機械工程材料第十章鑄鋼和第十一章鑄鐵

1、機械工程材料,哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)，材料科學(xué)與工程學(xué)院,鑄鋼軋機機架，加工后198t,鑄造的特點 ： 1、適應(yīng)性強,司母戊青銅方鼎,中國古代貨幣,2、利用某些合金特性(如耐磨用高錳鋼) 3、精度高 4、成本低,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,第三篇 鑄鋼與鑄鐵,第十章 鑄鋼,第十一章 鑄鐵,按化學(xué)成分，包括：鑄造碳鋼和鑄造合金鋼。 按用途，包括：鑄造特殊鋼(耐磨鋼、不銹鋼及耐 熱鋼等)和鑄造工具鋼(如鑄造高速鋼)等。,其強度、塑性及韌性 優(yōu)于灰口鑄鐵（使用性能） 鑄鋼鑄造性能比鑄鐵差。 流動性差、易氧化、收縮 大、產(chǎn)生缺陷傾向大。,應(yīng)用：量大、形狀復(fù)雜、對性能要求不高

2、的零件。,第十章 鑄鋼,第一節(jié) 鑄造碳鋼,鑄造碳鋼含碳量在0.12%-0.62%之間，多屬亞 共析鋼。 硫、磷為鑄鋼的有害雜質(zhì)。,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奧氏體晶粒內(nèi)部。,1、組織 魏氏體降低鋼的韌性,改善組織方法：通過退火和正火消除魏氏體組織。,影響鑄造碳鋼的因素,2、化學(xué)成分 降低硅錳硫磷含量，使碳成為影響機械性能的主要元素。,改善碳鋼鑄件的組織與性能，通常進行完全退火、 正火或正火+回火處理。 目的：細化晶粒，消除魏氏組織和鑄造應(yīng)力。,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Mn、

3、Si、Mo、Cr、Ni、Cu等。 根據(jù)合金元素量：鑄造低合金鋼、鑄造高合金鋼。,第二節(jié) 鑄造合金鋼,鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及生產(chǎn)簡便、成本低廉、減震性好、耐磨、易切削、流動性好等優(yōu)點，因而是應(yīng)用最廣泛的材料之一。 塑性差，不能鍛造。,鑄鐵是含碳量大于2.14%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。,第十一章 鑄鐵,鑄鐵曲軸,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。,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 Fe-G (石墨)雙重相圖。 Fe3C是亞穩(wěn)相，在一定條件下將發(fā)生分解：,Fe3C3Fe+C（石

4、墨） 一般為片狀,球墨鑄鐵,石墨化：鑄鐵中石墨的形成。,第一節(jié) 灰口鑄鐵,第二節(jié) 可鍛鑄鐵,第三節(jié) 球墨鑄鐵,第四節(jié) 特殊性能鑄鐵,鑄鐵中的碳除少量固 溶于基體中外，主要 以化合態(tài)的滲碳體 (Fe3C)和游離態(tài)的 石墨(G)兩種形式存 在。,第一節(jié) 灰口鑄鐵,灰口鑄鐵中全部或大 部分碳以石墨形式存 在，斷口呈灰色。,珠光體灰鑄鐵,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。 鑄鐵石墨化的條件： 1、極其緩慢的冷卻速度 2、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 結(jié)晶過程中，形成石墨的階段有哪些？,石墨化分三個階段： 在1153oC左右通過共晶反應(yīng)形成石墨

5、(G)； 1153-738oC范圍自奧氏體中析出二次石墨(GII)； 738oC時，共析反應(yīng)形成石墨。,高溫條件下，碳 原子擴散能力 大，容易轉(zhuǎn)變?yōu)?石墨，因此前兩 個轉(zhuǎn)變階段容易 實現(xiàn)。,鐵素體灰鑄鐵,如果鑄鐵三個階段石墨化全部完成， 其組織為：鐵素體+石墨。,鐵素體加珠光體灰鑄鐵,如果鑄鐵前兩個階段石墨化完成， 第三階段部分進行， 組織為：鐵素體+珠光體+石墨。,珠光體灰鑄鐵,如果鑄鐵前兩個階段石墨化完成，第三階段 完全被抑制 其組織為：珠光體+石墨。,二、影響灰口鑄鐵組織的因素 主要因素：化學(xué)成分及冷卻速度 化學(xué)成分 碳、硅含量越高，越易得到充分的石墨化。 Al、Cu、Ni、Co等元素也

6、促進石墨化。,S、Mn、Cr、W、 Mo、V等元素阻止 石墨化。, 冷卻速度的影響 鑄件冷卻緩慢，有利于碳原子的充分擴散，而促進 石墨化。,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。,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,三、灰口鑄鐵的性能 力學(xué)性能：取決于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 體的連續(xù)性，且易導(dǎo)致應(yīng)力集中，導(dǎo)致拉伸載荷下 力學(xué)性能低； 壓縮時，基體起主要的作用，因此性能較好。, 耐磨性能好。 石墨本身有潤滑作用。 消振性能好。 由于組織疏松，可以吸收振動能量。 鑄造性能好。

