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工程材料 鑄鐵 1 第八章鑄鐵 第一節(jié)鑄鐵的石墨化第二節(jié)灰鑄鐵第三節(jié)球墨鑄鐵第四節(jié)蠕墨鑄鐵第五節(jié)可鍛鑄鐵第六節(jié)合金鑄鐵 2 概述 鑄鐵是碳含量大于2 11 并常含有較多的硅 錳 硫 磷等元素的鐵碳合金 鑄鐵的生產(chǎn)設備和工藝簡單 價格便宜 并具有許多優(yōu)良的使用性能和工藝性能 所以應用非常廣泛 是工程上最常用的金屬材料之一 它可用于制造各種機器零件 如機床的床身 床頭箱 發(fā)動機的汽缸體 缸套 活塞環(huán) 曲軸 凸輪軸 軋機的軋輥及機器的底座等 3 4 二 鑄鐵的分類 根據(jù)鑄鐵中的碳在結(jié)晶過程中的析出狀態(tài)以及凝固后斷口顏色的不同 可分為三大類 白口鑄鐵 碳除少量溶于鐵素體外 其余全部以化合物狀態(tài)的滲碳體析出 凝固后斷口呈白亮的顏色 麻口鑄鐵 碳既以化合狀態(tài)的滲碳體析出 又以游離狀態(tài)的石墨析出 凝固后斷口夾雜著白亮滲碳體和暗灰色的石墨 灰口鑄鐵 碳全部或大部分以游離狀態(tài)的石墨析出 凝固后斷口呈灰色 5 6 鑄鐵的分類 按照石墨的形態(tài) 鑄鐵可分為 石墨呈片狀鑄鐵 稱灰鑄鐵 石墨呈團絮狀的鑄鐵稱可鍛鑄鐵 石墨呈球狀的鑄鐵稱球墨鑄鐵 石墨呈蠕蟲狀的鑄鐵稱蠕墨鑄鐵 7 從灰鑄鐵金相照片中看到的片狀石墨 實際上是一個立體的多枝石墨團 由于石墨各分枝都長成翹曲的薄片 在金相磨片上所看到的僅是這種多枝石墨團的某一截面 因此呈孤立的長短不等的片狀 或細條狀 石墨 圖7 2片狀石墨的立體模型 8 灰鑄鐵的顯微組織 9 第一節(jié)鑄鐵的石墨化 一鐵碳合金雙重相圖二石墨化過程三影響石墨化的因素 10 鐵碳合金雙重相圖 在鐵碳合金中 碳可以以三種形式存在 一是固溶在F A中 二是化合物態(tài)的滲碳體 Fe3C 三是游離態(tài)石墨 G 滲碳體為亞穩(wěn)相 具有復雜的斜方結(jié)構(gòu) 在一定條件下能分解為鐵和石墨 Fe3C 3Fe C 石墨為穩(wěn)定相 具有特殊的簡單六方晶格 其底面原子呈六方網(wǎng)格排列 原子間距小 1 42 10 10m 結(jié)合力很強 而底面之間的間距較大 3 04 10 10m 結(jié)合力較弱 所以石墨的強度 硬度和塑性都很差 11 鐵碳合金雙重相圖 在不同條件下 鐵碳合金可以有亞穩(wěn)定平衡的Fe Fe3C相圖和穩(wěn)定平衡的Fe G相圖 即鐵碳合金相圖應該是復線相圖 Fe Fe3C相圖和Fe G相圖 鐵碳合金究竟按哪種相圖變化 決定于加熱 冷卻條件或獲得的平衡性質(zhì) 亞穩(wěn)平衡還是穩(wěn)定平衡 12 13 鑄鐵的石墨化 鑄鐵中碳原子析出并形成石墨過程稱為石墨化 石墨既可以從液體和奧氏體中析出 也可以通過滲碳體分解來獲得 灰口鑄鐵和球墨鑄鐵中的石墨主要是從液體中析出 可鍛鑄鐵中的石墨則完全由白口鑄鐵經(jīng)長時間退火 由滲碳體分解而得到 14 鑄鐵的石墨化 按照Fe G相圖 可將鑄鐵的石墨化過程分為三個階段 第一階段石墨化 鑄鐵液體結(jié)晶出一次石墨 過共晶鑄鐵 和在1154 通過共晶反應形成共晶石墨 