CH04第三章鑄鋼與鑄鐵

1、結(jié)束放映下一頁上一頁 本章首頁 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首頁 第三章第三章 金屬材料金屬材料材料科學(xué)與工程（材料科學(xué)與工程（ MSE ）四要素）四要素合成與制備材料特性成分與組織結(jié)構(gòu)服役行為與壽命結(jié)束放映下一頁上一頁 本章首頁 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首頁第三章第三章 金屬材料金屬材料核心關(guān)系核心關(guān)系貫穿全課程的貫穿全課程的“綱綱”結(jié)束放映下一頁上一頁 本章首頁 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首頁第三章第三章 金屬材料金屬材料3.3 3.3 鑄鋼與鑄鐵鑄鋼與鑄鐵 對材料內(nèi)部結(jié)

2、構(gòu)的認(rèn)識水平：對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識水平：宏觀、微觀。廣義的講，它括了成分、相、組織、結(jié)構(gòu)等概念材料的結(jié)構(gòu)表明材料的組元及其排列和運(yùn)動(dòng)方式。3.3.1鑄鋼鑄鋼 鑄鋼主要用于制造形狀復(fù)雜，需要一定強(qiáng)度、塑性和韌性的零件，例如機(jī)車車輛、船舶、重型機(jī)械齒輪、軸、軋輥、機(jī)座、缸體、外殼、閥體等。1.碳素鑄鋼的化學(xué)成分及機(jī)械性能1.碳素鑄鋼的化學(xué)成分及機(jī)械性能n碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響鑄鋼件性能的主要元素；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響鑄鋼件性能的主要元素； 隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均增加，但抗拉強(qiáng)度比屈服強(qiáng)度增加得更快，超過 45時(shí)，屈服強(qiáng)度很少增加，而塑性、韌性卻顯著下降。從鑄造性能來看，適當(dāng)提高碳含量，可降

3、低鋼的熔化溫度，增加鋼水的流動(dòng)性，鋼中氣體和夾雜也能減少。 在生產(chǎn)中使用最多的是ZG25、ZG35、ZG45三種。n鋼中的疏、磷應(yīng)很好地控制；鋼中的疏、磷應(yīng)很好地控制；硫硫會提高鋼的熱裂傾向，而磷磷則使鋼的脆性增加。1.碳素鑄鋼的化學(xué)成分及機(jī)械性能n碳素鑄鋼與鑄鐵相比，強(qiáng)度和塑性、韌性較高，碳素鑄鋼與鑄鐵相比，強(qiáng)度和塑性、韌性較高，但流動(dòng)性差，收縮率較大。但流動(dòng)性差，收縮率較大。 為了改善流動(dòng)性，鑄鋼在撓注時(shí)應(yīng)采取較高的澆注溫度； 為了補(bǔ)償收縮必須采用大的冒口。3.3.23.3.2鑄鐵鑄鐵n含碳量大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵，工業(yè)上常用的鑄鐵成分范圍是：2.54.0%C，1.03.0%Si

4、，0.51.4Mn，0.010.50%P，0.020.20%S，有時(shí)還含有一些合金元素，如：Cr、Mo、V、Cu、Al等；n鑄鐵的機(jī)械性（抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性）較低，但是由于其生產(chǎn)成本低廉，具有優(yōu)良的鑄造性、可切削加工性、減震性及耐磨性，因此在現(xiàn)代工業(yè)中仍得到了普遍的應(yīng)用，典型的應(yīng)用是制造機(jī)床的床身、內(nèi)燃機(jī)的汽缸、汽缸套、曲軸等。n鑄鐵的組織可以理解為在鋼的組織基體上分布有不同形狀、大小、數(shù)量的石墨。3.3.23.3.2鑄鐵鑄鐵n一、鑄鐵的石墨化過程 n二、影響鑄鐵石墨化的因素 n三、灰鑄鐵的組織分類及性能特點(diǎn) n四、各類灰口鑄鐵的牌號及用途 n五、鑄鐵的熱處理及合金鑄鐵 一、鑄鐵的石墨化過程

