灰鑄鐵鐵水成分與金相組織、力學性能之間的關系

1、鐵水成分與金相組織、力學性能之間的關系鐵水成分與金相組織、力學性能之間的關系（1）灰鑄鐵的定義：在鑄鐵的金相組織中，）灰鑄鐵的定義：在鑄鐵的金相組織中，碳以片狀石墨的形式存在，這種鑄鐵稱為灰碳以片狀石墨的形式存在，這種鑄鐵稱為灰鑄鐵。鑄鐵。（2）灰鑄鐵的金相組織）灰鑄鐵的金相組織 石墨的形態(tài)：石墨的形態(tài)：1）石墨）石墨 ABCDEFA型石墨型石墨1、分布特征、分布特征 均勻無向性分布均勻無向性分布2、形成條件、形成條件 1）共晶成分（亞共晶）共晶成分（亞共晶） 2）冷速較慢）冷速較慢3、對性能的影響、對性能的影響 好好B型石墨型石墨1、分布特征、分布特征 菊花狀分布菊花狀分布2、形成條件、形成

2、條件 1）共晶成分（比）共晶成分（比A低）低） 2）冷速較快）冷速較快3、對性能的影響、對性能的影響 較好較好C型石墨型石墨1、分布特征、分布特征 板條狀分布板條狀分布2、形成條件、形成條件 1）過共晶成分）過共晶成分 2）冷速慢）冷速慢3、對性能的影響、對性能的影響 不好不好D型石墨型石墨1、分布特征、分布特征 晶間無向性分布（點晶間無向性分布（點狀石墨）狀石墨）2、形成條件、形成條件 1）亞共晶成分）亞共晶成分 2）冷速快）冷速快3、對性能的影響、對性能的影響 不好（現(xiàn)在觀點：好）不好（現(xiàn)在觀點：好）E型石墨型石墨1、分布特征、分布特征 晶間有向性分布晶間有向性分布2、形成條件、形成條件

3、1）亞共晶成分（比）亞共晶成分（比D低）低） 2）冷速較慢）冷速較慢3、對性能的影響、對性能的影響 不好不好F型石墨型石墨1、分布特征、分布特征 星狀分布星狀分布2、形成條件、形成條件 1）過共晶成分）過共晶成分 2）冷速較快）冷速較快3、對性能的影響、對性能的影響 不好不好3）根據(jù)石墨尺寸的大小，將它分為八級，見）根據(jù)石墨尺寸的大小，將它分為八級，見表表2.4。 2）基體組織：）基體組織：（3）鑄鐵鑄鐵的共的共晶團晶團（4）灰鑄鐵的牌號）灰鑄鐵的牌號（5） 灰鑄鐵的灰鑄鐵的使用性能特點使用性能特點 1）機械性能特點）機械性能特點 片狀石墨片狀石墨 2）灰鑄鐵的硬度特點）灰鑄鐵的硬度特點 3）

4、灰鑄鐵的基體強度特點）灰鑄鐵的基體強度特點、。 4）灰鑄鐵的其它性能特點）灰鑄鐵的其它性能特點 a.良好的鑄造性能良好的鑄造性能 b.良好的減振性良好的減振性 c.良好的耐磨性能良好的耐磨性能 d.良好的切削加工性能良好的切削加工性能 e.低的缺口敏感性低的缺口敏感性 片狀石墨相當于許多微小缺口，從而減片狀石墨相當于許多微小缺口，從而減小了鑄件對缺口的敏感性，因此表面加工質小了鑄件對缺口的敏感性，因此表面加工質量不高或組織缺陷對鑄鐵疲勞強度的不利影量不高或組織缺陷對鑄鐵疲勞強度的不利影響要比對鋼的影響小得多。響要比對鋼的影響小得多。 （5） 鑄鐵的化學成分對組織和性能的影響鑄鐵的化學成分對組織

