材料及成型技术 第九章铸铁.doc

金属材料应用技术课程教案
科目
金属材料应用技术
授课教师
高琪妹
课型
专业基础综合型
学校
辽宁石化职业技术学院
课题
专题 第九章 铸 铁
第一节 第一节 铸铁的分类及铸铁的石墨化
第二节 常用铸铁
第三节 第三节 合金铸铁简介
教学目标
1. 了解铸铁的分类及铸铁的石墨化
2. 掌握常用铸铁
3. 了解合金铸铁
4. 培养学生的分析和独立判断能力。
教学重点
常用铸铁
教学难点
铸铁的石墨化
教学方法
采用启发式、共同分析、讨论、总结式
教学工具
计算机、投影仪
教学内容及步骤
教学方法的应用
能力培养
一、 组织教学
二、 导入新课
三、 讲授新课
第九章 铸 铁
铸铁是碳质量分数大于2.11%（一般为2.5%～5.0%）的铁碳合金。主要由铁、碳、硅、锰、硫、磷以及其他微量元素组成。
由于铸铁具有良好的铸造性能、减震性、减磨性和切削加工性能，且生产工艺简单、成本较低，铸铁在工程实际中应用的比重约占机器总重量的45%~90%。
第一节 铸铁的分类及铸铁的石墨化
一、铸铁的分类
1.白口铸铁
碳在铸铁中的分布除少量固溶于铁素体外，绝大部分以渗碳体形式存在。因其断口呈银白色而得名，其性能硬而脆，很少直接用于制作机器零件，
2.灰口铸铁
碳在铸铁中的分布大部分或全部以石墨形式析出，因其断口呈暗灰色而得名。按石墨形态不同，灰口铸铁又分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁。
3.麻口铸铁
这种铸铁中碳部分以游离碳化物形式析出，部分以石墨形式析出，断口灰、白色相间。
此外，为满足某些特殊性能要求，向铸铁中加入一种或多种合金元素（铬、铜、铝、硼等）而得到合金铸铁，如耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。
二、铸铁的石墨化及其影响因素
1.铸铁的石墨化
影响铸铁组织和性能的关键是碳在铸铁中存在的形态、大小及分布。
铸铁中碳成石墨析出的过程叫做铸铁的石墨化。
实验表明，渗碳体是一个亚稳定相，石墨则是稳定相。因此描述铁碳合金组织转变的相图实际上有二个，一个是Fe-Fe3C系相图，另一个是Fe-C系相图。把两者迭合在一起，就得到一个铁碳合金双重相图，如图所示。

铁碳合金双重相图
铸铁加热时的石墨化过程：亚稳定的渗碳体，当在比较高的温度下长时间加热时，会发生分解，产生石墨化，即
Fe3C→3Fe+C。
加热温度越高，分解速度相对就越快。
无论是冷却还是加热时的石墨化过程，凡是发生在P′S′K′线以上，统称为第一阶段石墨化；凡是发生在P′S′K′线及以下，统称为第二阶段石墨化。
2.影响石墨化的因素
（1）化学成分
碳和硅都是强烈促进石墨化的元素。磷、铜、铝、镍等元素也有一定的促进作用。
锰、硫都是阻止石墨化的元素。
（2）冷却速度
铸铁在结晶冷却的过程中，冷却速度越慢，碳原子扩散越充分，越有利于石墨化。
第二节 常用铸铁
一、灰铸铁
灰铸铁牌号是由“HT”（“灰铁”的汉语拼音字首）加一组数字（最低抗拉强度σb）组成。
灰铸铁中石墨呈片状，根据基体组织的不同，可分为铁素体型、铁素体十珠光体型、珠光体型灰铸铁。灰铸铁的显微组织，如图所示。因片状石墨对基体的割裂程度较严重，灰铸铁中基体强度的利用率仅为30%～50%。

