第四章-金属材料铸铁与有色金属-PPT精选课件.ppt
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1、第四章第四章 金属材料金属材料铸铁是含碳量大于铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。磷等元素的多元铁基合金。铸铁是历史上使用得较早的材料,也是最便宜的金属材料之一。同时它具有优良的铸造性、切削加工性、减摩性、吸振性、低的缺口敏感性、生产简便、成本低廉等生产简便、成本低廉等优点,是是应用最广泛的材料之一应用最广泛的材料之一。比如,在汽车发动机中,铸铁占80%。同钢一样,铸铁也是Fe、C元素为主的铁基材料,但是它含碳量很高(碳含量大于2.11),达到亚共晶、共晶或过共晶成分,而且铸铁成型制成零件毛坯只能用铸造方法,不能用锻造或轧制方法。铸铁应
2、用举例铸铁应用举例铸铁曲轴铸铁曲轴机床床身机床床身单缸柴油发动机缸体单缸柴油发动机缸体4.2.1 4.2.1 铸铁分类铸铁分类铸铁分类方法较多,按铸铁的使用性能、断口特点或成分铸铁分类方法较多,按铸铁的使用性能、断口特点或成分特征,可将铸铁分为特征,可将铸铁分为5类。类。1、灰口铸铁、灰口铸铁2、球墨铸铁、球墨铸铁3、白口铸铁、白口铸铁4、可锻铸铁、可锻铸铁5、合金铸铁、合金铸铁断口呈暗灰色,碳全部或大部分以片状石墨形式存在断口呈暗灰色,碳全部或大部分以片状石墨形式存在铁液经球化处理,石墨全部或大部分以球状形式存在铁液经球化处理,石墨全部或大部分以球状形式存在断口呈银白色,碳除少量溶于铁素体外
3、,其余以渗碳断口呈银白色,碳除少量溶于铁素体外,其余以渗碳体形式存在体形式存在白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳的可锻过处理,石墨白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳的可锻过处理,石墨呈团絮状。虽有较高的韧性,但不可锻。呈团絮状。虽有较高的韧性,但不可锻。低合金、中合金(低合金、中合金(510%)和高合金)和高合金灰口铸铁灰口铸铁白口铸铁白口铸铁球墨铸铁球墨铸铁铸铁铸铁名称名称石墨石墨形态形态基体基体组织组织编编 号号 方方 法法牌号实例牌号实例灰铸铁灰铸铁片状片状FHT+一组数字一组数字数字表示最低抗拉强度值数字表示最低抗拉强度值(Mpa)“HT”表示灰铸铁代号表示灰铸铁代号HT100F+PHT150PH
4、T200可锻铸铁可锻铸铁团团絮絮状状FKTH+两组数字两组数字KTB+两组数字两组数字KTZ+两组数字两组数字KTH300-06表表F心心PKTB350-04PKTZ450-06球墨铸铁球墨铸铁球状球状FQT+两组数字两组数字第一组数字表示最低抗拉强第一组数字表示最低抗拉强度值,度值,MPa;第二组数字表示最低伸长率第二组数字表示最低伸长率值,值,%。“QT”表示表示 球墨铸铁代号球墨铸铁代号QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨铸铁蠕墨铸铁蠕蠕虫虫状状FRuT+一组数字一组数字数字表示最低抗拉强度值数字表示最低抗拉强度值,MPa。“RuT”表示蠕墨铸铁代号表示蠕墨铸铁代号R
5、uT260F+PRuT300PRuT420铸铁的分类与牌号表示方法铸铁的分类与牌号表示方法 4.2.2 4.2.2 铸铁的石墨化铸铁的石墨化石墨是碳的单质之一,其强度、塑性、韧性几乎为零。铸石墨是碳的单质之一,其强度、塑性、韧性几乎为零。铸铁中的铁中的碳除少量固溶于基体中外,主要以化合态的渗碳体碳除少量固溶于基体中外,主要以化合态的渗碳体(Fe3C)和游离态的石墨和游离态的石墨(G)两种形式存在两种形式存在。在前面介绍过在前面介绍过Fe-FeFe-Fe3 3C C相图,按相图,按这张相图自液态冷却下来的这张相图自液态冷却下来的Fe-CFe-C合金合金固态一般为固态一般为铁素体及渗碳体铁素体及渗
