鑄鐵石墨化膨脹凝固熱處理等

1、鑄鐵不是純鐵，它是一種以Fe、C、Si為主要成分且在結(jié)晶過程中具有共晶轉(zhuǎn)變的多元鐵基合金?；瘜W(xué)成分一般為：C2.5%-4.0%、Si1.0%一3，0%、P0.4%1.5%、S0.02%-02%。為了提高鑄鐵的機(jī)械性能 ，通常在鑄鐵成分中添加少量Cr、Ni、C。、Mi、等合金元素制成合金鑄鐵。 1 鑄鐵的特點(diǎn)和分類 一、鑄鐵的特點(diǎn) 1.成分與組織特點(diǎn) 鑄鐵與碳鋼相比較，其化學(xué)成分中除了有較高的C、Si含量外(C2.5%4，0%、Si1.0%一3.0%)，還含有較高的雜質(zhì)元素Mn、P，S，在特殊性能的合金鑄鐵中，還含有某些合金元素。所有這些元素的存在及其含量，都將直接影響鑄鐵的組織和性能。 由于鑄

2、鐵中的碳主要是以石墨(G)形式存在的，所以鑄鐵的組織是由金屬基體和石墨所組成的。鑄鐵的金屬基體有珠光體、鐵素體和珠光 體加鐵素體三類，它們相當(dāng)于鋼的組織。因此，鑄鐵的組織特點(diǎn)，可以看成是在鋼的基體上分布著不同形狀的石墨。 2.鑄鐵的性能特點(diǎn) 鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性和韌性要比碳鋼低。雖然鑄鐵的機(jī)械性能不如鋼，但由于石墨的存在，卻賦予鑄鐵許多為鋼所不及的性能。如良好的耐磨性、高消振性、低缺口敏感性以及優(yōu)良的切削加工性能。此外 ，鑄鐵的碳含量高，其成分接近于共晶成分，因此鑄鐵的熔點(diǎn)低，約為1200左右，鐵水流動(dòng)性好，由于石墨結(jié)晶時(shí)體積膨脹，所以傳送收縮率小，其鑄造性能優(yōu)于鋼，因而通常采用鑄造方法制成鑄

3、件使用，故稱之為鑄鐵。 二、鑄鐵的分類 鑄鐵的分類方法很多。根據(jù)碳存在的形式可分為三種： 1.白口鑄鐵(簡稱白口鐵) 白口鑄鐵中的碳主要以滲碳體(Cm)形式存在，斷口呈白亮色。其性能硬而脆，切削加工困難。除少數(shù)用來制造硬度高、耐磨、不需要加工的零件或表面要求硬度高、耐磨的冷硬鑄件外(如破碎機(jī)的壓板、軋輥、火車輪等 )，還可作為煉鋼原料和可鍛鑄鐵的毛坯。 2.灰口鑄鐵(簡稱灰口鐵) 灰口鑄鐵中的碳主要以片狀石墨的形式存在，斷口呈灰色?；铱阼T鐵具有良好的鑄造性能和切削加工性能，且價(jià)格低廉，制造方便，因而應(yīng)用比較廣泛。 3.麻口鑄鐵(簡稱麻口鐵) 麻口鑄鐵中的碳既以滲碳體形式存在，又以石墨狀態(tài)存在。

4、斷口來雜著白亮的游離滲碳體和暗灰色的石墨，故稱為麻口鐵。生產(chǎn)中很少用麻口鐵。 根據(jù)石墨形狀的不同，將鑄鐵分為以下四種： (1)灰口鑄鐵，鑄鐵中的石墨形狀呈片狀。 (2)蠕墨鑄鐘持鐵中的石墨大部分為短小蠕蟲狀 (3)球墨鑄鐵(又稱瑪鐵、瑪鋼)，鑄鐵中的石墨是不規(guī)則團(tuán)絮狀。 (4)球墨鑄鐵：鑄鐵中的石墨呈球狀。 此外，為了獲得某些特殊性能，應(yīng)使鑄鐵中的常規(guī)元素高干規(guī)定的含量，并且加入一定的合金元素，此稱之為 特殊性能鑄鐵。例如、耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵和耐蝕鑄鐵等。 2 鑄鐵的結(jié)晶 通過金屬學(xué)的學(xué)習(xí)我們已經(jīng)知道，鑄鐵的結(jié)晶過程和組織轉(zhuǎn)變依化學(xué)成分和鑄造工藝條件不同，可以按Fe-Fe3C系進(jìn)行或者按Fe-

