1、1南京航空航天大學(xué)Nanjing University of Aeronautics and Astronautics2l鑄鐵鑄鐵是含碳量大于是含碳量大于2.11%，并含有較多硅、，并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。7-1 3 力學(xué)性能低。力學(xué)性能低。由于石墨相當(dāng)于鋼基體中的裂紋或空由于石墨相當(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，強(qiáng)洞，破壞了基體的連續(xù)性，且易導(dǎo)致應(yīng)力集中，強(qiáng)度、塑性、韌性較差，不易鍛造。度、塑性、韌性較差，不易鍛造。 耐磨性能好。耐磨性能好。由于石墨本身有潤滑作用。由于石墨本身有潤滑作用。 消振性能好。消振

2、性能好。由于石墨可以吸收振動(dòng)能量。由于石墨可以吸收振動(dòng)能量。 鑄造性能好。鑄造性能好。C含量接近共晶成分，流動(dòng)性好，鑄含量接近共晶成分，流動(dòng)性好，鑄造性能好。造性能好。 切削性能好。切削性能好。由于石墨使車屑容易脆斷，不粘刀。由于石墨使車屑容易脆斷，不粘刀。 生產(chǎn)簡便、成本低廉。生產(chǎn)簡便、成本低廉。4l應(yīng)用：應(yīng)用：機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)的汽缸體、缸套、活塞環(huán)的汽缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等都是由鑄及軸瓦、曲軸等都是由鑄鐵制造的。鐵制造的。鑄鐵曲軸鑄鐵曲軸5(1)Fe-Fe3C和和Fe-G(Graphite，石墨，石墨)雙重相圖雙重相圖 u鑄鐵中的碳除少量固溶于基體中外，主要以化合

3、態(tài)鑄鐵中的碳除少量固溶于基體中外，主要以化合態(tài)的的滲碳體滲碳體（Fe3C）和游離態(tài)的）和游離態(tài)的石墨石墨（G）兩種形式）兩種形式存在。存在。u石墨是碳的單質(zhì)態(tài)之一，其強(qiáng)度、塑性和韌性都幾石墨是碳的單質(zhì)態(tài)之一，其強(qiáng)度、塑性和韌性都幾乎為零。乎為零。7-2 鑄鐵的石墨化鑄鐵的石墨化6uFe3C是亞穩(wěn)相，在一定條件下（是亞穩(wěn)相，在一定條件下（例如：例如：高溫下長高溫下長時(shí)間加熱）將發(fā)生分解：時(shí)間加熱）將發(fā)生分解： Fe3C3Fe+C（石墨）（石墨）u【因此【因此】鐵碳合金實(shí)際上存在兩個(gè)相圖：鐵碳合金實(shí)際上存在兩個(gè)相圖：即即Fe-Fe3C相圖和相圖和Fe-G相圖，這兩個(gè)相圖幾乎重相圖，這兩個(gè)相圖幾乎重

4、合，只是合，只是E、C、S點(diǎn)的成分和溫度稍有變化，點(diǎn)的成分和溫度稍有變化， 7L+GL+Fe3C8(2)鑄鐵的石墨化過程鑄鐵的石墨化過程l鑄鐵中的碳原子析出形成石鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過程稱為墨的過程稱為石墨化。石墨化。l鑄鐵中的石墨可以在結(jié)晶過鑄鐵中的石墨可以在結(jié)晶過程中程中直接析出直接析出，也可以由滲，也可以由滲碳體加熱時(shí)碳體加熱時(shí)分解分解得到。得到。臺(tái)車式石墨化退火爐臺(tái)車式石墨化退火爐9p鑄鐵的石墨化過程分為鑄鐵的石墨化過程分為兩個(gè)階段兩個(gè)階段：在在PSK線以上線以上發(fā)生的石墨化稱為發(fā)生的石墨化稱為第一階段石墨化第一階段石墨化，包括結(jié)晶時(shí)一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出包括結(jié)晶時(shí)

