《金屬材料與熱處理》課件7.項目七

1、金屬材料與熱處理項目七 鑄鐵項目導入鑄鐵和鋼都是鐵碳合金，在現代工業(yè)中都有廣泛的應用，但由于它們的成分、組織和性能各不相同，因而使用的場合也不一樣。 鑄鐵是碳的質量分數大于2.11%的鐵碳合金。并且還含有硅、錳、硫、磷等元素。鑄鐵與鋼相比，雖然力學性能較低，但是它具有優(yōu)良的鑄造性和切削加工性能，生產成本低，且具有耐磨、耐壓和減振等性能，所以，在機械制造領域應用十分廣泛。鑄鐵在汽車、拖拉機中的 應用約占30%50%，在機床中約占60%90%。如機床床身、工作臺和底座等形狀復雜、受摩擦力以及壓力作用的零件，基本都是由鑄鐵制成的。01目錄CONTENT鑄鐵的分類和形成過程 灰鑄鐵球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵0

2、20403可鍛鑄鐵CONTENT任務一鑄鐵的分類和形成過程 高爐煉出的生鐵有兩種，即煉鋼生鐵和鑄造生鐵，前者主要用作煉鋼原料，后者主要用作鑄造各種鑄件的原料。但一般情況下，澆注鑄鐵件所用的鐵液并不直接由高爐生產，而是將高爐生鐵重新熔煉，使其有一定的成分和溫度，澆注后以滿足鑄件規(guī)定的性能要求。學習目標會根據鑄鐵定義分辨鑄鐵。 知道鑄鐵的主要成分。任務描述鑄鐵的分類。鑄鐵的形成過程。 一、鑄鐵分類 在鑄鐵中，碳可以以滲碳體的形式存在，也可以以石墨的形式存在。 1.根據碳在鑄鐵中的存在形式分類 （1）白口鑄鐵 碳主要以滲碳體形式存在，其斷口呈銀白色。所以稱為白口鑄鐵。這類鑄鐵的性能既硬又脆，很難進行

3、切削加工，很少直接用來制造機器零件。 （2）灰鑄鐵 碳大部分或全部以片狀石墨形式存在，其斷口呈暗灰色。所以稱為灰鑄鐵。具有一定的力學性能和很好的鑄造性，是工業(yè)生產中應用最廣的一種鑄鐵。 （3）麻口鑄鐵 碳大部分以滲碳體形式存在，少部分以石墨形式存在，斷口呈灰白相間的麻點，故稱麻口鑄鐵。它是灰鑄鐵和白口鑄鐵的過渡組織，有較大的脆性，沒有應用價值。 一、鑄鐵分類 2.根據鑄鐵中石墨形態(tài)分類 （1）灰鑄鐵 石墨以片狀形態(tài)存在于鑄鐵中，這類鑄鐵有一定的強度，耐磨、耐壓、減震性能均佳。并且灰鑄鐵的價格便宜，容易生產，所以在工業(yè)生產中得到了廣泛應用。 （2）可鍛鑄鐵 石墨以團絮狀存在于鑄鐵中，它是用白口鑄

4、鐵件經長期退火后得到的。這類鑄鐵強度較高，韌性好。 （3）球墨鑄鐵 石墨大部分或全部以球狀存在于鑄鐵中，這類鑄鐵強度高，韌性好。 （4）蠕墨鑄鐵 石墨大部分以蠕蟲狀存在于鑄鐵中，這類鑄鐵抗拉強度、耐熱沖擊性能、耐壓性能比灰鑄鐵有明顯改善。二、鑄鐵的石墨化及影響因素 在鑄鐵中，石墨可以以片狀、球狀、蠕蟲狀或團絮狀形態(tài)存在，石墨既可以從液體或奧氏體中直接析出，也可以先結晶出滲碳體，再由滲碳體在一定條件下分解為鐵素體和石墨。鑄鐵中的碳以石墨形態(tài)析出的過程稱為石墨化。如灰口鑄鐵和球墨鑄鐵中的石墨主要從液體中析出;可鍛鑄鐵中的石墨則完全由白口鑄鐵經長時間高溫退火，由滲碳體的分解來得到。 二、鑄鐵的石墨化