5、G系進(jìn)行。研究鑄鐵時(shí)為了方便起見 ，通常將這兩種狀態(tài)圖疊加在一起稱為Fe-C合金雙重狀態(tài)圖，如圖所示。由圖可見，亞共晶成分的發(fā)口鑄鐵(簡稱灰鑄鐵)結(jié)晶時(shí)，首先拆出的是初生奧氏體A，以后殘留下的液相再經(jīng)過共晶轉(zhuǎn)變 ，變?yōu)楣虘B(tài)。共晶轉(zhuǎn)變完畢后繼續(xù)冷卻時(shí)，還要發(fā)生碳自A中脫港析出那以后的共折轉(zhuǎn)變，完成結(jié)晶過程，形成亞共晶鑄鐵的最終紛紛通常把初生A的析出和以后共晶轉(zhuǎn)變稱為鑄鐵的一次結(jié)晶；而把凝固后進(jìn)行的碳自A中的 脫溶、共析轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶。 一次結(jié)晶決定了鑄鐵的晶粒大小、石墨形狀和分布，二次結(jié)晶決定了鑄鐵的基體組織。因此。要控制鑄鐵的組織，就必須控制這兩個(gè)結(jié)晶過程。 3 鑄鐵的石墨化 一，鑄鐵的石墨

6、化過程 鑄鐵中石墨的形成過程稱為石墨化過程。鑄鐵組織形應(yīng)的基本過程就是鑄鐵中石墨的形成過程。因此，了解石墨化過程的條件與影響因素對掌握鑄鐵材料的組織與性能是十分重要的。 根據(jù)FeC合金雙重狀態(tài)圖，鑄鐵的石墨化過程可分為三個(gè)階段： 第一階段，即液相亞共晶結(jié)晶階段。包括，從過共晶成分的液相中直接結(jié)晶出一次石墨和共晶成分的液相結(jié)晶出奧氏體加石墨由一次滲碳體和共晶滲碳體在高溫退火時(shí)分解形成的石墨。 中間階段，即共晶轉(zhuǎn)變亞共折轉(zhuǎn)變之間階段。包括從奧氏體中直接析出二次石墨和二次滲碳體在此溫度區(qū)間分解形成的石墨。 第三階段，即共折轉(zhuǎn)變階段。包括共折轉(zhuǎn)變時(shí)，形成的共析石墨和共析滲碳體退火時(shí)分解形成的石墨。 鑄

7、鐵石墨化過程進(jìn)行的程度與鑄鐵組織的關(guān)系概括于表中 二、影響鑄鐵石墨化的因素 鑄鐵的組織取決于石墨化進(jìn)行的程度，為了獲得所需要的組織，關(guān)鍵在于控制石墨化進(jìn)行的程度。實(shí)踐證明，鑄鐵化學(xué)成分、鑄鐵結(jié)晶的的冷卻速度及鐵水的過熱和 靜置等詩多因素都影響石墨化和鑄鐵的顯微組織。 1.化學(xué)成分的影響 各元素對待鐵石墨化的影響可定性地列于表中。 各元素對石墨形狀、分布的影響定性地列于表中。 由表可見，恃鐵中常見的C，Si、Mn、P、S中，C，Si是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，S是強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素。實(shí)際上各元素對鑄鐵的石墨化能力的影響極為復(fù)雜。其影響與各元素本身的含量以及是否與其它元素發(fā)生作用有關(guān) ，如Ti、Zr

8、、B、Ce、Mg等都阻礙石墨化，但若其含量極低(如B、Ce<0.01%，T<0.08%)時(shí)，它們又表現(xiàn)出有促進(jìn)石墨化的作用。 2.冷卻速度的影響 一般來說，鑄件冷卻速度趨緩慢，就越有利于按照Fe-G穩(wěn)定系狀態(tài)圖進(jìn)行結(jié)晶與轉(zhuǎn)變，充分進(jìn)行石墨化；反之則有利于按照 Fe-Fe3C亞穩(wěn)定系狀態(tài)圖進(jìn)行結(jié)晶與轉(zhuǎn)變，最終獲得 白口鐵。尤其是在共析階段的石墨化，由于溫度較低，冷卻速度增大，原子擴(kuò)散困難，所以通常情況下，共折階段的石墨化難以充分進(jìn)行。 鑄鐵的冷卻速度是一個(gè)綜合的因素，它與澆注溫度、傳型材料的導(dǎo)熱能力以及鑄件的壁厚等因素有關(guān)。而且通常這些因素對兩個(gè)階段的影響基本相同。 提高澆注溫度能夠

