材料加工物理

1、11.2.1鐵的組織與性能(1) 石墨的形態(tài)A型石墨(片狀)B型石墨(菊花狀)C型石墨(塊片狀)D型石墨(枝晶點狀)E型石墨(枝晶片狀)F型石墨(星狀)2第二節(jié)鐵鐵的組織與性能提高鐵性能的途徑鐵研究和生產(chǎn)的新進展2鐵的性能特點 力學(xué)性能鐵的機械性能首先取決于石墨的形狀、數(shù)量、尺寸與分布，其次取決于基體組織。鐵的機械性能利用率僅有30（與鋼比）表鐵與鑄造碳鋼力學(xué)性能比較4性能指標(biāo)抗拉強度 b/ MPa延伸率 /%沖擊韌性 k/ J彈性模量 E/ MPa鑄造碳鋼4006501025206020104鐵1004000.55.0(716)104(2) 基體組織F+F+P+P+33(4)鐵的標(biāo)準(zhǔn)號：GB

2、/T 9439-201030mm單鑄試棒的抗拉強度和布氏硬度6牌號最小抗拉強度Rm（MPa）布氏硬度(HBW)HT100100170HT150150125-205HT200200150-230HT225225170-240HT250250180-250HT275275190-260HT300300200-275HT350350220-290 減震性好 用于機床、缸體、缸套 導(dǎo)熱性好 用于缸體、缸套、排氣管、鐵鍋 加工性能好 硬度HB170250 鑄造性能好?？蓾沧?fù)雜和薄壁鑄件 成本較低 成本僅為鍛鋼1/3 1/4鋼、球鐵、鐵振動衰減圖54度表：元素對Fe-C相圖的影響碳當(dāng)量： CE C 1

3、(Si P)38元素鐵石墨系溫度共析溫度點碳 量(%)飽和碳量共析點碳量S-+-0.36+-Si+14+-0.31-Mn-8-0.027+-P-21+-0.33-Cr-6+0.063+-Ni+3-0.053-Cu+3-0.074Co+-V-+0.135Ti-+Al+-0.25Mo-10+0.025(5)鐵的冶金質(zhì)量同一成分的鐵水經(jīng)不同的處理，可獲得不同性能的鑄鐵，因此，必須對 鐵件生產(chǎn)的冶金過程作周密的考慮，以便既能得到要求的強度指標(biāo)，又能保證鑄鐵具有良好的工藝性能。為了衡量 鐵的冶金質(zhì)量，提出了一些綜合性指標(biāo)。75表 同等強度下機床鑄件度對比10抗拉強度(MPa)國家牌號C(%)Si (%)

4、平均C (%)平均度250FC253.253.351.852.053.950.90中國HT2503.103.301.501.803.750.85300FC303.153.251.802.003.830.87中國HT3002.903.201.401.703.610.82350FC353.103.201.751.953.760.85中國HT3502.803.101.301.603.430.77度：鑄鐵偏離點的程度，還可用鑄鐵的實際含碳量和點的實際含碳量的比值來表示，這個比值稱為度，以Sc表示。S C / C C鐵C鐵C4.26% 1 / 3(Si P)式中 C鐵鑄鐵實際含碳量(%)； Cc穩(wěn)定態(tài)點

5、的含碳量(%)； Si、P鑄鐵中硅、磷含量(%)Sc的大小還能間接地推斷出鑄鐵鑄造性能的好壞以及石墨化能力的大小，因此是一個較重要的參數(shù)。96表 中德缸體缸蓋的碳當(dāng)量和度對比德國單缸缸蓋Mo0.25%, 雙缸缸蓋Ni0.75%, 6缸缸蓋Cu0.3%, 柴油機雙缸缸蓋Ni1.1%中國缸蓋Mo0.5%，紅巖缸蓋Cu0.4%，195缸蓋Cu0.9%12鑄件公司名C(%)Si(%)CE(%)度Cr(%)b(MPa)德國單缸缸蓋MAN3.4-3.51.9-2.04.100.940.15250雙缸缸蓋MAN3.5-3.551.7-1.84.100.940.302506缸缸蓋MAN3.4-3.51.7-1