5、和性能的影響 鑄鐵的化學成分是很復雜的，在鑄鐵中鑄鐵的化學成分是很復雜的，在鑄鐵中除鐵以外，主要元素有碳、硅、錳、磷、硫除鐵以外，主要元素有碳、硅、錳、磷、硫等五種，其它還有隨爐料和熔煉過程中進入等五種，其它還有隨爐料和熔煉過程中進入鑄鐵內(nèi)的許多微量元素和各種雜質，以及有鑄鐵內(nèi)的許多微量元素和各種雜質，以及有時為了使鑄鐵獲得某些特殊性能而加入的一時為了使鑄鐵獲得某些特殊性能而加入的一些合金元素如鉻、銅、鎳、鉬、釩等。所有些合金元素如鉻、銅、鎳、鉬、釩等。所有這些元素都對鑄鐵的結晶組織和力學性能有這些元素都對鑄鐵的結晶組織和力學性能有著很大的影響。著很大的影響。 1） 碳和硅對鑄鐵組織與力學性能

6、的影響碳和硅對鑄鐵組織與力學性能的影響 碳和硅是灰鑄鐵中最主要的兩個元素，碳和硅是灰鑄鐵中最主要的兩個元素，它們對鑄鐵的組織與性能起著決定性的作用。它們對鑄鐵的組織與性能起著決定性的作用。 碳在鑄鐵中是促進石墨化的元素。增加碳在鑄鐵中是促進石墨化的元素。增加含碳量，可使鑄鐵的石墨化程度增加，形成含碳量，可使鑄鐵的石墨化程度增加，形成石墨的碳量增加，石墨也變得粗大，基體中石墨的碳量增加，石墨也變得粗大，基體中珠光體數(shù)量減少，鐵素體增加。珠光體數(shù)量減少，鐵素體增加。 適當降低含碳量，提高鑄鐵的強度。適當降低含碳量，提高鑄鐵的強度。硅對硅對Fe-C相圖的影響相圖的影響1、包晶轉變出現(xiàn)了三相區(qū)。、包晶

7、轉變出現(xiàn)了三相區(qū)。2、縮少奧氏體相區(qū)。、縮少奧氏體相區(qū)。3、共晶轉變出現(xiàn)了三相區(qū)。、共晶轉變出現(xiàn)了三相區(qū)。4、降低了、降低了E、C、S點的含碳量。點的含碳量。5、共析轉變出現(xiàn)了三相區(qū)。、共析轉變出現(xiàn)了三相區(qū)。 總之，碳、硅都是促進石墨化的重要元素，總之，碳、硅都是促進石墨化的重要元素，它們對鑄鐵的組織與性能有著決定性的影響。它們對鑄鐵的組織與性能有著決定性的影響。圖圖3.6顯示了碳硅量（碳當量）對石墨的作用。顯示了碳硅量（碳當量）對石墨的作用。提高鑄鐵的碳當量，可使石墨數(shù)量增多，石提高鑄鐵的碳當量，可使石墨數(shù)量增多，石墨粗大，共晶團顆粒增大。降低碳當量，可墨粗大，共晶團顆粒增大。降低碳當量，可

8、減少石墨的數(shù)量，使石墨細化。若碳當量過減少石墨的數(shù)量，使石墨細化。若碳當量過低，因增大了鑄鐵的結晶范圍，使晶間石墨低，因增大了鑄鐵的結晶范圍，使晶間石墨增多。增多。 2） 硫和錳對鑄鐵組織與性能的影響硫和錳對鑄鐵組織與性能的影響 硫在鑄鐵中因能增強硫在鑄鐵中因能增強Fe-C原子間的結合原子間的結合力，所以促使鑄鐵按介穩(wěn)定系統(tǒng)進行結晶，力，所以促使鑄鐵按介穩(wěn)定系統(tǒng)進行結晶，能較強烈的阻礙石墨化。特別當冷卻速度較能較強烈的阻礙石墨化。特別當冷卻速度較高，碳硅量較低時，硫阻礙石墨化的作用就高，碳硅量較低時，硫阻礙石墨化的作用就更顯著，鑄鐵白口化的傾向也越大。更顯著，鑄鐵白口化的傾向也越大。 3.5.

