工程材料学 第7章.ppt

1、1南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics and Astronautics2l铸铁铸铁是含碳量大于是含碳量大于2.11%，并含有较多硅、，并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。7-1 3 力学性能低。力学性能低。由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中，强洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中，强度、塑性、韧性较差，不易锻造。度、塑性、韧性较差，不易锻造。 耐磨性能好。耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。由于石墨本身有润滑作用。 消振性能好。消振

2、性能好。由于石墨可以吸收振动能量。由于石墨可以吸收振动能量。 铸造性能好。铸造性能好。C含量接近共晶成分，流动性好，铸含量接近共晶成分，流动性好，铸造性能好。造性能好。 切削性能好。切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。 生产简便、成本低廉。生产简便、成本低廉。4l应用：应用：机床床身、内燃机机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都是由铸及轴瓦、曲轴等都是由铸铁制造的。铁制造的。铸铁曲轴铸铁曲轴5(1)Fe-Fe3C和和Fe-G(Graphite，石墨，石墨)双重相图双重相图 u铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合

3、态铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的的渗碳体渗碳体（Fe3C）和游离态的）和游离态的石墨石墨（G）两种形式）两种形式存在。存在。u石墨是碳的单质态之一，其强度、塑性和韧性都几石墨是碳的单质态之一，其强度、塑性和韧性都几乎为零。乎为零。7-2 铸铁的石墨化铸铁的石墨化6uFe3C是亚稳相，在一定条件下（是亚稳相，在一定条件下（例如：例如：高温下长高温下长时间加热）将发生分解：时间加热）将发生分解： Fe3C3Fe+C（石墨）（石墨）u【因此【因此】铁碳合金实际上存在两个相图：铁碳合金实际上存在两个相图：即即Fe-Fe3C相图和相图和Fe-G相图，这两个相图几乎重相图，这两个相图几乎重

4、合，只是合，只是E、C、S点的成分和温度稍有变化，点的成分和温度稍有变化， 7L+GL+Fe3C8(2)铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程l铸铁中的碳原子析出形成石铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为墨的过程称为石墨化。石墨化。l铸铁中的石墨可以在结晶过铸铁中的石墨可以在结晶过程中程中直接析出直接析出，也可以由渗，也可以由渗碳体加热时碳体加热时分解分解得到。得到。台车式石墨化退火炉台车式石墨化退火炉9p铸铁的石墨化过程分为铸铁的石墨化过程分为两个阶段两个阶段：在在PSK线以上线以上发生的石墨化称为发生的石墨化称为第一阶段石墨化第一阶段石墨化，包括结晶时一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出包括结晶时

5、一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加热时一次渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的和加热时一次渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的分解；分解；在在PSK线以下线以下发生的石墨化称为发生的石墨化称为第二阶段石墨化第二阶段石墨化，包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。分解。p石墨化程度不同，所得到铸铁类型和组织也不同。石墨化程度不同，所得到铸铁类型和组织也不同。 10石墨化进行程度石墨化进行程度 铸铁的显微组织铸铁的显微组织 铸铁类型铸铁类型 第一阶段第一阶段石墨化石墨化 第二阶段第二阶段石墨化石墨化 完全进行完全进行完全进行完全进行F+G 灰口铸铁

6、灰口铸铁部分进行部分进行F+P+G未进行未进行P+G部分进行部分进行未进行未进行Ld+P+G 麻口铸铁麻口铸铁未进行未进行未进行未进行Ld白口铸铁白口铸铁11(3)影响石墨化的因素影响石墨化的因素化学成分的影响化学成分的影响 Fe-C合金的五大元素：合金的五大元素：C，Si，P，Mn，SC是是G的形成元素，的形成元素，C% ， G化化 Si: 强烈促进强烈促进G化的元素，化的元素，Si% , G化化 。原因：原因：Si能抑制能抑制Fe3C的形成，促进的形成，促进Fe3C分解。分解。 12S：阻碍阻碍G化的元素，化的元素，S% , G化化 合金元素合金元素Cr、W、Mo、V 与与C亲合亲合力强，

