工程材料教案-8鑄鐵

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程名稱：工程材料 第 周，第 講次摘 要授課題目（章、節(jié)）本講目的要求及重點(diǎn)難點(diǎn)：【目的要求】1.了解鑄鐵的特點(diǎn)、分類及鑄鐵的石墨化過(guò)程；2.熟悉各常用鑄鐵的牌號(hào)、性能及用途【重 點(diǎn)】1.鑄鐵與碳鋼相比其性能特點(diǎn)；2. 鑄鐵的石墨化過(guò)程及影響因素；3.灰口鑄鐵的分類；4. 鑄鐵牌號(hào)、性能及用途【難 點(diǎn)】鑄鐵的石墨化過(guò)程及影響因素、鑄鐵牌號(hào)及性能特點(diǎn)。內(nèi) 容【本講課程的引入】鑄鐵是一系列主要由鐵、碳和硅組成的合金的總稱。在這些合金中，碳含量超過(guò)了在共晶溫度時(shí)能保留在奧氏體固溶體中的量。鐵、碳、硅是它的主要合金元素，除此之外，還含有比碳鋼較多的硫、磷和錳。鑄鐵價(jià)格便宜，

2、并具有一系列的優(yōu)良性能，故而它廣泛用于機(jī)械制造業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各類機(jī)器中鑄鐵件約占重量的4070%，在重型機(jī)械中其重量可達(dá)8090%?！颈菊n程的內(nèi)容】第一節(jié) 概述一、鑄鐵的分類根據(jù)碳在鑄鐵中存在形式的不同，鑄鐵可分為如下幾類：1、白口鑄鐵：碳分主要以游離碳化鐵形式出現(xiàn)的鑄鐵，斷口呈銀白色，故得名為白口鑄鐵。白口鑄鐵中存有大量的滲碳體，性硬而脆，難于進(jìn)行切削加工，故很少用它來(lái)制造機(jī)器零件。通常白口鑄鐵用來(lái)制造一些要求高耐磨件，如軋鋼機(jī)的軋輥、球磨機(jī)的磨球，以及農(nóng)村用的犁鏵等。目前，白口鑄鐵主要用來(lái)做為煉鋼生鐵和生產(chǎn)可鍛鑄鐵的毛坯。2、灰口鑄鐵：碳全部或大部以自由態(tài)石墨（G）的形式存在于鑄鐵中，其斷

3、口呈暗灰色，故稱灰口鑄鐵。在機(jī)器制造業(yè)中所應(yīng)用的鑄鐵基本上是灰口鑄鐵。3、麻口鑄鐵：碳分部分以游離碳化鐵形式出現(xiàn)，部分以石墨形式出現(xiàn)的鑄鐵，斷口灰白色相間，尤如麻點(diǎn)，故稱麻口鑄鐵。此類鑄鐵有較大的硬脆性，工業(yè)上也很少使用。工業(yè)上應(yīng)用最廣的是灰口鑄鐵，其碳大部分或全部以石墨形式存在。根據(jù)石墨的形態(tài)不同，灰口鑄鐵亦可分為如下幾類：1、普通灰口鑄鐵，亦稱灰鑄鐵：碳分主要以片狀石墨形式出現(xiàn)的鑄鐵，斷口呈灰色，代號(hào)HT。此類鑄鐵的機(jī)械性能不高，但生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，工業(yè)上應(yīng)用最廣，在各類鑄鐵的產(chǎn)量中其可占80%以上。2、可鍛鑄鐵：白口鑄鐵通過(guò)石墨化或氧化脫碳可鍛化處理，改變其金相組織或成分而獲得的有

