机械工程材料 教学课件 作者 罗中平 主编10 第六章 铸铁.ppt

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1、第六章铸铁铸铁是碳质量分数大于2.11％的铁碳合金。主要由铁、碳、硅、锰、硫、磷以及其他微量元素组成。铸铁具有优良的铸造性、切削加工性、减摩性、吸震性和低的缺口敏感性，加之其熔炼铸造工艺简单，价格低廉，所以铸铁是机械制造业中最重要的材料之一。例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都是由铸铁制造的。1/17第一节概述一、铸铁的石墨化过程1.Fe-Fe3C和Fe-G双重相图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。石墨是碳的单质态之一，其强度、塑性和韧性都几乎为零。渗碳体是亚稳相，在一定条件下将发生分解：Fe3C→

2、3Fe+C，形成游离态石墨。因此，铁碳合金实际上存在两个相图，即Fe-Fe3C相图和Fe-G相图，这两个相图几乎重合。只是E、C、S点的成分和温度稍有变化，如图6-1所示，图中的虚线为Fe-G系相图。根据条件不同，铁碳合金可全部或部分按其中一种相图结晶。2/172．铸铁的石墨化过程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。铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。铸铁的石墨化过程分为两个阶段，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

3、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相同，见表6-1。本章所介绍的铸铁，即工业上主要使用的铸铁，是第一阶段石墨化完全进行的灰口铸铁。3/173．影响石墨化的因素研究表明，铸铁的化学成分和结晶时的冷却速度是影响石墨化的主要因素。(1)化学成分的影响铸铁中的碳和硅是强烈促进石墨化的元素，3％的硅相当于1％碳的作用。碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差；碳、硅含量过高，会使石墨数量多且粗大，基体内铁素体量增多，降低铸件的性能和质量。因此，铸铁中的碳、硅含量一般控制在：2.5-4.0％C，1

4、.0％-3.0％Si。磷虽然可促进石墨化，但其含量高时易在晶界上形成硬而脆的磷共晶，降低铸铁的强度，只有耐磨铸铁中磷含量偏高(达0.3％以上)。此外，铝、铜、镍、钴等元素对石墨化也有促进作用，而硫、锰、铬、钨、钼、钒等元素则阻碍石墨化。(2)冷却速度的影响铸件冷却速度缓慢，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，而快冷时由于过冷度大，结晶将按Fe-Fe3C相图进行，不利于石墨化。4/17二、铸铁的特点及分类1．铸铁的组织特点铸铁的组织是由基体和石墨组成的，基体组织有3种，即铁素体、珠光体和铁素体加珠光体，可见铸铁的基体组织是钢的组织，因此铸铁的组织实际上是在钢

5、的基体上分布着不同形态石墨的组织。2.铸铁的性能特点(1)力学性能由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，减少有效承载截面，且易导致应力集中，因而其强度、塑性及韧性低于碳钢。(2)耐磨性能好这是由于石墨本身有润滑作用。此外，石墨脱落后留下的空洞还可以贮油。(3)消振性能好这是由于石墨可以吸收振动能量。(4)铸造性能好这是由于铸铁中硅含量高且成分接近于共晶成分，因而流动性、填充性好。(5)切削性能好由于石墨的存在使车屑容易脆断，不粘刀。5/173．铸铁的分类与牌号表示方法铸铁是根据石墨的形态进行分类的。铸铁中石墨的形态有片状、团絮状、球状和蠕虫状4种，其所对应的铸铁分别为

6、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。表6-2为各类铸铁的石墨形态、基体组织和牌号表示方法。6/17第二节常用铸铁一、灰铸铁灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。灰铸铁价格便宜，应用广泛，其产量约占铸铁总产量的80％以上。1．灰口铸铁的化学成分、组织与性能灰口铸铁的成分范围是2.7％-3.6％C,1.0％-2.2％Si、0.5％-1.3％Mn、＜0.3％P、≤0.15％S,其中C、Si、Mn是调节组织的元素，P是控制使用的元素，S是应限制的元素。究竟选用何种成分，应根据铸件基体组织及尺寸大小来决定。灰口铸铁的第一、二阶段石墨化过程均应充分进行，其组织类型主要取决于第三阶段的石墨化程度。根

7、据第三阶段石墨化程度的不同，可分别获得如下三种不同基体组织的灰口铸铁。7/17灰口铸铁的抗拉强度、塑性及韧性均比同基体的钢低。这是由于石墨的强度、塑性、韧性极低，它的存在不仅割裂了金属基体的连续性，缩小了承受载荷的有效面积，而且在石墨片的尖端处导致应力集中，使铸铁发生过早的断裂。随着石墨片的数量、尺寸、分布不均匀性的增加，灰口铸铁的抗拉强度、塑性、韧性进一步降低。灰口铸铁的硬度和抗压强度取决于基体组织，石墨对其影响不大。因此，灰口铸铁的硬度和抗