第7章鑄鐵 一般情況下 鑄鐵的抗拉強度低 塑性和韌性差 但由于鑄鐵的生產成本低 所用設備和工藝簡單 而且有優良的鑄造性能 良好的切削加工性 減震性 耐磨性等 因此廣泛用于現代工業中 機床中鑄鐵件約占60 90 汽車約占50 70 碳在鑄鐵中常以兩種形式存在 一種是以化合狀態的滲碳體 Fe3C 它主要形成白口鑄鐵 這種鑄鐵用量少 另一種是游離狀態的石墨 常用G表示 由于石墨形態的不同而產生各種鑄鐵 它們的用量最多 7 1鑄鐵的石墨化和分類7 1 1鐵碳合金的雙重相圖 鑄鐵中碳原子的析出 并形成石墨的過程稱為石墨化過程 石墨的結構和組織對鑄鐵的性能有很大影響 鑄鐵是具有共晶轉變的鐵碳合金 其含碳量在2 14 6 69 當液態鑄鐵在冷卻時 隨著冷卻條件的不同 可以從液態中和A中直接結晶出Fe3C 又可直接結晶出石墨 冷卻速度較快 結晶出Fe3C 冷卻速度較慢結晶出石墨 7 1 1鐵碳合金的雙重相圖 對于Fe C合金的結晶來說 實際上存在著兩種相圖 即Fe Fe3C相圖 虛線表示 Fe G相圖 實線表示 隨化學成分和冷卻速度的不同 鐵碳合金液態結晶后各階段石墨化程度不同 一般可得到F G F P G P G 7 1 2鑄鐵石墨化的條件 鑄鐵石墨化的條件 一定成分的鑄鐵液 當結晶過冷度比較小 冷速非常緩慢 從液態鑄鐵中可以直接結晶出石墨 實踐證明 鑄鐵的化學成分與結晶時的冷卻速度是影響石墨化的主要因素 7 1 2鑄鐵石墨化的條件 根據鐵碳合金雙重相圖和結晶條件不同 鑄鐵結晶石墨化分三個階段第一階段從液態中直接結晶出一次石墨和通過共晶反應而形成的共晶石墨 也即從液態中生成石墨第二階段從鑄鐵的奧氏體A中析出二次石墨第三階段通過共析反應 形成石墨 所形成的石墨量少 7 1 2鑄鐵石墨化的條件 Fe3C的含碳量為6 69 而石墨G則是100 因此從液態合金中結晶出Fe3C比G更容易 因為它不需要碳原子作更大的移動和聚集 所以一般冷速下都是形成Fe3C 鐵液冷卻較慢 鑄鐵中含促進石墨化元素較多 則鑄鐵中的碳將會以石墨的形式存在 7 1 3影響石墨化的因素 化學成分C和Si是強烈促進石墨化元素冷卻速度冷速越慢 越有利于石墨化 而快冷 則阻止石墨化 7 1 4鑄鐵的分類 根據鑄鐵在結晶過程中的石墨化程度和碳在鑄鐵中存在不同的形式 分為以下幾類灰口鑄鐵在第一和第二階段石墨化過程中都得到充分石墨化的鑄鐵 其斷口呈灰色 故稱為灰口鑄鐵 具有良好的切削加工性能 無低溫萊氏體組織 白口鑄鐵第一 第二和第三階段的石墨化全部被抑制 鑄鐵組織中的碳以Fe3C形式存在 全部為低溫萊氏體組織 其斷口呈白亮色 故稱為白口鑄鐵 硬而脆 比較難切削加工 工業上很少用 麻口鑄鐵在第一階段的石墨化過程中沒有得到充分石墨化的鑄鐵 其織介于灰口與白口之間 斷口有黑白相間的麻點 含有不同數量的低溫萊氏體 也有很大的脆性 工業上很少用 有部分低溫萊氏體組織和部分石墨 7 1 4鑄鐵的分類 根據鑄鐵中石墨結晶形態不同 可將鑄鐵分以下幾種灰口鑄鐵 鋼組織基體 片狀石墨 球墨鑄鐵 鋼組織基體 球狀石墨 蠕墨鑄鐵 鋼組織基體 蠕蟲狀石墨 可鍛鑄鐵 鋼組織基體 團絮狀石墨 鑄鐵分類表 7 1 4鑄鐵的分類 鑄鐵的基體有F 鐵素體 P 珠光體 和F P 鐵素體 珠光體 三種 7 1 4鑄鐵的分類 鑄鐵的石墨化程度與其組織之間的關系 共晶鑄鐵為例 7 1 4鑄鐵的分類 