铸铁专题知识讲座专家讲座.pptx

第第7 7章章 铸铁铸铁 铸铁是指含碳量大于铸铁是指含碳量大于2.14%或组织中含有共晶或组织中含有共晶组织铁碳合金。实际上是以铁组织铁碳合金。实际上是以铁-碳碳-硅为主多硅为主多元合金。如再加入铝、铬、锰、铜等元素元合金。如再加入铝、铬、锰、铜等元素,则是则是各种特殊性能铸铁各种特殊性能铸铁.铸铁可分为以下几类：灰口铸铁，球墨铸铁，铸铁可分为以下几类：灰口铸铁，球墨铸铁，蠕墨铸铁，可锻铸铁，白口铸铁等蠕墨铸铁，可锻铸铁，白口铸铁等铸铁专题知识讲座第1页 上图上图 沧州铁狮子沧州铁狮子 铸于铸于953953年，重年，重4040余吨。余吨。右图右图 当阳铁塔当阳铁塔 铸于铸于10611061年，八棱年，八棱1313层，层，塔体分段铸造塔体分段铸造 中国曾发觉陨铁制兵器中国曾发觉陨铁制兵器3 3件件,2,2件被盗卖至美国件被盗卖至美国铸铁专题知识讲座第2页7.1 铸铁石墨化及影响原因铸铁石墨化及影响原因 1 1 铸铁石墨化过程铸铁石墨化过程 渗碳体是介稳定相，而石墨才是稳定相。渗碳体是介稳定相，而石墨才是稳定相。热力学条件：有利于石墨化过程热力学条件：有利于石墨化过程 动力学条件：主要有成份起伏、结构起伏和动力学条件：主要有成份起伏、结构起伏和原子扩散原子扩散.有利于渗碳体形成有利于渗碳体形成.为了使为了使G G化进行化进行,可人为地改变热力学和动力可人为地改变热力学和动力学条件学条件.铸铁专题知识讲座第3页图图 铁碳双重相图（铁碳双重相图（G石墨，石墨，Fe3C渗碳体）渗碳体）铸铁专题知识讲座第4页成份起伏成份起伏L4.3%CFe3C（6.67%C）+AG（100%C）+A结构起伏结构起伏L（或（或-Fe）Fe、C并存并存(面心面心)Fe3C（复杂斜方结构）（复杂斜方结构）G（六角形层状结构）（六角形层状结构）比较靠近比较靠近浓度差小浓度差小铸铁专题知识讲座第5页原子扩散原子扩散 G长大，不但要长大，不但要C原子扩散集中，而原子扩散集中，而且且Fe原子要从原子要从G生长前沿逆向扩散。生长前沿逆向扩散。而而Fe3C长大只要长大只要C扩散，扩散，Fe原子局部原子局部移动即可。移动即可。G长大较难。长大较难。有利于有利于Fe3C长大长大铸铁专题知识讲座第6页2 2、影响铸态组织原因、影响铸态组织原因（1 1）化学成份影响）化学成份影响 CSi C和和Si是基本成份，是是基本成份，是G元素。石墨起源元素。石墨起源于于C。Si含量普通在含量普通在0.83.5%之间，之间，Si加入对加入对Fe-G相图发生改变。相图发生改变。Si作作用用 共晶点和共析点碳量随硅含量共晶点和共析点碳量随硅含量而而；使共晶和共析转变在一温度范围内进行；使共晶和共析转变在一温度范围内进行；共晶和共析温度。共析温度提升更共晶和共析温度。共析温度提升更多，大约每多，大约每1 Si，可使共析温度，可使共析温度28；Si促进铸铁石墨化作用相当于促进铸铁石墨化作用相当于1/3C。铸铁专题知识讲座第7页 G化，化，1/3C作用。作用。0.2%后，出现硬脆后，出现硬脆Fe3P，呈孤立、细小、均匀分布时，可呈孤立、细小、均匀分布时，可耐磨性。若粗大耐磨性。若粗大连续网状分布，将连续网状分布，将强度，强度，铸件脆性。铸件脆性。除在耐磨铸铁中可达除在耐磨铸铁中可达0.51.0%外，在普通铸铁中外，在普通铸铁中都作为杂质，通常灰铁中都作为杂质，通常灰铁中P含量控制在含量控制在0.2%。G化；化；Mn能与能与S结合生成结合生成MnS，减弱硫有害，减弱硫有害作用。铸铁中含锰量普通在作用。