7、阻碍石墨化；力强，阻碍石墨化；合金元素合金元素Al、Cu、Ni、Co增加增加Fe自自扩散能力，促进石墨化。扩散能力，促进石墨化。Mn：Mn 0.2 0.4%时，形成合金渗碳时，形成合金渗碳体体 (Fe,Mn)3C, G化化 。13lP促进石墨化不明显，但提高铁水流动性，改善其促进石墨化不明显，但提高铁水流动性，改善其铸造性能。若其含量高时易在晶界上形成硬而脆的铸造性能。若其含量高时易在晶界上形成硬而脆的磷共晶，降低铸铁的强度，只有耐磨铸铁中磷含量磷共晶，降低铸铁的强度，只有耐磨铸铁中磷含量偏高（达偏高（达0.3%以上）以上）。铸铁中的磷共晶铸铁中的磷共晶14冷却速度的影响冷却速度的影响p铸件冷

8、却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按按Fe - G相图进行，因而促进石墨化。相图进行，因而促进石墨化。p快冷时由于过快冷时由于过冷度大，结晶冷度大，结晶将按将按Fe-Fe3C相相图进行，不利图进行，不利于石墨化。于石墨化。铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响 w (C+Si)%15V冷冷 ，G化化 ，Fe3C量量 ，G片细小、量少。片细小、量少。V冷冷 ，G化停止，无石墨形成，化停止，无石墨形成，C Fe3C， 即形成白口铸铁。即形成白口铸铁。GG化是靠原子扩散进行的，需要温度、时间化是靠原子扩散进行的，需要温度、

9、时间167-3 铸铁的分类铸铁的分类 根据铸铁结晶过程中石墨化程度，铸铁分为：根据铸铁结晶过程中石墨化程度，铸铁分为： 灰口铸铁灰口铸铁、白口铸铁白口铸铁、麻口铸铁麻口铸铁 （工业上使用的铸铁主要是（工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁灰口铸铁） 根据石墨形态，灰口铸铁又可分为：根据石墨形态，灰口铸铁又可分为：灰铸铁灰铸铁、可锻铸铁可锻铸铁、球墨铸铁球墨铸铁、蠕墨铸铁蠕墨铸铁等。等。17a. 灰铸铁灰铸铁 片状石墨片状石墨b. 球墨铸铁球墨铸铁 球状球状c. 可锻铸铁可锻铸铁 团絮状团絮状d. 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 蠕虫状蠕虫状18灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸

10、铁。其产量约占铸铁总产量的量约占铸铁总产量的80%以上。以上。(1)组织组织l灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的，其基体组织有石墨化过程形成的，其基体组织有铁素体铁素体、珠光体珠光体和和铁素体加珠光体铁素体加珠光体三种。三种。7-3-1 灰铸铁灰铸铁19铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁珠光体基体珠光体基体+ +片状石墨片状石墨20u常对灰铸铁进行常对灰铸铁进行孕育处理孕育处理(变质处理变质处理)，以细化片状石墨。，以细化片状石墨。u常用的孕育剂有常用的孕育剂有硅铁硅铁和和硅钙硅钙合

11、金。合金。u经孕育处理的灰铸铁称为经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。孕育铸铁。 孕育处理前孕育处理前孕育处理后孕育处理后硅铁硅铁硅钙硅钙21(2)用途用途 制造承受压力和震动的零件，如制造承受压力和震动的零件，如机床床身、机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体各种箱体、壳体、泵体、缸体。大型船用柴油机汽缸体大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身重型机床床身(HT-250)变速箱体变速箱体22 石墨呈石墨呈球形球形的灰口铸铁。的灰口铸铁。(1)组织组织基体（基体（F、F+P、P）+ 球状球状G球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。球化剂为球化剂为镁、稀土镁

12、、稀土和和稀土镁稀土镁。为避免白口，并使石墨细小均匀，为避免白口，并使石墨细小均匀， 在在球化处理球化处理同时还进行同时还进行孕育处理。孕育处理。常用孕育剂为常用孕育剂为硅铁硅铁和和硅钙合金硅钙合金。硅铁硅铁硅硅钙钙稀土镁稀土镁7-3-2 球墨铸铁球墨铸铁23铁素体加珠光体球墨铸铁铁素体加珠光体球墨铸铁 铁素体球墨铸铁铁素体球墨铸铁 珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁 球墨铸铁中的石墨球球墨铸铁中的石墨球 24(2)性能与热处理性能与热处理l强度是碳钢的强度是碳钢的7090%。球墨铸铁的突出特点是。球墨铸铁的突出特点是屈强比屈强比( 0.2 / b)高高, 约为约为0.70.8, 而钢一般只有而钢一

