第4章特种性能铸铁课件.ppt
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1、第四章第四章 特种性能铸铁特种性能铸铁 铸造合金及熔炼铸造合金及熔炼 第四章第四章 特种性能铸铁(特种性能铸铁(1学时)学时)第一节第一节 减摩铸铁减摩铸铁第二节第二节 冷硬铸铁冷硬铸铁第三节第三节 抗磨铸铁抗磨铸铁第四节第四节 耐热铸铁耐热铸铁第五节第五节 耐腐蚀铸铁耐腐蚀铸铁本章重点:常用特种性能铸铁的性能特点和用途。第一节第一节 减摩铸铁减摩铸铁一、石墨对铸铁减旅性的影响一、石墨对铸铁减旅性的影响二、基体组织对铸铁减摩性的影响二、基体组织对铸铁减摩性的影响三、常用的减魔铸铁三、常用的减魔铸铁(一)含磷铸铁(一)含磷铸铁在硬度相同条件下,各种组织在硬度相同条件下,各种组织的耐磨性:的耐磨性
2、:FPMB.含磷铸铁一般指磷含量高于含磷铸铁一般指磷含量高于 0.30 的灰铸铁。的灰铸铁。磷共晶硬度较高(磷共晶硬度较高(600800HV),以断续网状分布在金属基体中,且以断续网状分布在金属基体中,且不易剥落,对提高铸铁的耐磨性有不易剥落,对提高铸铁的耐磨性有利。利。(二)钒钛铸铁(二)钒钛铸铁是利用我国西南地区丰富的钒钛共生铁矿资源,开发出的一种铸铁。钒钛生铁中,一般是利用我国西南地区丰富的钒钛共生铁矿资源,开发出的一种铸铁。钒钛生铁中,一般含含0.3%0.5%V,含,含Ti0.15%0.35。这两种元素形成高硬度的碳化物和氮化物质点,。这两种元素形成高硬度的碳化物和氮化物质点,显微硬度
3、可达显微硬度可达9601840。弥散分布在基体中,可使铸铁的耐磨性大大提高。弥散分布在基体中,可使铸铁的耐磨性大大提高。(三)硼铸铁(三)硼铸铁第二节第二节 冷硬铸铁冷硬铸铁冷硬铸铁是通过一定的工艺方法,使铸件激冷层的组织形成白口或麻口,冷硬铸铁是通过一定的工艺方法,使铸件激冷层的组织形成白口或麻口,铸件内部组织仍保持灰口的铸铁,因此,冷硬铸铁具有铸件内部组织仍保持灰口的铸铁,因此,冷硬铸铁具有“外硬内韧外硬内韧”的特的特点,其外表具有高的耐磨性,同时又能承受较高的工作应力而不断裂,常点,其外表具有高的耐磨性,同时又能承受较高的工作应力而不断裂,常用于轧辊,凸轮轴和犁桦的制造。用于轧辊,凸轮轴
4、和犁桦的制造。一、冷硬铸铁的化学成分和组织特点一、冷硬铸铁的化学成分和组织特点冷硬铸铁的化学成分:冷硬铸铁的化学成分:2.9%3.8%C,0.25%0.8%Si,0.2%0.7%Mn,P0.5%,S0.12%,与普通灰铸铁相比,含硅量,与普通灰铸铁相比,含硅量 低。由此看出,冷硬铸铁低。由此看出,冷硬铸铁白口深度可以通过调整硅量完成白口深度可以通过调整硅量完成增加白口层增加白口层深度深度的方向依次为:的方向依次为:WMnMoCrSnV S B Te(最强);(最强);减小白口层减小白口层深度深度的方向依次为:的方向依次为:CSiTiNiCuCo P(最弱(最弱)。影响白口层影响白口层硬度硬度的
5、趋势依次按的趋势依次按 C Nb P Mn Cr Mo V Si AI Cu Ti S 的次序减弱。的次序减弱。冷硬铸铁的组织,可分成两到三个明显的区城:最外层为白口冷硬铸铁的组织,可分成两到三个明显的区城:最外层为白口区紧挨白口区的为麻口区,内层则为灰口区。有的冷硬铸铁区紧挨白口区的为麻口区,内层则为灰口区。有的冷硬铸铁只有麻门区和灰口区。只有麻门区和灰口区。冷硬铸铁激冷层组织:普通冷硬铸铁激冷层组织,由珠光体和冷硬铸铁激冷层组织:普通冷硬铸铁激冷层组织,由珠光体和共晶碳化物组成共晶碳化物组成;低合金冷硬铸铁激冷层组织,主要由索氏体低合金冷硬铸铁激冷层组织,主要由索氏体和少量贝氏体,加共晶碳