6、碳体两相。两相。实实际上渗碳体只是一个亚稳定相,石墨际上渗碳体只是一个亚稳定相,石墨才是稳定相。才是稳定相。因此描述铁碳合金组织因此描述铁碳合金组织转变的相图实际上有两个,转变的相图实际上有两个,一个是一个是Fe-Fe-FeFe3 3C C系相图,另一个是系相图,另一个是Fe-GFe-G系相图。系相图。把两者迭合在一起,就得到一个双重把两者迭合在一起,就得到一个双重相图。相图。Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图L+GL+Fe3CFe-Fe3C和和Fe-G双重相图双重相图D1 1、铸铁的石墨化、铸铁的石墨化铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨
7、化。铸铁中的石墨可以在铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出结晶过程中直接析出,也可以由渗碳体加热时分解得到。也可以由渗碳体加热时分解得到。石墨化分三个阶段石墨化分三个阶段 液相冷却到液相冷却到CD后,开后,开始析出一次石墨始析出一次石墨(GI)DC 液相冷却液相冷却ECF线线后,开后,开始发生共晶转变始发生共晶转变第一阶段第一阶段LC+G共晶共晶AE1154C第二阶段第二阶段DC 在在共晶温度和共析温度之共晶温度和共析温度之间(间(1154738C),),碳碳在奥氏体中的溶解度降低,在奥氏体中的溶解度降低,开始析出二次石墨(开始析出二次石墨(GII)+GIIASAE1154738C第三阶段第三
8、阶段+G共析共析FP738CAS 在在共析温度时,发生共析共析温度时,发生共析转变转变铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系(以共晶铸铁为例)(以共晶铸铁为例)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、二第一、二阶段石墨阶段石墨化化 第三阶段第三阶段石墨化石墨化 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Le+P+G麻口铸铁麻口铸铁未进行未进行未进行未进行Le白口铸铁白口铸铁3、影响石墨化的因素、影响石墨化的因素(1)化学成分的影响)化学
9、成分的影响 碳和硅是强烈促进石墨化的元素碳和硅是强烈促进石墨化的元素碳、硅含量过低,易出现碳、硅含量过低,易出现白口组织,白口组织,力学性能和铸力学性能和铸造性能变差。造性能变差。碳、硅含量过高碳、硅含量过高,会使石墨会使石墨数量多且粗大,数量多且粗大,基体内铁基体内铁素体量增多,降低铸件的素体量增多,降低铸件的性能。性能。白口铸铁白口铸铁灰口铸铁灰口铸铁碳、硅含量对铸铁石墨化的影响碳、硅含量对铸铁石墨化的影响麻口铸铁麻口铸铁 碳、硅量控制范围:碳、硅量控制范围:2.54.0%C2.54.0%C,1.03.0%Si1.03.0%Si。Al、Cu、Ni、Co等元素对石墨化有促进作用等元素对石墨化
10、有促进作用 S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素阻碍石墨化等元素阻碍石墨化磷可微弱促进石墨化,磷可微弱促进石墨化,但其含量高时易在晶界上形成硬而脆的磷共晶,但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,降低铸铁的强度,只有耐磨铸铁中磷含量偏高只有耐磨铸铁中磷含量偏高(达达0.3%以上以上)。(2)冷却速度的影响)冷却速度的影响 铸件冷却缓慢,有铸件冷却缓慢,有利于碳原子的充分利于碳原子的充分扩散,结晶将按扩散,结晶将按Fe-G相图进行,因相图进行,因而促进石墨化。而促进石墨化。快冷时由于过冷度快冷时由于过冷度大,结晶将按大,结晶将按 Fe-Fe3C相图进行相图进行,不利不利于石墨化于
