第八章铸铁

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1、第八章第八章 铸铸 铁铁第一节 铸铁概述 铸铁是指碳的质量分数在2.11%以上的铁碳合金。工业上常用的铸铁，其碳的质量分数一般在2.5%4.0%范围内，它是以铁、碳、硅为主要组成元素并含有较多锰、硫、磷等杂质元素的多元合金。有时为了提高铸铁的使用性能，还可以在铸铁中加入一些合金元素，从而形成合金铸铁。 铸铁同钢相比，强度、塑性及韧性较低，不能采用压力加工的方法成形。但是，铸铁具有良好的铸造性能、减摩性能、减振性能、切削加工性能及较低的缺口敏感性，而且生产工艺简单，成本低廉，经合金化后还可具有良好的耐热性能和耐腐蚀性能等，所以在生产中获得了广泛的应用。 一、铸铁的种类一、铸铁的种类 铸铁的种类很

2、多，根据碳在铸铁中的存在形式及石墨的形态不同，可分为以下几种： （1）白口铸铁 碳主要以渗碳体的形式存在，其断口呈银白色，所以称为白口铸铁。这类铸铁的性能硬而脆，切削加工困难，很少直接用于制造机器零件。 （2）灰铸铁 碳主要以片状石墨的形式存在，其断口呈灰色，所以称为灰铸铁。这类铸铁是目前生产中应用最广泛的铸铁。 （3）可锻铸铁 碳主要以团絮状石墨的形式存在，因其韧性较高，故称为可锻铸铁。 （4）球墨铸铁 碳主要以球状石墨的形式存在，这类铸铁的力学性能最好。 （5）蠕墨铸铁 碳主要以蠕虫状石墨的形式存在，石墨形态介于片状和球状之间。 （6）麻口铸铁 碳一部分以渗碳体的形式存在，一部分以石墨的形

3、式存在，其断口呈灰白色相间，所以称为麻口铸铁，这类铸铁脆性较大，工业上很少使用。 二、铸铁的石墨化过程二、铸铁的石墨化过程 碳在铸铁中的存在形式有渗碳体和石墨两种。石墨用符号G表示，其晶格类型为简单六方晶格，如图81所示。原子呈层状排列，同 一 层 的 原 子 间 距 较 小 ， 为0.142nm，结合力较强；层与层之间的原子间距较大，为0.340nm，结合力较弱，容易滑移，因此，石墨的强度、塑性、韧性极低，几乎为零，硬度仅为3HBS。由于石墨中碳原子是依靠弱的金属键结合的，所以石墨具有不太明显的金属特性，如弱的导电性。 由于渗碳体在高温下可以发生分解，即： Fe3C 3Fe+G因此，石墨是稳

4、定相，而渗碳体是亚稳定相。前述FeFe3C相图只说明了亚稳定相渗碳体的析出规律，要说明稳定相石墨的析出规律，必须使用FeG相图。为了便于比较和应用，通常将这两个相图画在一起，称为铁碳双重相图，如图82所示。图中实线表示FeFe3C相图，虚线表示FeG相图，凡虚线与实线重合的相界线都用实线表示，说明这些相界线与渗碳体或石墨的存在状态无关。 铸铁组织中石墨的形成过程称为石墨化。铸铁的石墨化有两种方式：一种是液态铁碳合金按FeG相图进行结晶，从液态和固态中直接获得石墨；另一种是液态铁碳合金按FeFe3C相图进行结晶，随后Fe3C在一定条件下发生分解而获得石墨。铸铁的石墨化过程可以分为高温、中温和低温

5、三个阶段。高温石墨化阶段是指在共晶温度以上结晶出一次石墨G和共晶转变时结晶出共晶石墨G共晶的阶段；中温石墨化阶段是指在共晶温度至共析温度范围内，从奥氏体中析出二次石墨G的阶段；低温石墨化阶段是指在共析温度发生共析转变时析出共析石墨G共析的阶段。 三、影响石墨化的因素三、影响石墨化的因素 1化学成分 碳和硅是强烈促进石墨化的元素，铸铁中碳和硅的质量分数越大，石墨化过程越容易充分进行。硫是强烈阻止石墨化的元素，它不仅阻止石墨的形成，而且还会降低铁液的流动性和铸铁的力学性能。锰是阻止石墨化的元素，但锰能消除硫的有害作用，间接促进石墨化。磷是弱的促进石墨化的元素，它能提高铁液的流动性，但会增加铸铁的脆

