《金屬材料學(xué)》第7章 鑄鐵

1、第7章 鑄鐵 鑄鐵是指含碳量大于2.14%或組織中具有共晶組織的鐵碳合金。實際上是以鐵-碳-硅為主的多元合金。如再加入鋁、鉻、錳、銅等元素,則是各種特殊性能鑄鐵. 鑄鐵可分為以下幾類：灰口鑄鐵，球墨鑄鐵，蠕墨鑄鐵，可鍛鑄鐵，白口鑄鐵等 上圖 滄州鐵獅子 鑄于953年，重40余噸。 右圖 當(dāng)陽鐵塔 鑄于1061年，八棱13層， 塔體分段鑄造 中國曾發(fā)現(xiàn)隕鐵制兵器3件,2件被盜賣至美國7.1 鑄鐵石墨化及影響因素 1 鑄鐵的石墨化過程 滲碳體是介穩(wěn)定相，而石墨才是穩(wěn)定相。 熱力學(xué)條件：有利于石墨化的過程 動力學(xué)條件：主要有成分起伏、結(jié)構(gòu)起伏和原子擴散.有利于滲碳體的形成. 為了使G化進行,可人為地

2、改變熱力學(xué)和動力學(xué)條件.圖 鐵碳雙重相圖（G石墨， Fe3C滲碳體）成分起伏L4.3%CFe3C（6.67%C）+ AG（100%C）+ A結(jié)構(gòu)起伏L（或-Fe）Fe、C并存(面心)Fe3C （復(fù)雜斜方結(jié)構(gòu)）G（六角形層狀結(jié)構(gòu)）比較接近濃度差小6原子擴散 G長大，不但要C原子擴散集中，而且Fe原子要從G生長前沿逆向擴散。 而Fe3C長大只要C擴散，F(xiàn)e原子局部移動即可。G長大較難。 有利于Fe3C長大2、影響鑄態(tài)組織的因素 （1）化學(xué)成分的影響 CSi C和Si是基本成分，是G元素。石墨來源于C。Si含量一般在0.83.5%之間，Si的加入對Fe-G相圖發(fā)生變化。Si作用 共晶點和共析點碳量隨

3、硅含量的而； 使共晶和共析轉(zhuǎn)變在一溫度范圍內(nèi)進行； 共晶和共析溫度。共析溫度提高更多，大約每1 Si ，可使共析溫度28； Si促進鑄鐵石墨化的作用相當(dāng)于1/3C。 G化，1/3C作用。0.2%后，出現(xiàn)硬脆Fe3P，呈孤立、細小、均勻分布時，可耐磨性。若粗大連續(xù)網(wǎng)狀分布，將強度，鑄件脆性。 除在耐磨鑄鐵中可達0.51.0%外，在普通鑄鐵中都作為雜質(zhì)，通?；诣F中P含量控制在0.2%。 G化；Mn能與S結(jié)合生成MnS，削弱硫的有害作用。鑄鐵中含錳量一般在0.51.4%范圍內(nèi)，如要獲得鐵素體基體，含錳量應(yīng)取下限。 P Mn 白口；鐵水流動性，惡化鑄造性；形成FeS，分布晶界，使鑄鐵變脆。S是有害元素

4、，其含量應(yīng)盡量低，一般將S限制在0.15%以下S促進石墨化元素 阻礙石墨化元素+ Al、C、Si、Ni、CuW、Mn、Mo、S、Cr、Fe、Mg （2）冷卻速度的影響 化學(xué)成分選定后，改變鑄鐵各階段冷卻速度，可以在很大范圍內(nèi)改變鑄態(tài)組織。V冷越緩慢，越有利于按Fe-C狀態(tài)圖進行結(jié)晶和轉(zhuǎn)變。尤其是共析階段G化，通常情況下，共析階段的G化難以完全進行 在生產(chǎn)中，鑄件冷卻速度是一個綜合因素，它與澆注溫度、鑄型條件以及鑄件壁厚均有關(guān)系。同一鑄件不同壁厚處具有不同組織和性能，稱之為鑄件壁厚敏感效應(yīng)。鑄件壁厚是設(shè)計的，難以改變，對已知壁厚鑄件，可調(diào)整化學(xué)成分來保證獲得所需組織. G化過程可分為兩個階段：發(fā)