5、n石墨的晶體結(jié)構(gòu)n鑄鐵的石墨化過程n根據(jù)石墨化程度不同鑄鐵的分類 石墨的晶體結(jié)構(gòu) 石墨為穩(wěn)定相，具有特殊的簡單六方晶格，其底面原子呈六方網(wǎng)格排列，原子間距?。?.4210-10m），結(jié)合力很強(qiáng)；而底面之間的間距較大（3.0410-10m），結(jié)合力較弱。所以石墨的強(qiáng)度、硬度和塑性都很差。 下頁下頁 Fe-G相圖 n對鐵碳合金的結(jié)晶過程來說，實(shí)際上存在兩種相圖，即Fe3C-Fe和Fe-G相圖，鐵碳合金結(jié)晶條件不同可以全部或部分地按照其中的一種或另一種相圖進(jìn)行結(jié)晶 1.06002004001400溫 度1000800120016000.77+Fe3C（實(shí)線）+Fe3C（虛線）5.04.03.02.0

6、C6.696.0Fe3C+Fe3C（實(shí)線）+Fe3C（虛線）4.062.112.0830.68114811544.3L返回返回 鑄鐵的石墨化過程n鑄鐵組織中石墨的形成叫“石墨化”過程。 n第一階段n共晶石墨 n第二階段n二次石墨 n第三階段n共析石墨 返回返回 根據(jù)石墨化程度不同鑄鐵的分類 根據(jù)鑄鐵在結(jié)晶過程中的石墨化程度不同，鑄鐵可分為如下三類：1 1灰口鑄鐵灰口鑄鐵 第一和第二階段石墨化過程進(jìn)行充分，其斷口為暗灰色，工業(yè)上所用的鑄鐵幾乎全部屬于這一類。 根據(jù)第三階段進(jìn)行情況的不同有鐵素體，鐵素體+珠光體及珠光體灰口鑄鐵。返回返回 2 2白口鑄鐵白口鑄鐵 沒有石墨化，完全按Fe-Fe3C相圖

7、進(jìn)行結(jié)晶而得到的鑄鐵（F+Fe3C） Fe3C+Ld、Ld、P+ Fe3C+ Ld。3 3麻口鑄鐵麻口鑄鐵 第一階段石墨化未充分進(jìn)行，其組織Ld+P+G，含有Ld工業(yè)上應(yīng)用較少（脆、硬） 二、影響石墨化的主要因素 n化學(xué)成分n冷卻速度 化學(xué)成分的影響nC促進(jìn)石墨化進(jìn)行，含碳量愈高愈易石墨化，但不能太高，使石墨數(shù)量增多，粗化、性能變差，太低易出白口，故2.54.0%C。n合金元素：促進(jìn)石墨化，Si、P等，鑄鐵中每增加1%的Si共晶點(diǎn)的含碳量相應(yīng)降低1/3，保證2.54.0%C的鑄鐵具有好的鑄造性能?；瘜W(xué)成分的影響nP含量大于0.3%后出現(xiàn)Fe3P，硬而脆，細(xì)小均勻分布時(shí)，提高鑄鐵的耐磨性，反之連

8、成網(wǎng)，降低鑄鐵的強(qiáng)度，除耐磨鑄鐵外，（0.51.0%P）通常鑄鐵P含量0.3%。n阻礙石墨化Mn、S等。化學(xué)成分的影響nS不僅阻礙石墨化，還會降低鑄鐵的強(qiáng)度和流動(dòng)性，故其含量應(yīng)盡量低，一般在0.15%以下，而錳因?yàn)榭膳c硫形成MnS，減弱硫的有害作用，同時(shí)可促進(jìn)珠光體基體的形成，從而提高鑄鐵的強(qiáng)度，故可充許其含量在0.51.4% 返回返回 冷卻速度的影響n冷卻速度愈慢，即過冷度愈小，愈有利于按照Fe-G相圖進(jìn)行結(jié)晶，對石墨化愈有利，反之冷卻速度愈快，過冷度增大，不利于鐵和碳原子的長距離擴(kuò)散，愈有利于按Fe-Fe3C相圖進(jìn)行結(jié)晶，不利于石墨化的進(jìn)行。n生產(chǎn)中鑄鐵冷卻速度可由鑄件的壁厚來調(diào)態(tài)，綜合了