9、延緩鑄件的冷卻速度，這樣既促進(jìn)了第一階段的石墨化，也促進(jìn)了第二階段的石墨化。因此，提高澆注溫度在一定程度上能使石墨粉化 ，也可增加共析轉(zhuǎn)變。 3.鑄鐵的過熱和高溫靜置的影響 在一定溫度范圍內(nèi)，提高鐵水的過熱溫度，延長高溫靜置的時(shí)間，都會(huì)導(dǎo)致鑄鐵中的石墨基作組織的細(xì)化，使鑄鐵強(qiáng)度提高。進(jìn)一步提高過熱度，鑄鐵的成核能力下降，因而使石墨形態(tài)變差，甚至出現(xiàn)自由滲聯(lián)體，使強(qiáng)度反而下降，因而存在一個(gè)臨界溫度'。臨界溫度的高低，主要取決于鐵水的化學(xué)成分及鑄件的冷卻速 度一般認(rèn)為普通灰鑄鐵的臨界溫度約在1500一1550左右，所以總希望出鐵溫度高些。 4 灰鑄鐵 灰鑄鐵是一種斷面是灰色，碳主要以片狀石

10、墨形式出現(xiàn)，是應(yīng)用最為廣泛的一種鑄鐵?；诣T鐵的鑄造性能、切削性、耐磨性和吸 震性都優(yōu)于其它各類鑄鐵，而且生產(chǎn)方便、品率高、成本低。因此，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中友鑄鐵獲得廣泛應(yīng)用，在各類鑄鐵的總產(chǎn)量中點(diǎn)80%以上。 一，灰鑄鐵的牌號、化學(xué)成分反顯微組織 根據(jù)發(fā)鑄鐵分類國家標(biāo)準(zhǔn) GB 9439一88，我國灰鑄鐵的牌號分為六級。 “HT”表示灰鐵二字漢語拼音的第一個(gè)大寫字母，其后數(shù)字表示抗拉強(qiáng)度。發(fā)鑄鐵的化學(xué)成分見表。 灰鑄鐵的顯微組織是由片狀石墨和金屬基體所組成的。金屬基體俄共析階段石墨化進(jìn)行的程度不同可分為鐵素體、鐵素體-珠光體作和珠光體三種。相應(yīng)有三種不同基體組織的灰鑄鐵 ，它們的顯微組織分別如圖所示

11、。 普通灰鑄鐵的金屬基體以珠光作為主，并合有少量鐵素體；高強(qiáng)度鑄鐵主要是珠光作基體，屬于鐵素體基體的主要是高硅鑄鐵。 二、灰鑄鐵的性能和用途 灰鑄鐵的性能與其他學(xué)成分和組織有密切的聯(lián)系。 1.優(yōu)良的鑄造性能 由于友鑄鐵的化學(xué)成分接近共晶點(diǎn)，所以鐵水流動(dòng)性好，可以鑄造非常復(fù)雜的零件。另外，由于石墨比容較大，使鑄件凝固時(shí)的收縮量減少，可簡化工藝，減輕鑄件的應(yīng)力并可得到致密的組織。 2，優(yōu)良的耐磨性和消震性 石墨本身具有潤滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和儲存潤滑油，使鑄件有良好的耐磨性。此外，由于鑄件中帶有硬度很高的磷共晶，又能使抗磨能力進(jìn)一步提高，這對于制備活塞環(huán)、氣缸套等受摩擦零件具有重要意義。

12、 石墨可以阻止后動(dòng)的傳播，灰鑄鐵的消夸大能力是鋼的10倍，常用來制作承受振動(dòng)的機(jī)床底座。 3.較低的缺口敏感性和良好的切削加工性能 灰鑄鐵中由于石墨的存在，相當(dāng)于存在很多小的缺口時(shí)表面的缺陷、缺口等幾乎沒有敏感性，因此，表面的缺陷對鑄鐵的疲勞強(qiáng)度影響較小 ，但其疲勞強(qiáng)度比鋼要低。由于發(fā)鑄鐵中的石墨可以起斷屑作用和對刀具的潤滑起減障作用，所以其可切削加工性是優(yōu)良的。 4.灰鑄鐵的機(jī)械性能 友鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性及彈性模量都低于碳素銹鋼，如表所示?；诣T鐵的抗壓強(qiáng)度和硬度主要取決于基體組織?；诣T鐵的抗壓強(qiáng)度一般比抗拉強(qiáng)度高出三四倍 ，這是灰鑄鐵的一種特性。因此，與其把灰鑄鐵用作抗拉零件還不如做

