第十二章 鑄鐵

第12章鑄鐵教學(xué)要求：1、介紹鑄鐵的分類及其組織特征；2、介紹鑄鐵的石墨化過程及其影響因素；3、介紹鑄鐵的熱處理特點(diǎn)、性能及用途。重點(diǎn)：鑄鐵的組織特征；鑄鐵的石墨化過程及其影響因素。難點(diǎn)：鑄鐵的石墨化；鑄鐵的熱處理。鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。碳、硅是影響鑄鐵顯微組織和性能的主要元素。鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及生產(chǎn)簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而是應(yīng)用最廣泛的材料之一。

第一節(jié)概述例如，機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)的汽缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等都可用鑄鐵制造.鑄鐵曲軸內(nèi)燃機(jī)汽缸一、鑄鐵的石墨化過程1、Fe-Fe3C和Fe-G(石墨)雙重相圖Fe3C是亞穩(wěn)相，在一定條件下將發(fā)生分解：

Fe3C→3Fe+C（石墨）共晶白口鑄鐵F基體球墨鑄鐵第一節(jié)概述石墨是碳的單質(zhì)之一，其強(qiáng)度、塑性、韌性幾乎為零。鑄鐵中的碳除少量固溶于基體中外，主要以化合態(tài)的滲碳體(Fe3C)和游離態(tài)的石墨(G)兩種形式存在。存在兩個(gè)鐵碳相圖：Fe-Fe3C和Fe-G雙重相圖L+GL+Fe3C2、鑄鐵的石墨化過程鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過程稱為石墨化。鑄鐵中的石墨可以在結(jié)晶過程中直接析出,也可以由滲碳體加熱時(shí)分解得到。臺(tái)車式石墨化退火爐石墨化分兩個(gè)階段：在P’S’K’線以上發(fā)生的石墨化稱為第一階段石墨化。包括結(jié)晶時(shí)一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加熱時(shí)一次滲碳體、二次滲碳體及共晶滲碳體的分解.P’在P’S’K’線以下發(fā)生的石墨化稱為第二階段石墨化。包括冷卻時(shí)共析石墨的析出和加熱時(shí)共析滲碳體的分解。石墨化程度不同，所得到的鑄鐵類型和組織也不同。P’三、鑄鐵分類按石墨的形態(tài)和形狀分1）白口鑄鐵：碳全部以Fe3C的形式存在，斷口呈銀色。由于白口鑄鐵具有良好的耐磨性，所以有時(shí)也用來制造一些耐磨件，如軋輥、粉碎機(jī)錘頭、襯板、球磨機(jī)磨球和犁鏵等。2）灰口鑄鐵：碳除微量溶于鐵素體，大部分以片狀石墨形狀存在斷口呈灰色存在。3）麻口鑄鐵：組織中既存在石墨、又有萊氏體，是白口和灰口之間的過渡組織，因斷口處有黑白相間的點(diǎn)，故而得名。4．蠕墨鑄鐵：

其石墨呈蠕蟲狀。如圖d。

abcd根據(jù)鑄鐵中石墨形態(tài)的不同，灰口鑄鐵又可分為：1．普通灰鑄鐵：

簡(jiǎn)稱灰鑄鐵，其石墨呈片狀。如圖a.2．可鍛鑄鐵：

其石墨呈團(tuán)絮狀。如圖b。3．球墨鑄鐵：

其石墨呈球狀。如圖c。1.化學(xué)成分的影響

1）碳和硅碳是形成石墨的元素，也是促進(jìn)石墨化的素。含碳愈高，析出的石墨愈多、石墨片愈粗大。硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，隨著含硅量的增加，石墨顯著增多。

所以：當(dāng)鑄鐵中碳、硅含量均高

時(shí)，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金屬基體中鐵素體增多，珠光體減少。四、影響石墨化的因素3）錳所以：硫含量限制在0.1-0.15%以下，高強(qiáng)度鑄鐵則應(yīng)更低。