9、鑄鐵化學(xué)成分和冷卻速度對鑄鐵組織的影響，可見，碳硅含量增加，壁厚增加易得到灰口組織，石墨化愈完全；反之，碳硅含量減少，壁厚愈小，愈易得到白口組織，石墨化過程越不易進(jìn)行。返回返回 三、灰口鑄鐵的組織分類及性能特點(diǎn)n灰口鑄鐵的基體組織n按照石墨的形狀不同，灰鑄鐵的分類n灰口鑄鐵的性能特點(diǎn) n提高灰口鑄鐵的機(jī)械性能的途徑灰口鑄鐵的基體組織1 、灰口鑄鐵的基體組織，F(xiàn)、F+P、P?；诣T鐵組織可簡單看成“鋼基體”和“石墨夾雜”共同構(gòu)成。石墨可以有不同的形態(tài)：自然情況下從液態(tài)析出的石墨均呈片狀，因?yàn)槭柿浇Y(jié)構(gòu)，底面上原子排列密度大，原子間鍵力已達(dá)到飽和，而側(cè)面上的原子鍵未達(dá)到飽和，易于吸收碳原子，故沿

10、側(cè)面長大速度快，其結(jié)果使其呈片狀。2、當(dāng)在澆注前向鐵水中加入球化劑或蠕化劑時(shí)，石墨可呈球狀或蠕蟲狀。 3、此外由Fe3C在適當(dāng)高溫下（9001000）下分解產(chǎn)生的石墨還可呈團(tuán)絮狀。返回返回 灰鑄鐵的分類 n按照石墨的形狀不同，可將灰鑄鐵分為四類：n即灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和可鍛鑄鐵。n灰鑄鐵：基體組織（F、F+P、P）+片狀Gn球墨鑄鐵：基體組織（F、F+P、P）+球狀Gn蠕墨鑄鐵：基體組織（F、F+P、P）+蠕狀Gn可鍛鑄鐵：基體組織（F、F+P、P）+團(tuán)絮狀G返回返回 灰鑄鐵的性能特點(diǎn) 1）優(yōu)良的鑄造性能2）良好的切削加性3）優(yōu)良的耐磨性與減震性4）較低的機(jī)械性5）缺口敏感性較低1）優(yōu)

11、良的鑄造性能n含碳量高，（2.54.0%C），成分接近共晶點(diǎn)，熔點(diǎn)比鋼低得多，流動(dòng)性好，分散縮孔少，偏析程度小。且在凝固過程中會析出比容較大的石墨，所以收縮率也小，凡無法用鍛造成型的形狀復(fù)雜的零件，汽缸體，變速箱外殼等均可用灰口鑄鐵鑄造而成。 返回返回 2）良好的切削加性n石墨使切削容易脆斷，同時(shí)石墨本身潤滑作用減輕刀具的磨損。返回返回 3）優(yōu)良的耐磨性與減震性n石墨有利于滑潤和貯油，磷含量的增加還可形成硬而脆的磷共晶等使鑄鐵有好的耐磨性。鑄鐵中的石墨能將震動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而消震?返回返回 4）較低的機(jī)械性n灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度都比鋼低得多，因?yàn)槭膹?qiáng)度、塑性幾乎為零