4、較高韌性的鑄鐵?？慑戣T鐵中的石墨以團(tuán)絮狀形式存在，它具有一定的塑性和韌性，但并非真正可鍛。其代號(hào)KT。3、球墨鑄鐵：鐵液經(jīng)過(guò)球化處理而不是在凝固后經(jīng)過(guò)熱處理，使石墨大部分或全部呈球狀，有時(shí)少量為團(tuán)絮狀的石墨。此類鑄鐵的機(jī)械性能較好，且可通過(guò)熱處理進(jìn)一步提高性能，其應(yīng)用日趨廣泛。其代號(hào)QT。4、蠕墨鑄鐵：大部分石墨為蠕蟲狀石墨的鑄鐵，其代號(hào)為RuT。這種鑄鐵是七十年代發(fā)展起來(lái)的一種新型鑄鐵，它廉有灰鑄鐵的良好鑄造性能和機(jī)械性能，又有較高的強(qiáng)度，它的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視。從以上介紹我們不難看出，為了改善鑄鐵的性能，人們?cè)阼T鐵的石墨形態(tài)上大做文章。那么，鑄鐵中的石墨又是如何得到的呢？灰鑄鐵 可鍛

5、鑄鐵 球墨鑄鐵 蠕墨鑄鐵圖 7-2 四種鑄鐵示意圖二、鑄鐵的石墨化實(shí)踐證明，當(dāng)鐵水中的碳、硅含量較高，而其冷卻速度緩慢時(shí)，將從鐵水中直接析出石墨，當(dāng)滲碳體在高溫下長(zhǎng)時(shí)間的停留也能分解出石墨?？梢?jiàn)，滲碳體是一個(gè)亞穩(wěn)定相，石墨才是一個(gè)穩(wěn)定相。因此，描述鐵碳合金的相圖應(yīng)有兩個(gè)，即Fe-Fe3C相圖和Fe-G相圖。（一）鐵碳雙重相圖圖8-1是鐵碳雙重相圖。（二）石墨化過(guò)程石墨化過(guò)程是指鑄鐵中析出碳原子形成石墨的過(guò)程，亦即按FeG相圖結(jié)晶的過(guò)程。鑄鐵中析出石墨的途徑有三條：1、第一階段石墨化：高于共析轉(zhuǎn)變溫度的石墨化過(guò)程，它包括從液態(tài)中直接結(jié)晶出石墨（過(guò)共晶鐵水析出一次石墨，共晶轉(zhuǎn)變中形成的共晶石墨），

6、從奧氏體中析出的石墨以及由一次滲碳體、共晶滲碳體和二次滲碳體分解析出的石墨。2、第二階段石墨化：低于共析轉(zhuǎn)變溫度的石墨化過(guò)程，它包括共析轉(zhuǎn)變過(guò)程形成的石墨，共析滲碳體分解而形成的石墨以及由鐵素體中析出的石墨。鑄鐵的石墨化過(guò)程如圖8-3、8-4所示。（三）鑄鐵石墨化的影響因素1、化學(xué)成分的影響：碳和硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，CSiG只有碳而沒(méi)有硅，則難于進(jìn)行石墨化，灰鑄鐵中碳含量為3.2-4%，硅含量為1-3%；硫是強(qiáng)烈阻止石墨化的元素，硫的增加將導(dǎo)致白口傾向增加、流動(dòng)性下降、熱脆性增加，故應(yīng)嚴(yán)格限制，鐵水中硫的含量應(yīng)小于0.15%。通常沖天爐鐵水硫在0.1%左右，電爐鐵水硫量在0.04%；錳阻

7、止石墨化，但其減弱硫的有害作用，故能間接地促進(jìn)石墨化，所以鑄鐵中的錳量要適當(dāng)，通常錳量在0.6-1.3%之間；磷對(duì)石墨化的影響不大，但磷的存在造成鑄鐵的冷脆性，故一般鑄鐵中視為有害元素，應(yīng)加以限制，磷含量小于0.3%。2、冷卻速度的影響：在生產(chǎn)中往往發(fā)現(xiàn)，同一包鐵水澆厚件是灰口，而澆小件則可能得到白口，甚至澆注同一鑄件，厚處是灰口，而薄處或飛邊處則可能是白口。鑄件厚薄不同，其冷卻速度不同，石墨化程度就不一樣。即鑄件厚度增加，冷卻速度下降，石墨化程度增加。工業(yè)生產(chǎn)中，為獲得不同程度的石墨化組織，不能調(diào)整鑄件的壁厚，但可調(diào)整鐵水的碳、硅含量，如圖8-6所示。下面我們將逐一介紹各種鑄鐵。第二節(jié) 常用