5、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和加熱時(shí)一次滲碳體、二次滲碳體及共晶滲碳體的分解；分解；在在PSK線以下線以下發(fā)生的石墨化稱為發(fā)生的石墨化稱為第二階段石墨化第二階段石墨化，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。分解。p石墨化程度不同，所得到鑄鐵類型和組織也不同。石墨化程度不同，所得到鑄鐵類型和組織也不同。 10石墨化進(jìn)行程度石墨化進(jìn)行程度 鑄鐵的顯微組織鑄鐵的顯微組織 鑄鐵類型鑄鐵類型 第一階段第一階段石墨化石墨化 第二階段第二階段石墨化石墨化 完全進(jìn)行完全進(jìn)行完全進(jìn)行完全進(jìn)行F+G 灰口鑄鐵

6、灰口鑄鐵部分進(jìn)行部分進(jìn)行F+P+G未進(jìn)行未進(jìn)行P+G部分進(jìn)行部分進(jìn)行未進(jìn)行未進(jìn)行Ld+P+G 麻口鑄鐵麻口鑄鐵未進(jìn)行未進(jìn)行未進(jìn)行未進(jìn)行Ld白口鑄鐵白口鑄鐵11(3)影響石墨化的因素影響石墨化的因素化學(xué)成分的影響化學(xué)成分的影響 Fe-C合金的五大元素：合金的五大元素：C，Si，P，Mn，SC是是G的形成元素，的形成元素，C% ， G化化 Si: 強(qiáng)烈促進(jìn)強(qiáng)烈促進(jìn)G化的元素，化的元素，Si% , G化化 。原因：原因：Si能抑制能抑制Fe3C的形成，促進(jìn)的形成，促進(jìn)Fe3C分解。分解。 12S：阻礙阻礙G化的元素，化的元素，S% , G化化 合金元素合金元素Cr、W、Mo、V 與與C親合親合力強(qiáng)，

7、阻礙石墨化；力強(qiáng)，阻礙石墨化；合金元素合金元素Al、Cu、Ni、Co增加增加Fe自自擴(kuò)散能力，促進(jìn)石墨化。擴(kuò)散能力，促進(jìn)石墨化。Mn：Mn 0.2 0.4%時(shí)，形成合金滲碳時(shí)，形成合金滲碳體體 (Fe,Mn)3C, G化化 。13lP促進(jìn)石墨化不明顯，但提高鐵水流動(dòng)性，改善其促進(jìn)石墨化不明顯，但提高鐵水流動(dòng)性，改善其鑄造性能。若其含量高時(shí)易在晶界上形成硬而脆的鑄造性能。若其含量高時(shí)易在晶界上形成硬而脆的磷共晶，降低鑄鐵的強(qiáng)度，只有耐磨鑄鐵中磷含量磷共晶，降低鑄鐵的強(qiáng)度，只有耐磨鑄鐵中磷含量偏高（達(dá)偏高（達(dá)0.3%以上）以上）。鑄鐵中的磷共晶鑄鐵中的磷共晶14冷卻速度的影響冷卻速度的影響p鑄件冷

8、卻緩慢，有利于碳原子的充分?jǐn)U散，結(jié)晶將鑄件冷卻緩慢，有利于碳原子的充分?jǐn)U散，結(jié)晶將按按Fe - G相圖進(jìn)行，因而促進(jìn)石墨化。相圖進(jìn)行，因而促進(jìn)石墨化。p快冷時(shí)由于過快冷時(shí)由于過冷度大，結(jié)晶冷度大，結(jié)晶將按將按Fe-Fe3C相相圖進(jìn)行，不利圖進(jìn)行，不利于石墨化。于石墨化。鑄件壁厚和碳硅含量對(duì)鑄鐵組織的影響鑄件壁厚和碳硅含量對(duì)鑄鐵組織的影響 w (C+Si)%15V冷冷 ，G化化 ，F(xiàn)e3C量量 ，G片細(xì)小、量少。片細(xì)小、量少。V冷冷 ，G化停止，無石墨形成，化停止，無石墨形成，C Fe3C， 即形成白口鑄鐵。即形成白口鑄鐵。GG化是靠原子擴(kuò)散進(jìn)行的，需要溫度、時(shí)間化是靠原子擴(kuò)散進(jìn)行的，需要溫度、

