铸铁材料的分类.docx

铸铁材料的分类、石墨的结构和特点二第二节 灰铸铁一、灰铸铁的成分、组织与性能特点1．灰铸铁的化学成分 铸铁中碳、硅、锰是调节组织的元素，磷是控制使用的元素，硫是应限制的元素目前生产中， 灰铸铁的化学成分范围一般为：wC=2.7%~3.6%, wSi=1.0%~2.5%, wMn=0.5%~1.3%, wPs0.3%, wSs0.15%2．灰铸铁的组织 灰铸铁是第一阶段和第二阶段石墨化过程都能充分进行时形成的铸铁它的显微组织特征是片状石墨分布在各种基体组织上 由于第三阶段石墨化程度的不同,可以获得三种不同基体组织的灰铸铁 a）铁索体灰铸铁b）珠光体灰铸铁c）铁索体珠光体灰铸铁 图 7.4 灰铸铁的显微组织3．灰铸铁的性能特点（1） 力学性能：灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和弹性模量远比相应基体的钢低石墨片的 数量愈多,尺寸愈粗大分布愈不均匀,对基体的割裂作用和应力集中现象愈严重,则铸铁的强度、塑性与韧 性就愈低由于灰铸铁的抗压强度obc、硬度与耐磨性主要取决于基体，石墨的存在对其影响不大，故 灰铸铁的抗压强度一般是其抗拉强度的 3~4 倍同时,珠光体基体比其它两种基体的灰铸铁 具有较高的强度、硬度与耐磨性（2） 其它性能 石墨虽然会降低铸铁的抗拉强度、塑性和韧性,但也正是由于石墨的存在, 使铸铁具有一系列其它优良性能① 铸造性能良好由于灰铸铁的碳当量接近共晶成分，故与钢相比，不仅熔点低，流动性好， 而且铸铁在凝固过程中要析出比容较大的石墨,部分地补偿了基体的收缩,从而减小了灰铸 铁的收缩率，所以灰铸铁能浇铸形状复杂与壁薄的铸件② 减摩性好 减摩性是指减少对偶件被磨损的性能灰铸铁中石墨本身具有润滑作用，而且当 它从铸铁表面掉落后，所遗留下的孔隙具有吸附和储存润滑油的能力，使摩擦面上的油膜易 于保持而具有良好的减摩性所以承受摩擦的机床导轨、汽缸体等零件可用灰铸铁制造③ 减振性强 铸铁在受震动时石墨能阻止震动的传播起缓冲作用，并把震动能量转变为热能，灰铸铁减振能力约比钢大10倍，故常用作 承受压力和震动的机床底座、机架、机床床身和箱体等零件，④ 切削加工性良好 由于石墨割裂了基体的连续性使铸铁切削时容易断屑和排屑 且石墨对刀具具有一定润滑作用，故可使刀具磨损减少⑤ 缺口敏感性小 钢常因表面有缺口（如油孔、键槽、刀痕等）造成应力集中，使力学性能 显著降低，故钢的缺口敏感性大灰铸铁中石墨本身已使金属基体形成了大量缺口，致使外加 缺口的作用相对减弱，所以灰铸铁具有小的缺口敏感性 由于灰铸铁具有以上一系列的优良性能，而且价廉易于获得，故在目前工业生产中，它仍然是应用最广泛的金属材料之一二、灰铸铁的孕育处理灰铸铁组织中石墨片比较粗大，因而它的力学性能较低为了提高灰铸铁的力学性能生产上常进行孕育处理孕育处理（ino culati on）就是在浇注前往铁液中加入少量孕育剂改变铁液的结晶条件，从而获得细珠光体基体加上细小均匀分布的片状石墨组织的工 艺过程经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁 生产中常先熔炼出含碳（2.7%~3.3%）、硅（1%~2%）均较低的铁水，然后向出炉的铁水 中加入孕育剂，经过孕育处理后再浇注常用的孕育剂为含硅75%的硅铁加入量为铁水重量的 0.25%~0.6% 因孕育剂增加了石墨结晶的核心，故经过孕育处理的铸铁石墨细小、均匀，并获得珠光体基 体孕育铸铁的强度、硬度较普通灰铸铁均高如ob=250〜400Pa,硬度达170~270HBS孕育铸铁的石墨仍为片状，塑性和韧性仍 然很低，其本质仍属灰铸铁三、 灰铸铁的牌号和应用1．