使鑄鐵鑄造性能惡化（如降低流動(dòng)性，增大收縮率）。錳是弱阻礙石墨化元素，具有穩(wěn)定珠光體，提高鑄鐵強(qiáng)度和硬度的作用。一般控制在0.6~1.2%之間4）磷磷對(duì)鑄鐵的石墨化影響不顯著。含磷過高將增加鑄鐵的冷脆性。限制在0.5%以下，高強(qiáng)度鑄鐵則限制在0.2~0.3%以下。2）硫硫是強(qiáng)烈阻礙石墨化元素。硫量高易促使碳以Fe3C

白口組織；硫量高熱脆性；鑄鐵中的磷共晶2.冷卻速度的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，一般是根據(jù)鑄件的壁厚（主要部位的壁厚），選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分（主要指碳、硅），以獲得所需要的組織。1）鑄件壁厚

鑄件壁愈厚，冷卻速度愈慢，則石墨化傾向愈大，愈易得到粗大的石墨片和鐵素體基體。鑄鐵壁厚（mm）102030405060704.05.06.07.0（wC+wSi）%白口鑄鐵麻口鑄鐵灰口鑄鐵白口鑄鐵：灰口鑄鐵：麻口鑄鐵：珠光體灰口鑄鐵珠光體+鐵素體灰口鑄鐵鐵素體灰口鑄鐵P+Fe3C+LeP+Fe3C+G+Le珠光體灰口鑄鐵：鐵素體灰口鑄鐵：珠光體+鐵素體灰口鑄鐵：P+G片P+F+G片F(xiàn)+G片第二節(jié)常用鑄鐵工業(yè)上使用的鑄鐵主要是灰口鑄鐵。1、鑄鐵的組織特點(diǎn)鋼的基體+G（石墨）基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種。F+GF+P+GP+G⑵耐磨性能好。由于石墨本身有潤(rùn)滑作用。⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振動(dòng)能量。⑷鑄造性能好。由于鑄鐵硅含量高,成分接近于共晶.⑸切削性能好。由于石墨使車屑容易脆斷，不粘刀。2、鑄鐵的性能特點(diǎn)⑴力學(xué)性能低。由于石墨相當(dāng)于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基體的連續(xù)性，且易導(dǎo)致應(yīng)力集中。鑄鐵與鑄鋼的強(qiáng)度比較3、鑄鐵的分類與牌號(hào)表示方法

鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號(hào)方法牌號(hào)實(shí)例

灰鑄鐵片狀FHT+一組數(shù)字?jǐn)?shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值，單位MPa?！癏T”表示灰鑄鐵代號(hào)。

HT100F+PHT150PHT200

可鍛鑄鐵團(tuán)絮狀FKTH+兩組數(shù)字KTB+兩組數(shù)字KTZ+兩組數(shù)字KTH300-06表F心PKTB350-04PKTZ450-06KTH、KTB、KTZ分別為黑心、白心、珠光體可鍛鑄鐵代號(hào)；第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低伸長(zhǎng)率值，%

鑄鐵的分類與牌號(hào)表示方法（續(xù)）鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號(hào)方法牌號(hào)實(shí)例球墨鑄鐵球狀FQT+兩組數(shù)字

第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低伸長(zhǎng)率值，%。

“QT”表示球墨鑄鐵代號(hào)QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨鑄鐵蠕蟲狀FRuT+一組數(shù)字?jǐn)?shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值,MPa。“RuT”表示蠕墨鑄鐵代號(hào)

RuT260F+PRuT300PRuT420第二節(jié)常用鑄鐵一、灰鑄鐵灰鑄鐵是指石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵。其產(chǎn)量約占鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上。1、組織灰鑄鐵的組織是由液態(tài)鐵水緩慢冷卻時(shí)通過石墨化過程形成的，其基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種?；诣T鐵齒輪箱灰鑄鐵的顯微組織

鐵素體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵鐵素體加珠光體灰鑄鐵石墨片的三維形貌常對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行孕育處理，以細(xì)化片狀石墨。常用的孕育劑有硅鐵和硅鈣合金。經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。