5、及影響因素 石墨形成過程（石墨化）分為三個階段。 第一階段石墨化:鑄鐵液體通過共晶反應形成共晶石墨。反應方程式為: LeAF+G（共晶） 第二階段石墨化:在1154738 溫度范圍內冷卻過程中，自奧氏體中不斷析出二次石墨。 第三階段石墨化:當溫度降到738 通過共析反應析出石墨，其反應式為: AsAp+G（共析）二、鑄鐵的石墨化及影響因素 鑄鐵石墨化過程受到許多因素的影響，其中最主要的因素是鑄鐵的化學成分和冷卻速度。 1.化學成分的影響 按對石墨化過程的作用不同，化學元素可分為兩大類:第一類是促進石墨化的元素，如碳、硅、鋁、銅等，其中碳、硅是強烈促進石墨化的元素，碳、硅含量越高，越有利于石墨化

6、的進程。第二類是阻礙石墨化的元素，如鑄鐵中的硫、錳、鉻、鎢、鉬、釩等。它們都阻礙滲碳體分解，阻礙石墨化。 二、鑄鐵的石墨化及影響因素 2.冷卻速度的影響 冷卻速度對石墨化的影響也很大，當鑄鐵結晶時，緩慢冷卻有利于擴散以及石墨化過程得到充分進行，結晶出的石墨又多又大，而冷卻速度快，則阻礙石墨化，促使白口化。因此，在實際生產中，可使鑄鐵件緩慢冷卻;或者在高溫下，將鑄件長時間保溫，進行石墨化退火: Fe3C3Fe+G，以促進石墨化。任務二灰鑄鐵灰鑄鐵是一種價格便宜的結構材料，我們在工廠中見到的機床底座、床身和支柱等都是由灰鑄鐵制成的。它是工業(yè)生產應用最廣泛的一種鑄鐵材料，約占鑄鐵總量的80%以上。學

7、習目標理解灰口鑄鐵的牌號含義。 會合理選擇和使用灰口鑄鐵。任務描述灰口鑄鐵的組織和性能。 灰口鑄鐵的牌號和應用。一、灰鑄鐵的化學成分 灰鑄鐵的化學成分一般為:碳的質量分數為2.7%3.6%、硅的質量分數為1.0% 2.2%、錳的質量分數為0.5%1.3%、磷的質量分數小于0.3%、硫的質量分數小于0.15%。其中碳、硅、錳是調節(jié)組織的元素，磷元素是被控制使用的，硫元素是被限制的。 二、灰鑄鐵的組織 灰鑄鐵的組織根據石墨化程度可以分為下列三種基本的灰鑄鐵: 1.鐵素體基體 灰鑄鐵在鐵素體的基體上分布著多而粗大的石墨片，其強度、硬度差，很少應用。 2.鐵素體+珠光體基體 灰鑄鐵在珠光體和鐵素體混合

8、的基體上，分布著較為粗大的石墨片，此種鑄鐵的強度、硬度盡管比前者低，但仍可滿足一般機體要求，其鑄造性、減震性均佳，且便于熔煉，是應用最廣的灰鑄鐵。 3.珠光體基體 灰鑄鐵在珠光體的基體上分布著均勻、細小的石墨片，其強度、硬度相對較高，常用于制造床身、機體等重要件。 二、灰鑄鐵的組織 灰鑄鐵顯微組織的不同，實質上是碳在鑄鐵中存在形式的不同?；诣T鐵中的碳有化合碳（Fe3C）和石墨碳所組成?；咸紴?.8%時，屬珠光體灰鑄鐵;化合碳小于0.8%時，屬珠光體鐵素體灰鑄鐵;全部碳都以石墨狀態(tài)存在時，則為鐵素體灰鑄鐵。其顯微組織。三、灰鑄鐵的力學性能 灰鑄鐵的力學性能主要取決于基體的性能及石墨的數量、形狀

9、、大小和分布狀況?；诣T鐵中的片狀石墨對基體的割裂嚴重，在石墨尖角處易造成應力集中，使灰鑄鐵的抗拉強度、塑性和韌性遠低于鋼，但抗壓強度與鋼相當。同時，基體組織對灰鑄鐵的力學性能也有一定的影響，鐵素體基體灰鑄鐵的石墨片粗大，強度和硬度最低，故應用較少;珠光體基體灰鑄鐵的石墨片細小，有較高的強度和硬度，主要用來制造較重要鑄件;鐵素體一珠光體基體灰鑄鐵的石墨片較珠光體灰鑄鐵稍粗大，性能不如珠光體灰鑄鐵。故工業(yè)上使用較多的是珠光體基體的灰鑄鐵。四、灰鑄鐵的孕育處理 為了提高灰鑄鐵的力學性能，生產中常采用孕育處理的方法來改善石墨的大小及分布，即在澆鑄前向鐵液中加入少量的孕育劑，其目的是形成非自發(fā)晶核、細化

