1、LOGO机械工程材料机械工程材料 陈刚陈刚哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(威海威海)，材料科学与工程学院，材料科学与工程学院铸钢轧机机架，加工后198t铸造的特点：1、适应性强 司母戊青铜方鼎中国古代货币2、利用某些合金特性3、精度高4、成本低 铸造方法尺寸精度等级(CT)表面粗糙度(Ra/m)普通砂型11-1550-400高压造型8-1012.5-50熔模铸型(钢)5-70.8-12.5低压铸造5-9-金属型铸造5-80.8-100各种铸造方法的尺寸精度和表面粗糙度各种铸造方法的尺寸精度和表面粗糙度金属铸造成形的缺点第三篇第三篇 铸钢与铸铁铸钢与铸铁第十章第十章 铸钢铸钢第十一章第十一章 铸铁
2、铸铁第十章第十章 铸钢铸钢第一节第一节 铸造碳钢铸造碳钢第二节第二节 铸造合金钢铸造合金钢按化学成分，包括：铸造碳钢和铸造合金钢。按化学成分，包括：铸造碳钢和铸造合金钢。按用途，包括：铸造特殊钢按用途，包括：铸造特殊钢(耐磨钢、不锈钢及耐耐磨钢、不锈钢及耐热钢等热钢等)和铸造工具钢和铸造工具钢(如铸造高速钢如铸造高速钢)等。等。铸钢的强度、塑性及韧性铸钢的强度、塑性及韧性优于灰口铸铁优于灰口铸铁。铸钢铸造性能比铸铁差。铸钢铸造性能比铸铁差。流动性差、易氧化、收缩流动性差、易氧化、收缩大、产生缺陷倾向大。大、产生缺陷倾向大。应用：量大、形状复杂、对性能要求不高的零件。应用：量大、形状复杂、对性能
3、要求不高的零件。铸钢牌号铸钢牌号旧牌号旧牌号新牌号新牌号ZG45ZG25sbZG230-450ZG310-570C第一节第一节 铸造碳钢铸造碳钢铸造碳钢含碳量在铸造碳钢含碳量在0.12%-0.62%之间，多属亚之间，多属亚共析钢。共析钢。硫、磷硫、磷为铸钢的有害杂质。为铸钢的有害杂质。铸钢属亚共析钢铸钢属亚共析钢铸造过程属于非平衡结晶，且铸态组织为粗铸造过程属于非平衡结晶，且铸态组织为粗大的魏氏体组织。大的魏氏体组织。魏氏体组织特征：先共析铁素体呈针状插向魏氏体组织特征：先共析铁素体呈针状插向奥氏体晶粒内部。奥氏体晶粒内部。1、组织、组织魏氏体降低钢的韧性魏氏体降低钢的韧性改善组织方法：通过退
4、火和正火消除魏氏改善组织方法：通过退火和正火消除魏氏体组织。体组织。影响铸造碳钢的因素2、化学成分、化学成分降低硅锰硫磷含量，使碳成为影响机械性能降低硅锰硫磷含量，使碳成为影响机械性能的主要元素。的主要元素。改善碳钢铸件的组织与性能，通常进行完全退火、改善碳钢铸件的组织与性能，通常进行完全退火、正火或正火正火或正火+回火处理。回火处理。目的：细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力。目的：细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力。第二节第二节 铸造合金钢铸造合金钢铸造碳钢淬透性低，因此需要合金化。铸造碳钢淬透性低，因此需要合金化。常用元素有常用元素有Mn、Si、Mo、Cr、Ni、Cu等。等。根据加入合金元素量
5、分：铸造低合金钢和铸造高合根据加入合金元素量分：铸造低合金钢和铸造高合金钢。金钢。铸造低合金钢的合金元素总量在铸造低合金钢的合金元素总量在5%以下，分为单以下，分为单元素铸造低合金钢和多元素铸造低合金钢。元素铸造低合金钢和多元素铸造低合金钢。单元素低合金钢主要是锰钢单元素低合金钢主要是锰钢,耐磨性好。耐磨性好。铸造高合金钢的合金元素总量在铸造高合金钢的合金元素总量在10%以上。以上。包括高锰钢、不锈钢、耐热钢及铸造工具钢。包括高锰钢、不锈钢、耐热钢及铸造工具钢。v铸铁具有许多优良的性能及铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉、减震生产简便、成本低廉、减震性好、减磨、易切削、流动性好、减磨、
6、易切削、流动性好等优点，因而是应用最性好等优点，因而是应用最广泛的材料之一。广泛的材料之一。v塑性差，不能锻造。塑性差，不能锻造。v铸铁是含碳量大于铸铁是含碳量大于2.14%并含有较多硅、锰、并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。硫、磷等元素的多元铁基合金。第十一章第十一章 铸铁铸铁铸铁曲轴铸铁曲轴内燃机汽缸内燃机汽缸v例如，机床床身、内燃机的汽例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造。曲轴等都可用铸铁制造。2.14FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+F ALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3