13、般只有0.30.5。 l热处理热处理退火、正火、淬火加回火、等温淬火退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。等。 25退火退火获得塑性好的铁素体基体，改善切削性能获得塑性好的铁素体基体，改善切削性能和消除铸造应力。和消除铸造应力。 原始铸态组织中存在自由渗碳体，采用高温退火；原始铸态组织中存在自由渗碳体，采用高温退火； 原始铸态组织中不存在自由渗碳体，采用低温退火。原始铸态组织中不存在自由渗碳体，采用低温退火。正火正火增加基体中珠光体的数量，细化基体组织，增加基体中珠光体的数量，细化基体组织，提高强度和耐磨性。提高强度和耐磨性。 完全奥氏体化，采用高温正火；完全奥氏体化，采用高温正火； 不完全奥氏

14、体化，采用低温正火。不完全奥氏体化，采用低温正火。 注：正火后要进行去应力退火。注：正火后要进行去应力退火。（正火后有较大内应力）（正火后有较大内应力）26调质调质获得较高的综合力学性能。获得较高的综合力学性能。 承受交变载荷工件承受交变载荷工件等温淬火等温淬火很高的强度，良好的塑性和韧性。很高的强度，良好的塑性和韧性。这种工艺适合于综合力学性能要求高且外形又较为复杂、这种工艺适合于综合力学性能要求高且外形又较为复杂、热处理易变形与开裂的零件，如：齿轮、凸轮轴。热处理易变形与开裂的零件，如：齿轮、凸轮轴。27(3)用途用途l承受震动、载荷大承受震动、载荷大的零件，如的零件，如曲轴、曲轴、传动齿

15、轮传动齿轮等等。核燃料贮存运输容器核燃料贮存运输容器(QT350-22)铸铁曲轴铸铁曲轴28可锻铸铁石墨化退火工艺曲线可锻铸铁石墨化退火工艺曲线 u可锻铸铁是由白口铸铁可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火获得的，经石墨化退火获得的，其石墨呈团絮状。其石墨呈团絮状。7-3-3 可锻铸铁可锻铸铁u将白口铸铁坯件加热到将白口铸铁坯件加热到900980，使铸铁组织转变，使铸铁组织转变为奥氏体和渗碳体，经过长时间为奥氏体和渗碳体，经过长时间(3h左右左右)保温后，渗保温后，渗碳体发生分解而得到团絮状石墨，此为碳体发生分解而得到团絮状石墨，此为第一阶段石墨第一阶段石墨化化。在随后的缓冷过程中，奥氏体中过饱和的

16、碳将充。在随后的缓冷过程中，奥氏体中过饱和的碳将充分析出并附在已形成的团絮状石墨表面，使石墨长大，分析出并附在已形成的团絮状石墨表面，使石墨长大，完成完成第二阶段石墨化第二阶段石墨化(760720)，形成铁素体和石，形成铁素体和石墨，再缓冷至墨，再缓冷至700650，出炉空冷，最后得到，出炉空冷，最后得到铁素铁素体可锻铸铁体可锻铸铁，又称，又称黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁。29(1)组织组织基体（基体（F、P）团絮状）团絮状G铁素体基体可锻铸铁又称铁素体基体可锻铸铁又称黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁。(2)性能性能由于可锻铸铁中的团絮状石墨对基体的割由于可锻铸铁中的团絮状石墨对基体的割裂程度及引起的应力