铸铁中含锰量普通在0.51.4%范围内，如要范围内，如要取得铁素体基体，含锰量应取下限。取得铁素体基体，含锰量应取下限。P Mn铸铁专题知识讲座第8页 白口；白口；铁水流动性，恶化铸造性；形成铁水流动性，恶化铸造性；形成FeS，分布晶界，使铸铁变脆。分布晶界，使铸铁变脆。S是有害元素，其含量应是有害元素，其含量应尽可能低，普通将尽可能低，普通将S限制在限制在0.15%以下以下S促进石墨化元素促进石墨化元素 妨碍石墨化元素妨碍石墨化元素+Al、C、Si、Ni、CuW、Mn、Mo、S、Cr、Fe、Mg 铸铁专题知识讲座第9页（2 2）冷却速度影响）冷却速度影响 化学成份选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，能够化学成份选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，能够在很大范围内改变铸态组织。在很大范围内改变铸态组织。V冷冷越迟缓，越有利于按越迟缓，越有利于按Fe-C状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段G化，通化，通常情况下，共析阶段常情况下，共析阶段G化难以完全进行化难以完全进行 在生产中，铸件冷却速度是一个综合原因，它与浇在生产中，铸件冷却速度是一个综合原因，它与浇注温度、铸型条件以及铸件壁厚均相关系。同一铸件不注温度、铸型条件以及铸件壁厚均相关系。同一铸件不同壁厚处含有不一样组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效同壁厚处含有不一样组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效应。铸件壁厚是设计，难以改变，对已知壁厚铸件，应。铸件壁厚是设计，难以改变，对已知壁厚铸件，可调整化学成份来确保取得所需组织可调整化学成份来确保取得所需组织.铸铁专题知识讲座第10页 G G化过程可分为两个阶段：发生在化过程可分为两个阶段：发生在PSKPSK线以上线以上G G化为第一阶段；发生在化为第一阶段；发生在PSKPSK线以下线以下G G化为第二阶段，化为第二阶段，实际是以共析线为界。实际是以共析线为界。第一阶段第一阶段G G化决定化决定G G形态形态,第二阶段第二阶段G G化决定基体组织化决定基体组织.石墨化阶段与组织石墨化阶段与组织第一阶段第一阶段 第二阶段第二阶段 组织组织 铸铁名称铸铁名称完全进行完全进行 完全进行完全进行 F+G F+G 不一样基体灰不一样基体灰 部分进行部分进行 F+P+G F+P+G 铁、球铁、蠕铁、铁、球铁、蠕铁、未进行未进行 P+G P+G 可锻铁可锻铁 部分进行部分进行 未进行未进行 Ld+P+G Ld+P+G 麻口铸铁麻口铸铁 未进行未进行 未进行未进行 Ld Ld 白口铸铁白口铸铁 铸铁专题知识讲座第11页7.2 7.2 石墨形成及生长石墨形成及生长 1 1、片状石墨生长方式、片状石墨生长方式内内在在因因素素 G G为六方点阵层状结构。层面原子间距小，较为六方点阵层状结构。层面原子间距小，较强共价键结合，层间强共价键结合，层间C C原子间距较大，原子作用原子间距较大，原子作用力弱。力弱。层面方向生长速度就大，石墨是在与铁层面方向生长速度就大，石墨是在与铁水相接触条件下以片状方式生长。水相接触条件下以片状方式生长。外外在在因因素素 G形成会造成周围铁水形成会造成周围铁水C浓度浓度,凝固点凝固点生成生成包围包围G片片A体壳。但体壳。