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第7章鑄鐵 一般情況下 鑄鐵的抗拉強(qiáng)度低 塑性和韌性差 但由于鑄鐵的生產(chǎn)成本低 所用設(shè)備和工藝簡單 而且有優(yōu)良的鑄造性能 良好的切削加工性 減震性 耐磨性等 因此廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)中 機(jī)床中鑄鐵件約占60 90 汽車約占50 70 碳在鑄鐵中常以兩種形式存在 一種是以化合狀態(tài)的滲碳體 Fe3C 它主要形成白口鑄鐵 這種鑄鐵用量少 另一種是游離狀態(tài)的石墨 常用G表示 由于石墨形態(tài)的不同而產(chǎn)生各種鑄鐵 它們的用量最多 7 1鑄鐵的石墨化和分類7 1 1鐵碳合金的雙重相圖 鑄鐵中碳原子的析出 并形成石墨的過程稱為石墨化過程 石墨的結(jié)構(gòu)和組織對鑄鐵的性能有很大影響 鑄鐵是具有共晶轉(zhuǎn)變的鐵碳合金 其含碳量在2 14 6 69 當(dāng)液態(tài)鑄鐵在冷卻時(shí) 隨著冷卻條件的不同 可以從液態(tài)中和A中直接結(jié)晶出Fe3C 又可直接結(jié)晶出石墨 冷卻速度較快 結(jié)晶出Fe3C 冷卻速度較慢結(jié)晶出石墨 7 1 1鐵碳合金的雙重相圖 對于Fe C合金的結(jié)晶來說 實(shí)際上存在著兩種相圖 即Fe Fe3C相圖 虛線表示 Fe G相圖 實(shí)線表示 隨化學(xué)成分和冷卻速度的不同 鐵碳合金液態(tài)結(jié)晶后各階段石墨化程度不同 一般可得到F G F P G P G 7 1 2鑄鐵石墨化的條件 鑄鐵石墨化的條件 一定成分的鑄鐵液 當(dāng)結(jié)晶過冷度比較小 冷速非常緩慢 從液態(tài)鑄鐵中可以直接結(jié)晶出石墨 實(shí)踐證明 鑄鐵的化學(xué)成分與結(jié)晶時(shí)的冷卻速度是影響石墨化的主要因素 7 1 2鑄鐵石墨化的條件 根據(jù)鐵碳合金雙重相圖和結(jié)晶條件不同 鑄鐵結(jié)晶石墨化分三個(gè)階段第一階段從液態(tài)中直接結(jié)晶出一次石墨和通過共晶反應(yīng)而形成的共晶石墨 也即從液態(tài)中生成石墨第二階段從鑄鐵的奧氏體A中析出二次石墨第三階段通過共析反應(yīng) 形成石墨 所形成的石墨量少 7 1 2鑄鐵石墨化的條件 Fe3C的含碳量為6 69 而石墨G則是100 因此從液態(tài)合金中結(jié)晶出Fe3C比G更容易 因?yàn)樗恍枰荚幼鞲蟮囊苿?dòng)和聚集 所以一般冷速下都是形成Fe3C 鐵液冷卻較慢 鑄鐵中含促進(jìn)石墨化元素較多 則鑄鐵中的碳將會(huì)以石墨的形式存在 7 1 3影響石墨化的因素 化學(xué)成分C和Si是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化元素冷卻速度冷速越慢 越有利于石墨化 而快冷 則阻止石墨化 7 1 4鑄鐵的分類 根據(jù)鑄鐵在結(jié)晶過程中的石墨化程度和碳在鑄鐵中存在不同的形式 分為以下幾類灰口鑄鐵在第一和第二階段石墨化過程中都得到充分石墨化的鑄鐵 其斷口呈灰色 故稱為灰口鑄鐵 具有良好的切削加工性能 無低溫萊氏體組織 白口鑄鐵第一 第二和第三階段的石墨化全部被抑制 鑄鐵組織中的碳以Fe3C形式存在 全部為低溫萊氏體組織 其斷口呈白亮色 故稱為白口鑄鐵 硬而脆 比較難切削加工 工業(yè)上很少用 麻口鑄鐵在第一階段的石墨化過程中沒有得到充分石墨化的鑄鐵 