清華大學(xué)工程材料第九章鑄鐵課件

CastIron鑄鐵是歷史上使用得較早的材料，也是最便宜的金屬材料之一，同時(shí)它具有很多優(yōu)點(diǎn)。比如，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，鑄鐵占80%。同鋼一樣，鑄鐵也是Fe、C元素為主的鐵基材料，但是它含碳量很高（碳含量大于2.11％），達(dá)到亞共晶、共晶或過(guò)共晶成分，而且鑄鐵成型制成零件毛坯只能用鑄造方法，不能用鍛造或軋制方法。鑄鐵中碳元素按主要存在方式不同可分為兩大類：一是白口鑄鑄鐵（斷口呈現(xiàn)白色），碳的主要存在形式是化合物，如滲碳體，沒(méi)有石墨；另一是灰口鑄鐵（斷口呈現(xiàn)黑灰色），碳的主要存在形式是碳的單質(zhì)，即游離狀態(tài)石墨。介于白口鑄鐵與灰口鑄鐵之間為麻口鑄鐵，其中的碳既有游離石墨又有滲碳體。第一節(jié)鑄鐵的石墨化

GraphitizationofCastIron一、Fe-Fe3C和Fe-C雙重相圖

在前面介紹過(guò)Fe-Fe3C相圖，按這張相圖自液態(tài)冷卻下來(lái)的Fe-C合金固態(tài)一般為鐵素體及滲碳體兩相。實(shí)際上滲碳體只是一個(gè)亞穩(wěn)定相，石墨才是穩(wěn)定相。因此描述鐵碳合金組織轉(zhuǎn)變的相圖實(shí)際上有兩個(gè)，一個(gè)是Fe-Fe3C系相圖，另一個(gè)是Fe-C系相圖。把兩者迭合在一起，就得到一個(gè)雙重相圖，F(xiàn)e1234

566.69C/%Fe-Fe3C和Fe-C雙重相圖140012001000800600400200溫度℃CEFDBAJNSGPKQγ＋δγL＋δδL＋γγ＋αγ＋Fe3Cα＋Fe3CαHC′E′F′S′P′K′D′名稱石墨化程度顯微組織第一階段第二階段灰口鑄鐵完全石墨化完全石墨化鐵素體＋石墨完全石墨化部分石墨化鐵素體＋珠光體＋石墨完全石墨化未石墨化珠光體＋石墨麻口鑄鐵部分石墨化未石墨化萊氏體＋珠光體＋石墨白口鑄鐵未石墨化未石墨化萊氏體＋珠光體＋滲碳體三、影響石墨化程度的主要因素由于鐵的晶體結(jié)構(gòu)與石墨的晶體結(jié)構(gòu)差異很大，而鐵與滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)要接近一些，所以普通鑄鐵在一般鑄造條件下只能得到白口鑄鐵，而不易獲得灰口鑄鐵。因此，必須通過(guò)添加合金元素和改善鑄造工藝等手段來(lái)促進(jìn)鑄鐵石墨化，形成灰口鑄鐵。化學(xué)成分的影響碳、硅、錳、硫、磷對(duì)石墨化有不同影響。其中碳、硅、磷是促進(jìn)石墨化的元素，錳和硫是阻礙石墨化的元素。溫度及冷卻速度的影響鑄鐵中碳石墨化過(guò)程除受化學(xué)成分的影響外，還受鑄造過(guò)程中鑄件冷卻速度影響。當(dāng)冷卻速度較快時(shí)，由液態(tài)析出的是滲碳體而不是石墨。一般鑄件冷卻速度越慢，石墨化進(jìn)行愈充分。冷卻速度快，碳原子很難擴(kuò)散，石墨化進(jìn)行困難。第二節(jié)常用鑄鐵

