1、第第7 7章章 铸铁铸铁 铸铁是指含碳量大于铸铁是指含碳量大于2.14%或组织中具有共晶或组织中具有共晶组织的铁碳合金。实际上是以铁组织的铁碳合金。实际上是以铁-碳碳-硅为主的多硅为主的多元合金。如再加入铝、铬、锰、铜等元素元合金。如再加入铝、铬、锰、铜等元素,则是则是各种特殊性能铸铁各种特殊性能铸铁.铸铁可分为以下几类：灰口铸铁，球墨铸铁，铸铁可分为以下几类：灰口铸铁，球墨铸铁，蠕墨铸铁，可锻铸铁，白口铸铁等蠕墨铸铁，可锻铸铁，白口铸铁等 上图上图 沧州铁狮子沧州铁狮子 铸于铸于953953年，重年，重4040余吨。余吨。右图右图 当阳铁塔当阳铁塔 铸于铸于10611061年，八棱年，八棱1
2、313层，层，塔体分段铸造塔体分段铸造 中国曾发现陨铁制兵器中国曾发现陨铁制兵器3 3件件,2,2件被盗卖至美国件被盗卖至美国7.1 铸铁石墨化及影响因素铸铁石墨化及影响因素 1 1 铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程 渗碳体是介稳定相，而石墨才是稳定相。渗碳体是介稳定相，而石墨才是稳定相。热力学条件：有利于石墨化的过程热力学条件：有利于石墨化的过程 动力学条件：主要有成分起伏、结构起伏和动力学条件：主要有成分起伏、结构起伏和原子扩散原子扩散.有利于渗碳体的形成有利于渗碳体的形成.为了使为了使G G化进行化进行,可人为地改变热力学和动力可人为地改变热力学和动力学条件学条件.图图 铁碳双重相图（铁
3、碳双重相图（G石墨，石墨，Fe3C渗碳体）渗碳体）成分起伏成分起伏L4.3%CFe3C（6.67%C）+AG（100%C）+A结构起伏结构起伏L（或（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，而原子扩散集中，而且且Fe原子要从原子要从G生长前沿逆向扩散。生长前沿逆向扩散。而而Fe3C长大只要长大只要C扩散，扩散，Fe原子局部原子局部移动即可。移动即可。G长大较难。长大较难。有利于有利于Fe3C长大长大2 2、影响铸态组织的因素、影
4、响铸态组织的因素（1 1）化学成分的影响）化学成分的影响 CSi C和和Si是基本成分，是是基本成分，是G元素。石墨来源元素。石墨来源于于C。Si含量一般在含量一般在0.83.5%之间，之间，Si的加入对的加入对Fe-G相图发生变化。相图发生变化。Si作作用用 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。共析温度提高更共晶和共析温度。共析温度提高更多，大约每多，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。G化，化，1/3
5、C作用。作用。0.2%后，出现硬脆后，出现硬脆Fe3P，呈孤立、细小、均匀分布时，可呈孤立、细小、均匀分布时，可耐磨性。若粗大耐磨性。若粗大连续网状分布，将连续网状分布，将强度，强度，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，在普通铸铁中外，在普通铸铁中都作为杂质，通常灰铁中都作为杂质，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，削弱硫的有害作用。铸铁中含锰量一般在作用。铸铁中含锰量一般在0.51.4%范围内，如要范围内，如要获得铁素体基体，含锰量应取下限。获得铁素体基体，含锰量应取下限。P Mn 白口
6、；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，分布晶界，使铸铁变脆。分布晶界，使铸铁变脆。S是有害元素，其含量应是有害元素，其含量应尽量低，一般将尽量低，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 （2 2）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变铸态组织。在很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状态图进行结晶和转变。尤