9、時(shí)間167-3 鑄鐵的分類鑄鐵的分類 根據(jù)鑄鐵結(jié)晶過程中石墨化程度，鑄鐵分為：根據(jù)鑄鐵結(jié)晶過程中石墨化程度，鑄鐵分為： 灰口鑄鐵灰口鑄鐵、白口鑄鐵白口鑄鐵、麻口鑄鐵麻口鑄鐵 （工業(yè)上使用的鑄鐵主要是（工業(yè)上使用的鑄鐵主要是灰口鑄鐵灰口鑄鐵） 根據(jù)石墨形態(tài)，灰口鑄鐵又可分為：根據(jù)石墨形態(tài)，灰口鑄鐵又可分為：灰鑄鐵灰鑄鐵、可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵等。等。17a. 灰鑄鐵灰鑄鐵 片狀石墨片狀石墨b. 球墨鑄鐵球墨鑄鐵 球狀球狀c. 可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵 團(tuán)絮狀團(tuán)絮狀d. 蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵 蠕蟲狀蠕蟲狀18灰鑄鐵是指石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵。其產(chǎn)灰鑄鐵是指石墨呈片狀分布的灰口鑄

10、鐵。其產(chǎn)量約占鑄鐵總產(chǎn)量的量約占鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上。以上。(1)組織組織l灰鑄鐵的組織是由液態(tài)鐵水緩慢冷卻時(shí)通過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，其基體組織有石墨化過程形成的，其基體組織有鐵素體鐵素體、珠光體珠光體和和鐵素體加珠光體鐵素體加珠光體三種。三種。7-3-1 灰鑄鐵灰鑄鐵19鐵素體灰鑄鐵鐵素體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵鐵素體加珠光體灰鑄鐵鐵素體加珠光體灰鑄鐵珠光體基體珠光體基體+ +片狀石墨片狀石墨20u常對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行常對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行孕育處理孕育處理(變質(zhì)處理變質(zhì)處理)，以細(xì)化片狀石墨。，以細(xì)化片狀石墨。u常用的孕育劑有常用的孕育劑有硅鐵硅鐵和和硅鈣硅鈣合

11、金。合金。u經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。孕育鑄鐵。 孕育處理前孕育處理前孕育處理后孕育處理后硅鐵硅鐵硅鈣硅鈣21(2)用途用途 制造承受壓力和震動(dòng)的零件，如制造承受壓力和震動(dòng)的零件，如機(jī)床床身、機(jī)床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體各種箱體、殼體、泵體、缸體。大型船用柴油機(jī)汽缸體大型船用柴油機(jī)汽缸體(HT-300)重型機(jī)床床身重型機(jī)床床身(HT-250)變速箱體變速箱體22 石墨呈石墨呈球形球形的灰口鑄鐵。的灰口鑄鐵。(1)組織組織基體（基體（F、F+P、P）+ 球狀球狀G球狀石墨是液態(tài)鐵水經(jīng)球化處理得到的。球狀石墨是液態(tài)鐵水經(jīng)球化處理得到的。球化劑為球化劑為鎂、稀土鎂

12、、稀土和和稀土鎂稀土鎂。為避免白口，并使石墨細(xì)小均勻，為避免白口，并使石墨細(xì)小均勻， 在在球化處理球化處理同時(shí)還進(jìn)行同時(shí)還進(jìn)行孕育處理。孕育處理。常用孕育劑為常用孕育劑為硅鐵硅鐵和和硅鈣合金硅鈣合金。硅鐵硅鐵硅硅鈣鈣稀土鎂稀土鎂7-3-2 球墨鑄鐵球墨鑄鐵23鐵素體加珠光體球墨鑄鐵鐵素體加珠光體球墨鑄鐵 鐵素體球墨鑄鐵鐵素體球墨鑄鐵 珠光體球墨鑄鐵珠光體球墨鑄鐵 球墨鑄鐵中的石墨球球墨鑄鐵中的石墨球 24(2)性能與熱處理性能與熱處理l強(qiáng)度是碳鋼的強(qiáng)度是碳鋼的7090%。球墨鑄鐵的突出特點(diǎn)是。球墨鑄鐵的突出特點(diǎn)是屈強(qiáng)比屈強(qiáng)比( 0.2 / b)高高, 約為約為0.70.8, 而鋼一般只有而鋼一