第二階段石墨化 在1154 738 溫度范圍內(nèi)奧氏體沿E S 線析出二次石墨 第三階段石墨化 在738 通過共析反應析出共析石墨 15 影響鑄鐵石墨化的因素可分為內(nèi)因和外因兩個方面 內(nèi)因是化學成分 外因是冷卻速度 影響石墨化的因素 16 內(nèi)因 化學成分 促進石墨化和阻礙石墨化二類 1 C Si為強烈促進石墨化的元素 石墨本身就是碳 所以碳含量越高 石墨化越容易 石墨越多 硅能減弱碳和鐵的親合力 不利于滲碳體的析出 從而促進了石墨化 在鑄鐵中 1 Si對石墨化的作用相當于1 3 C 所以有 碳當量CE C 1 3Si 17 內(nèi)因 化學成分 2 S是阻礙石墨化的元素 硫強烈促進白口化 并使鑄鐵的鑄造性能和機械性能惡化 少量硫即可生成FeS 或MnS FeS與鐵形成低熔點 約980 共晶體 沿晶界分布 因此限定硫的含量在0 15 以下 錳是阻礙石墨化的元素 能溶于鐵素體和滲碳體中 增強鐵 碳原子間的結(jié)合力 擴大奧氏體區(qū) 阻止共析轉(zhuǎn)變時的石墨化 促進珠光體基體的形成 錳還能與硫生成MnS 減少硫的有害作用 錳含量一般為0 5 1 4 18 內(nèi)因 化學成分 磷是促進石墨化的元素 鑄鐵中磷含量增加時 液相線降低 從而提高了鐵水的流動性 在鑄鐵中 磷含量大于0 3 時 常常形成二元或三元磷共晶體 其性能硬而脆 降低鑄鐵的強度 但提高其耐磨性 所以 要求鑄鐵有較高強度時 要限制磷含量 一般在0 12 以下 而耐磨鑄鐵則要求有一定的磷含量 可達0 3 以上 19 外因 冷卻速度 在生產(chǎn)過程中 鑄鐵的冷卻速度越緩慢 或在高溫下長時間保溫 均有利于石墨化 在其它條件一定的情況下 冷卻速度與鑄件的壁厚有關(guān) 壁厚越大 冷卻速度越小 越有利于石墨化 反之亦然 在生產(chǎn) 鑄件的表面和薄壁處常形成白口組織 使切削加工困難 就是由于這個原因造成的 20 影響石墨化的因素 鑄件壁厚 mm 鑄件壁厚 冷卻速度 和成分對鑄鐵組織的影響 碳硅當量 10 20 30 40 50 60 70 4 0 6 0 5 0 7 0 21 第二節(jié)灰鑄鐵 一 灰鑄鐵的化學成分 組織和性能二 灰鑄鐵的孕育處理三 灰鑄鐵的牌號和應用四 灰鑄鐵的熱處理 22 灰鑄鐵的化學成分 碳含量一般控制在 2 5 4 0 硅含量一般控制在 1 0 2 0 23 灰鑄鐵的組織 24 灰鑄鐵的力學性能 灰口鑄鐵的抗拉強度和塑性都很低 這是石墨對基體的嚴重割裂所致 石墨強度 韌性極低 相當于鋼基體上的裂紋或空洞 它減小基體的有效截面 并引起應力集中 石墨越多 越大 對基體的割裂作用越嚴重 其抗拉強度越低孕育處理可細化石墨片 減輕其對基體的割裂作用 因而提高鑄鐵的強度 但塑性無明顯改善 25 灰鑄鐵的工藝性能 石墨的存在 使鑄鐵具備某些優(yōu)良的工藝性能因石墨的存在 造成脆性切屑 鑄鐵的切削加工性能優(yōu)異 灰鑄鐵的鑄造性能良好 鑄件凝固時形成石墨產(chǎn)生的膨脹 減少了鑄件體積的收縮 降低了鑄件中的內(nèi)應力 石墨有良好的潤滑作用 并能儲存潤滑油 使鑄件有很好的耐磨性能 石墨對振動的傳遞起削弱作用 使鑄鐵有很好的減振性能 大量石墨的割裂作用 使鑄鐵對缺口不敏感 26 灰鑄鐵的孕育處理 經(jīng)孕育處理 