但G片端生长速度超出片端生长速度超出A结晶速结晶速度度,G片端总是和铁水直接接触。片端总是和铁水直接接触。铸铁专题知识讲座第12页石墨晶体结构石墨晶体结构 片状石墨生长机理片状石墨生长机理 如如G片向两侧加厚生长，须依靠片向两侧加厚生长，须依靠C从铁水中先扩散到从铁水中先扩散到A层层再扩散到再扩散到G；而；而Fe还必须向还必须向A层外作反方向扩散，显然是较层外作反方向扩散，显然是较难难G片增厚是较慢片增厚是较慢.最终形成了最终形成了立体花朵状立体花朵状铸铁专题知识讲座第13页球状石墨内部年轮状结构球状石墨内部年轮状结构 球状石墨结构示意图球状石墨结构示意图 2 2、球状、球状G形成过程形成过程（1 1）球状石墨结构）球状石墨结构G呈多边形轮廓，内部呈放射呈多边形轮廓，内部呈放射状。中心是状。中心是G关键。球面是单关键。球面是单晶体锥形晶体锥形G（0001）底面）底面.铸铁专题知识讲座第14页(2)(2)球状球状G形成条件形成条件球化剂球化剂Mg/Ce/Y/La等等 铁液过冷度铁液过冷度 球化剂与铁液中氧、硫发生反应，球化剂与铁液中氧、硫发生反应，含含氧、硫量，氧、硫量，铁液表面张力，铁液表面张力，铁液铁液/石石墨间界面张力墨间界面张力球化处理球化处理:浇注前加入一定量球化剂浇注前加入一定量球化剂,如稀土如稀土-硅铁硅铁-镁系等镁系等孕育处理孕育处理:加入高硅铁加入高硅铁，取得很多非自发晶核取得很多非自发晶核，细化细化G铸铁专题知识讲座第15页(3)(3)球状石墨形核机理球状石墨形核机理 G都是从铁水中直接析出。球状都是从铁水中直接析出。球状G形核形核以硫化物及氧化物夹杂微粒作为结晶中心。以硫化物及氧化物夹杂微粒作为结晶中心。螺旋位错理论螺旋位错理论:因为螺旋位错存在，碳原子因为螺旋位错存在，碳原子优先在晶体表面造成螺旋台阶旋出口作为开优先在晶体表面造成螺旋台阶旋出口作为开始生长最有利位置。理想情况下晶体将长成始生长最有利位置。理想情况下晶体将长成一个近似球状多面体，形成年轮状结构。一个近似球状多面体，形成年轮状结构。生长机理生长机理,有许多学说有许多学说,难以完美解释难以完美解释.(4)(4)球状石墨生长机理球状石墨生长机理 铸铁专题知识讲座第16页 图图 球状石墨晶体生长示意图球状石墨晶体生长示意图 a)0001方向生长；方向生长；b)长成球状多面体长成球状多面体铸铁专题知识讲座第17页7.3 7.3 灰铸铁灰铸铁 牌号牌号意义意义 有有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350六个国家标准牌号。六个国家标准牌号。“HT”表示表示“灰铁灰铁”，后面数字表示抗，后面数字表示抗拉强度（不低于拉强度（不低于,MPa）组织：片状组织：片状G+金属基体（金属基体（F，F+P，P）。）。石墨形态石墨形态:有有A、B、C、D、E、F 6种类型，种类型，其中其中A型最好。经孕育处理灰铸铁为孕育铸型最好。经孕育处理灰铸铁为孕育铸铁。实际生产，大部分铸铁都经过孕育处理铁。实际生产，大部分铸铁都经过孕育处理.孕育处理目标孕育处理目标?1 1、灰铸铁组织特点、灰铸铁组织特点铸铁专题知识讲座第18页（a a）A A型石墨型石墨 (b)B(b)B型石墨型石墨 (c)C(c)C型石墨型石墨 (d)D(d)D型石墨型石墨 (e)D(e)D型石墨型石墨 (f)F(f)F型石墨型石墨 图图 片状石墨分布类型片状石墨分布类型 铸铁专题知识讲座第19页2 2、灰铸铁性能及热处理、灰铸铁性能及热处理（1 1）抗拉强度低、塑韧性很差）抗拉强度低、塑韧性很差G相当于空洞相当于空洞有效截面积有效截面积G片端似裂口片端似裂口应力集中应力集中 基体强度不能充分基体强度不能充分发挥，其强度利用率发挥，其强度利用率仅仅3050%，表现为，表现为b很低，塑性和韧很低，塑性和韧性几乎为零性几乎为零铸铁专题知识讲座第20页（2 2）缺口敏感性小）缺口敏感性小,可切削性好可切削性好 大量大量G相当于已经存在了许多缺口相当于已经存在了许多缺口,工件人工件人为缺口就不太敏感了。