10、石墨、細化組織、提高強度，避免鑄件邊緣及薄斷面出現白口組織，提高組織的均勻性。經過孕育處理后的灰鑄鐵叫做孕育鑄鐵。 孕育劑的種類很多，但以含硅量wSi=75%的硅鐵最為常用，其原因是除價格便宜外，主要是它在孕育后的短時間內（56 min）有良好的孕育效果。進行孕育處理時，一般加入量為鐵液重量的0.4%左右。 六、灰鑄鐵的熱處理 由于熱處理僅能改變灰鑄鐵的基本組織，改變不了石墨形態(tài)，因此，用熱處理來提高灰鑄鐵的力學性能的效果不大?；诣T鐵的熱處理常用于消除鑄件的內應力和穩(wěn)定尺寸，消除鑄件的白口組織、改善切削加工性，提高鑄件表面的硬度及耐磨性。 1.時效處理 形狀復雜、厚薄不均的鑄件在冷卻過程中，由

11、于各部位冷卻速度不同，形成內應力，既削弱了鑄件的強度，又使得在隨后的切削加工中，因應力的重新分布而引起變形，甚至開裂。因此，鑄件在成形后都需要進行時效處理，尤其對一些大型、復雜或加工精度較高的鑄件（如機床床身、柴油機汽缸等），在鑄造后、切削加工前，甚至在粗加工后都要進行一次時效退火。六、灰鑄鐵的熱處理 2.石墨化退火 灰鑄鐵件的表層及一些薄壁處，在冷卻時，有時會出現白口組織，在后續(xù)成分控制不當、孕育處理不足時會使鑄件的硬度、脆性增加，同時鑄件的切削性能降低，使鑄件的切削加工難以進行，石墨化退火是消除白口很好的措施，來降低鑄件的脆性和硬度，改善加工性能，提高鑄鐵的塑性和韌性。若鑄件中不存在共晶滲

12、碳體或其數量不多時，可進行低溫石墨化退 火;當鑄件中共晶滲碳體數量較多時，須進行高溫石墨化退火。 六、灰鑄鐵的熱處理 （1）低溫石墨化退火 鑄鐵低溫退火時會出現共析滲碳體的分解。低溫石墨化退火一般是將鑄件以70100 /h的速度加熱至720760 ，保溫25 h（取決于鑄件壁厚），然后爐冷至400500 后空冷。 （2）高溫石墨化退火 高溫石墨化退火工藝是將鑄件加熱至900950 ，使鑄鐵中的自由滲碳體分解為奧氏體和石墨，保溫一段時間后根據所要求的基體組織按不同的方式進行冷卻。六、灰鑄鐵的熱處理 3.表面熱處理 有些鑄件，如機床導軌、缸體內壁等，表面需要高的硬度和耐磨性，可進行表面淬火處理，如

13、高頻表面淬火，火焰表面淬火和激光加熱表面淬火等。淬火前鑄件需進行正火處理，以保證獲得大于65%以上的珠光體組織，淬火后表面硬度可達5055 HRC。任務三可鍛鑄鐵汽車、拖拉機的后橋外殼、管接頭、曲軸、連桿等零件都是由可鍛鑄鐵制成的?？慑戣T鐵具有較高的強度和韌性，且制成零件質量穩(wěn)定，易于組織流水線生產等優(yōu)點，在工業(yè)制造中起著重要的作用。學習目標理解可鍛鑄鐵的牌號含義。 會使用可鍛鑄鐵。任務描述可鍛鑄鐵的組織和性能。 可鍛鑄鐵的牌號和應用。一、可鍛鑄鐵的化學成分和組織 可鍛鑄鐵又稱為瑪鋼、馬鐵。可鍛鑄鐵是由一定化學成分的鐵液澆注成白口坯件，再經退火而成的鑄鐵?？慑戣T鐵中石墨為團絮狀，對基體的割裂和