7、 由于鑄鐵硅含量高, 成分接近于共晶。 切削性能好。 由于石墨使切屑容易脆斷脫離工件，因此不粘刀。,四、灰口鑄鐵的牌號和用途,五、灰口鑄鐵的變質(zhì)處理,石墨含量和尺寸越大，灰口鑄鐵性能越差。 可通過減少硅、碳量來限制石墨含量，但應(yīng)防止 白口鐵出現(xiàn)； 措施：一般通過向澆注鐵水中加入變質(zhì)劑(硅鐵和 硅鈣合金)，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，這一過程稱變質(zhì)處理或孕育處 理。,經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。,石墨得到細化，強度得到大幅提高，塑性和 韌性亦有改善。,2、熱處理 熱處理只改變基體組織， 不改變石墨形態(tài)。 且只能用來消除鑄件內(nèi)應(yīng) 力、穩(wěn)定尺寸、改善切削 加工性和提高鑄件

8、表面耐 磨性。,1、消除應(yīng)力的退火（低溫退火或時效） 防止變形開裂，保證尺寸穩(wěn)定。 退火工藝：加熱速度50100oC/h，加熱溫度500600oC，保溫48h，緩冷。,2、 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 退火工藝：加熱到850900 oC，保溫25h， 緩冷至400500 oC，出爐空冷。,3、表面淬火 提高表面硬度和耐磨性，如機床導(dǎo)軌表面。,感應(yīng)加熱表面淬火 火焰加熱表面淬火 點接觸電加熱表面淬火,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。,性能：強度優(yōu)于灰口鑄鐵，塑性、韌性較好。 制造分為兩步： (1)先澆注成白口鑄鐵；

9、(2)石墨化退火,可鍛鑄鐵：白口鑄鐵在固態(tài)下經(jīng)長時間石墨 化退火而得到的團絮狀石墨的鑄鐵。石墨化 過程是滲碳體在固態(tài)下分解而形成。,第二節(jié) 可鍛鑄鐵,可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線,退火工藝：白口鑄鐵加熱至 900-980oC，保溫15h， 滲碳體分解獲得奧氏體和團 絮狀石墨組織；隨后緩冷， 奧氏體沿團絮石墨再析出二 次石墨；直至共析溫度 750-720oC，奧氏體分解 為鐵素體和石墨。,可鍛鑄鐵的石墨化退火,鐵素體可鍛鑄鐵,珠光體可鍛鑄鐵,可鍛鑄鐵分為： 鐵素體可鍛鑄鐵 和珠光體可鍛鑄鐵。,可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線,用途 由于具有相對較高的塑性、 韌性，可用于制造形狀復(fù)雜 且承受振動載荷的薄壁

10、小型 件，如汽車、拖拉機的前后 輪殼、管接頭、低壓閥門等。,由液態(tài)鐵水中加入球化劑和孕育 劑，經(jīng)石墨化得到。 球化劑為鎂、稀土和稀土鎂。 常用孕育劑為硅鐵和硅鈣合金。,第三節(jié) 球墨鑄鐵,球墨鑄鐵：石墨呈球形的灰口鑄鐵。,一、球鐵的化學(xué)成分、組織與性能 成分：與灰口鑄鐵比，C、Si含量較高，Mn較 低，S、P限制較嚴。,組織：基體（F、F+P、P）+ 球狀G,C、Si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。,限制S目的：S可消耗球化元素。,鐵素體球墨鑄鐵,組織：基體F+ 球狀G,球墨鑄鐵中的石墨球,切口作用減弱， 因此球鐵拉伸、 彎曲強度和塑性 比灰口鑄鐵和可 鍛鑄鐵

11、高。,珠光體球墨鑄鐵,組織：基體P+ 球狀G,鐵素體加珠光體球墨鑄鐵,組織：基體F+P+ 球狀G,二、球鐵的牌號及用途,三、球鐵的熱處理,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。,消除應(yīng)力退火： 加熱到550600 oC ，保溫后空冷。 可消除90-95%內(nèi)應(yīng)力，提高塑性和韌性。,一、球鐵的 退火 目的：消除鑄造應(yīng)力和白口組織,消除白口退火： 只完成石墨化第一、二階段，得到珠光體+G組織； 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+珠光體+G。 通過控制保溫時間和冷卻條件，可控制鐵素體和珠光體比例。,1 高溫正火（完全奧氏體化正火） 將工件加熱到880920 oC，完全奧氏體化，保溫3h左右，空冷，得到P+G 組織 2 低溫正火（不完全奧氏體化正火） 將工件加熱到840880 oC，不完全奧氏體化，保溫一定時間，空冷，得到F+P+G組織,正火后為消除鑄件中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，可增加一次去應(yīng)力退火（回火），加熱到500-600 C ，保溫34h，空冷。,二、球鐵的正火 目的：得到珠光體基體，以提高球墨鑄鐵強度，硬度和耐磨性,三、 球鐵的淬火及回火,對要求綜合力學(xué)性能較高的零件，如連桿、曲軸等，可采