6、.84.030.930.30250柴油機缸蓋Motortex3.4-3.451.84.020.920.3250中國缸蓋3.2-3.41.8-2.03.930.900.5250EQ140缸體二汽3.2-3.41.9-2.13.960.900.3250缸蓋紅巖3.1-3.31.6-2.13.810.860.3250195缸蓋3.191.583.710.850.33270的FC35與中國的HT250 度、碳當(dāng)量相當(dāng)，而抗拉強度卻與中國的HT350相當(dāng)；相同的牌號 的 度卻比我國高出0.050.08，碳當(dāng)量高出0.20%0.33%。目前國外機床鑄件比我國同類型鑄件高一個牌號，正因為強度高碳當(dāng)量也較高，

7、國外機床不斷地向輕量化方向發(fā)展，機床鑄件主要壁厚從2025mm減至1420mm，比我國機床鑄件薄 515mm。117成熟度RG b測1000-800Scb測從30mm試棒上測得的抗拉強度(MPa)Sc度鐵：RG可在0.5-1.5內(nèi)波動，適當(dāng)?shù)倪^熱與孕育處理能提高RG值。如RG1，表示通過熔煉技術(shù)和孕育改進的鑄鐵在較高的度下獲得了高強度。14 成熟度和相對強度b 800ScHB 4Sc上述公式計算出的抗拉強度和硬度被稱為正常強度和正常硬度。隨著近幾十年熔煉技術(shù)和孕育工藝的發(fā)展，實際的強度遠(yuǎn)高于計算出的正常強度。8 硬化度及相對硬度硬化度HG HBS測HBS測Sc.5+0.793(TL TS )H

8、G硬化度 Sc度TL、TS鑄鐵液相線和固相線溫度HBS測30mm試棒上測得的硬度HG1，表示強度高，硬度低，材料綜合性能好。159 品質(zhì)系數(shù)Q RGiHGQi在0.7-1.5之間波動，希望控制在Qi 1Qil，表示鐵在保持高強度的同時具有良好的鑄造性能與加工性能。18相對硬度RH HBS測= HBS測100 0.44 b測HBS計算RH波動在0.6-1.2之間，以0.8-1.0為佳。RH低，表明 鐵的強度高，硬度低，有良好的切削性能。良好的孕育處理能降低RH值。1710鐵之所以除了強度以外對硬度的要求越來越嚴(yán)格，是因為隨著加工機床的數(shù)控化、精密化、切削高速化，鑄件硬度對機床的切削速度和刀具磨損

9、影響變得更加突出。因此，在鐵的內(nèi)在質(zhì)量中，力學(xué)性能以抗拉強度b為指標(biāo)，鑄造性能以 度Sc為指標(biāo)，加工性能以HBS為指標(biāo)，這三者的關(guān)系用成熟度，硬化度，品質(zhì)系數(shù)來表示 鐵的內(nèi)在質(zhì)量的優(yōu)良程度。20近年來，一些國家用抗拉強度和布氏硬度之比：m bHBS表示 鐵的切削性能指標(biāo)，這一方式更為直接。m值大，則表明在強度高時，硬度低，切削性能好。這些國家用m值作為內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的牌號將m控制在1.01.4。19111.2.2 提高鐵性能的途徑(1) 提高Si/C比在CE保持不變的條件下，適當(dāng)提高Si/C比，鐵的凝固特性、組織結(jié)構(gòu)與材質(zhì)性能方面的變化：組織中初生奧氏體量增加，有加固基體的作用；由于總碳量

10、降低，石墨數(shù)量相應(yīng)減少，減少了石墨對基體的割裂作用；固溶于鐵素體中的Si量增加，強化了鐵素體；由于Si增加，使鐵水的白口傾向有所降低；Si提高共析轉(zhuǎn)變溫度，珠光體稍有粗化，對強度性能有不利影響。22鑄鐵的內(nèi)在質(zhì)量實際上由三部分組成：化學(xué)成分、抗拉強度、硬度：這三者的關(guān)系由鐵的冶金質(zhì)量來表示。鐵的金相組織：以金屬基體、石墨、晶界物來表示。鐵的使用性能與缺陷：以試驗的性能指標(biāo)和無損探傷的結(jié)果來表示。2112(2) 孕育處理定義：孕育處理是在鐵水中加入少量材料，促使形成結(jié)晶核心以改善金屬組織和性能的方法目的：促進石墨化，降低白口傾向；降低斷面敏感性；控制石墨形態(tài)，消除過冷石墨；適當(dāng)增高團數(shù)和促進細(xì)片