7、CA+Fe3C+LeLeLe+Fe3CLe+Fe3CLeP+Fe3C+LeP+Fe3CP+FPF+Fe3CC%温度温度Le为A和Fe3C的机械混合物(蜂窝状)，Le为P和Fe3C的机械混合物Fe-Fe3C 和和 Fe-G(石墨石墨)双重相图。双重相图。Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：是亚稳相，在一定条件下将发生分解：Fe3C3Fe+C（石墨）（石墨）一般为片状一般为片状球墨铸铁球墨铸铁石墨化：铸铁中石墨的形成。按按石墨化程度石墨化程度按按石墨形态石墨形态白口铸铁白口铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁麻口铸铁麻口铸铁灰口铸铁灰口铸铁灰铸铁灰铸铁可锻铸铁可锻铸铁球墨铸铁球墨铸铁白口铸铁碳全以渗碳体形式
8、存在，端口呈白亮色，硬而脆，难于加工。第一节第一节 灰口铸铁灰口铸铁第二节第二节 可锻铸铁可锻铸铁第三节第三节 球墨铸铁球墨铸铁第四节第四节 特殊性能铸铁特殊性能铸铁石墨是碳的单质之石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、一，其强度、塑性、韧性几乎为零。韧性几乎为零。铸铁中的碳除少量固铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要溶于基体中外，主要以以化合态的渗碳体化合态的渗碳体(Fe3C)和游离态的和游离态的石墨石墨(G)两种形式存两种形式存在。在。第一节第一节 灰口铸铁灰口铸铁灰口铸铁中全部或大灰口铸铁中全部或大部分碳以石墨形式存部分碳以石墨形式存在，断口呈灰色。在，断口呈灰色。珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁v
9、铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出，铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出，也可以由渗碳体加热时分解得到。也可以由渗碳体加热时分解得到。v铸铁石墨化的条件：铸铁石墨化的条件：v1、极其缓慢的冷却速度、极其缓慢的冷却速度v2、具有促进石墨形成的元素、具有促进石墨形成的元素v石墨化分三个阶段：石墨化分三个阶段：v在在1153oC左右通过共左右通过共晶反应形成石墨晶反应形成石墨(G)；v1153-738oC范围自奥范围自奥氏体中析出二次石墨氏体中析出二次石墨(GII)；v738oC时，共析反应形时，共析反应形成石墨。成石墨。P高温条件下，碳高温条件下，碳原子扩散能力原子扩散能力大，容易转变为大，容易
10、转变为石墨，因此前两石墨，因此前两个转变阶段容易个转变阶段容易实现。实现。铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁如果铸铁三个阶段石墨化全部完成，如果铸铁三个阶段石墨化全部完成，其组织为：其组织为：铁素体铁素体+石墨。石墨。片状石墨片状石墨F 基体基体铁素体加珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁如果铸铁前两个阶段石墨化完成，如果铸铁前两个阶段石墨化完成，第三阶段部分进行，第三阶段部分进行，组织为：组织为：铁素体铁素体+珠光体珠光体+石墨。石墨。片状石墨片状石墨FP珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁如果铸铁前两个阶段石墨化完成，第三阶段如果铸铁前两个阶段石墨化完成，第三阶段完全被抑制，完全被抑制，其组织为：其组织为：珠光体珠