其織介于灰口與白口之間 斷口有黑白相間的麻點(diǎn) 含有不同數(shù)量的低溫萊氏體 也有很大的脆性 工業(yè)上很少用 有部分低溫萊氏體組織和部分石墨 7 1 4鑄鐵的分類 根據(jù)鑄鐵中石墨結(jié)晶形態(tài)不同 可將鑄鐵分以下幾種灰口鑄鐵 鋼組織基體 片狀石墨 球墨鑄鐵 鋼組織基體 球狀石墨 蠕墨鑄鐵 鋼組織基體 蠕蟲狀石墨 可鍛鑄鐵 鋼組織基體 團(tuán)絮狀石墨 鑄鐵分類表 7 1 4鑄鐵的分類 鑄鐵的基體有F 鐵素體 P 珠光體 和F P 鐵素體 珠光體 三種 7 1 4鑄鐵的分類 鑄鐵的石墨化程度與其組織之間的關(guān)系 共晶鑄鐵為例 7 1 4鑄鐵的分類 石墨石墨強(qiáng)度和塑性很低 硬度也很低 因此石墨的存在 對鑄鐵的抗拉強(qiáng)度造成危害 石墨形狀不同 對鑄鐵造成的危害也不同 一般情況下 從液態(tài)鑄鐵中結(jié)晶出來的石墨均呈片狀 層與層之間的結(jié)合力較弱 容易分離 生產(chǎn)上常在澆注前向鑄鐵水中加入孕育劑 Si鐵 Si Ca合金 表面活性元素 Mg等 和利用冷卻速度來調(diào)整和控制石墨的生核率和改變石墨的形態(tài) 7 2灰口鑄鐵 鑄鐵組織中的石墨形態(tài)呈片狀 稱為灰鑄鐵 廣稱為灰口鑄鐵 占鑄鐵總量的75 以上 這種鑄鐵性能不太高 但生產(chǎn)工藝簡單 成本低 價(jià)格低 故在工業(yè)上應(yīng)用廣泛 主要用于中等負(fù)荷的結(jié)構(gòu)件 復(fù)雜形狀的薄壁件及潤滑條件下的受磨件 7 2 1灰口鑄鐵的牌號(hào)和化學(xué)成分 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定灰口鑄鐵牌號(hào) HT 是 灰鐵 二字漢語拼音的第一個(gè)字母 后面的數(shù)字為最小抗拉強(qiáng)度 MPa 例如 HT100HT150HT250灰口鑄鐵按其中石墨片的粗細(xì)不同 可分為普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵普通灰口鑄鐵的基體主要有 F P F P三種 F灰口鑄鐵的強(qiáng)度及硬度低 很少應(yīng)用 多數(shù)用F P P組織 灰鑄鐵的顯微組織 7 2 1灰口鑄鐵的牌號(hào)和化學(xué)成分 由于有片狀石墨的存在 灰口鑄鐵脆性大 抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的3 4倍 有相當(dāng)數(shù)量的磷存在 一方面加大脆性 另一方面有利于耐磨 灰口鑄鐵的耐蝕性在很多環(huán)境下均優(yōu)于碳鋼 在城市建設(shè)中 灰口鑄鐵制造水管道系統(tǒng)壽命可達(dá)百年以上 7 2 2灰口鑄鐵的孕育處理 普通灰口鑄鐵主要缺點(diǎn)石墨片粗大 強(qiáng)度低 塑性差 在鑄件的薄截面處可能白口化 而在厚截面處可能出現(xiàn)粗大的石墨 使鑄件各部分機(jī)械性能不一致 為改善和提高灰口鑄鐵的性能 在澆注前向灰口鑄鐵鐵水中加入少量的孕育劑 Si鐵或Si Ca合金 進(jìn)行孕育處理 產(chǎn)生大量人工形核 以改變石墨片的大小 數(shù)量 形狀和分布善 獲得均勻的P類型基體分布著細(xì)小片狀石墨的灰口鑄鐵 這種鑄鐵稱為孕育鑄鐵或變質(zhì)鑄鐵孕育鑄鐵的塑性和韌性雖然有所提高 但由于石墨仍為片狀 所以其塑性和韌性仍然較低 7 2 2灰口鑄鐵的孕育處理 HT250以上的灰口鑄鐵均屬于孕育鑄鐵 