8、鑄鐵一、灰鑄鐵在灰鑄鐵中碳全部或大部分以片狀自由態(tài)（石墨）形式存在。HT是應(yīng)用最廣的一種鑄鐵，在各種鑄鐵的總產(chǎn)量中，其可占80%以上。（一）灰鑄鐵的成分、組織、性能和用途1、化學(xué)成分：不同牌號(hào)、不同用途的灰鑄鐵件，其化學(xué)成分也不盡相同，鑄鐵中五大元素的含量一般為：C=2.7-3.6% Si=1.1-2.5% Mn=0.5-1.3% S<0.15% P<0.3%2、組織和用途：HT的組織是由金屬基體加片狀石墨所組成，即： P+G（片狀） P+F+G（片狀） F+G（片狀）根據(jù)基體的不同，灰鑄鐵可以分為三類：1）珠光體灰鑄鐵：在共析鋼的基體上分布著細(xì)小均勻的片狀石墨，圖8-5c所示。在

9、HT中，這類鑄鐵的強(qiáng)度、硬度最高，主要用來(lái)制造重要鑄件，如汽缸體、活塞及機(jī)床床身等。2）P-F灰鑄鐵：在亞共析鋼的基體上分布著較前者粗大的片狀石墨，圖8-5b所示。強(qiáng)度、硬度較差，但鑄造時(shí)易控制，且切削性能好，用途很廣，例如機(jī)座、支架、箱體、閥體、泵體以及縫紉機(jī)等。3）鐵素體基體灰鑄鐵：在鐵素體基體上分布著粗大的片狀石墨，圖8-5a所示，強(qiáng)度、硬度最低，很少用來(lái)制造機(jī)器零件。但它的鑄造性能好，故用來(lái)生產(chǎn)一些沒(méi)有強(qiáng)度要求的機(jī)件，如小手柄、蓋板、重錘等。3、灰鑄鐵的性能：HT的機(jī)械性能主要取決于金屬基體的強(qiáng)度和石墨的數(shù)量、大小、形狀和分布，但是基體對(duì)性能的影響遠(yuǎn)沒(méi)有G的作用大，故而我們著重介紹G對(duì)

10、HT機(jī)械性能的影響。1）石墨的性質(zhì)：石墨的晶格形式為簡(jiǎn)單六方晶格，如圖8-2所示。晶格的兩基面間距較大，結(jié)合力弱，易滑移。故石墨的強(qiáng)度、塑性和韌性極低，其b=20MPa =0 HB=3。故石墨存在于鑄鐵，尤如鋼基體上的空洞，石墨的這種特性是造成灰鑄鐵性能的主要原因。2）灰鑄鐵的性能：a.機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度比鋼低的多，塑性差。 共析鋼：b=800Mpa =12% 鑄鐵： b=120250Mpa =0 原因：G 的存在，在基體中形成了大量的空洞，減少了有效承載面積，使實(shí)際應(yīng)力大大增加；片狀石墨的存在，易造成應(yīng)力集中，使尖角處的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際應(yīng)力，使材料形成脆性斷裂；石墨的數(shù)量越多、越粗大、分布越

11、不均勻，對(duì)基體的割裂作用就越嚴(yán)重，機(jī)械性能就越差。但石墨對(duì)基體的割裂作用和形成的應(yīng)力集中對(duì)壓應(yīng)力的有害作用較小，例如鑄鐵的抗壓強(qiáng)度為650Mpa，45鋼的抗壓強(qiáng)度為700Mpa，兩者相接近。故而鑄鐵廣泛用做承受壓載荷的零件，如機(jī)座、軸承座以及各種箱體。 b.減摩性好：灰鑄鐵中的石墨本身是一種良好的潤(rùn)滑劑，摩擦過(guò)程中脫落的石墨將起到潤(rùn)滑作用；同時(shí)，摩擦面上脫落的石墨構(gòu)成大量的顯微凹坑，起儲(chǔ)存潤(rùn)滑油的作用，維持油膜的連續(xù)性。故灰鑄鐵有良好的減摩性。所以某些摩擦零件如機(jī)床導(dǎo)軌、滑動(dòng)軸承等可用灰鑄鐵制造。c.減震性好：石墨組織松軟，可對(duì)震動(dòng)起到緩沖作用，HT的減震能力約比鋼大十倍，故常用于承受震動(dòng)的機(jī)