9、2 孕育處理的目的孕育處理的目的 孕育處理目的在于：促進石墨化，降低白口傾向；降低斷面敏感性；控制石墨形態(tài)，消除過冷石墨（晶間石墨）；適當增加共晶團數(shù)和促進細片狀珠光體的形成；從而達到改善鑄鐵強度性能及其它性能的目的。 3.5.3 生產(chǎn)孕育鑄鐵的主要條件生產(chǎn)孕育鑄鐵的主要條件 （1）選擇合理的化學成分 孕育鑄鐵的成分選擇和普通灰鑄鐵一樣，要和鑄件的壁厚密切結合起來考慮。 一般為：碳當量選擇在灰口和麻口之間。（2）鐵液要有一定的過熱溫度 鐵液溫度越高，鐵液的純凈度越高，越有利于提高鑄造性能，更主要的是，如果在一定范圍內(nèi)提高鐵液溫度，能使石墨細化，基體組織細密，抗拉強度提高。 要做好孕育鑄鐵，要最

10、大程度地改變自身的凝固特點，就比須有相當高的過熱溫度（14501470）。 3） 磷對鑄鐵組織與性能的影響磷對鑄鐵組織與性能的影響 磷完全溶于鐵水。結晶時，從磷完全溶于鐵水。結晶時，從Fe-C-P三三元狀態(tài)圖元狀態(tài)圖(圖圖3.9)可以看出，可以看出，F(xiàn)e-Fe3C和和Fe-Fe3P也有共晶點也有共晶點e3，圖中，圖中Ee1，、，、Ee2：和：和Ee3三線皆下斜匯集于最低點三線皆下斜匯集于最低點E發(fā)生共晶反應。發(fā)生共晶反應。E點為三元共晶點，其成分為點為三元共晶點，其成分為6.89P，2.40C，90.71Fe，共晶溫度為，共晶溫度為950。 4）鑄鐵中合金元素對組織與性能的影響）鑄鐵中合金元素

11、對組織與性能的影響 第一組如鎳、銅、鈷、鋁等元素，一般第一組如鎳、銅、鈷、鋁等元素，一般都有促進一次結晶石墨化的作用。在這些合都有促進一次結晶石墨化的作用。在這些合金元素中，如鎳、銅等又能阻礙珠光體分解，金元素中，如鎳、銅等又能阻礙珠光體分解，穩(wěn)定珠光體，因此可使珠光體數(shù)量增多和細穩(wěn)定珠光體，因此可使珠光體數(shù)量增多和細化強化鑄鐵基體，在鑄鐵中既能提高強度和化強化鑄鐵基體，在鑄鐵中既能提高強度和硬度硬度(見圖見圖3.11)，又能防止白口的產(chǎn)生。，又能防止白口的產(chǎn)生。 第二組如鉻、鉬、釩等都以滲碳體為基第二組如鉻、鉬、釩等都以滲碳體為基礎形成固镕體，如礎形成固镕體，如(Fe，Cr)3C，（，（Fe

12、，Mo)3C，(Fe，v)3C也可以形成一些特殊碳也可以形成一些特殊碳化物。因為這些合金元素能增強鐵和碳的結化物。因為這些合金元素能增強鐵和碳的結合力，故強烈地阻礙石墨化。合力，故強烈地阻礙石墨化。 第三組如鈦等元素在鑄鐵中多形成特殊第三組如鈦等元素在鑄鐵中多形成特殊碳化物，如碳化物，如TiC等。鈦在灰鑄鐵中一般加入量等。鈦在灰鑄鐵中一般加入量很小，它有輕微促進石墨化的作用，有的資很小，它有輕微促進石墨化的作用，有的資料指出，鈦可促使高碳硅鑄鐵中粗大片狀石料指出，鈦可促使高碳硅鑄鐵中粗大片狀石墨細化，因而有利于提高鑄鐵的強度。因它墨細化，因而有利于提高鑄鐵的強度。因它還能提高鑄鐵的耐磨性還能提