6、化物组成。和少量贝氏体,加共晶碳化物组成。麻口冷硬铸铁根据化学成分分成三类:普通麻口冷硬铸铁,合麻口冷硬铸铁根据化学成分分成三类:普通麻口冷硬铸铁,合金麻口冷硬铸铁和高合金麻口冷硬铸铁。组织与白口冷硬铸铁金麻口冷硬铸铁和高合金麻口冷硬铸铁。组织与白口冷硬铸铁相比不同的是,铸件从外层到内层都含有石墨。相比不同的是,铸件从外层到内层都含有石墨。二、冷硬铸铁的获得与性能特点二、冷硬铸铁的获得与性能特点冷硬铸铁件的生产工艺,主要有两种:一种是在铸件需要激冷冷硬铸铁件的生产工艺,主要有两种:一种是在铸件需要激冷部位放置蓄热系数大的铸型,如金属型或石墨型;另一种是采部位放置蓄热系数大的铸型,如金属型或石墨
7、型;另一种是采用复合铸造的方法,先浇入一种成分的金属液,隔一定的时间,用复合铸造的方法,先浇入一种成分的金属液,隔一定的时间,再浇入另外一种成分的金属液,两种金属通过冶金结合形成一再浇入另外一种成分的金属液,两种金属通过冶金结合形成一个整体。如轧辊生产。个整体。如轧辊生产。对激冷层质量影响大的工艺参数有:对激冷层质量影响大的工艺参数有:(1)炉料性质炉料性质 炉料中白口铸铁的比例增加,铸件的白口深度亦会增加,如表炉料中白口铸铁的比例增加,铸件的白口深度亦会增加,如表 4-5 所示。所示。(2)熔炼工艺增加铁液过热度及延长铁液在高温时的保持时间,都能使铁液形核能力)熔炼工艺增加铁液过热度及延长铁
8、液在高温时的保持时间,都能使铁液形核能力降低,白口层深度增加,如表降低,白口层深度增加,如表 4-6 所示。所示。浇注温度也影响白口层深度。其规律为:随浇注温度提高,白浇注温度也影响白口层深度。其规律为:随浇注温度提高,白口深度减小,因为浇注温度提高时,铸型预热充分,共晶凝固口深度减小,因为浇注温度提高时,铸型预热充分,共晶凝固期间结晶速度减慢。期间结晶速度减慢。(3)铸型工艺)铸型工艺 冷铁厚度是影响白口层深度的主要因素。生产中一般取冷铁厚度与冷铁厚度是影响白口层深度的主要因素。生产中一般取冷铁厚度与铸件璧厚的比例为铸件璧厚的比例为 1 24,铸件壁厚小时,取下限,铸件壁厚大时,取上限。,铸
9、件壁厚小时,取下限,铸件壁厚大时,取上限。C、Si对白口层深度的影响见图对白口层深度的影响见图4-5和图和图4-6。麻口冷硬铸铁的显微组织。麻口冷硬铸铁的显微组织。激冷层中含有渗碳和石墨,与白口冷硬铸铁相比,韧性好,承受热冲击性能激冷层中含有渗碳和石墨,与白口冷硬铸铁相比,韧性好,承受热冲击性能好,工作中不易发生龟裂和剥落。图好,工作中不易发生龟裂和剥落。图 4-7 是含石墨高铬铸铁的组织,图中白是含石墨高铬铸铁的组织,图中白色区域为(色区域为(Cr、Fe)7C 3形碳化物,图形碳化物,图 4-7a 中的石墨呈片状,而图中的石墨呈片状,而图 4-7b 中为球状石墨。中为球状石墨。由图可见,普通
10、高由图可见,普通高铬祷铁的裂纹萌生铬祷铁的裂纹萌生期长,一定循环次期长,一定循环次数后有失稳扩展现数后有失稳扩展现象,而含石墨的高象,而含石墨的高铬铸铁,裂纹萌生铬铸铁,裂纹萌生相对容易,但在试相对容易,但在试验范围内验范围内,随循环周次的增,随循环周次的增加,裂纹扩展速率加,裂纹扩展速率是减小的,未出现是减小的,未出现失稳扩展现象,这失稳扩展现象,这一试验证明,麻一试验证明,麻冷硬铸铁热冲击性冷硬铸铁热冲击性能要好于白口冷硬能要好于白口冷硬铸铁。铸铁。麻口冷硬铸铁麻口冷硬铸铁激冷层硬度虽随距轧辊表面距离加大有激冷层硬度虽随距轧辊表面距离加大有所降低,但硬度梯度平缓,与白口硬铸铁有较大区别,如
