)值表示最低抗拉強度和延伸率。 KT35

16、0-10、KT450-5 兩組數(shù)字表示最低抗拉強度和延伸率,灰鑄鐵 獲得方法 液態(tài)金屬石墨化+孕育處理,原因： C、Si促進石墨化,但C、Si 石墨片多、粗大,灰鑄鐵的孕育處理,通常在碳、硅含量較低的灰鑄鐵液中加入孕育劑進行孕育處理，經(jīng)過孕育處理的灰鑄鐵叫孕育鑄鐵或變質(zhì)鑄鐵。 細化灰鑄鐵組織，提高鑄鐵的力學性能； 孕育劑（變質(zhì)劑）硅鐵和硅鈣合金，加入重量為鐵水總重量的0.40%.,孕育鑄鐵的金相組織： 細密的珠光體基體上，均勻分布細小的石墨片。故其強度高于普通的灰鑄鐵。,應(yīng)用： 孕育鑄鐵用來制造力學性能要求高，截面尺寸變化較大的大型鑄件，如:箱體,重型機床的床身、液壓件、齒輪和導軌,缸體等。,原理：大量人工晶核結(jié)晶均勻截面上組織均勻性能均勻斷面敏感性小,組織 基體(F、P、F+P) +片狀石墨 熱處理 去應(yīng)力，消除白口，表面淬火 用途 機床床身,球墨鑄鐵 成分：要求比較嚴格。3.6%3.9%C, 2.2%2.8%Si, 0.6%0.8%Mn, 0.07%S, 0.1%P。,獲得方法 液態(tài)金屬石墨化+球化處理+孕育處理 在鐵水中加入一定量的稀土鎂球化劑和孕育劑，獲得細小、均勻分布的球狀石墨。,鎂強烈阻礙石墨化。為了避免白口