1、Page 1/907 2012 Yang Li第五章第五章 铸铁铸铁 铸铁石墨化过程及影响因素；铸铁石墨化过程及影响因素；铸铁的分类、成分、组织、性能、用途铸铁的分类、成分、组织、性能、用途本章目的本章目的:掌握铁碳双重相图掌握铁碳双重相图 深入理解铸铁的石墨化过程与影响因素，石墨形态对铸深入理解铸铁的石墨化过程与影响因素，石墨形态对铸铁性能的影响，铸铁的热处理特点，常用铸铁的牌号、组铁性能的影响，铸铁的热处理特点，常用铸铁的牌号、组织和用途织和用途本章重点：本章重点：Page 2/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li第一节第一节
2、概述概述第二节第二节 常用铸铁常用铸铁第三节第三节 特殊性能铸铁特殊性能铸铁本章的主要内容本章的主要内容Page 3/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li第一节第一节 概述概述 铸铁：铸铁：含碳量大于含碳量大于2.11%的铁碳合金的铁碳合金。实际应用的铸铁中。实际应用的铸铁中还会含有较多的还会含有较多的Si、Mn和其他一些杂质元素。为了提高铸铁和其他一些杂质元素。为了提高铸铁的性能，还可以加入一定量的合金元素，组成的性能，还可以加入一定量的合金元素，组成合金铸铁合金铸铁。同钢相比，虽然强度、塑性和韧性较低，但是同钢相比，虽然强度、塑
3、性和韧性较低，但是铸铁熔炼简铸铁熔炼简便便，成本低廉成本低廉，具有优良的，具有优良的铸造性能铸造性能、很高的、很高的耐磨性耐磨性、良好的、良好的减振性减振性和和切削加工性能切削加工性能等一系列的优点，因此而获得较为广泛等一系列的优点，因此而获得较为广泛的应用。的应用。Page 4/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang LiPage 5/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang LiFe3C3Fe+G亚稳相亚稳相 稳定相稳定相graphite一、铸铁组织的形成一、铸铁组织的形成Page 6
4、/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li碳存在的形式碳存在的形式及断口的颜色及断口的颜色白口铸铁白口铸铁灰铸铁灰铸铁麻口铸铁麻口铸铁渗碳体渗碳体游离的石墨游离的石墨渗碳体渗碳体游离的石墨游离的石墨根据碳在铸铁中的存在形式，铸铁可分为：根据碳在铸铁中的存在形式，铸铁可分为：Page 7/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang LiFe-Fe3C相图相图Fe-G相图相图Page 8/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li渗碳体
5、是亚稳定相，而石墨才是稳定相。渗碳体是亚稳定相，而石墨才是稳定相。热力学条件：热力学条件：有利于石墨化的过程有利于石墨化的过程 动力学条件：动力学条件：主要有主要有成分起伏、结构起伏和原子扩散成分起伏、结构起伏和原子扩散。有利于。有利于渗碳体的形成渗碳体的形成为了使为了使G化进行，可人为地改变热力学和动力学条件。化进行，可人为地改变热力学和动力学条件。铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程 Page 9/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li成分起伏成分起伏L4.3%CFe3C（6.69%C）+AG（100%C）+A结构起伏结构起伏L（或（
6、或-Fe）Fe、C并存并存(面心面心)Fe3C（复杂斜方结构）（复杂斜方结构）G（六角形层状结构）（六角形层状结构）比较接近比较接近浓度差小浓度差小Page 10/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li原子扩散原子扩散 G长大，不但要长大，不但要C原子扩散集中，而且原子扩散集中，而且Fe原子要从原子要从G生生长前沿逆向扩散。长前沿逆向扩散。而而Fe3C长大只要长大只要C扩散，扩散，Fe原子局部移动即可。原子局部移动即可。G长大长大较难。较难。有利于有利于Fe3C长大长大Page 11/907Fundamentals of Materi
7、als Science 2012 Yang Li 化学成分化学成分：C、Si 促进石墨化促进石墨化 冷却速度冷却速度：冷速慢：冷速慢有利碳原子的充分有利碳原子的充分扩散，易于石墨化扩散，易于石墨化。受铸件厚度和铸。受铸件厚度和铸型材料影响型材料影响影响石墨化的因素：影响石墨化的因素：Page 12/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 化学成分的影响化学成分的影响 C Si C和和Si是基本成分，是是基本成分，是G元素。石墨来源于元素。石墨来源于C。Si含量一含量一般在般在0.83.5%之间，之间，Si的加入对的加入对Fe-G相图发
8、生变化。相图发生变化。Si作用作用 共晶点和共析点碳量随硅含量的共晶点和共析点碳量随硅含量的而而；使共晶和共析转变在一温度范围内进行；使共晶和共析转变在一温度范围内进行；共晶和共析温度。共析温度提高更多，大约每共晶和共析温度。共析温度提高更多，大约每1 Si，可使共析温度可使共析温度28；Si促进铸铁石墨化的作用相当于促进铸铁石墨化的作用相当于1/3C。Page 13/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li G化，化，1/3C作用。作用。0.2%后，出现硬脆后，出现硬脆Fe3P，呈孤立、细，呈孤立、细小、均匀分布时，可小、均匀分布时，
