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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(kuò)散.有利于滲碳體的形成. 為了使G化進(jìn)
2、行,可人為地改變熱力學(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,L 4.3%C,Fe3C(6.67%C)+ A,G(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,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,C Si,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
3、 Fe-G相圖發(fā)生變化。,Si 作 用, 共晶點(diǎn)和共析點(diǎn)碳量隨硅含量的而; 使共晶和共析轉(zhuǎn)變在一溫度范圍內(nèi)進(jìn)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(jìn)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(xì)小、均勻分布時,可耐磨性。若粗大 連續(xù)網(wǎng)狀分布,將強(qiáng)度,鑄件脆性。 除在耐磨鑄鐵中可達(dá)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
4、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,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、Cu,W、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
5、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)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(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,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(diǎn)陣層狀結(jié)構(gòu)。層面原子間距小,較 強(qiáng)共價鍵
6、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形成會導(dǎo)致周圍鐵水C濃度,凝固點(diǎn)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(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(00
7、01)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,(3) 球狀石墨的形核機(jī)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(jī)理,有許多學(xué)說,難以完美解釋.,(4
8、) 球狀石墨的生長機(jī)理,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 意義,有HT100、HT150、HT200、HT250、 HT300、HT350六個國家標(biāo)準(zhǔn)牌號。 “HT”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、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(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
9、墨,圖 片狀石墨的分布類型,2、灰鑄鐵性能及熱處理 (1)抗拉強(qiáng)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(qiáng)度不能充分 發(fā)揮,其強(qiáng)度利用率 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(jī)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(diǎn),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
10、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 意義,例如QT400-15,QT為球鐵代號,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,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(dá) 到7
11、090。,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?時,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(diǎn),(1)共析轉(zhuǎn)變不是在恒定的溫度下進(jìn)行,而是在 一個較寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)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
12、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(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
13、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,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 決定G形態(tài) 決定基體,熱力學(xué),自由焓 有利于石墨化,動力學(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
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