HT300HT350 孕育鑄鐵適用于要求強(qiáng)度 耐磨性較高的鑄件 特別是薄厚不一的大型鑄件 例如機(jī)床床身 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體 7 2 3灰口鑄鐵的熱處理 熱處理不能改變石墨的形狀和分布 對提高灰口鑄鐵的機(jī)械性能作用不大 但它可以消除內(nèi)應(yīng)力和改善切削加工性能 消除內(nèi)應(yīng)力退火 又稱人工時(shí)效 鑄件各部位由于薄厚均勻 冷卻時(shí)容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力 容易開裂和變形 對于形狀復(fù)雜和要求較高的鑄件 如機(jī)床床身 柴油機(jī)缸體 需要消除內(nèi)應(yīng)力 一般選用加熱溫度500 550 保溫一定時(shí)間后冷卻150 200 再空冷 消除鑄件白口 改善切削加工性的退火灰口鑄鐵件表層和薄壁處 由于冷速快 容易形成白口組織 難以切削加工 需要退火 加熱到850 900 保溫使?jié)B碳體分解成石墨 又稱為高溫退火 冷卻250 400 再空冷 7 2 3灰口鑄鐵的熱處理 表面淬火灰口鑄鐵有時(shí)需要提高表面硬度和耐磨性 比如機(jī)床導(dǎo)軌 缸體內(nèi)壁等 常用高頻表面淬火 火焰表面淬火和電接觸表面淬火等 淬火后表面硬度可達(dá)50 55HRc 組織晶粒越細(xì) 淬火后表面硬度越高 7 2 4灰口鑄鐵的特性和用途 見教材表7 3 7 3球墨鑄鐵 鑄鐵組織中的石墨形態(tài)呈球狀 稱為球墨鑄鐵 是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的優(yōu)良鑄鐵 其特點(diǎn)是在鋼的基體上分布著球狀石墨 其綜合性能接近于鋼 又保持良好的鑄造性能 生產(chǎn)方便 在工業(yè)部門應(yīng)用廣泛 在一定條件下可代替碳鋼和合金鋼的鑄件 7 3 1球墨鑄鐵的牌號(hào)和化學(xué)成分 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定球墨鑄鐵牌號(hào) QT 是 球鐵 二字漢語拼音的第一個(gè)字母 后面的數(shù)字分別表示為最低抗拉強(qiáng)度 MPa 和最低延伸率 例如 QT400 18QT450 10QT900 2球墨鑄鐵的機(jī)械性能好 強(qiáng)度提高 同時(shí)其塑性和韌性也有較大的改善 接近與它相應(yīng)基體組織的鑄鋼 同時(shí) 保留灰口鑄鐵的一些優(yōu)點(diǎn) 如消振 耐磨 切削加工性和鑄造流動(dòng)性較好 7 3 2球化處理 球墨鑄鐵生產(chǎn)中 能使石墨結(jié)晶成球狀的物質(zhì)稱為球化劑 將球化劑加入鐵液的處理過程稱為球化處理 目前我國常用的球化劑有稀土鎂合金和純鎂球化處理時(shí)必須進(jìn)行孕育處理球化處理時(shí) 鐵液鎂及稀土元素的加入會(huì)強(qiáng)烈地阻止石墨化 易出現(xiàn)白口 為了消除這一傾向 必須立即進(jìn)行孕育處理 孕育劑多采用硅鐵 還加入少量的硅鈣或鋁 7 3 3球墨鑄鐵的熱處理 退火 降低硬度 提高塑性和韌性 高溫退火 退火前的組織物為F P Fe3C G 由于球墨鑄鐵的白口傾向大 在鑄態(tài)組織內(nèi)常有自由滲碳體 高溫退火把自由滲碳體進(jìn)行分解 獲得鐵素體和石墨 F G 加熱至900 950 保溫 隨爐冷至600 出爐空冷 獲得組織為鐵素體基體上分布著球狀石墨 