金屬材料學(xué)第7章鑄鐵課件

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(shí)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(dòng)力學(xué)條件：主要有成分起伏、結(jié)構(gòu)起伏和原子擴(kuò)散.有利于滲碳體的形成.為了使G化進(jìn)行,可人為地改變熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件.成分起伏L4.3%CFe3C（6.67%C）+AG（100%C）+A結(jié)構(gòu)起伏L（或γ-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)）比較接近濃度差小原子擴(kuò)散

G長大，不但要C原子擴(kuò)散集中，而且Fe原子要從G生長前沿逆向擴(kuò)散。而Fe3C長大只要C擴(kuò)散，F(xiàn)e原子局部移動(dòng)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0.8~3.5%之間，Si的加入對Fe-G相圖發(fā)生變化。Si作用

①共晶點(diǎn)和共析點(diǎn)碳量隨硅含量的↑而↓；②使共晶和共析轉(zhuǎn)變在一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行；③↑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℃；④Si促進(jìn)鑄鐵石墨化的作用相當(dāng)于1/3C?！卓冢弧F水流動(dòng)性，惡化鑄造性；形成FeS，分布晶界，使鑄鐵變脆。S是有害元素，其含量應(yīng)盡量低，一般將S限制在0.15%以下S促進(jìn)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(jìn)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(jìn)行

在生產(chǎn)中，鑄件冷卻速度是一個(gè)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(jì)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(gè)階段：發(fā)生在P′S′K′線以上的G化為第一階段；發(fā)生在P′S′K′線以下的G化為第二階段，實(shí)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(jìn)行完全進(jìn)行F+G不同基體的灰部分進(jìn)行F+P+G鐵、球鐵、蠕鐵、未進(jìn)行P+G可鍛鐵部分進(jìn)行未進(jìn)行Ld+P+G麻口鑄鐵未進(jìn)行未進(jìn)行Ld白口鑄鐵

石墨晶體結(jié)構(gòu)

片狀石墨生長機(jī)理

如G片向兩側(cè)加厚生長，須依靠C從鐵水中先擴(kuò)散到A層再擴(kuò)散到G；而Fe還必須向A層外作反方向擴(kuò)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.(2)球狀G的形成條件球化劑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(xì)化G

圖球狀石墨晶體生長示意圖a)[0001]方向生長；b)長成球狀多面體7.3灰鑄鐵

牌號(hào)意義

有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350六個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)?！癏T”表示“灰鐵”，后面的數(shù)字表示抗拉強(qiáng)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、F6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(shí)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(diǎn)（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

（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(jī)加工時(shí)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(diǎn)，鐵水流動(dòng)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(dòng)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(jī)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(chǔ)存潤滑油和收集微小麿粒,因此具有良好的減摩性。如機(jī)床導(dǎo)軌7.4球墨鑄鐵

牌號(hào)意義

例如QT400-15，QT為球鐵代號(hào)，400表示抗拉強(qiáng)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

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(dá)到70~90％。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(shí)，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）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(shí)”輸出給奧氏體,也可在冷卻時(shí)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散度（5）等溫淬火處理得到B體或A—B體基體組織。提高綜合機(jī)械性能（6）表面淬火（7）化學(xué)熱處理氮化、滲硼和滲硫等

本章小結(jié)鑄鐵中G參與相變過程，但熱處理不能改變石墨形態(tài)和分布。石墨形狀、大小、數(shù)量、分布影響了鑄鐵基體性能的發(fā)揮程度，→基本上決定了鑄鐵宏觀力學(xué)性能。從片狀石墨到球狀石墨，使鑄鐵中石墨和基體的組織配合發(fā)生了質(zhì)的變化。不同類型G形成主要取決于成分和冷卻速度球墨鑄鐵基體的性能可得到較大的利用，鋼的各種熱處理強(qiáng)化工藝基本上都可以在球墨鑄鐵中應(yīng)用。不同類型鑄鐵有不同用途，根據(jù)零部件的工作條件和技術(shù)要求，可合理地選擇鑄鐵類型及其處理工藝。通過成分組織和工藝的特殊設(shè)計(jì)，可得到相應(yīng)的耐熱、耐磨、耐蝕等特種鑄鐵。鑄鐵中心問題：G形狀、大小、數(shù)量、分布

石墨化過程Ⅰ決定G形態(tài)Ⅱ決定基體熱力學(xué)自由焓有利于石墨化動(dòng)力學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散有利于Fe3C析出

影響因素化學(xué)成分C、Si促進(jìn)石墨化；Mn、S阻止石墨化冷卻速度薄壁表面易白口。壁厚敏感性，性能差異牌號(hào)及數(shù)字意義HT20