灰铸铁的牌号灰铸铁的牌号以其力学性能来表示灰铸铁的牌号以"HT "起首其后以三位数字来表示，其中"HT "表示灰铸铁 数字为其最低抗拉强度值例如， HT200表示以«30mm单个铸出的试棒测出的抗拉强度值大于200 MPa（但小于300 MPa） 依照 GB 5675-85,灰铸铁共分为 HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350 六 个牌号其中，HT100为铁素体灰铸铁，HT150为珠光体-铁素体灰铸铁，HT200和HT250 为珠光体灰铸铁， HT300 和 HT350 为孕育铸铁2．灰铸铁的应用 选择铸铁牌号时必须考虑铸件的壁厚和相应的强度值，如表 7.2 所列例如，某铸件的壁厚 40mm，要求抗拉强度值为200 MPa，此时，应选HT250而不是 HT200四、 灰铸铁的热处理1 ．消除内应力退火 铸件在铸造冷却过程中容易产生内应力，可能导致铸件变形和裂纹，为保证尺寸的稳定防止变形开裂 对一些大型复杂的铸件，如机床床身、柴油机汽缸体等，往往需要进行消除内应力的 退火处理（又称人工时效）工艺规范一般为：加热温度 500~550°C，加热速度一般在60~120°C/h，经一定时间保温后，炉冷到150~220C出炉空冷2．改善切削加工性退火 灰口铸铁的表层及一些薄截面处，由于冷速较快，可能产生白口，硬度增加，切削加工困难故需要进行退火降低硬度，其工艺规程依铸件壁厚而定冷却方法根据性能要求而定， 如果主要是为了改善切削加工性，可采用炉冷或以 30~50C/h 速度缓慢冷却若需要提高铸 件的耐磨性，采用空冷可得到珠光体为主要基体的灰铸铁3．表面淬火 表面淬火的目的是提高灰铸铁件的表面硬度和耐磨性其方法除感应加热表面淬火外铸铁还可以采用接触电阻加热表面淬火图 7.8 为机床导轨进行接触电阻加热表面淬火方法的示意图其原理是用一个电极（紫铜滚轮） 与欲淬硬的工作表面紧密接触，通以低压（2~5V）大电流（400~750A）的交流电，利用电 极与工作接触处的电阻热将工件表面迅速加热到淬火温度，操作时将电极以一定的速度移动 于是被加热的表面依靠工件本身的导热而迅速冷却下来，从而达 到表面淬火的目的 图 7.8 结触电阻加热表面淬火示意图接触电阻加热表面淬火层的深度可达0.20~0.30mm,组织为极细的马氏体(或隐针马氏体) 片状石墨，硬度达 55~61HRC可使导轨的寿命提高1.5 倍以上这种表面淬火方法设备简单,操作方便,且工件变形 很小为了保证工件淬火后获得高而均匀的表面硬度铸铁原始组织应是珠光体基体上分布细小均匀的石墨第三节 球墨铸铁一、 球墨铸铁的生产方法( 1 )制取铁水：制造球墨铸铁所用的铁水碳含量要高( 3.6%~4.0%),但硫、磷含量要低 为防止浇注温度过低，出炉的铁水温度必须高达1400C以上(2)球化处理和孕育处理 它们是制造球墨铸铁的关键 必须严格操作球化剂的作用是使石墨呈球状析出，国外使用的球化剂主要是金属镁，我国广泛采用的球化 剂是稀土镁合金稀土镁合金中的镁和稀土都是球化元素，其含量均小于 10%，其余为硅和 铁以稀土镁合金作球化剂，结合了我国的资源特点，其作用平稳，减少了镁的用量，还能改 善球墨铸铁的质量球化剂的加入量一般为铁水重量的 1.0%~1.6%(视铸铁的化学成分和铸 件大小而定)孕育剂的主要作用是促进石墨化，防止球化元素所造成的白口倾向常用的孕育剂为硅含量75%的硅铁，加入量为铁水重量的0.4%~1.0%图 7.9 冲入法球化处理( 3)铸型工艺 球墨铸铁较灰铸铁容易产生缩孔、缩松、皮下气孔和夹渣等缺陷，因此在 工艺上要采取防范措施(4)热处理 由于铸态的球墨铸铁多为珠光体和铁素体的混合基体，有时还存有自由渗碳 体形状复杂件还存有残余内应力因此，多数球铁件铸后要进行热处理，以保证应有的力 学性能常用的热处理是退火和正火，退火可获得铁素体基体，正火可获得珠光体基体二、 球墨铸铁的成分、组织与性能特点1．