9、可耐磨性。若粗大连续网状分布，将耐磨性。若粗大连续网状分布，将强强度，度，铸件脆性。铸件脆性。除在耐磨铸铁中可达除在耐磨铸铁中可达0.51.0%外，在普通铸铁中都作为杂外，在普通铸铁中都作为杂质，通常灰铁中质，通常灰铁中P含量控制在含量控制在0.2%。G化；化；Mn能与能与S结合生成结合生成MnS，削弱硫的有害作用。铸铁，削弱硫的有害作用。铸铁中含锰量一般在中含锰量一般在0.51.4%范围内，如要获得铁素体基体，含范围内，如要获得铁素体基体，含锰量应取下限。锰量应取下限。PMnPage 14/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 白
10、口；白口；铁水流动性，恶化铸造性；形成铁水流动性，恶化铸造性；形成FeS，分，分布晶界，使铸铁变脆。布晶界，使铸铁变脆。S是有害元素，其含量应尽是有害元素，其含量应尽量低，一般将量低，一般将S限制在限制在0.15%以下以下S促进石墨化元素促进石墨化元素 阻碍石墨化元素阻碍石墨化元素+Al、C、Si、Ni、CuW、Mn、Mo、S、Cr、Fe、Mg Page 15/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 冷却速度的影响冷却速度的影响 化学成分选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，可以在很化学成分选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，可以在很大范围内改
11、变铸态组织。大范围内改变铸态组织。V冷冷越缓慢，越有利于按越缓慢，越有利于按Fe-C状态状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段图进行结晶和转变。尤其是共析阶段G化，通常情况下，化，通常情况下，共析阶段的共析阶段的G化难以完全进行化难以完全进行 在生产中，铸件冷却速度是一个综合因素，它与浇注温在生产中，铸件冷却速度是一个综合因素，它与浇注温度、铸型条件以及铸件壁厚均有关系。同一铸件不同壁厚度、铸型条件以及铸件壁厚均有关系。同一铸件不同壁厚处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效应。铸件处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效应。铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁厚铸件，可调整化学壁厚是设计的
12、，难以改变，对已知壁厚铸件，可调整化学成分来保证获得所需组织成分来保证获得所需组织.Page 16/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li石墨形成的两个阶段：石墨形成的两个阶段：G共晶石墨共晶石墨G 共析石墨共析石墨o 第二阶段：低温石墨化阶第二阶段：低温石墨化阶段段 共析石墨共析石墨o 第一阶段：高温石墨化阶第一阶段：高温石墨化阶段段 一次石墨（一次石墨（G）、共晶石）、共晶石墨、二次石墨（墨、二次石墨（G）Page 17/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li石墨化进行程
13、度石墨化进行程度 铸铁的显铸铁的显微组织微组织 铸铁类型铸铁类型 性能特点性能特点第一阶段第一阶段石墨化石墨化 第二阶段第二阶段石墨化石墨化 完全进行完全进行完全进行完全进行F+G灰口铸铁灰口铸铁Grey cast iron断口为暗灰断口为暗灰色色 部分进行部分进行F+P+G未进行未进行P+G部分进行部分进行未进行未进行Le+P+G麻口铸铁麻口铸铁Mottle cast iron具有较大的具有较大的硬度和脆性硬度和脆性 未进行未进行未进行未进行(CFe3C)Le白口铸铁白口铸铁White cast iron 断口白亮断口白亮硬而脆硬而脆,用作用作炼钢原料炼钢原料 Page 18/907Fund
14、amentals of Materials Science 2012 Yang Li分类分类灰铸铁灰铸铁Grey cast iron球墨铸铁球墨铸铁Spheroidal graphite cast iron可锻铸铁可锻铸铁Malleable cast iron石墨石墨形态形态片状片状flake球状球状spherical团絮状团絮状flocculent基体基体组织组织基体（基体（F、F+P、P）二、石墨与基体对铸铁性能的影响二、石墨与基体对铸铁性能的影响Page 19/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 铸铁性能铸铁性能Page 2
15、0/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li Page 21/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li第二节第二节 常用铸铁常用铸铁Page 22/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 灰铸铁是指灰铸铁是指石墨呈片状分布石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约占铸铁的灰口铸铁。其产量约占铸铁总产量的总产量的80%以上。以上。一、灰铸铁一、灰铸铁 命名命名 HT+三位数字，表示最低的抗拉强度。三位数字，表示最低的抗拉强度。如：
16、如：HT100，HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。Page 23/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 组织组织石墨片的石墨片的三维形貌三维形貌铁铁素体灰素体灰铸铁铸铁（F+GF+G）珠光体灰珠光体灰铸铁铸铁（P+G P+G）铁铁素体加珠光体灰素体加珠光体灰铸铁铸铁(F+P+G)(F+P+G)Page 24/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li分类分类牌号牌号显微组织显微组织基体基体G普通普通灰铸铁灰铸铁HT100F粗片粗片HT150F+P较粗片