13、般只有0.30.5。 l熱處理熱處理退火、正火、淬火加回火、等溫淬火退火、正火、淬火加回火、等溫淬火等。等。 25退火退火獲得塑性好的鐵素體基體，改善切削性能獲得塑性好的鐵素體基體，改善切削性能和消除鑄造應(yīng)力。和消除鑄造應(yīng)力。 原始鑄態(tài)組織中存在自由滲碳體，采用高溫退火；原始鑄態(tài)組織中存在自由滲碳體，采用高溫退火； 原始鑄態(tài)組織中不存在自由滲碳體，采用低溫退火。原始鑄態(tài)組織中不存在自由滲碳體，采用低溫退火。正火正火增加基體中珠光體的數(shù)量，細(xì)化基體組織，增加基體中珠光體的數(shù)量，細(xì)化基體組織，提高強(qiáng)度和耐磨性。提高強(qiáng)度和耐磨性。 完全奧氏體化，采用高溫正火；完全奧氏體化，采用高溫正火； 不完全奧氏

14、體化，采用低溫正火。不完全奧氏體化，采用低溫正火。 注：正火后要進(jìn)行去應(yīng)力退火。注：正火后要進(jìn)行去應(yīng)力退火。（正火后有較大內(nèi)應(yīng)力）（正火后有較大內(nèi)應(yīng)力）26調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)獲得較高的綜合力學(xué)性能。獲得較高的綜合力學(xué)性能。 承受交變載荷工件承受交變載荷工件等溫淬火等溫淬火很高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性。很高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性。這種工藝適合于綜合力學(xué)性能要求高且外形又較為復(fù)雜、這種工藝適合于綜合力學(xué)性能要求高且外形又較為復(fù)雜、熱處理易變形與開裂的零件，如：齒輪、凸輪軸。熱處理易變形與開裂的零件，如：齒輪、凸輪軸。27(3)用途用途l承受震動(dòng)、載荷大承受震動(dòng)、載荷大的零件，如的零件，如曲軸、曲軸、傳動(dòng)齒

15、輪傳動(dòng)齒輪等等。核燃料貯存運(yùn)輸容器核燃料貯存運(yùn)輸容器(QT350-22)鑄鐵曲軸鑄鐵曲軸28可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線 u可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的，經(jīng)石墨化退火獲得的，其石墨呈團(tuán)絮狀。其石墨呈團(tuán)絮狀。7-3-3 可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵u將白口鑄鐵坯件加熱到將白口鑄鐵坯件加熱到900980，使鑄鐵組織轉(zhuǎn)變，使鑄鐵組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體和滲碳體，經(jīng)過長時(shí)間為奧氏體和滲碳體，經(jīng)過長時(shí)間(3h左右左右)保溫后，滲保溫后，滲碳體發(fā)生分解而得到團(tuán)絮狀石墨，此為碳體發(fā)生分解而得到團(tuán)絮狀石墨，此為第一階段石墨第一階段石墨化化。在隨后的緩冷過程中，奧氏體中過飽和的

16、碳將充。在隨后的緩冷過程中，奧氏體中過飽和的碳將充分析出并附在已形成的團(tuán)絮狀石墨表面，使石墨長大，分析出并附在已形成的團(tuán)絮狀石墨表面，使石墨長大，完成完成第二階段石墨化第二階段石墨化(760720)，形成鐵素體和石，形成鐵素體和石墨，再緩冷至墨，再緩冷至700650，出爐空冷，最后得到，出爐空冷，最后得到鐵素鐵素體可鍛鑄鐵體可鍛鑄鐵，又稱，又稱黑心可鍛鑄鐵黑心可鍛鑄鐵。29(1)組織組織基體（基體（F、P）團(tuán)絮狀）團(tuán)絮狀G鐵素體基體可鍛鑄鐵又稱鐵素體基體可鍛鑄鐵又稱黑心可鍛鑄鐵黑心可鍛鑄鐵。(2)性能性能由于可鍛鑄鐵中的團(tuán)絮狀石墨對(duì)基體的割由于可鍛鑄鐵中的團(tuán)絮狀石墨對(duì)基體的割裂程度及引起的應(yīng)力