F G 低溫退火 退火前的組織物為F P G 球墨鑄鐵一般都有鐵素體和珠光體 為了獲得較高的塑性和韌性 必須對珠光體中的滲碳體分解 加熱至720 760 隨爐冷至600 保溫 出爐空冷 獲得組織為鐵素體基體上分布著球狀石墨 F G 消除內(nèi)應(yīng)力退火加熱至500 600 保溫 緩冷后出爐空冷 對鑄體的力學(xué)性能影響不大 7 3 3球墨鑄鐵的熱處理 正火 增加珠光體數(shù)量并細(xì)化 提高強(qiáng)度和耐磨性 高溫正火 A化正火 加熱至880 920 保溫 出爐空冷 強(qiáng)度較高低溫正火 不完全A化正火 加熱至840 860 保溫 出爐空冷 強(qiáng)度比高溫正火略低 但塑性和韌性較高球墨鑄鐵正火后有較大內(nèi)應(yīng)力 故在正火后還要去應(yīng)力退火 7 3 3球墨鑄鐵的熱處理 調(diào)質(zhì)處理 對于受力比較復(fù)雜 要求綜合機(jī)械性較好的小尺寸球墨鑄鐵件 加熱至860 900 保溫后油冷 再在550 600 回火2 4小時(shí) 獲得S回 等溫淬火 要求機(jī)械性能較高 且外形又較復(fù)雜 熱處理易變形或開裂的零件 加熱至860 900 保溫 迅速移至250 300 的鹽浴中等溫 使之轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w 不再回火 其組織是在下貝氏體基體上分布著球狀石墨 強(qiáng)度 硬度和韌性均較好 7 3 4球墨鑄鐵的特征和性能 球墨鑄鐵的球狀石墨使其機(jī)械性能有了提高 其抗拉強(qiáng)度可與中碳鋼相媲美 彎曲疲勞強(qiáng)度也有改善 還有良好的塑性和韌性 通過合金化和熱處理還可使它的性能得到進(jìn)一步改善和提高 在生產(chǎn)上已用球墨鑄鐵代替中碳鋼及中碳合金鋼 如45鋼 42CrMo鋼等 僅球光體球墨鑄鐵就常用于制造曲軸 連桿 凸輪軸 機(jī)床主軸等 教材表7 5 球墨鑄鐵的特性和用途舉例 7 4蠕墨鑄鐵 鑄鐵組織中的石墨形態(tài)呈蠕蟲狀 稱為蠕墨鑄鐵 是20世紀(jì)60年代開始研究和應(yīng)用的一種新型鑄鐵 我國已有很多單位生產(chǎn)多種蠕墨鑄鐵 標(biāo)志著我國蠕墨鑄鐵的發(fā)展時(shí)入一個(gè)新階段 蠕墨鑄鐵強(qiáng)度和塑性介于灰口鑄鐵和球墨鑄鐵之間 鑄造性 耐熱疲勞性比球墨鑄鐵好 因此可用來制造大型復(fù)雜的鑄件 以及在較大溫度梯度下工作的鑄件 7 4 1蠕墨鑄鐵的牌號(hào)和化學(xué)成分 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定蠕墨鑄鐵牌號(hào) RuT 是 蠕鐵 二字漢語拼音的第一個(gè)字母 后面的數(shù)字分別表示為最低抗拉強(qiáng)度 MPa 例如 RuT420球墨鑄鐵的化學(xué)成分成球墨鑄鐵相近 7 4 2蠕墨化處理 在澆注灰口鑄鐵前向鐵水中加入一定量的蠕化劑 Mg Ca Ti和Re錸 和少量的孕育劑 Si鐵或Si Ca合金等 其作用是使石墨的長厚變小 其形狀介于片狀石墨和球狀石墨之間 即石墨變短而粗 且尖角變鈍 呈彎曲狀 外形似蠕蟲 故稱為蠕狀石墨 常用的孕育劑為Si鐵 其作用是避免白口化 促進(jìn)石墨生成 蠕墨鑄鐵中的石墨一般約為70 80 為蠕蟲石墨 其余為球狀石墨組成 7 4 3蠕墨鑄鐵的性能特點(diǎn)和應(yīng)用 蠕墨鑄鐵性能介于灰口鑄鐵和球墨鑄鐵之間 蠕墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度 