13、耐壓零件更適合。這就是廣泛用作機(jī)床床身和支柱受耐壓零件的原因。 5 提高鑄鐵性能的途徑 一、鑄鐵石墨細(xì)倫強(qiáng)化-孕育處理 為了細(xì)化灰鑄鐵的組織，提高鑄鐵的機(jī)械性能，并使其均勻一致。通常在澆注前往鐵水中加和少量強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的物質(zhì) ，即孕育劑)進(jìn)行處理，這一處理過程稱為孕育處理。經(jīng)過孕育處理的灰鑄鐵稱孕育鑄鐵。 常用的孕育劑有破鐵、硅鈣、稀土臺金等，其中最常用的是含有75%Si的鐵合金。孕育劑的加入量大致在0.2%0.5%，應(yīng)視鑄件厚薄而定。孕育劑的作用是促使石里非自發(fā)形核 ，因而孕育鑄鐵的全相組織是在細(xì)密的珠光體基體上，均勻分布細(xì)小的石墨，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)300一400 MPa，硬度可達(dá)HB170

14、-270，k可達(dá)38 Jcm2、延伸率達(dá)0.5%左右 ，都比普通灰鑄鐵高。 二、鑄鐵的石墨球化強(qiáng)化-球化處理 1.球墨鑄鐵的生產(chǎn) 石墨呈球狀的鑄鐵稱為球墨鑄鐵，簡稱球鐵。球鐵是用灰口成分的鐵水經(jīng)球化處理和孕育處理兩制得的。 2、球鐵的組織和性能特點(diǎn) 球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，它對基體的破壞作用小，基體強(qiáng)度利用率可達(dá)70%90%。另外。球鐵可通過熱處理充分發(fā)揮基體的性能潛力，所以球鐵具有較好的機(jī)械性能?？估瓘?qiáng)度最高可達(dá)150x107N/m2，延伸率可達(dá)25%。另外，它的屈強(qiáng)比 很高，k可達(dá)8-15Jcm2。 3.球墨鑄鐵的牌號，化學(xué)成分和用途 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB34888規(guī)定，球鐵分為八個(gè)牌號，牌

15、號中QT'是球鐵二字漢語拼音的字頭，其后二級數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和最低延伸率。表 中列出了球鐵的化學(xué)成分和力學(xué)性能。 球鐵具有上述優(yōu)異的機(jī)械性能、有時(shí)可用它代替碳素鋼，應(yīng)用于負(fù)荷較大受為復(fù)雜的零件如珠光體基的球鐵常用于制造汽車、拖拉機(jī)中的曲軸、連桿、凸輪等。還可做大型水壓機(jī)的工作缸、缸套及活塞。而鐵素作基的球鐵多用于制造受壓閥門、汽車后橋殼等。 6 可鍛鑄鐵 它是由白口鑄件經(jīng)熱處理而得的一種高強(qiáng)度鑄化與灰鑄鐵相比，它具有較高的強(qiáng)度、塑性、韌性，而耐磨性和城探性優(yōu)于普通碳素鋼，所以可部分代替碳鋼、合金鋼和有色金屬。 7 特殊性能鑄鐵 在普通鑄鐘基礎(chǔ)上加入某些合金元素可使鑄鐵具有某種特

16、殊性能，如耐磨性、耐熱性或腐蝕性等，從而形成一類具有特殊性能的合金鑄鐵。合金鑄鐵可用來制造在高溫、高 磨擦或耐蝕條件下工作的機(jī)器零件。 一、耐磨鑄鐵 根據(jù)工作條件的不同，耐磨鑄鐵可以分為減摩鑄鐵和抗磨鑄鐵兩類。減磨鑄鐵用于制造在潤滑條件工作的零件，如機(jī)床床身、導(dǎo)軌和汽缸套等。這些零件要求較小的摩擦系數(shù)?？鼓?鑄鐵用來制造在于摩擦條件下工作的零件，如軋輥、球磨機(jī)磨球等。 二、耐熱鑄鐵 鑄鐵在高溫條件下工作、通常會(huì)產(chǎn)生氧化和生長等現(xiàn)象。氧凡是指鑄鐵在高溫下受氧化性氣氛的侵蝕，在鑄件表面發(fā)生的化學(xué)腐蝕的現(xiàn)象。由于表面形成氧化皮，減少了鑄件的有效斷面，因而降低了鑄件的承載能力。生長是指鑄鐵在高溫下反復(fù)