孕育處理前孕育處理后硅鐵硅鈣2、熱處理熱處理只改變基體組織，不改變石墨形態(tài)?；诣T鐵強(qiáng)度只有碳鋼的30~50%，熱處理強(qiáng)化效果不大。灰鑄鐵件汽缸套活塞環(huán)1.消除內(nèi)應(yīng)力退火(又稱人工時(shí)效)加熱到500～600℃，保溫一定時(shí)間，隨爐冷至200℃以下出爐空冷。2.消除白口組織退火加熱到850~900℃，保溫2~5h，然后隨爐冷至250~400℃出爐空冷。3.表面淬火主要作用是提高鑄件的表面硬度和耐磨性。常用的方法是火焰淬火、感應(yīng)淬火、接觸電阻加熱淬火等。3、用途制造承受壓力和震動(dòng)的零件,如機(jī)床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體。大型船用柴油機(jī)汽缸體(HT-300)重型機(jī)床床身(HT-250)變速箱體牌號(hào)組織

用途舉例HT100F+G片

蓋、外罩、油盤、手輪、支架、底板、鑲導(dǎo)軌的機(jī)床底座等對(duì)強(qiáng)度無要求的零件HT150F+P+G片底座、床身、與HT200相配的溜板、工作臺(tái)；泵殼、容器、法蘭盤;工作壓力不太大的管件HT200F+P+G片要求高的強(qiáng)度和一定耐蝕能力的泵殼、容器、塔器、法蘭、硝化塔機(jī)床床身、立柱、平尺、劃線平板、汽缸、齒輪、活塞、剎車輪、聯(lián)軸器盤、水平儀框架壓力為80Mpa以下的油缸、泵體、閥門HT250P+G片HT300P細(xì)+G細(xì)片床身導(dǎo)軌、車床、沖床等受力較大的床身、機(jī)座、主軸箱、卡盤、齒輪、高壓油缸、水缸、泵體、閥門、襯套、凸輪、大型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、氣缸體、氣缸蓋；冷鐓模、冷沖模HT350P細(xì)+G細(xì)片可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線

二、可鍛鑄鐵石墨呈團(tuán)絮狀的灰口鑄鐵，是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的。1、組織：基體(F、P)＋團(tuán)絮狀G鐵素體基體可鍛鑄鐵又稱黑心可鍛鑄鐵。2、性能：強(qiáng)度為碳鋼的４0~７0%，接近于鑄鋼。名為可鍛，實(shí)不可鍛

可鍛鑄鐵的顯微組織

黑心可鍛鑄鐵

珠光體可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵的石墨化退火3、用途用于制造形狀復(fù)雜且承受振動(dòng)載荷的薄壁小型件，如汽車、拖拉機(jī)的前后輪殼、管接頭、低壓閥門等?？慑戣T鐵管件

牌號(hào)組織

用途舉例KTH300—06F+G團(tuán)三通、管件、中壓閥門KTH330—08F+G團(tuán)

輸電線路件、汽車、拖拉機(jī)的前后輪殼、差速器殼、轉(zhuǎn)向節(jié)殼、制動(dòng)器；農(nóng)機(jī)件及冷暖器接頭等。KTH350—10F+G團(tuán)KTH370—12F+G團(tuán)KTZ450—06P+G團(tuán)

曲軸、凸輪軸、連桿、齒輪、搖臂、活塞環(huán)、軸套、犁片、耙片、閘、萬向接頭、棘輪、扳手、傳動(dòng)鏈條、礦車輪KTZ550—04P+G團(tuán)KTZ650—02P+G團(tuán)KTZ700—02P+G團(tuán)三、球墨鑄鐵石墨呈球形的灰口鑄鐵。由液態(tài)鐵水經(jīng)石墨化得到.1、組織：基體（F、F+P、P）+球狀G球狀石墨是液態(tài)鐵水經(jīng)球化處理得到的。球化劑為鎂、稀土和稀土鎂。硅鐵硅鈣稀土鎂為避免白口，并使石墨細(xì)小均勻，在球化處理同時(shí)還進(jìn)行孕育處理。