14、引起應力集中作用比灰鑄鐵小，因此，它與灰口鑄鐵相比，可鍛鑄鐵有較好的強度和塑性，特別是低溫沖擊性能較好，耐磨性和減振性優(yōu)于普通碳素鋼;鑄造性能較灰鑄鐵差;切削性能則優(yōu)于鋼和球磨鑄鐵而與灰鑄鐵接近。必須指出的是，可鍛鑄鐵是不可以鍛造的。一、可鍛鑄鐵的化學成分和組織 可鍛鑄鐵的生產必須經過兩個步驟:先澆注成白口鑄鐵件，然后經高溫長時間的可鍛化退火，使?jié)B碳體分解為團絮狀石墨，而獲得可鍛鑄鐵件。 為了保證在一般冷卻條件下鑄件能夠獲得全部的白口組織，須使可鍛鑄鐵的碳和硅含量較低，化學成分一般為: wC=2.2%2.8%，wSi=1.0%1.8%，wMn=0.3%0.8%，wS 0.2%，wP0.1%。一

15、、可鍛鑄鐵的化學成分和組織 2.可鍛鑄鐵的組織和性能 可鍛鑄件由于退火方法的不同，可得到不同的組織。將白口鑄鐵在中性氣氛中退火，使?jié)B碳體完全分解成鐵素體和團絮狀石墨，得到組織為鐵素體和團絮狀石墨的可鍛鑄鐵。這種鑄鐵斷口呈黑絨狀并帶有灰色外圈，稱黑心可鍛鑄鐵。黑心可鍛鑄鐵具有一定的強度和一定的塑性和韌性。若在退火過程中只將部分滲碳體石墨化，則 得到組織為珠光體基體與團絮狀石墨的可鍛鑄鐵，稱為珠光體可鍛鑄鐵。其退火工藝。珠光體可鍛鑄鐵具有較高的強度、硬度和耐磨性，但塑性與韌性較低。任務四球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵球墨鑄鐵是一種高強度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼。蠕墨鑄鐵是近代發(fā)展起來的一種新型材料，它廣泛

16、應用于農業(yè)生產和工業(yè)生產中各種機械零件的生產中，在國民生產中起著重要的作用。學習目標認識球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。任務描述了解球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵牌號含義和用途。一、球墨鑄鐵球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，有效地提高了鑄鐵的機械性能，特別是提高了塑性和韌性，從而得到比碳鋼還高的強度。球墨鑄鐵是20世紀五十年代發(fā)展起來的一種高強度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼。正是基于其優(yōu)異的性能，已成功地用于鑄造一些受力復雜，強度、韌性、耐磨性要求較高的零件。球墨鑄鐵已迅速發(fā)展為僅次于灰鑄鐵、應用十分廣泛的鑄鐵材料。所謂“以鐵代鋼”主要指球墨鑄鐵。一、球墨鑄鐵 1.化學成分 球墨鑄鐵的成分中C、Si的質量分數

17、較高，Mn的質量分數較低，S、P的質量分數限制很嚴，同時含有一定量的Mg和稀土元素。球墨鑄鐵的大致化學成分如下: wC=3.6%4.0%、wSi=2.0%2.8%、wMn=0.6%0.8%、wS0.07%、wP0.1%、wMg=0.03%0.05%、wRe=0.02%0.04%。一、球墨鑄鐵2.組織 球墨鑄鐵的組織由球狀石墨和基體組成。按球墨鑄鐵組織中的基體不同，可分為以下幾種球墨鑄鐵: （1）鐵素體球墨鑄鐵 （2）珠光體球墨鑄鐵 （3）鐵素體+珠光體球墨鑄鐵 一、球墨鑄鐵 3.性能 在球狀石墨的數量、形狀、大小及分布一定的條件下，珠光體球墨鑄鐵的抗拉強度比鐵素體球墨鑄鐵高50%以上，而鐵素體