11、狀珠光體的形成；改善鑄鐵的強度性能及其它性能(如致密性、耐磨性及切削性能等)。24Si/C比對鐵強度和白口傾向的影響2313 孕育方法一次孕育一次孕育最常用的方法：出鐵槽或澆包加入。優(yōu)點：操作簡單缺點：孕育劑加入量大，孕育26(1) 孕育劑與孕育方法 孕育劑石墨化孕育劑：75SiFeBa, RE, Sr, Zr + 75SiFe(具有促進石墨化和改善石墨形態(tài)的特性)穩(wěn)定化孕育劑：Cr-Si-Mn, Cr-Si-Mn-Zr Cr-Si-C(強化基體、提高強度和硬度)復(fù) 合 孕 育劑：RE-Sb-Ca-Si, RE-Sb-Cr-Ca-Si (兼有上述兩種孕育劑的特性)2514保溫澆注爐的隨流孕育(

12、法國某鑄造廠)28瞬時孕育(后孕育、晚期孕育)隨流孕育把2040目粒狀的孕育劑隨鐵水澆注流加入0.080.2%的孕育劑，即可使鐵水得到充分的孕育，這種方法的孕育劑用量很少，對消除碳化物非常有效，并可大幅度增加 團或石墨球數(shù)。2715孕育絲孕育孕育絲：粒度：40140號篩板厚：0.20.4mm直徑：1.87.0mm加入量：0.020.03%特點：無粉塵污染；可避免不 熔質(zhì)點帶入鑄型造成白點；便 于自動控制；但裝置比較復(fù)雜。30江鈴鑄造廠氣沖生產(chǎn)線澆注現(xiàn)場2916(3) 合金化32孕育塊孕育孕育塊可用鑄造方 造，也可將粉狀孕育劑用硬脂酸粘結(jié)成塊，然后 澆口杯或特設(shè)的反應(yīng)室內(nèi)，當(dāng)鐵水流過時孕育塊逐層

13、熔化帶入鑄型產(chǎn)生孕育作用。特點：孕育效果好，適用于大批量生產(chǎn)。缺點: 不易檢驗。31171.2.3鐵研究和生產(chǎn)的新進展(1) 沖天爐與電爐雙聯(lián)熔煉沖天爐熔煉：用于鑄鐵(灰鐵、球鐵、蠕鐵等)優(yōu)點:成本低(為電爐1/3),效率高(最大100t/h)缺點:溫度及成分不可調(diào),增硫夾雜物增多343318雙聯(lián)熔煉能耗比較：36.感應(yīng)爐熔煉與雙聯(lián)熔煉的鐵力學(xué)性能的比較. 鑄造，2013, 62(2): 96-98感應(yīng)電爐熔煉： 鐵水化學(xué)成分變化小,可控 鐵水溫度高,可控 熔化率低(130T/h)， 成本高發(fā)展趨勢沖天爐熔煉+工頻爐(雙聯(lián)熔煉)35元素CSiMnPS變化率%-510+510-5不變不變19(2

14、)鑄鐵鑄鐵配料：生鐵 + 廢鋼 + 回爐料 + 中間合金生鐵爐料的遺傳性鑄件組織中石墨粗大生鐵中的粗大石墨性能降低38雙聯(lián)熔雙聯(lián)熔煉鐵的煉性冶金質(zhì)量比單一感應(yīng)能電爐熔煉鐵的冶對金質(zhì)量好，切削性能比好。37.感應(yīng)爐熔煉與雙聯(lián)熔煉的鐵力學(xué)性能的比較. 鑄造，2013, 62(2): 96-982040鑄鐵的生產(chǎn)通過增大金屬爐料中廢鋼與回爐料的加入量，減少生鐵的加入量，用增碳劑增碳，從而獲得碳、硅、錳、硫和磷五大元素的合理配比，使鐵水的冶金特性得到改善，能更好地發(fā)揮孕育處理的效果，從而提高 鐵的強度。表 爐料中廢鋼比例對鐵硬度和硬度均勻性的影響編配料比化學(xué)成分(%)抗拉各斷面硬度(HB)HB號 (廢

15、鋼/生C強度 40mm 25mm 12mm6mmmax鐵)(MPa)130/703.192.124.0028021622623926953240/603.191.963.8929524024326329252350/503.162.183.99295242241253280383921以神龍TU3F缸體為例，分析鐵缸體缸蓋的切削加工性能 神龍TU3F缸體采用法國PSA標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于的HT250牌號，為無缸套缸體。表 化學(xué)成分, %零件的顯微組織（缸筒壁上）石墨：片狀A(yù)型石墨，4級，不允許C型基體：珠光體95%，游離碳化物2%42CSiMnSPCr3.00-3.501.80-2.500.60-1.