为缺口就不太敏感了。G在机加工时能够起到在机加工时能够起到断屑和对刀具润滑作用断屑和对刀具润滑作用可切削性是优良可切削性是优良（3 3）良好铸造性）良好铸造性 灰铁成份靠近共晶点，铁水流动性好，可铸灰铁成份靠近共晶点，铁水流动性好，可铸造出形状复杂零件。且不易形成缩孔和缩松，造出形状复杂零件。且不易形成缩孔和缩松，能取得较致密铸件。能取得较致密铸件。铸铁专题知识讲座第21页（4 4）良好减震性和减摩性）良好减震性和减摩性 灰铁内部存在大量片状灰铁内部存在大量片状G，它割裂基体，破，它割裂基体，破坏连续性，阻止振动传输，并能转化为热能而坏连续性，阻止振动传输，并能转化为热能而发散，因而灰铁含有很好减振性。发散，因而灰铁含有很好减振性。惯用于机床底座惯用于机床底座,效果很好效果很好.首先首先G本身是良好润滑剂，另首先本身是良好润滑剂，另首先G脱落后显微脱落后显微“口袋口袋”,能够储存润滑油和搜集微能够储存润滑油和搜集微小小麿麿粒粒,所以含有良好减摩性。如机床导轨所以含有良好减摩性。如机床导轨铸铁专题知识讲座第22页7.4 7.4 球墨铸铁球墨铸铁 牌号牌号意义意义 比如比如QT400-15，QT为球铁代号，为球铁代号，400表示抗拉强度不低于表示抗拉强度不低于400MPa，15表示表示伸长率不低于伸长率不低于15%。组织：球状组织：球状G +金属基体（金属基体（F，F+P，P，S回回，B下下等）。球状等）。球状G孤立分布，理想是孤立分布，理想是“小、匀、小、匀、圆、适量圆、适量”。1 1、球铁组织与性能、球铁组织与性能铸铁专题知识讲座第23页表表 球墨铸铁力学性能球墨铸铁力学性能铸铁专题知识讲座第24页 球状球状G应力集中应力集中基体缩减作用基体缩减作用割裂基体作用割裂基体作用 球铁基体利用球铁基体利用率可大大提升，达率可大大提升，达到到7090。对灰口铸铁来说，主要矛盾是片状对灰口铸铁来说，主要矛盾是片状G，改变基体组织无显著作用。当改变基体组织无显著作用。当G变为球状变为球状时时，矛盾主要方面发生了改变，基体成为矛盾主要方面发生了改变，基体成为决定性主导原因，基体性能可得到较大决定性主导原因，基体性能可得到较大发挥。发挥。铸铁专题知识讲座第25页 退火球铁组织退火球铁组织 铁素体铁素体+球状石墨球状石墨 铸态球铁组织铸态球铁组织(“牛眼牛眼”状状)珠光体珠光体+铁素体铁素体+球状石墨球状石墨铸铁专题知识讲座第26页2 2、球墨铸铁热处理特点球墨铸铁热处理特点 （1 1）共析转变不是在恒定温度下进行，而是在）共析转变不是在恒定温度下进行，而是在一个较宽温度范围内进行一个较宽温度范围内进行(下列图下列图)改变热处理改变热处理T和和t不一样百分比不一样百分比F和和P基体组织基体组织 较大幅度地调整铸较大幅度地调整铸铁力学性能铁力学性能铸铁专题知识讲座第27页图图 Fe-C-Si三元合金状态图变温截面三元合金状态图变温截面 a)含含2.4%Si b)含含4.8%Si铸铁专题知识讲座第28页（2 2）奥氏体含）奥氏体含C C量可在较宽范围内改变量可在较宽范围内改变 