17、加熱冷卻時(shí)發(fā)生的不可塑的體積長大，造成零件尺寸增大，并使機(jī)械性能降低。鑄件在高溫和負(fù)荷作用了，由于氧化和生長最終導(dǎo)致零件變形、翹曲、產(chǎn)生裂紋，甚至破裂。所以鑄鐵在高溫下抵抗破壞的能力通常指鑄鐵的抗氧化性和抗生長能力。耐熱鑄鐵是指在高溫條件下具有一定的抗氧化和抗生長性能，并能承受一定載荷的待錢。 三，耐蝕鑄鐵 普通鑄鐵的耐蝕性是很差的，這是因?yàn)殍T鐵本身是一種多相合金，在電解質(zhì)中各相具有不同的電極電位，其中以石墨的電極電位最高，滲碳體次之，鐵素體最低。電位高的相是陰極，電位低的相是陽極，這樣就形成了一個(gè)微電池，于是作陽極的鐵素作不斷被消耗掉，一直深入到鑄鐵內(nèi)部。 提高鑄鐵的耐蝕性的手段主要是加入人

18、合金元素以得到有利的組織和形成良好的保護(hù)膜。鑄鐵的基作組織最好是致密、均勻的單相組織、即A或F。中等大小又不相互連貫的石墨對耐蝕性有利。至于石墨的形狀，則以球狀或團(tuán)絮狀為有利。 8 鑄鐵的熱處理 鑄鐵生產(chǎn)除適當(dāng)?shù)剡x擇優(yōu)學(xué)成分以得到定的組織外，熱處理也是進(jìn)一步調(diào)整和改進(jìn)基體組織以提高鑄鐵性能的一種重要途徑。鑄鐵的熱處理和鋼的熱處埋有相同之處 ，也有不同之處。鑄鐵的熱處理一般不能改善原始組織中石墨的形態(tài)和分布狀況。對灰口鑄鐵來說，由于片狀石墨所引起的應(yīng)力集中效應(yīng)是對鑄鐵性能起主導(dǎo)作用的困素，因此對灰口鑄鐵施以熱處理的強(qiáng)化效果遠(yuǎn)不如鋼和球鐵那樣顯著。故友口鑄鐵熱處理工藝主要為退火、正火等。對于球鐵來

19、說，由于石墨呈球狀，對基體的割裂作用大大減輕，通過熱處理可使基作組織充分發(fā)揮作用，從而可以顯著改善球性的機(jī)械性能。 故球鐵像鋼一樣，其熱處理工藝有退火、正火、調(diào)質(zhì)、多溫淬火、感應(yīng)加熱淬火和表面化學(xué)熱處理等。 鑄鐵的熱處理工藝： 1.消除應(yīng)力退火 由于鑄件壁厚不均勻，在加熱，冷卻及相變過程中，會(huì)產(chǎn)生效應(yīng)力和組織應(yīng)力。另外大型零件在機(jī)加工之后其內(nèi)部也易殘存應(yīng)力，所有這些內(nèi)應(yīng)力都必須消除。去應(yīng)力退火通常的加熱溫度為500550保溫時(shí)間為28h，然后爐冷(灰口鐵)或空冷(球鐵)。采用這種工藝可消除 鑄件內(nèi)應(yīng)力的9095%，但鑄鐵組織不發(fā)生變化。若溫度超過550或保溫時(shí)間過長，反而會(huì)引起石墨化，使鑄件強(qiáng)

20、度和硬度降低。 2.消除鑄件白口的高溫石墨化退火 鑄件冷卻時(shí)，表層及薄截面處，往往產(chǎn)生白口。白口組織硬而脆、加工性能差、易剝落。因此必須采用退火(或正火)的方法消除白口組織。退火工藝為：加熱到550950保溫25 h，隨后爐冷到500-550再出爐空冷。在高溫保溫期間 ，游高滲碳體和共晶滲碳體分解為石墨和A，在隨后護(hù)冷過程中二次滲碳體和共析滲碳體也分解，發(fā)生石墨化過程。由于滲碳體的分解，導(dǎo)致硬度下降，從而提高了切削加工性。 3.球鐵的正火 球鐵正火的目的是為了獲得珠光體基體組織，并細(xì)化晶粒，均勻組織，以提高鑄件的機(jī)械性能。有時(shí)正火也是球鐵表面淬火在組織上的準(zhǔn)備、正 火分高溫正火和低溫正火。高溫正火溫度一般不超過950