11、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 WC+Wsi(%)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 4.2.3 铸铁的特点及分类铸铁的特点及分类工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。1、铸铁的组织特点、铸铁的组织特点钢的基体钢的基体+G(石墨)(石墨)基体组织有基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种三种。F+GF+P+GP+G 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
12、量。铸造性能好。铸造性能好。由于铸铁硅含量高由于铸铁硅含量高,成分接近于共晶成分接近于共晶.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。2、铸铁的性能特点、铸铁的性能特点 力学性能低。力学性能低。由于石由于石墨相当于钢基体中的墨相当于钢基体中的裂纹或空洞,破坏了裂纹或空洞,破坏了基体的连续性,且易基体的连续性,且易导致应力集中。导致应力集中。铸铁与铸钢的强度比较铸铁与铸钢的强度比较工业铸铁的成分范围工业铸铁的成分范围温度温度快冷中速冷却中速冷却缓冷缓冷缓冷快冷白口铸铁珠光体灰铸铁铁素体灰铸铁铁素体球墨铸铁珠光体球墨铸铁珠光体可锻铸铁铁素体可锻铸铁石墨
13、化退火中速冷却缓冷珠光体蠕墨铸铁铁素体蠕墨铸铁Si/Mg/Ce4.2.4 常用常用铸铁铸铁一、灰铸铁一、灰铸铁灰口铸铁是价格最便宜、应用最广泛的一种铸铁,在各灰口铸铁是价格最便宜、应用最广泛的一种铸铁,在各类铸铁的总产量中,灰口铸铁占类铸铁的总产量中,灰口铸铁占80%80%以上。以上。灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。1 1、成分和牌号、成分和牌号2.54.0%C,1.03.0%Si,0.251.0%Mn,0.020.20%S,0.050.50%PHT三位数字三位数字HT为灰铁汉语拼音的字首为灰铁汉语拼音的字首后续的三位数表示直径为后续的三位数表示直径为3
14、0mm铸件铸件试样的最低抗拉强度试样的最低抗拉强度b(MPa)2 2、组织特点、组织特点灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢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,冷却时通过石墨化过程形成的,其基体组织有其基体组织有铁素体、珠光体和铁素体、珠光体和铁素体加珠光体铁素体加珠光体三种。三种。铁素体灰铸铁铁素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灰铸铁珠光体灰铸铁(1 1)力学性能低)力学性能低其其抗拉强度和塑性韧性抗拉强度和塑性韧性都远远低于钢。但是,灰口铸铁在受压时石墨片都远远低于钢。但是,灰口铸铁在受压时石墨片破坏基体连续性的影响则大为减轻,其破坏基体连续性的影响则大为
15、减轻,其抗压强度是抗拉强度的抗压强度是抗拉强度的2.52.54 4倍倍。所以常用。所以常用灰口铸铁制造机床床身、底座等耐压零部件灰口铸铁制造机床床身、底座等耐压零部件。(2 2)耐磨性与消震性好)耐磨性与消震性好由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油,所以耐磨性好。同样,由于石墨的由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油,所以耐磨性好。同样,由于石墨的存在,存在,灰口铸铁的消震性优于钢灰口铸铁的消震性优于钢。(3 3)工艺性能好)工艺性能好由于由于灰口铸铁含碳量高,接近于共晶成分,故熔点比较低,流动性良好,灰口铸铁含碳量高,接近于共晶成分,故熔点比较低,流动性良好,收缩率小,因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件收缩