球墨铸铁的成分 球墨铸铁的化学成分与灰铸铁相比，其特点是含碳与含硅量高，含锰量较低，含硫与含磷量 低，并含有一定量的稀土与镁由于球化剂镁和稀土元素都起阻止石墨化的作用，并使共晶点右移所以球墨铸铁的碳当量较高一般wC=3.6%~4.0%, wSi=2.0%~3.2% 2．球墨铸铁的组织球墨铸铁的组织特征：球铁的显微组织由球形石墨和金属基体两部分组成随着成分和冷速的 不同，球铁在铸态下的金属基体可分为铁素体、铁素体 珠光体、珠光体三种a)铁素体球墨铸铁b)铁素体珠光体球墨铸铁c)珠光体球墨铸铁图7.10 球墨铸铁的显微组织3．球墨铸铁的性能特点 (1)力学性能：球墨铸铁的抗拉强度、塑性、韧性不仅高于其他铸铁而且可与相应组织的铸钢相媲美，，对于承受静载荷的零件，用球墨铸铁代替铸钢， 就可以减轻机器重量但球墨铸铁的塑性与韧性却低于钢球墨铸铁中的石墨球愈小、愈分散， 球墨铸铁的强度、塑性、与韧性愈好，反之则差 球墨铸铁的力学性能还与其基体组织有关铁素体基体具有高的塑性和韧性，但强度与硬度较 低，耐磨性较差珠光体基体强度较高，耐磨性较好，但塑性、韧性较低铁素体 珠光体基体 的性能介于前两种基体之间经热处理后，具有回火马氏体基体的硬度最高，但韧性很低；下 贝氏体基体则具有良好的综合力学性能（2）其他性能 由于球墨铸铁有球状石墨存在，使它具有近似于灰铸铁的某些优良性能， 如铸造性能、减摩性、切削加工性等但球墨铸铁的过冷倾向大，易产生白口现象，而且铸件 也容易产生缩松等缺陷，因而球墨铸铁的熔炼工艺和铸铁工艺都比灰铸铁要求高三、球墨铸铁的牌号与应用球墨铸铁牌号的表示方法是用"QT "代号及其后面的两组数字组成"QT "为球铁二字的汉语拼 音字头，第一组数字代表最低抗拉强度值第二组数字代表最低伸长率值如表7.3所列 球墨铸铁通过热处理可获得不同的基体组织，其性能可在较大范围内变化，加上球墨铸铁的 生产周期短成本低（接近于灰铸铁），因此 球墨铸铁在机械制造业中得到了广泛的应用它成功地代替了不少碳钢、合金钢和可锻 铸铁，用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件如具有高强度与耐磨性的 珠光体球墨铸铁，常用来制造拖拉机或柴油机中的曲轴、连杆、凸轮轴，各种齿轮、机床的 主轴、蜗杆、蜗轮、轧钢机的轧辊、大齿轮及大型水压机的工作缸、缸套、活塞等具有高的 韧性和塑性铁素体基体的球墨铸铁，常用来制造受压阀门、机器底座、汽车的后桥壳等四、球墨铸铁的热处理 球墨铸铁常用的热处理方法有退火、正火、等温淬火、调质处理等1．退火（1） 去应力退火：球墨铸铁的弹性模量以及凝固时收缩率比灰铸铁高，故铸造内应力比灰 铸铁约大两倍对于不再进行其它热处理的球墨铸铁铸件，都应进行去应力退火去应力退火工艺是将铸件缓慢加热到500~620°C左右，保温2~8h然后随炉缓冷（2） 石墨化退火 石墨化退火的目的是消除白口，降低硬度，改善切削加工性以及获得铁 素体球墨铸铁根据铸态基体组织不同，分为高温石墨化退火和低温石墨化退火两种① 高温石墨化退火：为了获得铁素体球墨铸铁，需要进行高温石墨化退火，是将铸件加热到 900~950°C，保温2~4h，使自由渗碳体石墨化然后随炉缓冷至600C，使铸件发生第二和第三阶段石墨化，再出炉空冷图 7.11 球墨铸铁高温石墨化退火工艺曲线② 低温石墨化退火当铸态基体组织为珠光体 铁素体、而无自由渗碳体存在时，为了获得塑 性、韧性较高的铁素体球墨铸铁，可进行低温石墨化退火 低温退火工艺是把铸件加热至共析温度范围附近即720~760°C，保温2~8h，使铸件发生第二阶段石墨化然后随炉缓冷至600C再出炉空冷图 7.12 球墨铸铁低温石墨化退火工艺曲线 2．正火 球墨铸铁正火的目的是为了获得珠光体组织，并使晶粒细化、组织均匀从而提高零件的强度、硬度和耐磨性，并可作为表面淬火的预先热处理正火可分为高 温正火和低温正火两种（1）高温正火高温正火工艺是把铸件加热至共析温度范围以上，一般为900~950°C，保 温1~3h,使基体组织全部奥氏体。