石墨石墨強度和塑性很低 硬度也很低 因此石墨的存在 對鑄鐵的抗拉強度造成危害 石墨形狀不同 對鑄鐵造成的危害也不同 一般情況下 從液態鑄鐵中結晶出來的石墨均呈片狀 層與層之間的結合力較弱 容易分離 生產上常在澆注前向鑄鐵水中加入孕育劑 Si鐵 Si Ca合金 表面活性元素 Mg等 和利用冷卻速度來調整和控制石墨的生核率和改變石墨的形態 7 2灰口鑄鐵 鑄鐵組織中的石墨形態呈片狀 稱為灰鑄鐵 廣稱為灰口鑄鐵 占鑄鐵總量的75 以上 這種鑄鐵性能不太高 但生產工藝簡單 成本低 價格低 故在工業上應用廣泛 主要用于中等負荷的結構件 復雜形狀的薄壁件及潤滑條件下的受磨件 7 2 1灰口鑄鐵的牌號和化學成分 國家標準規定灰口鑄鐵牌號 HT 是 灰鐵 二字漢語拼音的第一個字母 后面的數字為最小抗拉強度 MPa 例如 HT100HT150HT250灰口鑄鐵按其中石墨片的粗細不同 可分為普通灰口鑄鐵和孕育鑄鐵普通灰口鑄鐵的基體主要有 F P F P三種 F灰口鑄鐵的強度及硬度低 很少應用 多數用F P P組織 灰鑄鐵的顯微組織 7 2 1灰口鑄鐵的牌號和化學成分 由于有片狀石墨的存在 灰口鑄鐵脆性大 抗壓強度是抗拉強度的3 4倍 有相當數量的磷存在 一方面加大脆性 另一方面有利于耐磨 灰口鑄鐵的耐蝕性在很多環境下均優于碳鋼 在城市建設中 灰口鑄鐵制造水管道系統壽命可達百年以上 7 2 2灰口鑄鐵的孕育處理 普通灰口鑄鐵主要缺點石墨片粗大 強度低 塑性差 在鑄件的薄截面處可能白口化 而在厚截面處可能出現粗大的石墨 使鑄件各部分機械性能不一致 為改善和提高灰口鑄鐵的性能 在澆注前向灰口鑄鐵鐵水中加入少量的孕育劑 Si鐵或Si Ca合金 進行孕育處理 產生大量人工形核 以改變石墨片的大小 數量 形狀和分布善 獲得均勻的P類型基體分布著細小片狀石墨的灰口鑄鐵 這種鑄鐵稱為孕育鑄鐵或變質鑄鐵孕育鑄鐵的塑性和韌性雖然有所提高 但由于石墨仍為片狀 所以其塑性和韌性仍然較低 7 2 2灰口鑄鐵的孕育處理 HT250以上的灰口鑄鐵均屬于孕育鑄鐵 HT300HT350 孕育鑄鐵適用于要求強度 耐磨性較高的鑄件 特別是薄厚不一的大型鑄件 例如機床床身 發動機缸體 7 2 3灰口鑄鐵的熱處理 熱處理不能改變石墨的形狀和分布 對提高灰口鑄鐵的機械性能作用不大 但它可以消除內應力和改善切削加工性能 消除內應力退火 又稱人工時效 鑄件各部位由于薄厚均勻 冷卻時容易產生較大的內應力 容易開裂和變形 對于形狀復雜和要求較高的鑄件 如機床床身 柴油機缸體 需要消除內應力 一般選用加熱溫度500 550 保溫一定時間后冷卻150 200 再空冷 消除鑄件白口 改善切削加工性的退火灰口鑄鐵件表層和薄壁處 由于冷速快 容易形成白口組織 難以切削加工 需要退火 加熱到850 900 保溫使滲碳體分解成石墨 又稱為高溫退火 冷卻250 400 再空冷 7 2 3灰口鑄鐵的熱處理 表面淬火灰口鑄鐵有時需要提高表面硬度和耐磨性 比如機床導軌 缸體內壁等 常用高頻表面淬火 火焰表面淬火和電接觸表面淬火等 淬火后表面硬度可達50 55HRc 組織晶粒越細 淬火后表面硬度越高 7 2 4灰口鑄鐵的特性和用途 見教材表7 3 7 3球墨鑄鐵 鑄鐵組織中的石墨形態呈球狀 稱為球墨鑄鐵 是20世紀50年代發展起來的優良鑄鐵 其特點是在鋼的基體上分布著球狀石墨 其綜合性能接近于鋼 