UsualCastIron鑄鐵中的石墨形態(tài)、尺寸以及分布狀況對(duì)性能影響很大。鑄鐵中石墨狀況主要受鑄鐵的化學(xué)成分及工藝過(guò)程的影響。通常，鑄鐵中石墨形態(tài)（片狀或球狀）在鑄造后即形成；也可將白口鑄鐵通過(guò)退火，讓其中部分或全部的碳化物轉(zhuǎn)化為團(tuán)絮狀形態(tài)的石墨。工業(yè)上使用的鑄鐵很多，按石墨的形態(tài)和組織性能，可分為普通灰口鑄鐵、蠕墨鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和特殊性能鑄鐵等?；铱阼T鐵的化學(xué)成分和組織特征在生產(chǎn)中，為澆注出合格的灰鑄鐵件，一般應(yīng)根據(jù)所生產(chǎn)的鑄鐵牌號(hào)、鑄鐵壁厚、造型材料等因素來(lái)調(diào)節(jié)鑄鐵的化學(xué)成分，這是控制鑄鐵組織的基本方法?；铱阼T鐵的成分大致范圍為：2.5～4.0%C，1.0～3.0%Si，0.25～1.0%Mn，0.02～0.20%S，0.05～0.50%P。具有上述成分范圍的液體鐵水在進(jìn)行緩慢冷卻凝固時(shí)，將發(fā)生石墨化，析出片狀石墨。其斷口的外貌呈淺煙灰色，所以稱為灰口鑄鐵。普通灰口鑄鐵的組織是由片狀石墨和鋼的基體兩部分組成的。根據(jù)不同階段石墨化程度的不同，灰口鑄鐵有三種不同的基體組織：鐵素體基、珠光體基、鐵素體＋珠光體基。灰口鑄鐵的牌號(hào)、性能及用途灰口鑄鐵灰口鑄鐵的牌號(hào)以“HT+數(shù)字”的方式表示?；铱阼T鐵的性能與普通碳鋼相比，具有如下特點(diǎn)：（1）力學(xué)性能低，其抗拉強(qiáng)度和塑性韌性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼。但是，灰口鑄鐵在受壓時(shí)石墨片破壞基體連續(xù)性的影響則大為減輕，其抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的2.5～4倍。所以常用灰口鑄鐵制造機(jī)床床身、底座等耐壓零部件。（2）耐磨性與消震性好。由于鑄鐵中石墨有利于潤(rùn)滑及貯油，所以耐磨性好。同樣，由于石墨的存在，灰口鑄鐵的消震性優(yōu)于鋼。（3）工藝性能好。由于灰口鑄鐵含碳量高，接近于共晶成分，故熔點(diǎn)比較低，流動(dòng)性良好，收縮率小，因此適宜于鑄造結(jié)構(gòu)復(fù)雜或薄壁鑄件。另外，由于石墨使切削加工時(shí)易于形成斷屑，所以灰口鑄鐵的可切削加工性優(yōu)于鋼?；铱阼T鐵的孕育處理HT250、HT300、HT350屬于較高強(qiáng)度的孕育鑄鐵（也稱變質(zhì)鑄鐵），這是普通鑄鐵通過(guò)孕育處理而得到的。由于在鑄造之前向鐵液中加入了孕育劑（或稱變質(zhì)劑），結(jié)晶時(shí)石墨晶核數(shù)目增多，石墨片尺寸變小，更為均勻地分布在基體中。所以其顯微組織是在細(xì)珠光體基體上分布著細(xì)小片狀石墨。鑄鐵變質(zhì)劑或孕育劑一般為硅鐵合金或硅鈣合金小顆粒或粉，當(dāng)加入鑄鐵液內(nèi)后立即形成SiO2的固體小質(zhì)點(diǎn)，鑄鐵中的碳以這些小質(zhì)點(diǎn)為核心形成細(xì)小的片狀石墨。鑄鐵經(jīng)孕育處理后不僅強(qiáng)度有較大提高，而且塑性和韌性也有所改善。同時(shí)，由于孕育劑的加入，還可使鑄鐵對(duì)冷卻速度的敏感性顯著減少，使各部位都能得到均勻一致的組織。球墨鑄鐵的化學(xué)成分和組織特征

球墨鑄鐵常用的球化劑有鎂、稀土或稀土鎂，孕育劑常用的是硅鐵和硅鈣。由于球化劑的加入將阻礙石墨化，并使共晶點(diǎn)右移造成流動(dòng)性下降，所以必須嚴(yán)格控制其含量。球墨鑄鐵的顯微組織由球形石墨和金屬基體兩部分組成。隨著成分和冷卻速度的不同，球鐵在鑄態(tài)下的金屬基體可分為鐵素體、鐵素體加珠光體、珠光體三種，見(jiàn)下圖。