13、高鑄鐵的耐磨性(加入量加入量0.1%Ti以下以下)，所以可用于有潤滑下的耐磨鑄鐵。所以可用于有潤滑下的耐磨鑄鐵。（6）冷卻速度及其它工藝因素對鑄鐵組織性）冷卻速度及其它工藝因素對鑄鐵組織性能的影響能的影響 1）冷卻速度的影響）冷卻速度的影響a.鑄件結構的影響鑄件結構的影響 在鑄造生產(chǎn)實際中，冷卻速度的影響常在鑄造生產(chǎn)實際中，冷卻速度的影響常常通過鑄件壁厚、鑄型條件以及澆注溫度等常通過鑄件壁厚、鑄型條件以及澆注溫度等因素體現(xiàn)出來。圖因素體現(xiàn)出來。圖3.15說明鑄件壁厚與鑄鐵說明鑄件壁厚與鑄鐵組織的關系。組織的關系。 從圖中可以看出：隨著鑄件壁厚的減小，從圖中可以看出：隨著鑄件壁厚的減小，鑄件的冷

14、卻速度增加，鑄鐵組織中的石墨變鑄件的冷卻速度增加，鑄鐵組織中的石墨變得細小，石墨化程度降低，基體中珠光體數(shù)得細小，石墨化程度降低，基體中珠光體數(shù)量增加且更細密，鐵素體數(shù)量減少，鑄鐵的量增加且更細密，鐵素體數(shù)量減少，鑄鐵的強度、硬度都有所增加，但鑄件過薄，易使強度、硬度都有所增加，但鑄件過薄，易使鑄件局部或全部出現(xiàn)白口組織。例如，鑄鐵鑄件局部或全部出現(xiàn)白口組織。例如，鑄鐵爐前檢驗時常用的三角試片，它的斷面組織爐前檢驗時常用的三角試片，它的斷面組織變化見圖變化見圖3.16。三角試片一端厚，另一端是。三角試片一端厚，另一端是尖角，試片兩端冷卻速度相差很大，因而同尖角，試片兩端冷卻速度相差很大，因而同

15、一鐵水澆注后，試樣斷面上一般就能出現(xiàn)灰一鐵水澆注后，試樣斷面上一般就能出現(xiàn)灰口、麻口和白口鑄鐵的不同組織區(qū)域?？?、麻口和白口鑄鐵的不同組織區(qū)域。 b.澆注溫度的影響澆注溫度的影響 澆注溫度與冷卻速度也有密切的關系，澆注溫度與冷卻速度也有密切的關系，見圖見圖3.17。圖中實線表示高溫。圖中實線表示高溫tp澆注時的情澆注時的情況，虛線表示低溫況，虛線表示低溫tP澆注時的情況。澆注時的情況。 從圖中可以看出：當鑄件冷卻到結晶溫從圖中可以看出：當鑄件冷卻到結晶溫度度tK時，高溫鐵液澆注的鑄型已被加熱至較時，高溫鐵液澆注的鑄型已被加熱至較高溫度高溫度tF，而低溫鐵液澆注的鑄型，而低溫鐵液澆注的鑄型tF尚

16、在尚在較低溫度。因此鐵液在較低溫度。因此鐵液在tK溫度下進行凝固時，溫度下進行凝固時，高溫澆注的（高溫澆注的（tKtF）溫度差卻小于低溫澆）溫度差卻小于低溫澆注的（注的（tKtF）溫度差，故高溫澆注有促進）溫度差，故高溫澆注有促進石墨化的作用。石墨化的作用。 c.鑄型材料的影響鑄型材料的影響 鑄型材料的不同也能影響鑄件的冷卻速鑄型材料的不同也能影響鑄件的冷卻速度，濕砂型冷卻速度大于干砂型，干砂型冷度，濕砂型冷卻速度大于干砂型，干砂型冷卻速度又大于預熱型。金屬型冷卻速度更大。卻速度又大于預熱型。金屬型冷卻速度更大。有些局部過厚的鑄件，為避免過厚的部位組有些局部過厚的鑄件，為避免過厚的部位組織過粗