7、其是共析阶段状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段G化，通化，通常情况下，共析阶段的常情况下，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。同一铸件不同壁厚处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效同壁厚处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效应。铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁厚铸件，应。铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁厚铸件，可调整化学成分来保证获得所需组织可调整化学成分来保证获得所需组织.G G化过程可分为两个阶
8、段：发生在化过程可分为两个阶段：发生在PSKPSK线以上的线以上的G G化为第一阶段；发生在化为第一阶段；发生在PSKPSK线以下的线以下的G G化为第二阶段，化为第二阶段，实际是以共析线为界。实际是以共析线为界。第一阶段第一阶段G G化决定化决定G G形态形态,第二阶段第二阶段G G化决定基体组织化决定基体组织.石墨化阶段与组织石墨化阶段与组织第一阶段第一阶段 第二阶段第二阶段 组织组织 铸铁名称铸铁名称完全进行完全进行 完全进行完全进行 F+G F+G 不同基体的灰不同基体的灰 部分进行部分进行 F+P+G F+P+G 铁、球铁、蠕铁、铁、球铁、蠕铁、未进行未进行 P+G P+G 可锻铁可
9、锻铁 部分进行部分进行 未进行未进行 Ld+P+G Ld+P+G 麻口铸铁麻口铸铁 未进行未进行 未进行未进行 Ld Ld 白口铸铁白口铸铁 7.2 7.2 石墨的形成及生长石墨的形成及生长 1 1、片状石墨的生长方式、片状石墨的生长方式内内在在因因素素 G G为六方点阵层状结构。层面原子间距小，较为六方点阵层状结构。层面原子间距小，较强共价键结合，层间强共价键结合，层间C C原子间距较大，原子作用原子间距较大，原子作用力弱。力弱。层面方向生长速度就大，石墨是在与铁层面方向生长速度就大，石墨是在与铁水相接触的条件下以片状方式生长的。水相接触的条件下以片状方式生长的。外外在在因因素素 G形成会导
10、致周围铁水形成会导致周围铁水C浓度浓度,凝固点凝固点生成生成包围包围G片的片的A体壳。但体壳。但G片端生长速度超过片端生长速度超过A结晶速结晶速度度,G片端总是和铁水直接接触。片端总是和铁水直接接触。石墨晶体结构石墨晶体结构 片状石墨生长机理片状石墨生长机理 如如G片向两侧加厚生长，须依靠片向两侧加厚生长，须依靠C从铁水中先扩散到从铁水中先扩散到A层层再扩散到再扩散到G；而；而Fe还必须向还必须向A层外作反方向扩散，显然是较层外作反方向扩散，显然是较难的难的G片增厚是较慢的片增厚是较慢的.最后形成了最后形成了立体花朵状立体花朵状球状石墨内部的年轮状结构球状石墨内部的年轮状结构 球状石墨的结构示
11、意图球状石墨的结构示意图 2 2、球状、球状G的形成过程的形成过程（1 1）球状石墨的结构）球状石墨的结构G呈多边形轮廓，内部呈放射呈多边形轮廓，内部呈放射状。中心是状。中心是G核心。球面是单核心。球面是单晶体锥形晶体锥形G（0001）底面）底面.(2)(2)球状球状G的的形成条件形成条件球化剂球化剂Mg/Ce/Y/La等等 铁液的过冷度铁液的过冷度 球化剂与铁液中氧、硫发生反应，球化剂与铁液中氧、硫发生反应，含含氧、硫量，氧、硫量，铁液表面张力，铁液表面张力，铁液铁液/石石墨间的界面张力墨间的界面张力球化处理球化处理:浇注前加入一定量球化剂浇注前加入一定量球化剂,如稀土如稀土-硅铁硅铁-镁系
12、等镁系等孕育处理孕育处理:加入高硅铁加入高硅铁，获得很多的非自发晶核获得很多的非自发晶核，细化细化G(3)(3)球状石墨的形核机理球状石墨的形核机理 G都是从铁水中直接析出的。球状都是从铁水中直接析出的。球状G的形核的形核以硫化物及氧化物夹杂微粒作为结晶中心。以硫化物及氧化物夹杂微粒作为结晶中心。螺旋位错理论螺旋位错理论:由于螺旋位错存在，碳原子由于螺旋位错存在，碳原子优先在晶体表面造成的螺旋台阶旋出口作为开优先在晶体表面造成的螺旋台阶旋出口作为开始生长的最有利位置。理想情况下晶体将长成始生长的最有利位置。理想情况下晶体将长成一个近似球状的多面体，形成年轮状结构。一个近似球状的多面体，形成年轮