（a）（b）球墨鑄鐵的顯微組織（a）珠光體+鐵素體基球墨鑄鐵；（b）鐵素體基球墨鑄鐵50μ50μ球墨鑄鐵的牌號(hào)、性能特點(diǎn)及用途球墨鑄鐵的牌號(hào)以“QT＋數(shù)字－－數(shù)字”。牌號(hào)中的“QT”表示“球鐵”二字漢語(yǔ)拼音的大寫字頭，在“QT”后面兩組的數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和最低延伸率。與灰口鑄鐵相比，球墨鑄鐵具有較高的抗拉強(qiáng)度和彎曲疲勞極限，也具有相當(dāng)良好的塑性及韌性。球鐵的剛性也比灰口鑄鐵好，但球鐵的消震能力比灰口鑄鐵低很多。由于球鐵中金屬基體是決定球鐵機(jī)械性能的主要因素，所以球鐵可通過(guò)合金化和熱處理強(qiáng)化的方法進(jìn)一步提高它的機(jī)械性能。因此，球鐵可以在一定條件下代替鑄鋼、鍛鋼等，用以制造受力復(fù)雜、負(fù)荷較大和要求耐磨的鑄件。三、其它類型的鑄鐵蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型工程材料。它是由液體鐵水經(jīng)變質(zhì)處理和孕育處理隨之冷卻凝固后所獲得的一種鑄鐵。通常采用的變質(zhì)元素（又稱蠕化劑）有稀土硅鐵鎂合金、稀土硅鐵合金、稀土硅鐵鈣合金或混合稀土等。蠕墨鑄鐵的石墨形態(tài)介于片狀和球狀石墨之間。灰口鑄鐵中石墨片的特征是片長(zhǎng)、較薄、端部較尖。球鐵中的石墨大部分呈球狀，即使有少量團(tuán)狀石墨，基本上也是互相分離的。而蠕墨鑄鐵的石墨形態(tài)在光學(xué)顯微鏡下看起來(lái)像片狀，但不同于灰口鑄鐵的是其片較短而厚、頭部較圓（形似蠕蟲(chóng)）。所以可以認(rèn)為，蠕蟲(chóng)狀石墨是一種過(guò)渡型石墨。蠕墨鑄鐵的牌號(hào)以“RuT＋數(shù)字”表示。牌號(hào)中“RuT”表示“蠕鐵”二字漢語(yǔ)拼音的大寫字頭，在“RuT”后面的數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。第三節(jié)鑄鐵的熱處理

HeatTreatmentofCastIron除了可鍛鑄鐵退火將滲碳體分解為團(tuán)絮狀石墨外，鑄鐵的熱處理目的在于兩方面：一是改變基體組織，改善鑄鐵性能，二是消除鑄件應(yīng)力。值得注意的是：鑄件的熱處理不能改變鑄件原來(lái)的石墨形態(tài)及分布，即原來(lái)是片狀或球狀的石墨熱處理后仍為片狀或球狀，同時(shí)它的尺寸不會(huì)變化，分布狀況不會(huì)變化。一、時(shí)效鑄造過(guò)程中鑄鐵件由表及里冷卻速度不一樣，形成鑄造內(nèi)應(yīng)力，若不消除，在切削加工及使用過(guò)程中它會(huì)使零件變形甚至開(kāi)裂。為釋放應(yīng)力常采用人工時(shí)效及自然時(shí)效兩種辦法。將鑄件加熱到大約500~560℃保溫一定時(shí)間，接著隨爐冷取出鑄件空冷，這種時(shí)效為人工時(shí)效；自然時(shí)效是將鑄鐵件存放在室外6~18個(gè)月，讓應(yīng)力自然釋放，這種時(shí)效可將應(yīng)力部分釋放，但因用的時(shí)間長(zhǎng)，效率低，已不太采用。二、改善鑄鐵件整體性能為目的熱處理為改善鑄鐵件整體性能常有消除白口退火，提高韌性的球墨鑄鐵退火，提高球墨鑄鐵強(qiáng)度的