11、光体+石墨。石墨。片状石墨片状石墨PSiC白口铸铁白口铸铁灰口铸铁灰口铸铁麻口麻口铸铸 铁铁共晶共晶碳、硅含量对铸铁石墨化的影响碳、硅含量对铸铁石墨化的影响WC+Wsi(%)铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响 冷却速度的影响冷却速度的影响铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，而促进铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，而促进石墨化。石墨化。快冷时由于过快冷时由于过冷度大，结晶冷度大，结晶将按将按 Fe-Fe3C相图进行相图进行,不不利于石墨化。利于石墨化。第三阶段完全被抑制，第二阶段部分或全部受抑制。铸铁与铸钢的强度比较铸铁与铸钢的强度比较三、灰口铸铁的性能三
12、、灰口铸铁的性能 力学性能：取决于力学性能：取决于基体组织和石墨含量和形态基体组织和石墨含量和形态 石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中，导致拉伸载荷下体的连续性，且易导致应力集中，导致拉伸载荷下力学性能低；力学性能低；压缩时，基体起主要的作用，因此性能较好。压缩时，基体起主要的作用，因此性能较好。v 耐磨性能好。耐磨性能好。石墨本身有润滑作用。石墨本身有润滑作用。v 消振性能好。消振性能好。由于组织疏松，可以吸收振动能量。由于组织疏松，可以吸收振动能量。v 铸造性能好。铸造性能好。由于铸铁硅含量高由于铸铁硅含量高,成分接
13、近于共晶。成分接近于共晶。v 切削性能好。切削性能好。由于石墨使切屑容易脆断脱离工件，因此不由于石墨使切屑容易脆断脱离工件，因此不粘刀。粘刀。铸铁铸铁名称名称 石墨石墨形态形态 基体基体组织组织 编编 号号 方方 法法 牌号实例牌号实例 灰灰 铸铸 铁铁 片片状状FHT+一组数字一组数字数字表示最低抗拉强度值，单位数字表示最低抗拉强度值，单位MPa。“HT”表示灰铸铁代号。表示灰铸铁代号。HT100F+PHT150PHT200四、灰口铸铁的牌号和用途五、灰口铸铁的变质处理五、灰口铸铁的变质处理石墨石墨含量和尺寸含量和尺寸越大，灰口铸铁性能越差。越大，灰口铸铁性能越差。可通过减少硅、碳量来限制石
14、墨含量，但应防止可通过减少硅、碳量来限制石墨含量，但应防止白口铁出现；白口铁出现；措施：一般通过向浇注铁水中加入变质剂措施：一般通过向浇注铁水中加入变质剂(硅铁和硅铁和硅钙合金硅钙合金)，促进异质形核，增加形核数量，可获，促进异质形核，增加形核数量，可获得高强度变质铸铁，这一过程称得高强度变质铸铁，这一过程称变质处理或孕育变质处理或孕育处处理理。孕育处理前孕育处理前孕育处理后孕育处理后经孕育处理的灰铸铁称为经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁孕育铸铁。石墨得到细化，强度得到大幅提高，塑性和韧性亦有改善。灰铸铁件灰铸铁件汽缸套汽缸套活塞环活塞环2、热处理、热处理热处理只改变基体组织，热处理只改变基体组
15、织，不改变石墨形态。不改变石墨形态。且只能用来消除铸件内应且只能用来消除铸件内应力、稳定尺寸、改善切削力、稳定尺寸、改善切削加工性和提高铸件表面耐加工性和提高铸件表面耐磨性。磨性。1、消除应力的退火（低温退火或时效）、消除应力的退火（低温退火或时效）防止变形开裂，保证尺寸稳定。防止变形开裂，保证尺寸稳定。退火工艺：加热速度退火工艺：加热速度50100oC/h，加热温度加热温度500600oC，保温保温48h，缓冷。，缓冷。2、改善切削加工性的退火（高温退火改善切削加工性的退火（高温退火）降低硬度，防止产生白口组织降低硬度，防止产生白口组织退火工艺：加热到退火工艺：加热到850900 oC，保温
16、，保温25h，缓冷至缓冷至400500 oC，出炉空冷。，出炉空冷。3、表面淬火、表面淬火提高表面硬度和耐磨性，如机床导轨表面。提高表面硬度和耐磨性，如机床导轨表面。感应加热表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火点接触电加热表面淬火点接触电加热表面淬火大型船用柴油机汽缸体大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身重型机床床身(HT-250)变速箱体变速箱体用途用途制造承受压力和震动的零制造承受压力和震动的零件，如机床床身、各种箱件，如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。体、壳体、泵体、缸体。性能：强度优于灰口铸铁，塑性、韧性较好。性能：强度优于灰口铸铁，塑性、韧性较好