12、，石墨的存在減小了基體的有效面積，且石墨本身可以看成是一個(gè)個(gè)孔洞和裂紋，破壞了基體的連續(xù)性，所以可把灰口鑄鐵看成是布滿孔洞和裂紋的鋼。n鑄鐵的硬度和抗壓強(qiáng)度主要取決于基體組織，而與石墨無關(guān)，抗壓強(qiáng)度大大超過抗拉強(qiáng)度（2.54倍），在壓力負(fù)荷下石墨不起裂紋作用。 返回返回 5）缺口敏感性較低n由于石墨可以看成是孔洞和裂紋，故灰口鑄鐵對零件表面缺陷和缺口不敏感，即缺口敏感度小。 返回返回 提高灰口鑄鐵的機(jī)械性能的途徑n若提高灰口鑄鐵的機(jī)械性能必須從兩方面著手：一是在鑄造時(shí)通過孕育處理（或變質(zhì)處理）、球化處理、蠕化處理等方法，改變石墨的形態(tài)、大小、數(shù)量及分布狀況；二是通過合金化的熱處理改變基體組織。

13、 返回返回 四、各類灰口鑄鐵的牌號及用途 n1 .灰鑄鐵 n2 .可鍛鑄鐵 n3 .球墨鑄鐵n4 .蠕墨鑄鐵1灰鑄鐵n灰鑄鐵由鐵水直接澆注而得，組織（F、F+P、P+G片），可見，生產(chǎn)過程最簡單，且成本低故應(yīng)用廣泛，典型的應(yīng)用如汽缸和汽缸套，機(jī)床床身、卡盤等。n由于石墨呈片狀，對基體的割裂作用最大，其強(qiáng)度、塑性、韌性遠(yuǎn)比基體鋼低，而且粗大的石墨的割裂作用更大，通常對灰鑄鐵采取變質(zhì)處理（孕衣處理）：在澆注前加少量的孕育劑（硅鐵或硅碼合金），使鐵水中形成大量的人工石墨晶粒，細(xì)化石墨片，減小對基體的割裂作用，使其強(qiáng)度可有所提高。下頁下頁 1灰鑄鐵n其牌號用HT+抗拉強(qiáng)度（最?。?漢語拼音“灰鐵”n如

14、HT100表示最小抗拉強(qiáng)度為100Mpa的灰鑄鐵灰鑄鐵的組織示意圖返回返回 (a)F+G片(b)F+P+G片(c)P+G片2可鍛鑄鐵n它是將鐵水先澆注成白口鑄鐵件，然后經(jīng)石墨化退火而得到石墨呈團(tuán)絮狀形態(tài)的一種鑄鐵，其強(qiáng)度較灰鑄鐵高，塑性比灰鑄鐵好，且有一定的塑性變形能力，因此又被稱為展性鑄鐵韌性鑄鐵，其可鍛鑄鐵也是由此而得名，實(shí)際上也是不能經(jīng)過鍛造加工的，只是因?yàn)槠漭^灰鑄鐵有一定的韌性，才稱為可鍛鑄鐵?？慑戣T鐵的組織示意圖下頁下頁 可鍛鑄鐵的性能特點(diǎn)n較高的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。 n比灰口鑄鐵性能優(yōu)越；與球墨鑄鐵相比，可鍛鑄鐵質(zhì)量穩(wěn)定、薄壁件不易生成白口。 n鐵素體可鍛鑄鐵常

15、作汽車、拖拉機(jī)的前后輪殼、減速器、中低壓閥門、管接頭及農(nóng)具等。n珠光體可鍛鑄鐵常用作曲軸、 連桿、齒輪等下頁下頁 可鍛鑄鐵的退火工藝 當(dāng)白口鑄鐵加熱到高溫（9001000），并長時(shí)間的1530h保溫，滲碳體分解為A+團(tuán)絮狀石墨，緩慢冷卻時(shí)A中不斷析出二次石墨，使團(tuán)絮狀石墨不斷長大，直到冷卻到共析轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，A分解為F+G，得到鐵素體基體的可鍛鑄鐵，組織F+G團(tuán)絮，固其斷口心部存在大量的石墨而呈灰黑色，表層因退火脫碳呈白色，故稱黑心可鍛鑄鐵， 若通過共析轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí)的冷卻速度較快，則AP，而得到珠光體基體的可鍛鑄鐵，顯微組織，P+G團(tuán)絮狀，稱珠光體可鍛鑄鐵。此外，如果將白口鑄鐵件在氧化性介質(zhì)中退火，