17、较粗片HT200P中等片中等片孕育铸铁孕育铸铁HT250P较细片较细片HT300细细P细片细片HT350S 或或 T 牌号牌号抗拉强度值，抗拉强度值，MPaPage 25/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Lil耐磨性好耐磨性好 石墨有利于润滑、储油。石墨有利于润滑、储油。l抗压强度高抗压强度高抗拉强度、塑韧性比钢低。抗拉强度、塑韧性比钢低。l消震性好消震性好（是钢的十倍）（是钢的十倍）G 组织松软组织松软l铸造性好铸造性好 接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收缩小。缩小。l切削加工性好切削加工
18、性好 G 使切屑易断，还可润滑刀具使切屑易断，还可润滑刀具l抗拉强度低、塑韧性很差抗拉强度低、塑韧性很差基体强度不能充分发挥，其强基体强度不能充分发挥，其强度利用率仅度利用率仅3050%，表现为，表现为b很低，塑性和韧性几乎为零很低，塑性和韧性几乎为零 性能性能Page 26/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 灰铸铁的热处理灰铸铁的热处理Page 27/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 制造制造承受压力和震动的零件承受压力和震动的零件,如机如机床床身、各种箱体、壳
19、体、泵体、床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。缸体。变速箱体变速箱体 应用应用Page 28/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 石墨呈石墨呈团絮状团絮状的灰口铸铁，是的灰口铸铁，是由白口铸铁经石墨化退火获由白口铸铁经石墨化退火获得得的。石墨呈团絮状，对基体破坏作用较小，所以比灰铸铁具的。石墨呈团絮状，对基体破坏作用较小，所以比灰铸铁具有较高的强度强度为碳钢的有较高的强度强度为碳钢的0-0%，接近于铸钢、塑性和，接近于铸钢、塑性和冲击韧度，但不能锻造。冲击韧度，但不能锻造。二、可锻铸铁二、可锻铸铁 命名命名Page 29/907F
20、undamentals of Materials Science 2012 Yang Li强度为碳钢的强度为碳钢的4070%，接近于铸钢。，接近于铸钢。o 名为可锻，实不可锻名为可锻，实不可锻可锻铸铁的石墨化退火可锻铸铁的石墨化退火 性能性能Page 30/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li黑心可锻铸铁（黑心可锻铸铁（FG）珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁（PG）可锻铸铁石墨化退火工艺曲线可锻铸铁石墨化退火工艺曲线 组织组织 基体基体(F、P)团絮状团絮状GPage 31/907Fundamentals of Materials Sc
21、ience 2012 Yang Li种类种类牌号牌号力学性能力学性能bMPasMPa%硬度硬度HBS不小于不小于黑心可锻黑心可锻铸铁铸铁KTH300-063006150KTH330-083308KTH350-1035020010KTH370-1237012珠光体珠光体可锻铸铁可锻铸铁KTZ450-064502706150200KTZ550-045503404180230KTZ650-026504302210260KTZ700-027005302240290 牌号牌号Page 32/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 用于制造形状复
22、杂且承受振动载荷用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压后轮壳、管接头、低压 阀门等。阀门等。可锻铸铁管件可锻铸铁管件 生产周期长，工艺复杂，成本较高，生产周期长，工艺复杂，成本较高，已部分地被球墨铸铁所代替。已部分地被球墨铸铁所代替。典型用途典型用途Page 33/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Lio 石墨呈球形石墨呈球形的灰口铸铁。的灰口铸铁。o 球状石墨是液态铁水经球状石墨是液态铁水经球化处理球化处理得到的。得到的。o 球化剂为镁、稀土和稀土镁。球化剂
23、为镁、稀土和稀土镁。硅铁硅铁硅硅钙钙稀土镁稀土镁 为避免白口，并使石墨细小均匀，在为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行球化处理同时还进行孕育处理孕育处理。常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。三、球墨铸铁三、球墨铸铁Page 34/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li牌号牌号意义意义 例如例如QT400-15，QT为球铁代号，为球铁代号，400表示抗拉强表示抗拉强度不低于度不低于400MPa，15表示伸长率不低于表示伸长率不低于15%。牌号基体组织力学性能b（MPa）s（MPa）（%）硬度HBS不小于