17、集中小，因而其强度、裂程度及引起的应力集中小，因而其强度、塑性和韧性均比灰铸铁高，接近于铸钢，塑性和韧性均比灰铸铁高，接近于铸钢，但不能锻造但不能锻造。强度为碳钢的强度为碳钢的4070%。30 可锻铸铁的显微组织可锻铸铁的显微组织 黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁 31(3)用途用途l用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如如汽车前后轮壳汽车前后轮壳、管接头、低压阀门管接头、低压阀门等。等。可锻铸铁管件可锻铸铁管件32蠕墨铸铁是蠕墨铸铁是20世纪世纪60年代发展起来的一种新型铸铁。年代发展起来的一种新型铸铁。l蠕墨铸铁是液

18、态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的。蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的。l常用常用蠕化剂蠕化剂：稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅：稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。铁钙合金等。l蠕墨铸铁的蠕墨铸铁的组织组织： 基体（基体（F、F+P、P）+ 蠕虫状蠕虫状G 7-3-4 蠕墨铸铁蠕墨铸铁33蠕墨铸铁的显微组织蠕墨铸铁的显微组织（铁素体基体）（铁素体基体） 蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中的石墨34l蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。于灰铸铁与球墨铸铁之间。l常用于制造常用于制

19、造承受热循环载荷的零承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。阀的阀体、耐压泵的泵体等。 玻璃模具玻璃模具制动盘制动盘阀芯阀芯35(1)耐磨铸铁耐磨铸铁耐磨灰口铸铁耐磨灰口铸铁在灰口铸铁中加入少量合金元素（如磷、钒、铬、在灰口铸铁中加入少量合金元素（如磷、钒、铬、钼、锑、稀土等）可以增加金属基体中珠光体数量，钼、锑、稀土等）可以增加金属基体中珠光体数量，且使珠光体细化，同时也细化了石墨。由于铸铁的强且使珠光体细化，同时也细化了

20、石墨。由于铸铁的强度和硬度升高，显微组织得到改善，使得这种灰口铸度和硬度升高，显微组织得到改善，使得这种灰口铸铁具有良好的润滑性和抗咬合抗擦伤的能力。铁具有良好的润滑性和抗咬合抗擦伤的能力。中锰球墨铸铁中锰球墨铸铁在稀土镁球铁中加入在稀土镁球铁中加入5.09.5%Mn，控制，控制3.35.0%Si，其组织为马氏体，其组织为马氏体+奥氏体奥氏体+渗碳体渗碳体+贝氏贝氏体体+球状石墨，具有较高的冲击韧性和强度，适用于球状石墨，具有较高的冲击韧性和强度，适用于同时承受冲击和磨损条件下使用。同时承受冲击和磨损条件下使用。7-3-5 特殊性能铸铁特殊性能铸铁36(2)耐热铸铁耐热铸铁耐热铸铁是指在高温下

21、具有良好的抗氧化和抗耐热铸铁是指在高温下具有良好的抗氧化和抗生长能力的铸铁。在铸铁中加入硅、铝、铬等合金生长能力的铸铁。在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，使之在高温下形成一层致密的氧化膜元素，使之在高温下形成一层致密的氧化膜SiO2、Al2O3、Cr2O3等，使其内部不再继续氧化。这些元等，使其内部不再继续氧化。这些元素还会提高铸铁的临界点，使其在所使用的温度范素还会提高铸铁的临界点，使其在所使用的温度范围内不发生固态相变，以减少由此造成的体积变化，围内不发生固态相变，以减少由此造成的体积变化，防止显微裂纹的产生。防止显微裂纹的产生。37(3)耐蚀铸铁耐蚀铸铁p提高铸铁耐蚀性的主要途径是提高铸铁耐蚀性的主要途径是合金化合金化。p在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，能在铸铁在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，能在铸铁表面形成一层连续致密的保护膜，可有效地提高表面形成一层连续致密的保护膜，可有效地提高铸铁的抗蚀性。铸铁的抗蚀性。p在铸铁中加入铬、硅、钼、铜、镍、磷等合金元在铸铁中加入铬、硅、钼、铜、镍、磷等合金元素，可提高铁素体的电极电位，以提高抗蚀性。素，可提高铁素体的电极电位，以提高抗蚀性。p通过合金化，还可获得单相金属基体组织，减少通过合金化，还可获得单相金属基体组织，减少铸铁中的微电池，从而提高其抗蚀性。铸铁中的微电池，从而提高其抗蚀性。