又保持良好的鑄造性能 生產方便 在工業部門應用廣泛 在一定條件下可代替碳鋼和合金鋼的鑄件 7 3 1球墨鑄鐵的牌號和化學成分 國家標準規定球墨鑄鐵牌號 QT 是 球鐵 二字漢語拼音的第一個字母 后面的數字分別表示為最低抗拉強度 MPa 和最低延伸率 例如 QT400 18QT450 10QT900 2球墨鑄鐵的機械性能好 強度提高 同時其塑性和韌性也有較大的改善 接近與它相應基體組織的鑄鋼 同時 保留灰口鑄鐵的一些優點 如消振 耐磨 切削加工性和鑄造流動性較好 7 3 2球化處理 球墨鑄鐵生產中 能使石墨結晶成球狀的物質稱為球化劑 將球化劑加入鐵液的處理過程稱為球化處理 目前我國常用的球化劑有稀土鎂合金和純鎂球化處理時必須進行孕育處理球化處理時 鐵液鎂及稀土元素的加入會強烈地阻止石墨化 易出現白口 為了消除這一傾向 必須立即進行孕育處理 孕育劑多采用硅鐵 還加入少量的硅鈣或鋁 7 3 3球墨鑄鐵的熱處理 退火 降低硬度 提高塑性和韌性 高溫退火 退火前的組織物為F P Fe3C G 由于球墨鑄鐵的白口傾向大 在鑄態組織內常有自由滲碳體 高溫退火把自由滲碳體進行分解 獲得鐵素體和石墨 F G 加熱至900 950 保溫 隨爐冷至600 出爐空冷 獲得組織為鐵素體基體上分布著球狀石墨 F G 低溫退火 退火前的組織物為F P G 球墨鑄鐵一般都有鐵素體和珠光體 為了獲得較高的塑性和韌性 必須對珠光體中的滲碳體分解 加熱至720 760 隨爐冷至600 保溫 出爐空冷 獲得組織為鐵素體基體上分布著球狀石墨 F G 消除內應力退火加熱至500 600 保溫 緩冷后出爐空冷 對鑄體的力學性能影響不大 7 3 3球墨鑄鐵的熱處理 正火 增加珠光體數量并細化 提高強度和耐磨性 高溫正火 A化正火 加熱至880 920 保溫 出爐空冷 強度較高低溫正火 不完全A化正火 加熱至840 860 保溫 出爐空冷 強度比高溫正火略低 但塑性和韌性較高球墨鑄鐵正火后有較大內應力 故在正火后還要去應力退火 7 3 3球墨鑄鐵的熱處理 調質處理 對于受力比較復雜 要求綜合機械性較好的小尺寸球墨鑄鐵件 加熱至860 900 保溫后油冷 再在550 600 回火2 4小時 獲得S回 等溫淬火 要求機械性能較高 且外形又較復雜 熱處理易變形或開裂的零件 加熱至860 900 保溫 迅速移至250 300 的鹽浴中等溫 使之轉變為下貝氏體 不再回火 其組織是在下貝氏體基體上分布著球狀石墨 強度 硬度和韌性均較好 7 3 4球墨鑄鐵的特征和性能 球墨鑄鐵的球狀石墨使其機械性能有了提高 其抗拉強度可與中碳鋼相媲美 彎曲疲勞強度也有改善 還有良好的塑性和韌性 通過合金化和熱處理還可使它的性能得到進一步改善和提高 在生產上已用球墨鑄鐵代替中碳鋼及中碳合金鋼 如45鋼 42CrMo鋼等 僅球光體球墨鑄鐵就常用于制造曲軸 連桿 凸輪軸 機床主軸等 教材表7 5 球墨鑄鐵的特性和用途舉例 7 4蠕墨鑄鐵 鑄鐵組織中的石墨形態呈蠕蟲狀 稱為蠕墨鑄鐵 是20世紀60年代開始研究和應用的一種新型鑄鐵 我國已有很多單位生產多種蠕墨鑄鐵 標志著我國蠕墨鑄鐵的發展時入一個新階段 蠕墨鑄鐵強度和塑性介于灰口鑄鐵和球墨鑄鐵之間 鑄造性 耐熱疲勞性比球墨鑄鐵好 因此可用來制造大型復雜的鑄件 以及在較大溫度梯度下工作的鑄件 7 4 1蠕墨鑄鐵的牌號和化學成分 