17、。制造分为两步：制造分为两步：(1)先浇注成白口铸铁；先浇注成白口铸铁；(2)石墨化退火石墨化退火白口铸铁在固态下经长时间石墨白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火而得到的化退火而得到的团絮状团絮状石墨的铸铁。石墨化石墨的铸铁。石墨化过程是渗碳体在固态下分解而形成。过程是渗碳体在固态下分解而形成。第二节第二节 可锻铸铁可锻铸铁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 退火工艺：白口铸铁加热至退火工艺：白口铸铁加热至900-980oC，保温，保温15h，渗碳体分解获得奥氏体和团渗碳体分解获得奥氏体和团絮状石墨组织絮状石墨组织；随后缓冷，；随后缓冷，奥氏体沿团絮石墨再析出二奥氏体沿团絮石墨
18、再析出二次石墨次石墨；直至共析温度；直至共析温度750-720oC，奥氏体分解奥氏体分解为铁素体和石墨为铁素体和石墨。可锻铸铁的石墨化退火可锻铸铁的石墨化退火铁素体可锻铸铁铁素体可锻铸铁 珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁 可锻铸铁分为：可锻铸铁分为：铁素体可锻铸铁铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。和珠光体可锻铸铁。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 铸铁铸铁名称名称 石墨石墨形态形态 基体基体组织组织 编编 号号 方方 法法 牌号实例牌号实例 可可 锻锻 铸铸 铁铁 团团絮絮状状FKTH+两组数字两组数字KTB+两组数字两组数字KTZ+两组数字两组数字KTH300-06表表F心心P
19、KTB350-04PKTZ450-06KTH、KTB、KTZ分别为黑心、白心、分别为黑心、白心、珠光体可锻铸铁代号；珠光体可锻铸铁代号；第一组数字表示最低第一组数字表示最低抗拉强度值，抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低第二组数字表示最低伸长率值，伸长率值，%可锻铸铁管件可锻铸铁管件用途用途用于制造形状复杂且承受振用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。接头、低压阀门等。硅铁硅铁硅硅钙钙稀土镁稀土镁由液态铁水中加入球化剂和孕育由液态铁水中加入球化剂和孕育剂，经石墨化得到。剂，经石墨化得到。球化剂
20、为镁、稀土和稀土镁。球化剂为镁、稀土和稀土镁。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。第三节第三节 球墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁：石墨呈球形的灰口铸铁。球墨铸铁：石墨呈球形的灰口铸铁。一、球铁的化学成分、组织与性能一、球铁的化学成分、组织与性能成分：与灰口铸铁比，成分：与灰口铸铁比，C、Si含量较高，含量较高，Mn较较低，低，S、P限制较严。限制较严。组织：基体（组织：基体（F、F+P、P）+球状球状GC、Si含量较高目的：得到共晶成分，增加流动含量较高目的：得到共晶成分，增加流动性，细化石墨，提高石墨圆整度。性，细化石墨，提高石墨圆整度。限制限制S目的：目的：S可消耗球化元素。可
21、消耗球化元素。铁素体球墨铸铁铁素体球墨铸铁 组织：基体组织：基体F+球状球状G球墨铸铁中的石墨球球墨铸铁中的石墨球 切口作用减弱，切口作用减弱，因此球铁拉伸、因此球铁拉伸、弯曲强度和塑性弯曲强度和塑性比灰口铸铁和可比灰口铸铁和可锻铸铁高。锻铸铁高。珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁 组织：基体组织：基体P+球状球状G铁素体加珠光体球墨铸铁铁素体加珠光体球墨铸铁 组织：基体组织：基体F+P+球状球状G铸铁铸铁名称名称 石墨石墨形态形态 基体基体组织组织 编编 号号 方方 法法 牌号实例牌号实例 球球 墨墨 铸铸 铁铁 球球状状FQT+两组数字两组数字 第一组数字表示最低抗拉强第一组数字表示最低抗拉强度