5、生在PSK線以上的G化為第一階段；發(fā)生在PSK線以下的G化為第二階段，實際是以共析線為界。第一階段G化決定G形態(tài),第二階段G化決定基體組織. 石墨化階段與組織第一階段 第二階段 組織 鑄鐵名稱完全進行 完全進行 F+G 不同基體的灰 部分進行 F+P+G 鐵、球鐵、蠕鐵、 未進行 P+G 可鍛鐵 部分進行 未進行 Ld+P+G 麻口鑄鐵 未進行 未進行 Ld 白口鑄鐵 7.2 石墨的形成及生長 1、片狀石墨的生長方式內(nèi)在因素 G為六方點陣層狀結(jié)構(gòu)。層面原子間距小，較強共價鍵結(jié)合，層間C原子間距較大，原子作用力弱。層面方向生長速度就大，石墨是在與鐵水相接觸的條件下以片狀方式生長的。外在因素 G形

6、成會導(dǎo)致周圍鐵水C濃度,凝固點生成包圍G片的A體殼。但G片端生長速度超過A結(jié)晶速度, G片端總是和鐵水直接接觸。石墨晶體結(jié)構(gòu) 片狀石墨生長機理 如G片向兩側(cè)加厚生長，須依靠C從鐵水中先擴散到A層再擴散到G；而Fe還必須向A層外作反方向擴散，顯然是較難的G片增厚是較慢的.最后形成了立體花朵狀球狀石墨內(nèi)部的年輪狀結(jié)構(gòu) 球狀石墨的結(jié)構(gòu)示意圖 2、球狀G的形成過程（1）球狀石墨的結(jié)構(gòu)G呈多邊形輪廓，內(nèi)部呈放射狀。中心是G核心。球面是單晶體錐形G（0001）底面.Spheroidal (globular) graphite16171819Vermicular graphite202122(2) 球狀G的

7、形成條件球化劑Mg/Ce/Y/La等 鐵液的過冷度 球化劑與鐵液中氧、硫發(fā)生反應(yīng)，含氧、硫量，鐵液表面張力， 鐵液/石墨間的界面張力球化處理: 澆注前加入一定量球化劑,如稀土-硅鐵-鎂系等孕育處理: 加入高硅鐵，獲得很多的非自發(fā)晶核，細化G(3) 球狀石墨的形核機理 G都是從鐵水中直接析出的。球狀G的形核以硫化物及氧化物夾雜微粒作為結(jié)晶中心。 螺旋位錯理論:由于螺旋位錯存在，碳原子優(yōu)先在晶體表面造成的螺旋臺階旋出口作為開始生長的最有利位置。理想情況下晶體將長成一個近似球狀的多面體，形成年輪狀結(jié)構(gòu)。 生長機理,有許多學(xué)說,難以完美解釋. (4) 球狀石墨的生長機理 圖 球狀石墨晶體生長示意圖 a

8、)0001方向生長；b)長成球狀多面體7.3 灰鑄鐵 牌號意義 HT100260 HT150330 HT210420 HT表示灰口鑄鐵，第一部分為抗拉強度，第二部分為抗彎強度。后面的數(shù)字表示抗拉強度（不低于, MPa）。 組織：片狀G+ 金屬基體（F，F(xiàn)+P，P）。 石墨形態(tài):有A、B、C、D、E、F 6種類型，其中A型最好。經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵為孕育鑄鐵。實際生產(chǎn)，大部分鑄鐵都經(jīng)過孕育處理. 孕育處理目的 ?1、灰鑄鐵組織特點（a）A型石墨 (b)B型石墨 (c) C型石墨 (d)D型石墨 (e) D型石墨 (f) F型石墨 圖 片狀石墨的分布類型 282.成分： C:2.54.0% Si:1

9、.03.0% CsC13Si3.組織：片狀石墨鐵素體和珠光體的混合組織。減少碳的含量、提高冷卻速度、變質(zhì)處理可以提高其牌號。 4.用途：HT100260 對力學(xué)性能無明顯要求的構(gòu)件； HT150330 HT2142 大型復(fù)雜的機體； HT210420 高性能要求的重要床身，如壓力機. 5.熱處理： 鑄鐵的熱處理不能改變石墨的形狀，只能改變基體的組織，而許多性能是由石墨決定的，因此熱處理的應(yīng)用有一定的限制。 29第五節(jié) 鑄鐵6.組織：片狀石墨鐵素體和珠光體的混合組織。302、灰鑄鐵性能及熱處理（1）抗拉強度低、塑韌性很差G相當(dāng)于空洞有效截面積G片端似裂口應(yīng)力集中 基體強度不能充分發(fā)揮，其強度利用