6、性，使铸铁在冷却过程中容易产生开裂，一般磷的质量分数应严格控制。 2冷却速度 冷却速度是影响石墨化过程的工艺因素。若冷却速度快，碳原子来不及充分扩散，石墨化过程难以充分进行，容易产生白口铸铁组织；若冷却速度慢，碳原子有时间充分扩散，有利于石墨化过程充分进行，容易获得灰铸铁组织。 化学成分和铸件壁厚对石墨化过程的影响如图83所示。可以看出，当碳和硅的质量分数高时，薄壁铸件也能获得灰铸铁组织；当铸件的壁厚足够大时，碳和硅的质量分数低也能获得灰铸铁组织。第二节 灰铸铁 灰铸铁是应用最广、价格最便宜的一种结构材料，在各类铸铁的总产量中灰铸铁占80%以上。 一、灰铸铁的成分、组织和性能一、灰铸铁的成分、

7、组织和性能 1灰铸铁的化学成分 灰铸铁的化学成分范围一般是：wC=2.6%3.5%，wS i=1.0%2.2%，wMn=0.5%1.3%，wS0.15%, wP0.3%。 2灰铸铁的显微组织 灰铸铁是在高温阶段和中温阶段石墨化能够充分进行的情况下形成的，它的显微组织特征是片状石墨分布在各种基体组织上，如图84所示。 3灰铸铁的性能 灰铸铁与钢相比含有较多的硅、锰等元素，这些元素可溶入铁素体中使基体强化，因此，灰铸铁基体的强度、硬度较高。但因片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零，故片状石墨存在的地方可近似看成是微裂纹或孔洞，它不仅割断了基体的连续性，减小了承载面积，而且在石墨片尖端处形成应力集中，

8、使铸铁形成脆性断裂，所以灰铸铁的强度、塑性和韧性比相应基体的钢低得多。片状石墨的数量越多，尺寸越粗大，分布越不均匀，对基体的割裂作用和应力集中现象越严重，灰铸铁的强度、塑性和韧性越低。 由于片状石墨对灰铸铁的硬度和抗压强度影响不大，所以灰铸铁广泛用于制造受压零件，如床身、机架、箱体等。 片状石墨对灰铸铁也会产生有益影响。例如灰铸铁具有良好的减摩性能、减振性能、切削加工性能和较低的缺口敏感性，另外，灰铸铁具有良好的铸造性能，特别适于铸造成形。 二、灰铸铁的孕育处理二、灰铸铁的孕育处理 为了提高灰铸铁的力学性能，可以适当降低其碳、硅的质量分数，控制石墨化进行的程度，保证获得以珠光体为基体的组织。但

9、这样会增加形成白口铸铁组织的倾向，为此，在浇注前向铁液中加入少量孕育剂进行孕育处理，改善铁液的结晶条件，从而获得在细珠光体基体上分布均匀、细小片状石墨的组织。经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁。 生产上常用的孕育剂是硅的质量分数为75%的硅铁合金或硅钙合金，这些孕育剂或它们的氧化物在铁液中形成大量的、高度弥散的难熔质点，悬浮在铁液中成为石墨的结晶核心，使石墨细化并分布均匀，从而提高了铸铁的力学性能。 孕育铸铁不仅力学性能较高，而且断面敏感性较小，因此，孕育铸铁常用于制造力学性能要求较高，截面尺寸变化较大的大型铸件。 三、灰铸铁的牌号及应用三、灰铸铁的牌号及应用 灰铸铁的牌号、力学性能及用途举例见表

10、81。其中HT为“灰铁”二字汉语拼音的字首，后面三位数字为该铸铁的最小抗拉强度值。表表81 81 灰铸铁的牌号、力学性能及用途灰铸铁的牌号、力学性能及用途牌号铸铁类别最小抗拉强度/MPa用 途 举 例HT100铁素体灰铸铁100适用于低载荷及不重要的零件，如外罩、盖、手把、手轮、支架、外壳等HT150珠光体+铁素体灰铸铁150适用于承受中等载荷的零件，如底座、工作台、齿轮箱、机床支柱等HT200珠光体灰铸体200适用于承受较大载荷及较重要的零件，如机床床身、汽缸体、联轴器、齿轮、飞轮、活塞、液压缸等HT250250HT300孕育铸铁300适用于承受大载荷的重要零件，如齿轮、凸轮、高压油缸、床身

11、、泵体、大型发动机曲轴、车床卡盘等HT350350 四、灰铸铁的热处理四、灰铸铁的热处理 热处理只能改变铸铁的基体组织，不能改变石墨的形状、大小和分布情况。与钢相比，铸铁的热处理存在以下特点：铸铁中的硅有提高共析转变温度和降低临界冷却速度的作用，因此，铸铁在淬火时，加热温度应适当提高，但淬火冷却速度可以相应减慢；铸铁在热处理时，当基体组织完全奥氏体化后，继续升高温度或延长保温时间，奥氏体中碳的质量分数将因石墨的溶入而不断提高，通过控制加热温度和保温时间，可调整奥氏体中碳的质量分数，以改变铸铁在热处理后的基体组织和性能；由于实际生产条件不同，铸铁在冷却过程中的结晶方式不同，石墨化程度不同，因此，