22、值，度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，第二组数字表示最低伸长率值，%。“QT”表示表示 球墨铸铁代号球墨铸铁代号Q T 4 0 0-15F+PQT600-3PQT700-2二、球铁的牌号及用途二、球铁的牌号及用途三、球铁的热处理三、球铁的热处理球墨铸铁可进球墨铸铁可进行各种热处行各种热处理，如退火、理，如退火、正火、淬火加正火、淬火加回火、等温回火、等温淬火等。淬火等。消除应力退火：消除应力退火：加热到加热到550600 oC，保温后空冷。保温后空冷。可消除可消除90-95%内应力，提高塑性和韧性。内应力，提高塑性和韧性。一、球铁的一、球铁的 退火退火目的：消除铸造应力和白口组织目的：
23、消除铸造应力和白口组织消除白口退火：消除白口退火：只完成石墨化第一、二阶段，得到只完成石墨化第一、二阶段，得到珠光体珠光体+G组织；组织；完成前两阶段石墨化，并进行了第三阶段石墨化，完成前两阶段石墨化，并进行了第三阶段石墨化，可得到铁素体可得到铁素体+珠光体珠光体+G。通过控制保温时间和冷却条件，可控制铁素体和珠通过控制保温时间和冷却条件，可控制铁素体和珠光体比例。光体比例。1 高温正火（完全奥氏体化正火）高温正火（完全奥氏体化正火）将工件加热到将工件加热到880920 oC，完全奥氏体化，保温，完全奥氏体化，保温3h左右，空冷，得到左右，空冷，得到P+G 组织组织2 低温正火（不完全奥氏体化
24、正火）低温正火（不完全奥氏体化正火）将工件加热到将工件加热到840880 oC，不完全奥氏体化，保，不完全奥氏体化，保温一定时间，空冷，得到温一定时间，空冷，得到F+P+G组织组织正火后为消除铸件中产生的内应力，可增加一次正火后为消除铸件中产生的内应力，可增加一次去应力退火（回火），加热到去应力退火（回火），加热到500-600 C，保温保温34h，空冷。空冷。二、球铁的正火二、球铁的正火 目的：得到珠光体基体，以提高球墨铸铁强度，目的：得到珠光体基体，以提高球墨铸铁强度，硬度和耐磨性硬度和耐磨性三、三、球铁的淬火及回火球铁的淬火及回火 对对要求综合力学性能较高的零件，如连杆、要求综合力学性能
25、较高的零件，如连杆、曲轴等，可采用曲轴等，可采用调质处理调质处理加热温度加热温度850-900 C，油或水中淬火，回油或水中淬火，回火温度火温度550-620 C，空冷，得到空冷，得到回火索氏回火索氏体加球状石墨组织体加球状石墨组织。四、等温淬火四、等温淬火(防变形和开裂防变形和开裂)加热温度加热温度860-900 oC，保温一定时间，保温一定时间，250-300 oC盐浴炉中等温盐浴炉中等温30-150分钟后分钟后空冷。得到空冷。得到下贝氏体下贝氏体+球状石墨球状石墨。具有良好的耐磨性，但冷却能力有限，具有良好的耐磨性，但冷却能力有限，只针对截面尺寸不大的零件。只针对截面尺寸不大的零件。球状
26、石墨球状石墨B下下工业铸铁的成分范围与组织工业铸铁的成分范围工业铸铁的成分范围温度温度快冷快冷中速中速冷却冷却中速中速冷却冷却缓冷缓冷缓冷缓冷缓冷缓冷快冷快冷白口铸铁白口铸铁珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁铁素体铁素体球墨铸铁球墨铸铁珠光体珠光体球墨铸铁球墨铸铁珠光体可锻铸铁铁素体可锻铸铁石墨化退火石墨化退火中速中速冷却冷却缓冷缓冷珠光体蠕墨铸铁铁素体蠕墨铸铁Si/Mg/Ce第四节第四节 其他铸铁简介其他铸铁简介除了灰铸铁、可锻铸铁、和球墨铸铁外，还有一除了灰铸铁、可锻铸铁、和球墨铸铁外，还有一些因加入合金元素而具有特殊物理和化学性能的些因加入合金元素而具有特殊物理和化学性能的
27、铸铁铸铁一一、耐磨铸铁：、耐磨铸铁：Mn、SiMn强烈增加奥氏体稳定性和淬透性，促进渗碳体强烈增加奥氏体稳定性和淬透性，促进渗碳体形成，存在形成，存在P时还形成硬脆磷化物，提高耐磨性。时还形成硬脆磷化物，提高耐磨性。Si含量增加促进石墨形成含量增加促进石墨形成三、耐蚀铸铁三、耐蚀铸铁加入加入Si、Al、Cr、Cu、Ni等合金元素，形等合金元素，形成成保护膜，减少电位差，改善铸铁组织保护膜，减少电位差，改善铸铁组织高高硅耐蚀铸铁、高铝耐蚀铸铁、高铬耐蚀铸铁硅耐蚀铸铁、高铝耐蚀铸铁、高铬耐蚀铸铁二、耐热铸铁二、耐热铸铁向铸铁中加入向铸铁中加入Si、Al、Cr等合金元素，在铸等合金元素，在铸件表面形成一层件表面形成一层致密的氧化膜致密的氧化膜，使铸件不被，使铸件不被继续氧化。继续氧化。