石墨是石墨是C“C“仓库仓库”,”,既可在高温时既可在高温时”输出给奥输出给奥氏体氏体,也可在冷却时容纳奥氏体中析出也可在冷却时容纳奥氏体中析出C C（3 3）G G参加相变参加相变,但普通不能改变但普通不能改变G G形状与分布形状与分布 （4 4）普通热处理工艺方法基本上可采取普通热处理工艺方法基本上可采取铸铁专题知识讲座第29页3 3、球墨铸铁热处理、球墨铸铁热处理 （1）消除内应力退火）消除内应力退火 （2）高温石墨化退火）高温石墨化退火 消除游离渗碳体消除游离渗碳体 （3）低温石墨化退火）低温石墨化退火 消除共析渗碳体消除共析渗碳体 （4）正火处理和调质处理）正火处理和调质处理 取得珠光体组取得珠光体组织和提升珠光体分散度织和提升珠光体分散度 （5）等温淬火处理）等温淬火处理 得到得到B体或体或AB体基体体基体组织。提升综合机械性能组织。提升综合机械性能 （6）表面淬火）表面淬火 （7）化学热处理）化学热处理 氮化、渗硼和渗硫等氮化、渗硼和渗硫等 铸铁专题知识讲座第30页本章小结本章小结 铸铁中铸铁中G参加相变过程，但热处理不能改参加相变过程，但热处理不能改变石墨形态和分布。石墨形状、大小、数量、变石墨形态和分布。石墨形状、大小、数量、分布影响了铸铁基体性能发挥程度，分布影响了铸铁基体性能发挥程度，基本基本上决定了铸铁宏观力学性能。从片状石墨到球上决定了铸铁宏观力学性能。从片状石墨到球状石墨，使铸铁中石墨和基体组织配合发生状石墨，使铸铁中石墨和基体组织配合发生了质改变。了质改变。不一样类型不一样类型G形成主要取决于成份和冷却速度形成主要取决于成份和冷却速度铸铁专题知识讲座第31页 球墨铸铁基体性能可得到较大利用，球墨铸铁基体性能可得到较大利用，钢各种热处理强化工艺基本上都能够在球钢各种热处理强化工艺基本上都能够在球墨铸铁中应用。不一样类型铸铁有不一样用途，墨铸铁中应用。不一样类型铸铁有不一样用途，依据零部件工作条件和技术要求，可合理依据零部件工作条件和技术要求，可合理地选择铸铁类型及其处理工艺。经过成份组地选择铸铁类型及其处理工艺。经过成份组织和工艺特殊设计，可得到对应耐热、织和工艺特殊设计，可得到对应耐热、耐磨、耐蚀等特种铸铁。耐磨、耐蚀等特种铸铁。铸铁专题知识讲座第32页铸铁中心问题：铸铁中心问题：G形形 状状、大大 小小、数量、分布数量、分布 石墨化过程石墨化过程 决定决定G G形态形态 决定基体决定基体热力学热力学自由焓自由焓有有利利于于石石墨墨化化动力学动力学成成 份份、结结 构构、扩扩 散散 有有 利利 于于Fe3C析出析出 影响原因影响原因化学成份化学成份C、Si促促进进石石 墨墨 化化；Mn、S阻阻止止石墨化石墨化冷却速度冷却速度薄薄壁壁表表面面易易白白口口。壁壁厚厚敏敏感感性性，性性能差异能差异牌号及数字意义牌号及数字意义HT200QT400-17KTZ450-06铸铁性能铸铁性能强强度度、伸伸长长率率、冲冲击击韧韧度度比比钢钢低低；耐耐磨磨；切切削削性性好好；消消振振性性好好；缺缺口口敏敏感感性低；铸造性好性低；铸造性好。灰灰口口铸铸铁铁：片片G，性性能能特特点点与与用用途途。孕育处理孕育处理可可锻锻铸铸铁铁：团团絮絮状状G，由由白白口口铁铁经经石石墨墨化化得得到到，性性能能与与用途用途球球墨墨铸铸铁铁：球球状状G，球球化化处处理理。热热处处理理工工艺艺：与与灰灰铁铁不不一一样样，与与钢钢区区分分。不不一一样样工工艺艺得得到到不不一一样样基基体体组组织织。性性能与用途能与用途蠕铁蠕铁：蠕虫状蠕虫状G特特殊殊性性能能铸铸铁铁：耐耐蚀、耐磨、耐热蚀、耐磨、耐热铸铁专题知识讲座第33页