亦稱變質(zhì)處理 后的灰鑄鐵叫做孕育鑄鐵 孕育的目的是 使鐵水內(nèi)同時生成大量均勻分布的非自發(fā)核心 以獲得細小均勻的石墨片 并細化基體組織 提高鑄鐵強度 避免鑄件邊緣及薄斷面處出現(xiàn)白口組織 提高斷面組織的均勻性 孕育鑄鐵具有較高的強度和硬度 可用來制造機械性能要求較高的鑄件 如汽缸 曲軸 凸輪 機床床身等 尤其是截面尺寸變化較大的鑄件 27 灰鑄鐵的牌號 灰鑄鐵的牌號由HT 三位數(shù)字組成 其中HT是灰鐵的漢語拼音縮寫 數(shù)字代表鑄鐵的抗拉強度 如HT200表示最低抗拉強度為200MPa的灰鑄鐵 最小的灰鐵是HT100 往上以50為間隔遞增 最大為HT350 28 灰鑄鐵的應用 29 四 灰鑄鐵的熱處理 熱處理不能改變石墨的形態(tài)和分布 對提高灰口鑄鐵整體機械性能作用不大 因此生產(chǎn)中主要用來消除鑄件內(nèi)應力 改善切削加工性能和提高表面耐磨性等 30 四 灰鑄鐵的熱處理 消除內(nèi)應力退火 又稱人工時效 一些形狀復雜和尺寸穩(wěn)定性要求較高的重要鑄件 如機床床身 柴油機汽缸等 為防止變形和開裂 須進行消除內(nèi)應力退火 消除鑄件白口 降低硬度的退火灰口鑄鐵件表層和薄壁處產(chǎn)生向口組織難以切削加工 需要退火以降低硬度 退火在共析溫度以上進行 使?jié)B碳體分解成石墨 所以又稱高溫退火 表面淬火有些鑄件如機床導軌 缸體內(nèi)壁等 因需要提高硬度和耐磨性 可進行表面淬火處理 如高頻表面淬火 火焰表面淬火和激光加熱表面淬火等 淬火后表面硬度可達50HRC 55HRC 31 第二節(jié)球墨鑄鐵 球墨鑄鐵的石墨呈球狀 使其具有很高的強度 又有良好的塑性和韌性 其綜合機械性能接近于鋼 因其鑄造性能好 成本低廉 生產(chǎn)方便 在工業(yè)中得到了廣泛的應用 32 33 球墨鑄鐵 球墨鑄鐵在國外是由英國人莫洛于1947年發(fā)明 并用于工業(yè)生產(chǎn)的 我國于1950年開始生產(chǎn) 34 我國球墨鑄鐵技術(shù)的開發(fā)者 周行健 周行健 冶金學家與冶金材料學家 是我國開發(fā)電爐煉鋼技術(shù)中率先進行特殊鋼和合金鑄鐵研究者和生產(chǎn)者之一 與周仁等一起 倡導以鑄代鍛 首先在我國進行球墨鑄鐵研究成功 較早進行壓力加工研究 并在上海創(chuàng)建了國內(nèi)第一個壓力加工實驗室 開拓了金屬物理性質(zhì)和摩擦與潤滑方面的研究工作 他長期致力于科研組織領(lǐng)導工作 恢復 發(fā)展和創(chuàng)建了三個大型冶金科研機構(gòu) 35 我國球墨鑄鐵技術(shù)的開發(fā)者 周行健 1950年 國家正著手迅速恢復 發(fā)展我國的鋼鐵生產(chǎn) 周仁 周行健等受黨和政府的委托 到鞍鋼 大連等地考察 他們看到工廠所生產(chǎn)的機械強度不高的生鐵 不能滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要 為了提高生鐵的強度 成立了球墨鑄鐵課題組 在周仁 周行健的親自領(lǐng)導下 制訂了研究計劃和技術(shù)方案 一次次地試驗 終于找到了合適的球墨化添加劑 掌握了球墨鑄鐵的生產(chǎn)和熱處理工藝 