10、率僅3050%，表現(xiàn)為b很低，塑性和韌性幾乎為零（2）缺口敏感性小, 可切削性好 大量G相當(dāng)于已經(jīng)存在了許多缺口,工件的人為缺口就不太敏感了。 G在機加工時可以起到斷屑和對刀具潤滑作用可切削性是優(yōu)良的。（3）良好的鑄造性 灰鐵成分接近共晶點，鐵水流動性好，可鑄造出形狀復(fù)雜零件。且不易形成縮孔和縮松，能獲得較致密的鑄件。（4）良好的減震性和減摩性 灰鐵內(nèi)部存在大量片狀G，它割裂基體，破壞連續(xù)性，阻止振動傳播，并能轉(zhuǎn)化為熱能而發(fā)散，因而灰鐵具有很好的減振性。 常用于機床底座,效果很好。 一方面G本身是良好的潤滑劑，另一方面G脫落后的顯微“口袋”,可以儲存潤滑油和收集微小麿粒,因此具有良好的減摩性。

11、如機床導(dǎo)軌。7.4 球墨鑄鐵 牌號意義 例如QT400-15，QT為球鐵代號，400表示抗拉強度不低于400MPa，15表示伸長率不低于15%。 組織：球狀G + 金屬基體（F，F(xiàn)+P，P，S回，B下等）。球狀G孤立分布，理想的是 “小、勻、圓、適量”。1、球鐵組織與性能35成分： C:3.63.8% Si:2.02.8% Mn:0.60.8% 澆鑄時加入0.030.05%Mg或0.020.04%Re，進行球化處理。 性能：石墨球的球化形狀和大小，球化越完整，球的尺寸越細小，性能越優(yōu)越；由于石墨是球形，對性能的影響較小，相應(yīng)基體的作用明顯提高，所以對球墨鑄鐵可以進行與鋼類似的各種熱處理（以后介

12、紹），得到不同的基體組織，對應(yīng)不同性能要求。 用途：代替鑄鋼、鍛鋼來制造重要的、形狀復(fù)雜的機械零件，如曲軸、連桿、渦輪、齒輪、水壓機缸套、汽車后橋殼等。 36第五節(jié) 鑄鐵組織FGFPGPGG 熱處理組織表 球墨鑄鐵的力學(xué)性能注意不小于 球狀G應(yīng)力集中基體的縮減作用割裂基體作用 球鐵基體的利用率可大大提高，達到7090。 對灰口鑄鐵來說，主要的矛盾是片狀G，改變基體組織無明顯作用。當(dāng)G變?yōu)榍驙顣r，矛盾的主要方面發(fā)生了變化，基體成為決定性的主導(dǎo)因素，基體性能可得到較大的發(fā)揮。 退火球鐵組織 鐵素體 + 球狀石墨 鑄態(tài)球鐵組織(“牛眼”狀) 珠光體+鐵素體+球狀石墨2、 球墨鑄鐵的熱處理特點 （1）

13、共析轉(zhuǎn)變不是在恒定的溫度下進行，而是在一個較寬的溫度范圍內(nèi)進行(下圖)改變熱處理T和t不同比例的F和P基體組織 較大幅度地調(diào)整鑄鐵的力學(xué)性能圖 Fe-C-Si三元合金狀態(tài)圖變溫截面 a)含2.4%Si b)含4.8%Si（2）奧氏體含C量可在較寬范圍內(nèi)變化 石墨是C的“倉庫”,既可在高溫時”輸出給奧氏體,也可在冷卻時容納奧氏體中析出的C。（3）G參與相變,但一般不能改變G形狀與分布 （4）一般熱處理工藝方法基本上可采用3、球墨鑄鐵的熱處理 （1）消除內(nèi)應(yīng)力退火 （2）高溫石墨化退火 消除游離滲碳體 （3）低溫石墨化退火 消除共析滲碳體 （4）正火處理和調(diào)質(zhì)處理 獲得珠光體的組織和提高珠光體的分

14、散度 （5）等溫淬火處理 得到B體或AB體基體組織。提高綜合機械性能 （6）表面淬火 （7）化學(xué)熱處理 氮化、滲硼和滲硫等 7.5 Vermicular graphite cast ironComposition Similar to spheroidal graphite cast iron2. Microstructure圓整化程度用形狀系數(shù)K來描述K0.15屬于片狀石墨; 0.15K0.8屬于蠕蟲狀石墨;K0.8屬于球狀石墨Matrix microstruxture: P, P+F, F.44453. Vermiculation and inoculation treatment球化元素