17、集中小，因而其強(qiáng)度、裂程度及引起的應(yīng)力集中小，因而其強(qiáng)度、塑性和韌性均比灰鑄鐵高，接近于鑄鋼，塑性和韌性均比灰鑄鐵高，接近于鑄鋼，但不能鍛造但不能鍛造。強(qiáng)度為碳鋼的強(qiáng)度為碳鋼的4070%。30 可鍛鑄鐵的顯微組織可鍛鑄鐵的顯微組織 黑心可鍛鑄鐵黑心可鍛鑄鐵 珠光體可鍛鑄鐵珠光體可鍛鑄鐵 31(3)用途用途l用于制造形狀復(fù)雜且承受振動(dòng)載荷的薄壁小型件，用于制造形狀復(fù)雜且承受振動(dòng)載荷的薄壁小型件，如如汽車前后輪殼汽車前后輪殼、管接頭、低壓閥門管接頭、低壓閥門等。等。可鍛鑄鐵管件可鍛鑄鐵管件32蠕墨鑄鐵是蠕墨鑄鐵是20世紀(jì)世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型鑄鐵。年代發(fā)展起來的一種新型鑄鐵。l蠕墨鑄鐵是液

18、態(tài)鐵水經(jīng)蠕化處理和孕育處理得到的。蠕墨鑄鐵是液態(tài)鐵水經(jīng)蠕化處理和孕育處理得到的。l常用常用蠕化劑蠕化劑：稀土硅鐵鎂合金、稀土硅鐵合金、稀土硅：稀土硅鐵鎂合金、稀土硅鐵合金、稀土硅鐵鈣合金等。鐵鈣合金等。l蠕墨鑄鐵的蠕墨鑄鐵的組織組織： 基體（基體（F、F+P、P）+ 蠕蟲狀蠕蟲狀G 7-3-4 蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵33蠕墨鑄鐵的顯微組織蠕墨鑄鐵的顯微組織（鐵素體基體）（鐵素體基體） 蠕墨鑄鐵中的石墨蠕墨鑄鐵中的石墨34l蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和抗疲勞蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和抗疲勞性能優(yōu)于灰鑄鐵，其力學(xué)性能介性能優(yōu)于灰鑄鐵，其力學(xué)性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間。于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間。l常用于制造常用于制

19、造承受熱循環(huán)載荷的零承受熱循環(huán)載荷的零件和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的鑄件和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的鑄件。如鋼錠模、玻璃模具、柴油件。如鋼錠模、玻璃模具、柴油機(jī)汽缸、汽缸蓋、排氣閥、液壓機(jī)汽缸、汽缸蓋、排氣閥、液壓閥的閥體、耐壓泵的泵體等。閥的閥體、耐壓泵的泵體等。 玻璃模具玻璃模具制動(dòng)盤制動(dòng)盤閥芯閥芯35(1)耐磨鑄鐵耐磨鑄鐵耐磨灰口鑄鐵耐磨灰口鑄鐵在灰口鑄鐵中加入少量合金元素（如磷、釩、鉻、在灰口鑄鐵中加入少量合金元素（如磷、釩、鉻、鉬、銻、稀土等）可以增加金屬基體中珠光體數(shù)量，鉬、銻、稀土等）可以增加金屬基體中珠光體數(shù)量，且使珠光體細(xì)化，同時(shí)也細(xì)化了石墨。由于鑄鐵的強(qiáng)且使珠光體細(xì)化，同時(shí)也細(xì)化了石墨。由于鑄鐵的強(qiáng)度和硬度升高，顯微組織得到改善，使得這種灰口鑄度和硬度升高，顯微組織得到改善，使得這種灰口鑄鐵具有良好的潤滑性和抗咬合抗擦傷的能力。鐵具有良好的潤滑性和抗咬合抗擦傷的能力。中錳球墨鑄鐵中錳球墨鑄鐵在稀土鎂球鐵中加入在稀土鎂球鐵中加入5.09.5%Mn，控制，控制3.35.0%Si，其組織為馬氏體，其組織為馬氏體+奧氏體奧氏體+滲碳體滲碳體+貝氏貝氏體體+球狀石墨，具有較高的沖擊韌性和強(qiáng)度，適用于球狀石墨，具有較高的沖擊韌