17、而影響使用，可放置隨形的金屬冷鐵，織過粗而影響使用，可放置隨形的金屬冷鐵，以加速該部位的冷卻，獲得理想的組織。以加速該部位的冷卻，獲得理想的組織。 d.鐵液的過熱和高溫靜置的影響鐵液的過熱和高溫靜置的影響 在一定范圍內(nèi)提高鐵液的過熱溫度，延在一定范圍內(nèi)提高鐵液的過熱溫度，延長高溫靜置的時間，都會導致鑄鐵的石墨及長高溫靜置的時間，都會導致鑄鐵的石墨及基體組織的細化，使鑄鐵強度提高；基體組織的細化，使鑄鐵強度提高； 進一步提高過熱溫度，鑄鐵的成核能力進一步提高過熱溫度，鑄鐵的成核能力下降，因而使石墨形態(tài)變差，甚至出現(xiàn)自由下降，因而使石墨形態(tài)變差，甚至出現(xiàn)自由滲碳體，使強度性能反而下降。滲碳體，使強

18、度性能反而下降。 臨界溫度：一般認為，普通灰鑄鐵的臨臨界溫度：一般認為，普通灰鑄鐵的臨界溫度約在界溫度約在15001550。 經(jīng)高溫過熱的鐵液，過熱效果便會局部經(jīng)高溫過熱的鐵液，過熱效果便會局部或全部消失。鐵液的純凈度提高了，含氣量或全部消失。鐵液的純凈度提高了，含氣量降低了。降低了。 e.孕育的影響孕育的影響 鐵液澆注以前，在一定的條件下（過熱鐵液澆注以前，在一定的條件下（過熱溫度、化學成分、合適的加入方法等），向溫度、化學成分、合適的加入方法等），向鐵液中加入一定量的物質（稱為孕育劑）以鐵液中加入一定量的物質（稱為孕育劑）以改變鐵液的凝固過程，改善鑄態(tài)組織，從而改變鐵液的凝固過程，改善鑄態(tài)

19、組織，從而達到提高性能的目的，這種處理方法稱為孕達到提高性能的目的，這種處理方法稱為孕育處理。育處理。 f.爐料的影響爐料的影響 遺傳性：鐵液的主要化學成分不變，更遺傳性：鐵液的主要化學成分不變，更換爐料后，鑄鐵的組織（石墨化程度、白口換爐料后，鑄鐵的組織（石墨化程度、白口傾向以及石墨形態(tài)甚至基體組織）都會發(fā)生傾向以及石墨形態(tài)甚至基體組織）都會發(fā)生變化，爐料與鑄件組織之間的這種關系，習變化，爐料與鑄件組織之間的這種關系，習慣上稱為爐料的遺傳性。慣上稱為爐料的遺傳性。 消除爐料遺傳性的措施有兩種：消除爐料遺傳性的措施有兩種： 1）提高鐵液的過熱溫度；）提高鐵液的過熱溫度； 2）用兩種以上的原生鐵進行配料，可減）用兩種以上的原生鐵進行配料，可減弱爐料的遺傳性。弱爐料的遺傳性。（7）鑄鐵的計算）鑄鐵的計算1）共晶點碳量）共晶點碳量 考慮各元素對相圖中共晶點的影響后，共考慮各元素對相圖中共晶點的影響后，共晶點的實際含碳量，稱為共晶點碳量。晶點的實際含碳量，稱為共晶點碳量。 Cc%=4.26%-1/3(Si+P)%比較方法比較方法: 過共晶過共晶 C% =Cc% 共晶共晶 亞