15、：鎂、稀土元素。反球化元素：鈦、鋁復(fù)合蠕化劑：反球化元素鈦、鋁與球化元素鎂制成。464.Brand and propertiesRUT420：用“蠕鐵”的漢語拼音加數(shù)字表示，數(shù)字代表最低抗拉強度(單位為MPa);強度、塑性和韌性優(yōu)于灰口鑄鐵，尤其具有耐熱沖擊和抗熱生長的優(yōu)點。4748497.6 可鍛鑄鐵 第五節(jié) 鑄鐵1.牌號：KT350100 KTZ4550 其中KT表示可鍛鑄鐵，第一部分數(shù)字為抗拉強度，第二部分數(shù)字為延伸率。字母KTZ表示為珠光體可鍛鑄鐵，KTH表示黑心可鍛鑄鐵。黑心可鍛鑄鐵:石墨化退火可鍛鑄鐵，當(dāng)基體為鐵素體時，斷口呈黑絨色；強度、硬度低，塑性、韌性好，用于載荷不大、承受較

16、高沖擊、振動的零件。珠光體基體可鍛鑄鐵:當(dāng)基體為珠光體時，斷口呈銀灰色; 因具有高的強度、硬度，用于載荷較高、耐磨損并有一定韌性要求的重要零件。2.成分： C:2.52.8% Si:1.22.0% Mn:0.41.2% 由于硅的含量(碳當(dāng)量)小，加上Mn的作用，澆鑄冷卻時碳不以石墨形式析出，得到的是白口鑄件，組織為珠光體萊氏體。 3.生成過程：進行石墨化退火。 將白口鑄鐵加熱到900980，經(jīng)過15hr左右的保溫，讓滲碳體進行充分的分解，形成的石墨在長大過程中不致密的，和部分基體組合為團絮狀，緩慢冷卻到750720，讓第二階段的石墨化充分進行?？刂评鋮s到600的速度來調(diào)整P和F的比例，達到控制

17、材料的強度、塑性和韌性。51組織：絮狀石墨（FP）混合基體用途： 有一定的塑性，但并不能鍛壓成形。塑性和韌性比灰口鐵高得多，用來制作齒輪、曲軸、凸輪軸、活塞環(huán)、農(nóng)機構(gòu)件等 7.8.1 Wear-resistant alloy cast iron Cr-system wear-resistant alloy cast ironCharacteristic: Cast parts without existence of dissociative graphite acquired by controlling chemical composition (12-28%Cr) and increas

18、ing cooling rate. Only pearlite, cementite, carbide(Cr7C3, Cr23C6, HV1400-1800)Called white cast iron, with high hardness and good wear-resistance.527.8 Alloy cast irons53Typical cast irons:15Cr-3Mo, 15Cr-2Mo-1Cu, 20Cr-2Mo-1Cu 廣泛應(yīng)用于制造犁鏵、各種破碎機、水泥磨機、拋丸機的襯板及磨球等。542. Ni-system wear-resistant alloy cast

19、ironComposition 鎳硬1型： 3-3.6%C, 3.3-4.8%Ni, 1.5-2.6Cr, Mn0.3-0.7% 鎳硬2型：2.9%C, 1.5-2.6%Cr, 1.4-2.4%Cr, 03.-0.7MnMicrostructure Cr (Fe,Cr)3C, HV1100-1150, NiM, HV600553. Mn-system wear-resistant alloy cast ironComposition 2.0-8.0%Mn, Mo, Cr, CuMicrostructure Eutectic cementite + M + Ar or B HRC50-60App

20、lication 雜質(zhì)泵，沖擊磨料磨損零件567.8.2 Heat-resistant alloy cast iron Service conditionOxidization and growth of oxide filmOxidization mechanismSimilar to steelsDissociative graphiteburninginner oxidization57Growth mechanism of oxide film400-600, below phase transformation temp., pearlite F + Graphite 1% grap

21、hite volume increase 2.4%.Around phase transformation temp., dissolution of graphite into microvoid Cooling indigenous graphite volume increase 582. Alloying mechanismElements: Si, Al, CrFormation of dense oxide film: SiO2, Al2O3, Cr2O35960Application of wear-resistant alloy cast ironGuideway, cylin

22、der, piston ringAntifriction, low friction coefficientMill roll, grinding ballAnti-wear, good wear resistance 617.8.3 Wear-resistant alloy cast iron2. Alloying mechanismElements: Cu, Mo, Re, Mn, Si, P, Cr, TiInoculant:ferrosilicon62637.8.4 Corrosion-resistant alloy cast ironCorrosion resistance of common cast ironDifferent electrode potentialGraphite (+0.37V) Fe3CF(-0.44V)Poor corrosion resistance642. MethodsDense filmSi, Cr, AlImprove the electrode potential of matrixCr, Mo, Cu