常用孕育劑為硅鐵和硅鈣合金。球墨鑄鐵的顯微組織

鐵素體加珠光體球墨鑄鐵

鐵素體球墨鑄鐵

珠光體球墨鑄鐵

球墨鑄鐵中的石墨球

2、性能與熱處理強(qiáng)度是碳鋼的70~90%。球墨鑄鐵的突出特點(diǎn)是屈強(qiáng)比(0.2/b)高,約為0.7~0.8,而鋼一般只有0.3~0.5。球墨鑄鐵可進(jìn)行各種熱處理,如退火、正火、淬火加回火、等溫淬火等。

球墨鑄鐵的熱處理特點(diǎn)是：①奧氏體化溫度比碳鋼高，由于硅含量高;②淬透性比碳鋼高;③奧氏體中碳含量可控。制品(軋輥與輥環(huán))組織貝氏體基球墨鑄鐵退火退火是為了獲得F基體，提高塑性和韌性。1）去應(yīng)力退火對(duì)不再進(jìn)行其他熱處理的鑄鐵件，將其加熱至500~600℃，保溫2~8h，然后緩冷。2）低溫退火對(duì)鑄態(tài)組織是F-P和石墨，而沒有自由滲碳體時(shí)，可進(jìn)行低溫退火，使P中的滲碳體分解為F和石墨，最后得到F基體的球墨鑄鐵。工藝是加熱至700~760℃，保溫3~6h，然后隨爐緩冷至600℃出爐空冷。3）高溫退火對(duì)鑄態(tài)組織不僅有石墨還有自由滲碳體時(shí)，可進(jìn)行高溫退火，使?jié)B碳體分解為F和石墨，最后得到F基體的球墨鑄鐵。工藝是加熱至920~980℃，保溫2~5h,然后隨爐緩冷至600℃出爐空冷。正火正火是為了增加基體組織中P的數(shù)量，細(xì)化組織，提高強(qiáng)度和耐磨性。1）低溫正火又稱不完全奧氏體正火，其工藝是將鑄件加熱到820~860℃，保溫1~3h然后出爐空冷，以得到P和少量F基體的球墨鑄鐵，既提高強(qiáng)度又具有較好的塑性和韌性。2）高溫正火又稱完全奧氏體正火，其工藝是將鑄件加熱到880~950℃，保溫1~3h然后出爐空冷，以得到P基體的球墨鑄鐵，提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性。調(diào)質(zhì)處理

為了得到回火S基體，以獲得較高的綜合力學(xué)性能。其工藝為，淬火加熱溫度860~900℃，油冷，550~600℃.等溫淬火

為了得到下B基體，使其具有高硬度、高強(qiáng)度和較好的韌性。其工藝為，淬火加熱溫度850~900℃，保溫后迅速放入250~350℃的鹽浴中等溫1~1.5h，然后取出空冷。3、用途承受震動(dòng)、載荷大的零件，如曲軸、傳動(dòng)齒輪等。核燃料貯存運(yùn)輸容器(QT350-22)鑄鐵曲軸

牌號(hào)組織

用途舉例QT400—17

F+G球汽車、拖拉機(jī)底盤類零件，輪轂、驅(qū)動(dòng)橋殼、差速器殼、撥叉、中低壓閥門、管道。QT420—10

F+G球QT500—05

F+P+G球機(jī)座、傳動(dòng)軸、機(jī)車護(hù)瓦等。QT600—02

P+G球曲軸、凸輪軸、連桿、齒輪、搖臂、活塞環(huán)、軸套、汽缸套、機(jī)床蝸輪、蝸桿等QT700—02

P+G球QT800—02P+G球QT1200—01B下+G球汽車后橋螺旋錐齒輪、大減速器齒輪、曲軸、凸輪等四、蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型鑄鐵.蠕墨鑄鐵是液態(tài)鐵水經(jīng)蠕化處理和孕育處理得到的.蠕化劑為稀土硅鐵鎂合金、

稀土硅鐵合金、稀土硅鐵鈣合金等。蠕墨鑄鐵的組織：基體（F、F+P、P）+蠕蟲狀G

蠕墨鑄鐵中的石墨蠕墨鑄鐵的顯微組織蠕墨鑄鐵中的石墨珠光體基體鐵素