13、状结构。生长机理生长机理,有许多学说有许多学说,难以完美解释难以完美解释.(4)(4)球状石墨的生长机理球状石墨的生长机理 图图 球状石墨晶体生长示意图球状石墨晶体生长示意图 a)0001方向生长；方向生长；b)长成球状多面体长成球状多面体7.3 7.3 灰铸铁灰铸铁 牌号牌号意义意义 有有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350六个国家标准牌号。六个国家标准牌号。“HT”表示表示“灰铁灰铁”，后面的数字表示抗，后面的数字表示抗拉强度（不低于拉强度（不低于,MPa）组织：片状组织：片状G+金属基体（金属基体（F，F+P，P）。）。石墨形态石墨形态:有有A、B、C、
14、D、E、F 6种类型，种类型，其中其中A型最好。经孕育处理的灰铸铁为孕育铸型最好。经孕育处理的灰铸铁为孕育铸铁。实际生产，大部分铸铁都经过孕育处理铁。实际生产，大部分铸铁都经过孕育处理.孕育处理目的孕育处理目的?1 1、灰铸铁组织特点、灰铸铁组织特点（a a）A A型石墨型石墨 (b)B(b)B型石墨型石墨 (c)C(c)C型石墨型石墨 (d)D(d)D型石墨型石墨 (e)D(e)D型石墨型石墨 (f)F(f)F型石墨型石墨 图图 片状石墨的分布类型片状石墨的分布类型 2 2、灰铸铁性能及热处理、灰铸铁性能及热处理（1 1）抗拉强度低、塑韧性很差）抗拉强度低、塑韧性很差G相当于空洞相当于空洞有
15、效截面积有效截面积G片端似裂口片端似裂口应力集中应力集中 基体强度不能充分基体强度不能充分发挥，其强度利用率发挥，其强度利用率仅仅3050%，表现为，表现为b很低，塑性和韧很低，塑性和韧性几乎为零性几乎为零（2 2）缺口敏感性小）缺口敏感性小,可切削性好可切削性好 大量大量G相当于已经存在了许多缺口相当于已经存在了许多缺口,工件的人工件的人为缺口就不太敏感了。为缺口就不太敏感了。G在机加工时可以起到在机加工时可以起到断屑和对刀具润滑作用断屑和对刀具润滑作用可切削性是优良的可切削性是优良的（3 3）良好的铸造性）良好的铸造性 灰铁成分接近共晶点，铁水流动性好，可铸灰铁成分接近共晶点，铁水流动性好
16、，可铸造出形状复杂零件。且不易形成缩孔和缩松，造出形状复杂零件。且不易形成缩孔和缩松，能获得较致密的铸件。能获得较致密的铸件。（4 4）良好的减震性和减摩性）良好的减震性和减摩性 灰铁内部存在大量片状灰铁内部存在大量片状G，它割裂基体，破，它割裂基体，破坏连续性，阻止振动传播，并能转化为热能而坏连续性，阻止振动传播，并能转化为热能而发散，因而灰铁具有很好的减振性。发散，因而灰铁具有很好的减振性。常用于机床底座常用于机床底座,效果很好效果很好.一方面一方面G本身是良好的润滑剂，另一方面本身是良好的润滑剂，另一方面G脱落后的显微脱落后的显微“口袋口袋”,可以储存润滑油和收集微可以储存润滑油和收集微
17、小小麿麿粒粒,因此具有良好的减摩性。如机床导轨因此具有良好的减摩性。如机床导轨7.4 7.4 球墨铸铁球墨铸铁 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表示抗拉强度不低于表示抗拉强度不低于400MPa，15表示表示伸长率不低于伸长率不低于15%。组织：球状组织：球状G +金属基体（金属基体（F，F+P，P，S回回，B下下等）。球状等）。球状G孤立分布，理想的是孤立分布，理想的是“小、匀、小、匀、圆、适量圆、适量”。1 1、球铁组织与性能、球铁组织与性能表表 球墨铸铁的力学性能球墨铸铁的力学性能注意注意不小于不小于 球状球状G应力集中应力集中基体的缩减作用基
18、体的缩减作用割裂基体作用割裂基体作用 球铁基体的利用球铁基体的利用率可大大提高，达率可大大提高，达到到7090。对灰口铸铁来说，主要的矛盾是片状对灰口铸铁来说，主要的矛盾是片状G，改变基体组织无明显作用。当改变基体组织无明显作用。当G变为球状变为球状时时，矛盾的主要方面发生了变化，基体成为矛盾的主要方面发生了变化，基体成为决定性的主导因素，基体性能可得到较大的决定性的主导因素，基体性能可得到较大的发挥。发挥。退火球铁组织退火球铁组织 铁素体铁素体 +球状石墨球状石墨 铸态球铁组织铸态球铁组织(“牛眼牛眼”状状)珠光体珠光体+铁素体铁素体+球状石墨球状石墨2 2、球墨铸铁的热处理特点球墨铸铁的热