延伸率 彎曲疲勞強(qiáng)度等均優(yōu)于灰口鑄鐵 而接近于鐵素體球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵斷面敏感性較普通灰口鑄鐵小得多蠕墨鑄鐵導(dǎo)熱性和抗熱疲勞性比球墨鑄鐵高 蠕墨鑄鐵減振性比球墨鑄鐵好 但不如灰口鑄鐵蠕墨鑄鐵加工性和鑄造性優(yōu)于球墨鑄鐵 接近于灰口鑄鐵 7 4 3蠕墨鑄鐵的性能特點(diǎn)和應(yīng)用 蠕墨鑄鐵常用于制造在熱循環(huán)載荷條件下工作的零件 如鋼錠模 玻璃汽缸 柴油機(jī)汽缸 排氣管 也用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高強(qiáng)度鑄件 如液壓閥的閥體和耐壓泵的泵體 7 5可鍛鑄鐵 鑄鐵組織中的石墨形態(tài)為團(tuán)絮狀或雪花狀 稱為可鍛鑄鐵 具有較高的強(qiáng)度 并有一定的塑性和韌性 其機(jī)械性能比普通灰口鑄鐵高 可鍛鑄鐵的塑性和韌性雖然比灰口鑄鐵高 名稱雖然為可鍛鑄鐵 但實(shí)際上并不可鍛造 可鍛鑄鐵生產(chǎn)工藝較復(fù)雜 成本高 不少的可鍛鑄鐵已被球墨鑄鐵所代替 7 5 1可鍛鑄鐵的牌號(hào)和化學(xué)成分 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可鍛墨鑄鐵牌號(hào) KT 是 可鐵 二字漢語拼音的第一個(gè)字母 可鍛鑄體分為三種 KTH 表示黑心可鍛鑄鐵 KTZ 表示珠光體可鍛鑄體 KTB 表示為白心可鍛鑄鐵 其中白心可鍛鑄鐵由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜 而且性能和黑心可鍛鑄鐵差不多 故很少應(yīng)用 KTH 和 KTZ 后面的數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和延伸率 KTH330 08HTZ700 02 7 5 2可鍛鑄鐵的石墨化 獲得可鍛鑄鐵必須經(jīng)過兩個(gè)步驟 首先是澆鑄成白口鑄鐵 不允許有石墨出現(xiàn) 否則在隨后的退火處理過程中 由Fe3C分解的石墨將沿著已有的石墨片析出并長大 得不到團(tuán)絮狀石墨 為保證通常冷卻條件下獲得完全的白口鑄鐵 必須使鑄鐵的成分有較低的碳和硅 其次 要進(jìn)行長時(shí)間的石墨化退火處理 以獲得可鍛鑄鐵 7 5 2可鍛鑄鐵的石墨化 可鍛鑄鐵石墨化退火工藝圖 首先把白口鑄鐵加熱到900 1000 并長時(shí)間保溫 使Fe3C分解為A和G 團(tuán)絮狀 然后慢冷過程中 從A中不斷析出二次G 并附在團(tuán)絮狀的石墨上 使石墨長大 當(dāng)冷卻至共析轉(zhuǎn)變溫度時(shí) A又分解為F和G 團(tuán)絮狀 得到的是F G 團(tuán)絮狀 稱為黑心可鍛鑄鐵 若冷至共析轉(zhuǎn)變溫度時(shí)冷卻速度較快時(shí) 則A轉(zhuǎn)變?yōu)镻和G 團(tuán)絮狀 得到P G 團(tuán)絮狀 稱珠光體可鍛鑄鐵 若將白口鑄鐵放在氧化性介質(zhì)中退火 得到白心可鍛鑄鐵 很少使用 7 5 3可鍛鑄鐵的特性和用途 可鍛鑄鐵的性能優(yōu)于灰口鑄鐵 接近于同類基體的球墨鑄鐵 經(jīng)過長時(shí)間退火處理 組織和性能均勻 且具有良好的切削性能 通常用于鑄造形狀復(fù)雜受動(dòng)載荷薄壁件 這種薄壁件若采用灰口鑄鐵不能滿足韌性要求 若采用鑄鋼 則鑄造性能不利 可鍛鑄鐵性能