國家標準規定蠕墨鑄鐵牌號 RuT 是 蠕鐵 二字漢語拼音的第一個字母 后面的數字分別表示為最低抗拉強度 MPa 例如 RuT420球墨鑄鐵的化學成分成球墨鑄鐵相近 7 4 2蠕墨化處理 在澆注灰口鑄鐵前向鐵水中加入一定量的蠕化劑 Mg Ca Ti和Re錸 和少量的孕育劑 Si鐵或Si Ca合金等 其作用是使石墨的長厚變小 其形狀介于片狀石墨和球狀石墨之間 即石墨變短而粗 且尖角變鈍 呈彎曲狀 外形似蠕蟲 故稱為蠕狀石墨 常用的孕育劑為Si鐵 其作用是避免白口化 促進石墨生成 蠕墨鑄鐵中的石墨一般約為70 80 為蠕蟲石墨 其余為球狀石墨組成 7 4 3蠕墨鑄鐵的性能特點和應用 蠕墨鑄鐵性能介于灰口鑄鐵和球墨鑄鐵之間 蠕墨鑄鐵抗拉強度 延伸率 彎曲疲勞強度等均優于灰口鑄鐵 而接近于鐵素體球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵斷面敏感性較普通灰口鑄鐵小得多蠕墨鑄鐵導熱性和抗熱疲勞性比球墨鑄鐵高 蠕墨鑄鐵減振性比球墨鑄鐵好 但不如灰口鑄鐵蠕墨鑄鐵加工性和鑄造性優于球墨鑄鐵 接近于灰口鑄鐵 7 4 3蠕墨鑄鐵的性能特點和應用 蠕墨鑄鐵常用于制造在熱循環載荷條件下工作的零件 如鋼錠模 玻璃汽缸 柴油機汽缸 排氣管 也用于制造結構復雜的高強度鑄件 如液壓閥的閥體和耐壓泵的泵體 7 5可鍛鑄鐵 鑄鐵組織中的石墨形態為團絮狀或雪花狀 稱為可鍛鑄鐵 具有較高的強度 并有一定的塑性和韌性 其機械性能比普通灰口鑄鐵高 可鍛鑄鐵的塑性和韌性雖然比灰口鑄鐵高 名稱雖然為可鍛鑄鐵 但實際上并不可鍛造 可鍛鑄鐵生產工藝較復雜 成本高 不少的可鍛鑄鐵已被球墨鑄鐵所代替 7 5 1可鍛鑄鐵的牌號和化學成分 國家標準規定可鍛墨鑄鐵牌號 KT 是 可鐵 二字漢語拼音的第一個字母 可鍛鑄體分為三種 KTH 表示黑心可鍛鑄鐵 KTZ 表示珠光體可鍛鑄體 KTB 表示為白心可鍛鑄鐵 其中白心可鍛鑄鐵由于生產工藝復雜 而且性能和黑心可鍛鑄鐵差不多 故很少應用 KTH 和 KTZ 后面的數字分別表示最低抗拉強度和延伸率 KTH330 08HTZ700 02 7 5 2可鍛鑄鐵的石墨化 獲得可鍛鑄鐵必須經過兩個步驟 首先是澆鑄成白口鑄鐵 不允許有石墨出現 否則在隨后的退火處理過程中 由Fe3C分解的石墨將沿著已有的石墨片析出并長大 得不到團絮狀石墨 為保證通常冷卻條件下獲得完全的白口鑄鐵 必須使鑄鐵的成分有較低的碳和硅 其次 要進行長時間的石墨化退火處理 以獲得可鍛鑄鐵 7 5 2可鍛鑄鐵的石墨化 可鍛鑄鐵石墨化退火工藝圖 首先把白口鑄鐵加熱到900 1000 并長時間保溫 使Fe3C分解為A和G 團絮狀 然后慢冷過程中 從A中不斷析出二次G 并附在團絮狀的石墨上 使石墨長大 當冷卻至共析轉變溫度時 A又分解為F和G 團絮狀 得到的是F G 團絮狀 稱為黑心可鍛鑄鐵 若冷至共析轉變溫度時冷卻速度較快時 則A轉變為P和G 團絮狀 得到P G 團絮狀 稱珠光體可鍛鑄鐵 若將白口鑄鐵放在氧化性介質中退火 得到白心可鍛鑄鐵 很少使用 7 5 3可鍛鑄鐵的特性和用途 可鍛鑄鐵的性能優于灰口鑄鐵 接近于同類基體的球墨鑄鐵 經過長時間退火處理 組織和性能均勻 且具有良好的切削性能 通常用于鑄造形狀復雜受動載荷薄壁件 這種薄壁件若采用灰口鑄鐵不能滿足韌性要求 若采用鑄鋼 則鑄造性能不利 可鍛鑄鐵性能