19、处理特点 （1 1）共析转变不是在恒定的温度下进行，而是在）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一个较宽的温度范围内进行(下图下图)改变热处理改变热处理T和和t不同比例的不同比例的F和和P基体组织基体组织 较大幅度地调整铸较大幅度地调整铸铁的力学性能铁的力学性能图图 Fe-C-Si三元合金状态图变温截面三元合金状态图变温截面 a)含含2.4%Si b)含含4.8%Si（2 2）奥氏体含）奥氏体含C 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 C的的“仓库仓库”,既可在高温时既可在高温时”输出给奥输出给奥氏体氏体,也可在冷却时容纳奥氏体中析出的也可在冷却
20、时容纳奥氏体中析出的C C（3 3）G G参与相变参与相变,但一般不能改变但一般不能改变G G形状与分布形状与分布 （4 4）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3 3、球墨铸铁的热处理、球墨铸铁的热处理 （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 获得珠光体的组获得珠光体的组织和提高珠光体的分散度织和提高珠光体的分散度 （5）等温淬火处理）等温淬火处理 得到得到B体或体或AB体基体体基体组织。提
21、高综合机械性能组织。提高综合机械性能 （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 本章小结本章小结 铸铁中铸铁中G参与相变过程，但热处理不能改参与相变过程，但热处理不能改变石墨形态和分布。石墨形状、大小、数量、变石墨形态和分布。石墨形状、大小、数量、分布影响了铸铁基体性能的发挥程度，分布影响了铸铁基体性能的发挥程度，基本基本上决定了铸铁宏观力学性能。从片状石墨到球上决定了铸铁宏观力学性能。从片状石墨到球状石墨，使铸铁中石墨和基体的组织配合发生状石墨，使铸铁中石墨和基体的组织配合发生了质的变化。了质的变化。不同类型不同类型G形成主要取决于成分和冷
22、却速度形成主要取决于成分和冷却速度 球墨铸铁基体的性能可得到较大的利用，球墨铸铁基体的性能可得到较大的利用，钢的各种热处理强化工艺基本上都可以在球钢的各种热处理强化工艺基本上都可以在球墨铸铁中应用。不同类型铸铁有不同用途，墨铸铁中应用。不同类型铸铁有不同用途，根据零部件的工作条件和技术要求，可合理根据零部件的工作条件和技术要求，可合理地选择铸铁类型及其处理工艺。通过成分组地选择铸铁类型及其处理工艺。通过成分组织和工艺的特殊设计，可得到相应的耐热、织和工艺的特殊设计，可得到相应的耐热、耐磨、耐蚀等特种铸铁。耐磨、耐蚀等特种铸铁。铸铁中心问题：铸铁中心问题：G形状、大小、形状、大小、数量、分布数量
23、、分布 石墨化过程石墨化过程 决定决定G形态形态 决定基体决定基体热力学热力学自由焓自由焓有利于石墨有利于石墨化化动力学动力学成分、结构、成分、结构、扩 散 有 利 于扩 散 有 利 于Fe3C析出析出 影响因素影响因素化学成分化学成分C、Si促进促进石 墨 化；石 墨 化；Mn、S阻止阻止石墨化石墨化冷却速度冷却速度薄壁表面易薄壁表面易白口。壁厚白口。壁厚敏感性，性敏感性，性能差异能差异牌号及数字意义牌号及数字意义HT200QT400-18KTZ450-06铸铁性能铸铁性能强度、伸长率、冲强度、伸长率、冲击韧度比钢低；耐击韧度比钢低；耐磨；切削性好；消磨；切削性好；消振性好；缺口敏感振性好；缺口敏感性低；铸造性好性低；铸造性好。灰口铸铁：片灰口铸铁：片G，性能特点与用途。性能特点与用途。孕育处理孕育处理可锻铸铁：团絮状可锻铸铁：团絮状G，由白口铁经石，由白口铁经石墨化得到，性能与墨化得到，性能与用途用途球墨铸铁：球状球墨铸铁：球状G，球化处理。热处理球化处理。热处理工艺：与灰铁不同，工艺：与灰铁不同，与钢区别。不同工与钢区别。不同工艺得到不同基体组艺得到不同基体组织。性能与用途织。性能与用途蠕铁蠕铁：蠕虫状蠕虫状G特殊性能铸铁：耐特殊性能铸铁：耐蚀、耐磨、耐热蚀、耐磨、耐热