18、球墨鑄鐵的伸長率是珠光體球墨鑄鐵的35倍。鐵素體+珠光體基體的球墨鑄鐵性能介于二者之間。經熱處理后以馬氏體為基的球墨鑄鐵具有高硬度、高強度，但韌性很低;而以下貝氏體為基的球墨鑄鐵具有優(yōu)良的綜合力學性能。石墨球越細小，分布越均勻，越能充分發(fā)揮基體組織的作用。球墨鑄鐵的金屬基體強度的利用率可以高達70%90%，而普通灰鑄鐵僅為30%50%。同其他鑄鐵相比，球墨鑄鐵強度、塑性、韌性高，屈服強度也很高。屈強比可達0.70.8，比鋼約高一倍，疲勞強度可接近一般中碳鋼，耐磨性優(yōu)于非合金鋼，鑄造性能優(yōu)于鑄鋼，加工性能幾乎可與灰鑄鐵媲美。一、球墨鑄鐵 5.球墨鑄鐵的熱處理 由于球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，石墨對基

19、體的削弱作用較小，改善其基體組織就可以使球墨鑄鐵的力學性能和使用性能得到大幅度提高。球墨鑄鐵的熱處理與鋼相似，但因其含碳、硅、錳較多，因此，熱處理的加熱溫度較高，保溫時間較長。球墨鑄鐵廠采用的熱處理方法有以下幾種: （1）退火處理 退火的目的是為了獲得鐵素體基體球墨鑄鐵。為了改善其加工性，同時消除鑄造應力需進行退火處理。 當鑄態(tài)組織由F+P+Fe3C+G（石墨）組成，則進行高溫退火。將鑄件重新加熱到900 950 并保溫足夠時間進行高溫退火，再爐冷到600 出爐空冷。若鑄態(tài)組織由F+P+G（石墨）組成，那么只需將球墨鑄鐵件重新加熱到700760 共析溫度上下經保溫后冷至600 出爐空冷，就能將

20、珠光體中滲碳體分解轉化為鐵素體及球狀石墨。一、球墨鑄鐵 （2）正火處理 球墨鑄鐵正火的目的是為了獲得珠光體組織，并使晶粒細化，組織均勻，從而提高零件的強度、硬度及耐磨性。正火可分為高溫和低溫正火兩種。 低溫正火是將鑄件加熱到840860 ，保溫14 h，出爐空冷。 低溫正火獲得珠光體+鐵素體基體的球墨鑄鐵。 高溫正火是將鑄件加熱到880950 ，使基體全部轉變?yōu)閵W氏體組織，保溫一定時間后出爐空冷。高溫正火后可以獲得珠光體+石墨的球墨鑄鐵。為了增加珠光體的數量，也可采用風冷、噴霧冷卻等方法加快冷卻速度。 球墨鑄鐵的導熱性較差，正火后鑄件內應力較大，因此正火后應進行一次消除應力退火，即加熱到550

21、600 ，保溫34 h出爐空冷。一、球墨鑄鐵 （3）淬火加低溫回火處理 采用淬火與回火的熱處理工藝，來提高球墨鑄鐵的力學性能，發(fā)揮球墨鑄鐵的內在潛力。 具體工藝為將球墨鑄鐵件加熱到880920 溫度，保溫讓原基體組織全部奧氏體化后再在油或熔鹽中冷卻實現淬火，從而得到馬氏體和球狀石墨的組織。然后再進行不同溫度的回火處理。 一般球墨鑄鐵淬火后進行低溫回火處理，低溫回火后的組織為回火馬氏體+球狀石墨，處理后的球墨鑄鐵件具有較高的硬度和一定的耐磨性，主要用于制造軸承的內外套圈。一、球墨鑄鐵 （4）調質處理 調質處理用于提高綜合力學性能。調質處理時將球墨鑄鐵件加熱到860920 的溫度，保溫讓基體組織奧氏體化，再在油或熔鹽中冷卻實現淬火，后經550620 的高溫回火26 h，獲得回火索氏體組織，原球狀石墨形態(tài)不變，硬度為250300 HBS，具有良好的綜合力學性能，常用來處理柴油機曲軸、連桿等零件。 （5）等溫淬火處理 球墨鑄鐵經等溫淬火后可獲得高的強度，同時具有較好的塑性和韌性。其具體工藝是將球墨鑄鐵件加熱到860920 保溫使奧氏體均勻化后，迅速投入250350 的熔鹽中進行3090 min等溫處理，讓奧氏體部分轉變?yōu)橄仑愂象w+少量殘余奧氏體+球狀石墨。由于等溫淬火內應力不大，可不進行回火。目前，等溫淬火是提高球墨鑄鐵綜合力學性能的有效途徑，但僅適合結構尺寸不大的