12、器零件如機(jī)床的床身、機(jī)座等。d.缺口敏感性低：e. 導(dǎo)熱性好：f.工藝性能：鑄造性能好；切削性好；可焊性差；不能進(jìn)行鍛造。（二）灰鑄鐵的牌號(hào)HT100 HT150 HT200 HT250 HT300 HT350（三）灰鑄鐵的熱處理熱處理只能改變基體的組織，而不以能改變石墨的形態(tài)，故用熱處理來(lái)提高鑄鐵的機(jī)械性能效果不大?；诣T鐵常用的熱處理方法有：1、消除內(nèi)應(yīng)力退火2、改善切削加工性的退火3、表面淬火綜上所述，灰鑄鐵有著一系列的優(yōu)良性能，但略顯不足的是它的機(jī)械性能特別是抗拉強(qiáng)度低，原因在于石墨的存在，G越多、越粗大，則抗拉強(qiáng)度越低。為了提高HT的強(qiáng)度，人們?cè)谑男螤钌洗笞鑫恼?，發(fā)明了各種各樣的鑄

13、鐵。二、可鍛鑄鐵我國(guó)是最早發(fā)明和使用可鍛鑄鐵的國(guó)家，早在三千多年的戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，就開始使用了可鍛鑄鐵，而西方國(guó)家直到1782年才開始制造使用可鍛鑄鐵，比我國(guó)晚了二千多年。但是由于長(zhǎng)期的封建統(tǒng)治，這項(xiàng)技藝反而衰落失傳，不得不于1933年重新從國(guó)外引進(jìn)了此項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)，同時(shí)將名字也換成了洋的，叫什么“馬鐵”，“馬鋼”?。ㄒ唬┛慑戣T鐵的組織金屬基體+G（團(tuán)絮狀），即：F+G（團(tuán)絮狀）和P+G（團(tuán)絮狀），后一種可鍛鑄鐵國(guó)內(nèi)很少使用。（二）性能和應(yīng)用1、性能：由于可鍛鑄鐵中的石墨呈團(tuán)絮狀，故而大大減輕了對(duì)基體的割裂作用，提高了鑄鐵的機(jī)械性能。其抗拉強(qiáng)度為30-70Mpa ,延伸率2-12%，但此種鑄鐵仍不可鍛

14、；耐腐蝕性能較強(qiáng)；鑄造性能較灰鑄鐵差。2、應(yīng)用：由于可鍛鑄鐵具有一定的強(qiáng)度和較高的塑性和韌性，故KT可用在承受沖擊和震動(dòng)的場(chǎng)合，例如汽車、拖拉機(jī)的前后橋殼，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，彈簧鋼板的支座，馬車輪圈等。另外，機(jī)床的搬手、各種閥體及管件也都廣泛使用KT制造。（三）可鍛鑄鐵的制取可鍛鑄鐵的制取分兩部進(jìn)行：生產(chǎn)白口鑄件；高溫退火，滲碳體分解成團(tuán)絮狀石墨，即Fe3CF+G（團(tuán)絮狀）。為澆注出白口鑄件，及方便續(xù)后的退火操作，則需嚴(yán)格地控制鐵水。為保證純白口，則需采用低碳、低硅的鐵水；而另一方面，碳、硅含量又不能太低，否則將使退火時(shí)間大大延長(zhǎng)，增加生產(chǎn)成本。白口鑄件的高溫石墨化退火工藝見(jiàn)圖8-8。（四）可鍛鑄鐵的

