北京大学张铁军机械工程材料.doc

第七章 铸铁与铸钢 1. 理解并掌握铸铁的组织尤其是石墨的形态、分布,性能之间的规律。 2. 理解并掌握工程材料尤其是金属的结构，理解材料结构与性能之间的关系，尤其是强化工程材料性能的途径、基本原理与方法。 3. 掌握常用铸铁的种类、组织结构特点、性能和应用，了解其应用范围。 4. 结合实例，初步具备合理选择铸铁与铸钢材料、正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能力。 5. 了解铸钢与铸铁的技术现状，前沿动态及今后的发展方向。 7.1 概 述 铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。 铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。 例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造. 最近10年是我国铸铁业发展最快、最好的时间。 我国铸件产量持续增长，其中，铸铁业以年均20%的速度增长，远高于同期GDP约10%的增长速率。我国铸铁件的材质结构持续改善，球铁在铸件中所占的比重由1998年的14％增至2009年的24.7％；球铁与灰铁的。 目前，我国年产铸铁件10000吨以上， 图1、1998～2009年我国铸件、灰铁件、球铁件的产量 （近10年来，我国铸件产量持续增长，其中，尤以铸铁件的产量增长最快） 一、铸铁的石墨化过程 1、Fe-Fe3C 和 Fe-G 石墨 双重相图 Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解： Fe3C→3Fe+C（石墨） 石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、韧性几乎为零。 铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体 Fe3C 和游离态的石墨 G 两种形式存在。 存在两个铁碳相图： Fe-Fe3C和Fe-G双重相图 2、铸铁的石墨化过程 铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。 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。 石墨化分两个阶段： 在P’S’K’线以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化。 包括结晶时一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加热时一次渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的分解. 在P’S’K’线以下发生的石墨化称为第二阶段石墨化。包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。 铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系（以共晶铸铁为例） 3、影响石墨化的因素 ⑴ 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。 ⑵ 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。 二、铸铁的特点及分类 工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。 1、铸铁的组织特点 钢的基体+G（石墨） 基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。 ⑵ 耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。 ⑶ 消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。 ⑷ 铸造性能好。由于铸铁硅含量高, 成分接近于共晶. ⑸ 切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。 铸铁根据石墨的形态进行分类。铸铁中石墨的形态有片状、团絮状、球状和蠕虫状四种，其所对应的铸铁分别为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。 7.2 灰铸铁 碳大部分是以片状石墨存在，因其断口呈暗灰色而得名。灰铸铁生产工艺简单、价格低廉、应用广泛，其产量约占铸铁总产量的70％ 汽车业是灰铸铁的主要应用领域之一，近年来随着汽车轻量化要求的不断提高，薄壁高强度灰铸铁的应用迅速推进 1 灰铸铁的组织 灰 铸铁 的显 微组 织 2 灰铸铁的热处理 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。 灰铸铁常用的热处理有： ① 消除内应力退火 又称人工时效 ② 消除白口组织退火 ③ 表面淬火 12.9L 6缸蠕铁柴油机缸体（2008，Brazil） 3、用途 制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。 3 灰铸铁的牌号及用途 灰铸铁牌号中“HT”为灰铁汉语拼音字首，其后数字表示该材料的最低抗拉强度（MPa）。例如HT200表示抗拉强度σb≥200MPa的灰铸铁。灰铸铁的强度与铸件的壁厚大小有关系，因此在根据性能要求选择铸铁牌号时，必须注意到铸件的壁厚。如铸件的壁厚超出表中所列的尺寸时，应根据基体情况适当提高或降低铸铁的牌号。灰铸铁主要用于制造承受压力和振动的零部件。 7.3 球墨铸铁 中国从1950年开始研究和生产球铁，是世界上较早生产球铁的国家之一。 从2005年起，我国球铁产量连续五年居世界第一，2008年已达820万吨，约占当年世界球铁产量的1/3，比世界第2、3