11、图所降低,但硬度梯度平缓,与白口硬铸铁有较大区别,如图 4-9。三、冷硬铸铁的应用三、冷硬铸铁的应用冶金用轧辊、造纸,像胶、榨油、制粉、制糖、棉纺、毛纺等行业使冶金用轧辊、造纸,像胶、榨油、制粉、制糖、棉纺、毛纺等行业使用的轧辊。用的轧辊。冷硬铸铁轧辊的铸造方法,目前有三种:一体铸造、溢冷硬铸铁轧辊的铸造方法,目前有三种:一体铸造、溢流铸造和离心铸造。流铸造和离心铸造。1、冶金类轧辊、冶金类轧辊2、内燃机气门挺柱和凸轮轴、内燃机气门挺柱和凸轮轴3、农用犁铧、犁镜、农用犁铧、犁镜第三节第三节 抗磨铸铁抗磨铸铁用于抵杭磨料磨损的铸铁,一般叫抗磨铸铁。用于抵杭磨料磨损的铸铁,一般叫抗磨铸铁。一、普通
12、白口铸铁一、普通白口铸铁化学成分:具有高碳低硅的特点。化学成分:具有高碳低硅的特点。2.2%3.6%C,Si1.0%,Mn1.0%。性能:低碳白口铸铁(性能:低碳白口铸铁(2.5C)的硬度约为)的硬度约为 375HBS,而含,而含碳量(碳量(3.6 以上)高时,其硬度将增至以上)高时,其硬度将增至 600HBW组织:珠光体渗碳体。组织:珠光体渗碳体。所谓镍硬白口铸铁,主要指含镍铬的白口铸铁。所谓镍硬白口铸铁,主要指含镍铬的白口铸铁。二、镍硬白口铸铁二、镍硬白口铸铁应用:抗磨料磨损的场合。如冶金轧辊,球磨机及辊磨机衬板、应用:抗磨料磨损的场合。如冶金轧辊,球磨机及辊磨机衬板、磨球,平盘磨辊套,磨
13、球,平盘磨辊套,E 型磨磨环,杂质泵过流件、灰渣输送型磨磨环,杂质泵过流件、灰渣输送管道等。管道等。化学成分:镍硬白口铸铁的化学成分,如表化学成分:镍硬白口铸铁的化学成分,如表 4-13 所示所示铸态组织:共晶碳化物铸态组织:共晶碳化物+马氏体。马氏体。三、铬系白口铸铁三、铬系白口铸铁组织特点:基体组织特点:基体+碳化物碳化物基体:一般以珠光体或马氏体使用。基体:一般以珠光体或马氏体使用。碳化物:随铬的增加而变化碳化物:随铬的增加而变化M3C(1001230HV)M7C3(13001800HV)M23C6(1400HV)一般一般 M 3c 型碳化物为连续网状或板状形貌(如图型碳化物为连续网状或
14、板状形貌(如图-19所示)所示)图 4-20高铬铸铁中碳化物形貌a),b)含铬15%高铬铸铁的碳化物形貌,大部分为M7C3型碳化物 c)d)含铬27%高铬 铸铁的碳化物形貌,大部分为M23c6碳化物abcd(一)低铬白口铸铁(一)低铬白口铸铁为扩大普通白口铸铁的应用范围,提高其韧性与耐磨性,在普为扩大普通白口铸铁的应用范围,提高其韧性与耐磨性,在普通白口铸铁中加入通白口铸铁中加入 1.0%50%Cr,就形成了低铬铸铁。,就形成了低铬铸铁。低铬铸铁一般以珠光体低铬铸铁一般以珠光体+合金碳化物状态使用。碳化物形貌也有所改善。合金碳化物状态使用。碳化物形貌也有所改善。低铬铸铁主要应用于球磨机磨球,磨
15、球硬度可在低铬铸铁主要应用于球磨机磨球,磨球硬度可在 400550HBW 内变动。见表内变动。见表4-15。(二)中铬白口铸铁(二)中铬白口铸铁为取代镍硬为取代镍硬 IV 型铸铁,我国发展出了一种含铬型铸铁,我国发展出了一种含铬 7%11 的的中铬白口铸铁,其中完全不含镍。铸铁中碳化物为中铬白口铸铁,其中完全不含镍。铸铁中碳化物为 M7C3 和和 M3C混合的形式,其耐磨性和韧性介于高铬铸铁和低铬铸铁之混合的形式,其耐磨性和韧性介于高铬铸铁和低铬铸铁之间。组织如图间。组织如图4-21。珠光体。珠光体+碳化物。碳化物。(三)高铬白口铸铁(三)高铬白口铸铁含铬量在含铬量在 12%28 之间的白口铸
16、铁就是高铬白口铸铁。抗之间的白口铸铁就是高铬白口铸铁。抗拉强度可高达拉强度可高达 3100MPa。组织:。组织:P+M7C3或或M+M7C3。表4-15 球磨机用低铬铸铁磨球的耐磨性(ASM)表4-16中铬白口铸铁与镍硬 铸铁的力学性能对比图4-21中铬白口铸铁的金相组织15Cr-3Mo铸铁的基体组织对磨损失重的影响:铸铁的基体组织对磨损失重的影响:铁素体铁素体 70200HV珠光体珠光体 300460HV 奥氏体奥氏体 300600HV 马氏体马氏体5001000HV表表4-17 15Cr-3Mo铸铁的基体组织对磨损失重的影响铸铁的基体组织对磨损失重的影响图图4-22高铬铸铁空淬能淬透高铬铸