15、牌號(hào)墨心可鍛鑄鐵：KTH300-06 KTH330-08 KTH350-10 KTH370-12珠光體可鐵： KTZ450-06 KHZ550-04 KHZ650-02 KTZ700-02白心可鍛鑄鐵：KTB350-04 KTB380-12 KTB400-05 KTB450-07三、球墨鑄鐵可鍛鑄鐵的強(qiáng)度高于普通灰鑄鐵，又具有較高的塑性和韌性，根本原因就在于G形狀由片狀變成了團(tuán)絮狀，減輕了石墨對(duì)基體的割裂作用，使之機(jī)械性能有了大幅度的提高。能否進(jìn)一步改變石墨的形狀，使其對(duì)基體的割裂作用減低到最小，從而更進(jìn)一步提高鑄鐵的性能呢？基于這一想法，經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的大量工作，于1047年英國(guó)科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)

16、了第一個(gè)石墨球。從此，一種新型的鑄鐵材料球墨鑄鐵便以極快的速度發(fā)展起來(lái)了。采用高碳低硅的鐵水，向里面加入一定量的球化劑（如鎂、稀土元素等）進(jìn)行球化處理，并加加入少量的孕育劑（常用硅鐵）而制得球墨鑄鐵。（一）QT的組織和成分1、組織：金屬基體+G（球狀） 金屬基體主要是鐵素體和珠光體，通過(guò)熱處理也可以得到M、 B等基體，以滿足不同的使用要求。2、成分：P129（二）性能：1、在QT中，由于石墨成球狀，對(duì)基體的割裂作用和應(yīng)力集中大大減輕，故而能充分發(fā)揮基體的作用，其機(jī)械性能為：b 接近于鋼，0.2高于45鋼，熱處理后的塑性可達(dá)=20-25%，但其沖擊韌性低于鋼。2、具有鑄鐵的優(yōu)良性能。3、成本低于

17、鋼。4、易出鑄造缺陷，如縮孔、皮下氣孔等。5、可通過(guò)熱處理進(jìn)一步改善機(jī)械性能。（三）牌號(hào)和用途：1、牌號(hào)：QT400-15 QT450-10 QT500-7 QT600-3 QT700-22、用途：由于QT具有較高的機(jī)械性能，且成本比較低，故在機(jī)器制造業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，成功地代替了不少碳鋼、合金碳和可鍛鑄鐵，用來(lái)制造一些受力復(fù)雜，強(qiáng)度等機(jī)性要求高的零件，如曲軸、連桿等。（四）QT的熱處理球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，對(duì)基體的割裂作用較小，故能充分發(fā)揮基體的作用，發(fā)改變基體組織的熱處理可以大幅度地提高QT的性能。球墨鑄鐵常用的熱處理工藝有如下幾種：1、退火1）消除內(nèi)應(yīng)力退火：QT的鑄造應(yīng)力較

18、大，對(duì)于不再進(jìn)行其它熱處理的QT件，要進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力退火。工藝過(guò)程：加熱到500600，保溫28小時(shí)，緩冷。退火過(guò)程中組織不發(fā)生變化。2）低溫退火：當(dāng)鑄態(tài)組織為F+P時(shí)，為了提高QT的塑性和韌性，必須使P體中的滲碳體分解，而得到單一的鐵素體基體，則需采用低溫退火。工藝過(guò)程：加熱到700760，保溫28小時(shí)，爐冷至600，出爐空冷。最終組織為F+G（球狀）。3）高溫退火：當(dāng)鑄態(tài)組織中具有自由滲碳體時(shí)，為增加其塑性和韌性，則需采用高溫退火。工藝過(guò)程：見(jiàn)圖8-11所示。最終組織為F+G（球狀）。2、正火：其目的是為了得到珠光體基體的QT ，提高強(qiáng)度和耐磨性。正火可分低溫正火和高溫正火兩種。高溫正火工藝：加熱到880920，保溫13小時(shí)，出爐空冷，最終組織是P+G（球狀）。低溫正火工藝：加熱到840880，保溫14小時(shí)，出爐空冷，最終組織是P+F+G（球狀），其強(qiáng)度低于前者，但塑性和韌性較前者好。正火后尚需進(jìn)行去應(yīng)力退火。3、等溫淬火：正火將會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，當(dāng)鑄件形狀復(fù)雜，又需要高的機(jī)械性能時(shí)，正火難以勝任，則采用等溫淬火。工藝過(guò)程：加熱到860900，適當(dāng)保溫后，迅速移至250300的鹽浴中等溫3090分鐘，然后空冷，一般不再