16、000.150.150.300.300.05-0.150(3) 缸體缸蓋的切削加工性能汽車發(fā)缸體、缸蓋：足夠強度、剛度和致密性輕量化(質(zhì)量/功率比：國外0.4-0.5，國內(nèi)0.3-0.4)形狀準(zhǔn)確，尺寸精度高良好的加工性能鑄件內(nèi)外表面光潔HT250最小壁厚3.5mm4122國產(chǎn)件的切削加工性神龍缸體(試制期間)精鏜缸孔：國產(chǎn)150-200，進口件為600件/把刀左右；頂面衍磨時間長：國產(chǎn)件90-120，進口件60s/件左右。國產(chǎn)6B缸體(東汽鑄造公司)加工線速度小于100m/min，國產(chǎn)氣缸體鑄件材料加工性能良好；在高速加工自動線(可達(dá)870m/min)，刀具 僅為進口鑄件的30%左右。和國內(nèi)

17、一些大型汽車制造廠家都存在相似 或經(jīng)歷。44缸體性能要求缸頂面（即與缸蓋連接面） HB=207-241（圖1a中的15個點）缸筒上（即距缸頂面50mm）HB=207-241（圖1b中的3個點均在兩缸之間）圖1 缸頂面(a)和缸筒(b)處硬度測量位置4323組織中的MnS進口件國產(chǎn)件46ElementWeight%Atomic%O7.2517.50Al2.753.93S30.4436.67Mn59.5741.89ElementWeight%Atomic%S35.5848.62Mn64.4251.38Totals100.00組織對比分析：進口國件產(chǎn)件4524S量的變化對MnS的形態(tài)與數(shù)量的影響(a

18、) 0.065%S(b) 0.12%S(c) 0.15%S(d) 0.18%S圖 試樣中的硫化物夾雜48改進切削加工性能的措施關(guān)于Mn與S對硫的認(rèn)識經(jīng)過了一個逐步提高的過程，從認(rèn)為硫是有害元素，到 鐵中要加人一定量的硫來改善切削性能，改善孕育效果和石墨形態(tài)。 鐵中硫在一定含量范圍內(nèi)是有利的，這個范圍是0.080.12%。在碳硅量高、硫量也較高的情況下，Mn量控制在0.40.5%的范圍內(nèi)有利于生產(chǎn)高強度 鐵。4725關(guān)于孕育處理采用隨流孕育大約可提高硬度值510HB，同時減小了鑄件斷面敏感性，從而改善 鐵的切削加工性能。隨流孕育加入量不能太大，否則會增加鐵素體的數(shù)量，提高材料的韌性，這對高速切削

19、的斷屑性是不利的。孕育劑中的Ca量在1.5-3.0%時，在刀尖表面形成CaO-Mn2O3- SiO2的三元復(fù)合氧化物， 1553K，在刀尖軟化，起到潤滑作用。當(dāng)Ca的含量超出這個范圍，刀尖的復(fù)合氧化物形態(tài)發(fā)生改變、 升高，不能軟化而起潤滑作用。50關(guān)于鐵水的熔煉與孕育缸體鐵液最好采用沖天爐一感應(yīng)爐雙聯(lián)熔煉。法國SEPT FONS鑄造廠采用水冷熱風(fēng)(400-800)沖天爐與無芯工頻感應(yīng)電爐雙聯(lián)熔煉，采用氣壓保溫澆注，澆注溫度控制在142010，并對鐵水隨流孕育。德國的KHD和 博鑄造廠均采 聯(lián)熔煉，沖天爐富氧送風(fēng)，焦炭質(zhì)量較好，鐵水溫度能達(dá)到1550以上。當(dāng)采用工頻爐作為熔煉設(shè)備時，鐵液會有較大的激冷傾向和縮松傾向， 此時必須增S(S0.08%)，且進行充分孕育。4926(4) D型石墨鑄鐵玻璃模具52關(guān)于組織中的硬質(zhì)點：鐵缸體的基體組織中發(fā)現(xiàn)有碳化物、氮化物等硬質(zhì)點，一般認(rèn)為硬質(zhì)點會打刀，從而影響 鐵的加工性能。所以要改善切削性能，就要盡可能采取措施減少硬質(zhì)點；在高速切削時，它們很容易從基體中剝落，對刀具的磨損影響不大。5127玻璃模具54玻璃器皿的生產(chǎn)工藝玻璃器皿生產(chǎn)線5328玻璃模具的性能要求具有抗氧化、抗生長、抗熱疲勞和耐磨等性能。此外, 還