材料科学与工程基础_铸铁

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1、第九章　铸铁CastIron铸铁是历史上使用得较早的材料，也是最便宜的金属材料之一，同时它具有很多优点。比如，在汽车发动机中，铸铁占80%。同钢一样，铸铁也是Fe、C元素为主的铁基材料，但是它含碳量很高（碳含量大于2.11％），达到亚共晶、共晶或过共晶成分，而且铸铁成型制成零件毛坯只能用铸造方法，不能用锻造或轧制方法。铸铁中碳元素按主要存在方式不同可分为两大类：一是白口铸铸铁（断口呈现白色），碳的主要存在形式是化合物，如渗碳体，没有石墨；另一是灰口铸铁（断口呈现黑灰色），碳的主要存在形式是碳的单质

2、，即游离状态石墨。介于白口铸铁与灰口铸铁之间为麻口铸铁，其中的碳既有游离石墨又有渗碳体。第一节铸铁的石墨化GraphitizationofCastIron一、Fe-Fe3C和Fe-C双重相图在前面介绍过Fe-Fe3C相图，按这张相图自液态冷却下来的Fe-C合金固态一般为铁素体及渗碳体两相。实际上渗碳体只是一个亚稳定相，石墨才是稳定相。因此描述铁碳合金组织转变的相图实际上有两个，一个是Fe-Fe3C系相图，另一个是Fe-C系相图。把两者迭合在一起，就得到一个双重相图，Fe1234566.69C/%F

3、e-Fe3C和Fe-C双重相图140012001000800600400200温度℃CEFDBAJNSGPKQγ＋δγL＋δδL＋γγ＋αγ＋Fe3Cα＋Fe3CαHC′E′F′S′P′K′D′二、铸铁的石墨化过程按Fe-C相图铸铁液冷却过程中，碳溶解于铁素体外均以石墨形成析出。石墨形成（或石墨化）分为如下两个阶段：第一阶段：包括自低于液相线CD以下温度冷却自液体中析出“一次石墨”，低于共晶线ECF（温度1154℃）共晶成分（C点含4.26％C），液体转变为奥氏体与共晶石墨组成的共晶组

4、织；以及低于共晶温度ECF以下冷却沿ES线从奥氏体中析出“二次石墨”。第二阶段：略低于共析温度（738℃）的PSK线以下，共析成分（S点，含0.68%C）奥氏体转变为由铁素体与石墨组成的共析组织。名称石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段灰口铸铁完全石墨化完全石墨化铁素体＋石墨完全石墨化部分石墨化铁素体＋珠光体＋石墨完全石墨化未石墨化珠光体＋石墨麻口铸铁部分石墨化未石墨化莱氏体＋珠光体＋石墨白口铸铁未石墨化未石墨化莱氏体＋珠光体＋渗碳体三、影响石墨化程度的主要因素由于铁的晶体结构与石

5、墨的晶体结构差异很大，而铁与渗碳体的晶体结构要接近一些，所以普通铸铁在一般铸造条件下只能得到白口铸铁，而不易获得灰口铸铁。因此，必须通过添加合金元素和改善铸造工艺等手段来促进铸铁石墨化，形成灰口铸铁。化学成分的影响碳、硅、锰、硫、磷对石墨化有不同影响。其中碳、硅、磷是促进石墨化的元素，锰和硫是阻碍石墨化的元素。温度及冷却速度的影响铸铁中碳石墨化过程除受化学成分的影响外，还受铸造过程中铸件冷却速度影响。当冷却速度较快时，由液态析出的是渗碳体而不是石墨。一般铸件冷却速度越慢，石墨化进行愈充分。冷却速度

6、快，碳原子很难扩散，石墨化进行困难。第二节常用铸铁UsualCastIron铸铁中的石墨形态、尺寸以及分布状况对性能影响很大。铸铁中石墨状况主要受铸铁的化学成分及工艺过程的影响。通常，铸铁中石墨形态（片状或球状）在铸造后即形成；也可将白口铸铁通过退火，让其中部分或全部的碳化物转化为团絮状形态的石墨。工业上使用的铸铁很多，按石墨的形态和组织性能，可分为普通灰口铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和特殊性能铸铁等。一、灰口铸铁灰口铸铁是价格最便宜、应用最广泛的一种铸铁，在各类铸铁的总产量中，灰口铸铁占8

7、0%以上。25μ铁素体基灰口铸铁的显微组织灰口铸铁的化学成分和组织特征在生产中，为浇注出合格的灰铸铁件，一般应根据所生产的铸铁牌号、铸铁壁厚、造型材料等因素来调节铸铁的化学成分，这是控制铸铁组织的基本方法。灰口铸铁的成分大致范围为：2.5～4.0%C，1.0～3.0%Si，0.25～1.0%Mn，0.02～0.20%S，0.05～0.50%P。具有上述成分范围的液体铁水在进行缓慢冷却凝固时，将发生石墨化，析出片状石墨。其断口的外貌呈浅烟灰色，所以称为灰口铸铁。普通灰口铸铁的组织是由片状石墨和钢的基

8、体两部分组成的。根据不同阶段石墨化程度的不同，灰口铸铁有三种不同的基体组织：铁素体基、珠光体基、铁素体＋珠光体基。灰口铸铁的牌号、性能及用途灰口铸铁灰口铸铁的牌号以“HT+数字”的方式表示。灰口铸铁的性能与普通碳钢相比，具有如下特点：（1）力学性能低，其抗拉强度和塑性韧性都远远低于钢。但是，灰口铸铁在受压时石墨片破坏基体连续性的影响则大为减轻，其抗压强度是抗拉强度的2.5～4倍。所以常用灰口铸铁制造机床床身、底座等耐压零部件。（2）耐磨性与消震性好。由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，