（a） （b）
灰铸铁的显微组织
（a）铁素体基体（200×） （b）铁素体+珠光体基体（200×）
灰铸铁的性能与普通碳钢相比，具有力学性能低、耐磨性好、减震性强、工艺性能好等特性。
常用的灰铸铁热处理有：
（1）退火 用于消除铸件内应力和白口组织，稳定尺寸。
（2）表面淬火 提高铸件的表面硬度和耐磨性，如机床导轨面和内燃机气缸套内壁，可进行表面淬火。经表面淬火后，可使机床导轨的寿命提高约1.5倍。
常用的灰铸铁的典型牌号是HT150、HT200，前者主要用于机械制造业承受中等应力的一般铸件；后者主要用于一般运输机械和机床中承受较大应力和较重要零件，如气缸体、缸盖、机座、床身等。
二、球墨铸铁
球墨铸铁牌号是由“QT”（“球铁”的汉语拼音字首）加两组数字组成，前一组数字为最低抗拉强度σb，后一组数字为最低断后伸长率δ。
球墨铸铁中石墨呈球状，根据基体组织的不同，可分为铁素体型、珠光体型十铁素体型、珠光体型球墨铸铁。球墨铸铁的显微组织，如图所示。因球状石墨对基体的割裂程度较灰铸铁进一步减弱，球墨铸铁中基体强度的利用率仅为70%～90%。
它的力学性能除了与基体组织类型有关外，主要取决于球状石墨的形状、大小和分布。石墨球状愈细小、分布愈均匀，则球墨铸铁的力学性能愈高。铁素体基体的球墨铸铁强度较低，塑性、韧性较高；珠光体基体的球墨铸铁强度高耐磨性好，耐磨性好，但塑性、韧性较低。
球墨铸铁的热处理:
退火、正火、调质处理、等温淬火等。
（1）退火 退火的目的是为了获得铁素体。从而改善球墨铸铁的切削加工性能，消除铸造应力。当铸态组织中不仅有珠光体，还有渗碳体时，须采用高温退火（900～950℃）。
（2）正火 正火的目的是为了得到珠光体基体。并细化组织，提高强度和耐磨性。
（3）调质处理 对于受力比较复杂，要求综合力学性能较高的球墨铸铁件，如连杆、曲轴等，可采用调质处理，获得回火索氏体和球状石墨组织。调质处理一般只适合于小尺寸铸件。
（4）等温淬火 等温淬火是获得高强度和超高强度球墨铸铁的重要热处理方法，等温淬火可以有效地防止变形和开裂。
球墨铸铁兼有钢的高强度和灰铸铁的优良铸造性能，是一种有发展前途的铸造合金，可用来制造受力复杂、力学性能要求高的铸件。
常用的球墨铸铁的典型牌号 QT400-15、QT600-3，前者属铁素体型球墨铸铁，主要用于制造承受冲击、振动的零件，如汽车、拖拉机的轮毂、中低压阀门、电动机壳、齿轮箱等；后者属于珠光体+铁素体型球墨铸铁，主要用于制造载荷大、受力复杂的零件，如汽车、拖拉机曲轴、连杆、气缸套等。
三、蠕墨铸铁
蠕墨铸铁的牌号由RuT（“蠕铁”汉语拼音字首）加一组数字表示，数字表示最小抗拉强度σb值。例如RuT420表示抗拉强度不低于420MPa的蠕墨铸铁。
蠕墨铸铁是一种碳主要以蠕虫状形态存在，它类似于片状，但片短而厚，头部较圆，形似蠕虫。
蠕墨铸铁保留了灰铸铁工艺性能优良和球墨铸铁力学性能优良的共同特点，而克服了灰铸铁力学性能低和球墨铸铁工艺性能差的缺点，它在国内外日益引起重视，目前主要用于生产汽缸盖、汽缸盖、钢锭模等铸件。蠕铁的缺点在于生产技术尚不成熟和成本偏高。
四、可锻铸铁
可锻铸铁的牌号由KT（“可铁”汉字拼音的字首）及其后的H（表示黑心可锻铸铁）或Z（表示珠光体可锻铸铁），再加上两组数字组成，前一组数字为最小抗拉强度σb，后一组数字为断后伸长率δ。
由于石墨呈团絮状，它对基体的割裂程度较灰铸铁轻，因此，性能优于灰铸铁；在铁液处理、质量控制等方面又优于球墨铸铁。
可锻铸铁的典型牌号KTH350-10、KTH450-06等，主要用于制造截面薄、形状复杂、强韧性又要求高的零件。如低压阀门、连杆、曲轴、齿轮等。
第三节 合金铸铁简介
常用的合金铸铁有耐磨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁。
一、 耐磨铸铁
在无润滑的干摩擦条件下工作的零件应具有均匀的高硬度组织。
生产中常采用冷硬铸铁。
我国试制成功的中锰球墨铸铁。适用于制造农用耙片、犁铧，饲料粉碎机锤片，球磨机磨球、衬板，煤粉机锤头等。
在润滑条件下工作的耐磨铸铁，其组织应为软基体上分布有硬的组织组成物，使软基体磨损后形成沟槽，保持油膜。珠光体灰铸铁基本上能满足这样的要求，其中铁素体为软基体，渗碳体层片为硬的组织组成物，同时石墨片起储油和润滑作用。为了进一步改善其耐磨性，通常将wp提高到0.4%～0.6%，做成高磷铸铁。
二、耐热铸铁
铸铁的耐热性主要是指在高温下的抗氧化和抗生长能力。在高温下工作的铸件，如炉底板、换热器、坩埚、炉内运输链条和钢锭模等，要求有良好的耐热性，应采用耐热铸铁。
耐热铸铁按其成分可分为硅系、铝系、硅铝系及铬系等。其中铝系耐热铸铁脆性较大，铬系耐热铸铁价格较贵，故我国多采用硅系和硅铝系耐热铸铁。主要用于制造加热炉附件，如炉底、烟道挡板、传递链构件等。
三、耐蚀铸铁
耐蚀铸铁是指在腐蚀性介质中工作时具有耐蚀能力的铸铁。
加入Al、Si、Cr、Mo等合金元素，在铸铁件表面形成保护膜或使基体电极电位升高，可以提高铸铁的耐蚀性能。耐蚀铸铁分高硅耐蚀铸铁及高铬耐蚀铸铁。耐蚀铸铁主要用于化工机械，如制造容器、管道、泵、阀门等。
四、 总结
五、 复习与思考

教师讲授

教师设疑
学生完成

教师讲授
并例举应用实例

投影并分析

现场教学
学生观察教师讲解并提出问题

教师讲解

教师设疑
学生分组完成

投影、教师讲解
并提出问题
学生回答

应用能力

分析判断能力

分析问题能力

学习兴趣
表达能力

分析能力
表达能力
学习兴趣