16、使表面層完全脫碳得到F組織，心部仍為珠光體組織加上團(tuán)絮狀石墨，其斷口心部呈白亮色，表面呈暗灰色稱白心可鍛鑄鐵，白心可鍛鑄鐵工藝復(fù)雜，性能與黑心差不多，故應(yīng)用較少。n所有的可鍛鑄鐵生產(chǎn)周期長，工藝復(fù)雜，成本高。返回返回 3.球墨鑄鐵n球墨鑄鐵是在澆注前往鐵水中加入一定量的球化劑（Mg、Ce及其它稀土）進(jìn)行球化處理，并加入少量的孕育劑（硅鐵或硅鈣合金）以促進(jìn)石墨化，澆注后得到球狀石墨的鑄鐵。n組織（F、F+P、P）+G球狀。返回返回 n由于石墨呈球狀，對基體的割裂作用最小，應(yīng)力集中小，其基體的強(qiáng)度能夠得到充分的發(fā)揮，因此球墨鑄鐵既具有灰鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)如良好的鑄造性、耐磨性、可切削加工性及低的缺口敏感性

17、，又有可與鋼化的機(jī)械性能，即有較高的抗拉強(qiáng)度及良好的塑性與韌性，還可通過合金化和熱處理來進(jìn)一步提高它的性能，在所有的鑄鐵中機(jī)械性能最好，但其韌性仍比鋼差，可部分替代鋼，某些合金鋼和可鍛鑄鐵，用于制造載荷較大，受力復(fù)雜的重要零件，如：汽車、拖拉機(jī)、或柴油機(jī)乃至火車的曲軸凸輪軸、機(jī)床中的主軸，軋鋼機(jī)的軋輥等。4.蠕墨鑄鐵n蠕墨鑄鐵是一種新型高強(qiáng)鑄鐵材料。強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，并有一定的韌性、較高的耐磨性、良好鑄造性和導(dǎo)熱性。用于高壓熱交換器、內(nèi)燃機(jī)、液壓閥等鑄件。下頁下頁 蠕墨鑄鐵的組織示意圖返回返回 四、各類灰口鑄鐵的牌號及用途n灰鑄鐵的牌號及用途n球墨鑄鐵的牌號及用途n可鍛鑄鐵的牌號及用途灰鑄鐵

18、的牌號及用途nHT表示“灰鐵”的字首,后面三位數(shù)字表示最小抗拉強(qiáng)度值 ，如HT150n典型的應(yīng)用如汽缸和汽缸套，機(jī)床床身、卡盤等 球墨鑄鐵的牌號及用途nQT表示“球鐵”二字漢語音的字首,第一組數(shù)字代表最低抗拉強(qiáng)度值,第二組數(shù)字代表最低伸長率，QT400-17n用于制造載荷較大，受力復(fù)雜的重要零件，如：汽車、拖拉機(jī)、或煤油機(jī)乃至火車的曲軸凸輪軸、機(jī)床中的主軸，軋鋼機(jī)的軋輥等?？慑戣T鐵的牌號及用途n其牌號“KT”“可鍛鑄鐵”、“KTH”黑心可鍛鑄鐵。n“KTB”白心可鍛鑄鐵，“KTZ”珠光體可鍛鑄鐵。n它們后面的數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度（Mpa）和最低延伸率。n如：KTH350-10表示最小抗拉強(qiáng)度為350Mpa，最低延伸率為10的黑心可鍛鑄鐵。nKTB380-12 bmin=380 Mpa min=12白心可鍛鑄鐵?？慑戣T鐵的牌號及用途nKTZ450-06 bmin=450 Mpa min=6的珠光體可鍛鑄鐵。通常用在形狀復(fù)雜，要求承受沖擊裁荷的薄壁零件，如：汽車拖拉機(jī)的前后輪殼，減速器殼等 五、鑄鐵的熱處理及合金鑄鐵n灰鑄鐵的熱處理n合金鑄鐵灰鑄鐵的熱處理 n灰口鑄鐵熱處理的目的： (1)消除鑄件中的內(nèi)應(yīng)