24、QT400-18F40025018130180QT400-15F40025015130180QT450-10F45031010160210QT500-7F+P5003207170230QT600-3P+F6003703190270QT700-2P7004202225305QT800-2P或回火组织8004802245335QT900-2B或回火马氏体9006002280360Page 35/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li铁素体球墨铸铁铁素体球墨铸铁(F+G)(F+G)珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁(P+G)(P+G)铁素体加珠光
25、体球墨铸铁铁素体加珠光体球墨铸铁(F+P+G)(F+P+G)组织组织 球状球状G +金属基体（金属基体（F，F+P，P，S回，回，B下等）。球下等）。球状状G孤立分布，理想的是孤立分布，理想的是“小、小、匀、圆、适量匀、圆、适量”。Page 36/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 强度是碳钢的强度是碳钢的7090%。具有灰铸铁的优点：。具有灰铸铁的优点：良好的铸造性、良好的铸造性、耐磨性、可切削加工性及低的缺口敏感性耐磨性、可切削加工性及低的缺口敏感性等，又具有与中碳钢等，又具有与中碳钢相媲美的力学性能。相媲美的力学性能。球状石
26、墨对基体的割裂作用小！球状石墨对基体的割裂作用小！性能性能Page 37/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 球墨铸铁的热处理特点球墨铸铁的热处理特点 共析转变不是在恒定的温度下进行，而是在一个较宽的温共析转变不是在恒定的温度下进行，而是在一个较宽的温度范围内进行度范围内进行改变热处理改变热处理T T和和t t不同比例的不同比例的F F和和P P基体组织基体组织较大幅度地调整铸铁的力学性能较大幅度地调整铸铁的力学性能 奥氏体含奥氏体含C量可在较宽范围内变化量可在较宽范围内变化 石墨是石墨是C的的“仓库仓库”，既可在高温时输出给奥氏
27、体，既可在高温时输出给奥氏体，也可在冷却时容纳奥氏体中析出的也可在冷却时容纳奥氏体中析出的C G参与相变，但一般不能改变参与相变，但一般不能改变G形状与分布形状与分布 一般热处理工艺方法基本上可采用一般热处理工艺方法基本上可采用Page 38/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li （1）消除内应力退火）消除内应力退火 （2）高温石墨化退火）高温石墨化退火 消除游离渗碳体消除游离渗碳体 （3）低温石墨化退火）低温石墨化退火 消除共析渗碳体消除共析渗碳体 （4）正火处理和调质处理）正火处理和调质处理 获得珠光体的组织和提高珠获得珠光体的
28、组织和提高珠光体的分散度光体的分散度 （5）等温淬火处理）等温淬火处理 得到得到B体或体或AB体基体组织。提高体基体组织。提高综合机械性能综合机械性能 （6）表面淬火）表面淬火 （7）化学热处理）化学热处理 氮化、渗硼和渗硫等氮化、渗硼和渗硫等 Page 39/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 典型用途典型用途铸铁曲轴铸铁曲轴连杆连杆替代部分铸钢、锻钢件替代部分铸钢、锻钢件承受震动、载荷大的零件，承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。如曲轴、传动齿轮等。Page 40/907Fundamentals of Material
29、s Science 2012 Yang Li四、蠕墨铸铁四、蠕墨铸铁Page 41/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中的石墨珠光体基体珠光体基体铁素体基体铁素体基体 蠕墨铸铁的组织蠕墨铸铁的组织Page 42/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li灰铸铁灰铸铁灰铸铁灰铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁 蠕墨铸铁的性能蠕墨铸铁的性能Page 43/907Fundamentals of Materials Scien
30、ce 2012 Yang Li玻璃模具玻璃模具制动鼓制动鼓 蠕墨铸铁用途蠕墨铸铁用途Page 44/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li化学成分化学成分/%/%铸铁类型铸铁类型C CSiSiMnMnP PS S灰铸铁灰铸铁2.7-2.7-3.93.91.1-1.1-2.42.40.5-1.40.5-1.40.30.30.10.1可锻铸铁可锻铸铁2.4-2.4-2.82.80.8-0.8-1.41.40.3-0.60.3-0.60.20.20.180.18球墨铸铁球墨铸铁3.5-3.5-3.93.92.0-2.0-2.12.10.3-
31、0.80.3-0.8 0.1 0.1 0.03 0.03蠕墨铸铁蠕墨铸铁3.5-3.5-3.93.92.1-2.1-2.82.80.4-0.80.4-0.8 0.1 0.1 0.1 0.1Page 45/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li第三节第三节 特殊性能特殊性能铸铁铸铁 耐磨铸铁耐磨铸铁Page 46/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 耐热铸铁耐热铸铁Page 47/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang LiPage 48/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li 耐蚀铸铁耐蚀铸铁Page 49/907Fundamentals of Materials Science 2012 Yang Li