16、率小,因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件。另外,由于石。另外,由于石墨使切削加工时易于形成断屑,所以灰口铸铁的可切削加工性优墨使切削加工时易于形成断屑,所以灰口铸铁的可切削加工性优于钢。于钢。灰口铸铁的性能与普通碳钢相比,具有如下特点:灰口铸铁的性能与普通碳钢相比,具有如下特点:3 3、性能特点、性能特点4 4、灰口铸铁的孕育处理、灰口铸铁的孕育处理细化片状石墨,提高力学性能细化片状石墨,提高力学性能目的目的细珠光体基体上分布着细小片状石墨细珠光体基体上分布着细小片状石墨组织组织原因原因在铸造之前向铁液中在铸造之前向铁液中加入了孕育剂(或称变质剂加入了孕育剂(或称变质剂硅硅铁和硅钙合金铁和硅钙合
17、金),结晶时石墨晶核数目增多,石),结晶时石墨晶核数目增多,石墨片尺寸变小,墨片尺寸变小,更为均匀地分布在基体中。更为均匀地分布在基体中。结果结果不仅不仅强度有较大提高,而且塑性和韧性也有改善强度有较大提高,而且塑性和韧性也有改善。同时,由于孕育剂的加入,还可使铸铁同时,由于孕育剂的加入,还可使铸铁对冷却速对冷却速度的敏感性显著减少度的敏感性显著减少,使各部位都能得到均匀一,使各部位都能得到均匀一致的组织。致的组织。举例举例HT250、HT300、HT350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,也称变质铸铁孕育处理前孕育处理前孕育处理后孕育处理后5 5、灰口铸铁的热处理
18、、灰口铸铁的热处理热处理只改变铸铁的基体组织,不改变石墨的形态和分布状态,热处理只改变铸铁的基体组织,不改变石墨的形态和分布状态,但可以消除铸件的内应力、白口组织和提高铸件表面的耐磨性。但可以消除铸件的内应力、白口组织和提高铸件表面的耐磨性。消除内应力退火消除内应力退火(又称人工时效又称人工时效)将铸件缓慢加热至将铸件缓慢加热至500600C适当保温(每适当保温(每100mm截面保温截面保温2h)后,随)后,随炉缓冷至炉缓冷至150200C出炉空冷,内应力可以消除出炉空冷,内应力可以消除90%。灰铸铁常用的热处理有:灰铸铁常用的热处理有:消除白口组织退火(高温退火)消除白口组织退火(高温退火)
19、将铸件加热至将铸件加热至850950C保温保温14h后,随炉缓冷至后,随炉缓冷至400500C出炉空冷,出炉空冷,最终得到最终得到铁素体或铁素体加珠光体基体铁素体或铁素体加珠光体基体,从而消除白口、降低硬度。,从而消除白口、降低硬度。表面淬火表面淬火针对某些表面硬度和耐磨性要求高的大型铸件,在机加工后快速加热对表针对某些表面硬度和耐磨性要求高的大型铸件,在机加工后快速加热对表面进行淬火处理,淬火后表面组织为面进行淬火处理,淬火后表面组织为马氏体加石墨马氏体加石墨。6、用途、用途制造承受压力和震动的零件制造承受压力和震动的零件,如如机床床身、各种箱体、壳体、机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体泵
20、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)变速箱体变速箱体牌号牌号铸件壁厚铸件壁厚/mm/mm 最小抗拉强度最小抗拉强度 b b/MPa/MPa显微组织显微组织用途用途基体石墨HT1002.5102030102030501301009080F+P粗粗片状片状适于制造载荷小、对摩擦和磨损无特殊适于制造载荷小、对摩擦和磨损无特殊要求的不重要的简单铸件,如防护罩、要求的不重要的简单铸件,如防护罩、盖、手轮、支架、以及钢锭模、冶矿设盖、手轮、支架、以及钢锭模、冶矿设备中的高炉平衡锤、炼炉重锤等备中的高炉平衡锤、炼炉重锤等HT1502.51