在全國率先研制成功 球墨鑄鐵的性能達到當時國際先進水平 科學通報 1950年12月第1卷第8期以 中國科學院工學實驗館球狀石墨鑄鐵試制過程 為題作了報道 引起了國內(nèi)工業(yè)界的注意 許多工廠想用球墨鑄鐵來代替鑄鋼和可鍛鑄鐵 紛紛來館參觀學習 使這一技術(shù)迅速得到推廣 面對新中國工業(yè)建設正全面展開 考慮到鑄鋼和可鍛鑄鐵所需的設備比較繁多 耗資巨大 增加產(chǎn)量頗為不易 而球墨鑄鐵 有一定技術(shù)力量的普通翻砂廠均可制造 所需設備及主要原料均較簡單且易于運輸 周仁 周行健等于1951年7月在 科學通報 第2卷第7期 上著文 倡導大面積的進行推廣 球墨鑄鐵的研究成功 為推行以鑄代鍛及生鐵變性研究開辟了道路 36 球墨鑄鐵的化學成分 球墨鑄鐵的成分要求比較嚴格 有 兩高三低 之說 一般范圍是 3 6 3 9 C 2 2 2 8 Si 0 6 0 8 Mn 0 07 S 0 1 P 37 球墨鑄鐵的的球化處理 一般在澆注之前 在鐵液中加入少量球化劑 通常為鎂 稀土鎂合金或含鈰的稀土合金 和孕育劑 通常為硅鐵 使鐵水凝固后形成球狀石墨 38 球墨鑄鐵的的球化處理 球墨鑄鐵的的球化處理必須伴隨著孕育處理 通常是在鐵水中同時加入一定量的球化劑和孕育劑 我國普遍使用稀土鎂球化劑 鎂是強烈阻礙石墨化的元素 為了避免白口 并使石墨球細小 均勻分布 一定要加入孕育劑 常用的孕育劑為75 硅鐵和硅鈣合金等 39 球鐵的組織 40 41 42 43 球鐵的性能 球墨鑄鐵是一種具有優(yōu)良機械性能的灰口鑄鐵 球鐵的強度和韌性比其他鑄鐵高 不同基體的球墨鑄鐵 性能差別很大 珠光體球墨鑄鐵的抗拉強度比鐵素體基體高50 以上 而鐵素體球墨鑄鐵的延伸率為珠光體基的3 5倍 球墨鑄鐵還具有較好的疲勞強度 44 球墨鑄鐵的牌號 球墨鑄鐵牌號用 QT 標明 其后兩組數(shù)值表示最低抗拉強度極限和延伸率 如QT420 10 QT600 2 QT800 2 45 球墨鑄鐵的應用 有時可代替鑄鋼和可鍛鑄鐵在機械制造工業(yè)中得到了廣泛應用 可以用球墨鑄鐵來代替鋼制造某些重要零件 如曲軸 連桿 軸等 46 球墨鑄鐵的應用 47 球墨鑄鐵的熱處理 退火900 950 2h 5h目的在于獲得鐵素體基體 球化劑增大鑄件的白口化傾向 當鑄件薄壁處出現(xiàn)自由滲碳體和珠光體時 為了獲得塑性好的鐵素體基體 并改善切削性能 消除鑄造應力 48 球墨鑄鐵的熱處理 正火880 920 空冷 目的在于得到珠光體基體 占基體75 以上 并細化組織 提高強度和耐磨性 49 球墨鑄鐵的熱處理 調(diào)質(zhì)要求綜合機械性能較高的球墨鑄鐵零件 如連桿 曲軸等 可采用調(diào)質(zhì)處理 其工藝為 加熱到850 900 使基體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體 在油中淬火得到馬氏體 然后經(jīng)550 600 回火 空冷 獲得回火索氏體 球狀石墨 回火索氏體基體不僅強度高 而且塑性 韌性比正火得到的珠光體基體好 50 51 第三節(jié)蠕墨鑄鐵 蠕墨鑄鐵是在一定成分的鐵水中加入適量的蠕化劑而煉成的 其方法與程序與球墨鑄鐵基本相同 蠕化劑目前主要采用鎂鈦合金 稀土鎂鈦合金或稀土鎂鈣合金等 52