17、铁空淬能淬透 的最大直径与铬碳比的最大直径与铬碳比 及铝含量的关系及铝含量的关系1 高铬白口铸铁的化学成分碳化物数量可以用下式来估算铬与碳的比值铬与碳的比值 C/Cr影响铸铁影响铸铁中中M7C3 型碳化物的相对数量。型碳化物的相对数量。一般一般 Cr/C 大于大于 5 就能获得大就能获得大部分的部分的M7C3 型碳化物;同时型碳化物;同时铬碳比越高,铸铁的淬透性也铬碳比越高,铸铁的淬透性也增加图增加图 4-22 表示了铬碳比表示了铬碳比与工件最大淬透直径的关系。与工件最大淬透直径的关系。表4-18常用高铬铸铁成分2 高铬白口铸铁的铸造工艺高铬白口铸铁的铸造工艺高铬白口铸铁铸造性能特点:热导率低
18、、收缩性大、塑性差、切削性能差。高铬白口铸铁铸造性能特点:热导率低、收缩性大、塑性差、切削性能差。白口铸铁的铸造工艺:采用冒口和冷铁,遵守顺序凝固,模型缩尺可取白口铸铁的铸造工艺:采用冒口和冷铁,遵守顺序凝固,模型缩尺可取 2%。冒口尺寸按碳钢设计,浇注系统横截面积比灰铸铁增加。冒口尺寸按碳钢设计,浇注系统横截面积比灰铸铁增加2030%。冒口宜用侧冒口或易割冒口。冒口宜用侧冒口或易割冒口。高铬白口铸铁的熔炼:电炉。高铬白口铸铁的熔炼:电炉。浇注温度:不要太高,一般比液相线温度高浇注温度:不要太高,一般比液相线温度高 55,小件可为,小件可为 138 01420,厚厚 100mm 以上的铸件可更
19、低些,在以上的铸件可更低些,在 13501400 。3 高铬白口铸铁的热处理高铬白口铸铁的热处理淬火时的冷却是连续冷却过程,可用连续冷却转变曲线(淬火时的冷却是连续冷却过程,可用连续冷却转变曲线(CCT 曲线)来描曲线)来描述高铬铸铁的转变规律。图述高铬铸铁的转变规律。图 4-23 和图和图 4-24 是两种典型高铬铸铁的连续冷是两种典型高铬铸铁的连续冷却转变曲线。却转变曲线。F.Moratray 等人通过大量的模拟试验,得出了空淬时不出现等人通过大量的模拟试验,得出了空淬时不出现珠光体的最大直径珠光体的最大直径 D 图4-23 15Cr-3M。高铬白口铸铁的连续冷却转变曲线铸铁成分:C2.5
20、1%,Cr14.70%,Mo2.62%,SiO.47%,MnO.80%TA一奥氏体化温度Ac1,一加热时共析温度的下限,圆圈中数字为HV硬度值%图4-24 15Cr-2Mo-1Cu高铬白口铸铁的连续冷却转变曲线铸铁成分:C3.32Yo%Cr14.63%,Mot.08%。Cul.02%S10.58%.MnO.72%tA一奥氏体化时间 图图4-25碳对高铬铸铁抗弯强度碳对高铬铸铁抗弯强度6bb、抗、抗 拉强度拉强度b和挠度和挠度f的影响的影响 a)200回火回火 b)淬火及淬火及200回火回火成分:成分:Si:0.6 Mn:0.8%Cr:12;一一14%,Mo:l.5%4 高铬白口铸铁的力学性能高
21、铬白口铸铁的力学性能高铬铸铁的力学性能指高铬铸铁的力学性能指标主要有:硬度、韧性标主要有:硬度、韧性和强度。影响这些指标和强度。影响这些指标的主要因素无非是碳化的主要因素无非是碳化物类型与数量,以及基物类型与数量,以及基体类型。体类型。影响碳化物数量的主要影响碳化物数量的主要因素是铸铁的含碳量。因素是铸铁的含碳量。由表由表 4-19 可见,当铬可见,当铬量不变时,随含碳量的量不变时,随含碳量的增加,硬度增加,而断增加,硬度增加,而断裂韧性降低。图裂韧性降低。图4-25则则表明增加碳含量使强表明增加碳含量使强度性能降低。度性能降低。表表1-19 碳对高铬白口铸铁(碳对高铬白口铸铁(Cr15%)硬
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