21、0203010203050175145130120F+P较粗较粗片状片状用于制造承受中等载荷的铸件,如机座、用于制造承受中等载荷的铸件,如机座、刀架、床身、工作台、箱体、轴承座、刀架、床身、工作台、箱体、轴承座、支架、带轮、端盖、泵体、阀体、阀盖、支架、带轮、端盖、泵体、阀体、阀盖、进排气管等进排气管等HT2002.510203010203050220195170160P中等中等片状片状用于制造承受较大载荷和要求一定气密用于制造承受较大载荷和要求一定气密性或耐蚀性等重要铸件,如机床床身、性或耐蚀性等重要铸件,如机床床身、立柱、齿轮箱、汽缸、活塞、刹车轮、立柱、齿轮箱、汽缸、活塞、刹车轮、联轴器
22、盘、中等压力阀体等联轴器盘、中等压力阀体等HT2504.010203010203050270240220200P较细较细片状片状适于制造汽缸、油缸、衬筒、泵体、阀适于制造汽缸、油缸、衬筒、泵体、阀体、齿轮箱体、齿轮、划线平板、水平体、齿轮箱体、齿轮、划线平板、水平仪、内燃机的活塞环等仪、内燃机的活塞环等HT300102030203050290250230S或或T细小细小片状片状适于制造承受高载荷、耐磨和高气密性适于制造承受高载荷、耐磨和高气密性重要铸件,如重型机床、剪床、压力机重要铸件,如重型机床、剪床、压力机及自动车床的床身、机座、机架,高压及自动车床的床身、机座、机架,高压液压件,活塞环,
23、受力较大的齿轮、凸液压件,活塞环,受力较大的齿轮、凸轮、衬套,大型发动机的曲轴、汽缸体、轮、衬套,大型发动机的曲轴、汽缸体、汽缸套等汽缸套等HT350102030203050340290260S或或T细小细小片状片状灰口铸件的分类、牌号、组织及用途灰口铸件的分类、牌号、组织及用途灰口铸铁的牌号、性能、组织及用途灰口铸铁的牌号、性能、组织及用途二、二、球墨铸铁球墨铸铁在浇注前向铁水中加入在浇注前向铁水中加入球化剂和孕育剂球化剂和孕育剂进行球化处理和孕育处理,进行球化处理和孕育处理,则可获得则可获得石墨呈球状分布的铸铁石墨呈球状分布的铸铁,称为,称为球墨铸铁,简称球墨铸铁,简称“球铁球铁”。1 1
24、、成分和牌号、成分和牌号3.53.9%C 为了获得共晶成分的铸件为了获得共晶成分的铸件0.020.06%RE,0.030.06%Mg球化剂球化剂S0.06%硫与镁、稀土具有很强的亲和力硫与镁、稀土具有很强的亲和力2.02.6%Si镁和稀土是阻止石墨化的元素,需要加入硅铁进行孕育处理镁和稀土是阻止石墨化的元素,需要加入硅铁进行孕育处理P0.1%,0.61.0%Mnl牌号表示:牌号表示:QT数字数字数字数字QT为球铁汉语拼音的字首为球铁汉语拼音的字首两组的数字分别表示最低抗拉强度和最低延伸率 QT400172 2、组织特征、组织特征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
25、球墨铸铁 珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁 球墨铸铁的显微组织由球墨铸铁的显微组织由球形石墨和球形石墨和金属基体金属基体两部分组成。随着成分和两部分组成。随着成分和冷却速度的不同,球铁在铸态下的冷却速度的不同,球铁在铸态下的金属基体可分为金属基体可分为铁素体、铁素体加铁素体、铁素体加珠光体、珠光体珠光体、珠光体三种。三种。3 3、性能特点、性能特点 球状石墨应力集中小,对金属基体的削弱小,基体强度利用率球状石墨应力集中小,对金属基体的削弱小,基体强度利用率高。与灰口铸铁相比,高。与灰口铸铁相比,具有较高的强度、硬度和塑性具有较高的强度、硬度和塑性。球状石墨直径越小,越分散,力学性能越好。球状石墨直
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