第八章 铸铁预案.ppt

第八章 铸铁 铸铁 cast iron 铸铁是含碳量为2%~4%的多元铁基合金。 铸铁中的其他主要成分： wSi=1.0%~3.0% wMn=0.1%~1.0% wS=0.02%~0.25% wP=0.05%~1.0% 与钢比较： 含有较多的C、Si、S、P C的存在形式：Fe3C、G（石墨） 铸铁的性能特点 力学性能低：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。 耐磨性能好：石墨本身有润滑作用。 消振性能好：石墨可以吸收振动能量。 铸造性能好：硅含量高，成分接近于共晶。 切削性能好：石墨使钢基体不连续，因此铁屑容易脆断，不粘刀。 由于灰口铸铁中碳主要以石墨形式存在，具有良好的铸造性、可加工性能、减震性。所需设备简单，生产成本低廉，因此工业生产中主要采用这类铸铁，例如：机床床身、减速箱体、内燃机缸体、曲轴等零件大都采用灰口铸铁制造的。 第一节 铸铁的石墨化 石墨 graphite 是一种碳的单质晶体。 具有简单六方晶格 碳原子按层状结构排列，层间碳原子的间距很大，结合力很弱，极易滑移，因此强度、硬度和塑性都很弱。 碳在铸铁中的存在形式 影响铸铁组织和性能的关键是碳在铸铁中存在的形式、大小和分布： 溶于α-Fe中形成间隙固溶体（F）——稳定相； 游离状态的石墨（G）——稳定相； 金属化合物Fe3C——亚稳定相。Fe3C在一定条件下可分解为Fe和G： Fe3C→3Fe+C →铸铁中的石墨既可以从液态中直接结晶析出，也可以自奥氏体中析出，还可以自渗碳体分解析出。 Fe- Fe3C和Fe-G双重相图 结晶过程中铁碳合金究竟按哪种相图变化，决定于加热、冷却条件或获得的平衡性质。 成分相同的铁水在冷却结晶过程中 冷却速度越慢，析出石墨的可能性越大； 冷却速度越快，析出Fe3C的可能性越大。 铸铁的石墨化 铸铁组织中石墨的形成过程称为铸铁的石墨化过程。 铸铁的石墨化方式： 按照Fe—G相图从液态铁水中和固态A、F中直接析出G（GⅠ、G共晶、GⅡ和GⅢ）； 按照Fe—Fe3C相图先结晶析出Fe3C（Fe3CⅠ、Fe3C共晶、Fe3CⅡ和Fe3CⅢ），然后加热，使Fe3C在一定条件下分解生成G。 铸铁的石墨化过程 发生在PSK线以上的，称为第一阶段石墨化过程： 结晶时GⅠ、G共晶和GⅡ的析出； 加热时Fe3CⅠ、Fe3C共晶、Fe3CⅡ的分解。 发生在PSK线以下的，称为第二阶段石墨化过程： 冷却时G共析和GⅢ的析出； 加热时Fe3C共析和Fe3CⅢ的分解。 铸铁的石墨化过程 石墨化过程是原子扩散过程。石墨化温度越低，越不易石墨化。 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。 影响石墨化的因素： 化学成分 冷却速度 化学成分的影响 碳和硅是强烈促进石墨化的元素 碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差。 碳、硅含量过高，会使石墨数量多且粗大，基体内铁素体量增多，降低铸件的性能。 碳、硅量控制范围：wC =2.5~4.0% wSi=1.0~3.0%。 化学成分的影响 Al、Cu、Ni、Co等元素对石墨化有促进作用。 S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素阻碍石墨化。 P虽然可促进石墨化，但其含量高时易在晶界上形成硬而脆的P—Fe共晶体（Fe3P），降低铸铁的强度。因此，只有耐磨铸铁中磷含量偏高（达0.3%以上）。 冷却速度的影响 铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe-G相图进行，因而促进石墨化。 快冷时由于过冷 度大，结晶将按 Fe-Fe3C相图进行， 不利于石墨化。 铸铁的分类与牌号表示方法 铸铁的分类与牌号表示方法 第二节 灰铸铁 灰铸铁(gray cast-iron) 是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。 产量约为铸铁总产量的80%以上。 主要用于制造承受压力和振动的零件，如： 机床床身 各种箱体/壳体/泵体/阀体/缸体 力学性能： 抗拉强度取决于石墨的数量、分布和钢基体的组织。一般来说远低于同类组织的钢基体。 基本没有塑性、韧性。 抗压强度主要取决于钢基体组织的强度，一般高于抗拉强度3~4倍； 硬度与相应的钢基体正火状态相同； 耐磨性/减磨性好于相应的钢基体； 工艺性能： 铸造性优于钢； 减振性优于钢； 机加性能良好； 缺口敏感性较低。 灰铸铁的孕育处理： 为了提高灰铸铁的力学性能，在铸铁浇注前，把硅铁或钙硅合金粉末加入到铁水中，并进行搅拌、去渣后浇注，使铁水在结晶过程中产生大量均匀分布的人工晶核，从而获得细珠光体基体加上细小均匀分布的细片状石墨组织。 经孕育处理得到的灰铸铁称为孕育铸铁。 热处理： 只改变基体组织，不改变石墨形态。 灰铸铁强度只有碳钢的30~50%，热处理强化效果不大。 热处理目的： 去应力、稳定尺寸 消除