船用铸铁
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汽车的螺旋锥齿轮，拖拉机减速齿 轮．柴油机凸轮轴
下贝氏体
第八节 船用铸铁
应用技术学院航运工程系
球墨铸铁的应用
•
第八节 船用铸铁
应用技术学院航运工程系
（三）球墨铸铁的热处理
1、退火 900℃～950℃、2h～5h 目的在于获得
• 消除铸件白口、降低硬度的退火 灰口铸铁件 表层和薄壁处产生向口组织难以切削加工， 需要退火以降低硬度。退火在共析温度以上 进行，使渗碳体分解成石墨，所以又称高温 退火。
• 表面淬火 有些铸件如机床导轨、缸体内壁等， 因需要提高硬度和耐磨性，可进行表面淬火 处理，如高频表面淬火，火焰表面淬火和激 光加热表面淬火等。淬火后表面硬度可达 50HRC～55HRC。
第八节 船用铸铁
应用技术学院航运工程系
内因---化学成分
磷是促进石墨化的元素。 铸铁中磷含量增加时， 液相线降低，从而提高了铁水的流动性。在铸铁 中，磷含量大于0.3%时，常常形成二元或三元磷 共晶体，其性能硬而脆，降低铸铁的强度，但提 高其耐磨性。所以，要求铸铁有较高强度时，要 限制磷含量（一般在0.12%以下），而耐磨铸铁 则要求有一定的磷含量（可达0.3%以上）。
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2、铸铁的石墨化
铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。 • 石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过 渗碳体分解来获得。灰口铸铁和球墨铸铁中的石 墨主要是从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完 全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得 到。
•
第八节 船用铸铁
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碳当量CE=C%+1/3Si%
第八节 船用铸铁
应用技术学院航运工程系
内因---化学成分
2、 S 是阻碍石墨化的元素。硫强烈促进白口化， 并使铸铁的铸造性能和机械性能恶化。少量硫即 可生成FeS(或MnS)。FeS与铁形成低熔点(约 980℃)共晶体，沿晶界分布。因此限定硫的含量 在0.15%以下。 锰是阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体 中，增强铁、碳原子间的结合力，扩大奥氏体区， 阻止共析转变时的石墨化，促进珠光体基体的形 成。锰还能与硫生成MnS，减少硫的有害作用。 锰含量一般为0.5%～1.4%。
球墨铸铁的成分要求比较严格，有“两高 三低”之说,一般范围是： 3.6%～3.9%C, 2.2%～2.8%Si, 0.6%～0.8%Mn, <0.07%S, <0.1%P。
第八节 船用铸铁
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球墨铸铁的的球化处理
• 一般在浇注之前，在铁液中加入少量球 化剂（通常为镁、稀土镁合金或含铈的 稀土合金）和孕育剂（通常为硅铁）， 使铁水凝固后形成球状石墨。
第八节 船用铸铁
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（二）球墨铸铁的牌号、应用
球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表 示最低抗拉强度极限和延伸率。 如QT420-10、QT600-2、QT800-2
第八节 船用铸铁 球墨铸铁的应用
应用技术学院航运工程系
有时可代替铸钢和可锻铸铁在机械制造工业中 得到了广泛应用。 可以用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件， 如曲轴、连杆、轴等。
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第八节 船用铸铁
第八节 船用铸铁
应用技术学院航运工程系
概述
铸铁是碳含量大于2.11%、并常含有较多的硅、 锰、硫、磷等元素的铁碳合金。 铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，并具 有许多优良的使用性能和工艺性能，所以应用 非常广泛，是工程上最常用的金属材料之一。 它可用于制造各种机器零件，如机床的床身、 床头箱；发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲 轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等。
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（5）灰铸铁的孕育处理
• 经孕育处理（亦称变质处理）后的灰铸铁叫做 孕育铸铁。 • 孕育的目的是：使铁水内同时生成大量均匀分 布的非自发核心，以获得细小均匀的石墨片， 并细化基体组织，提高铸铁强度；避免铸件边 缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的 均匀性。 • 孕育铸铁具有较高的强度和硬度，可用来制造 机械性能要求较高的铸件，如汽缸、曲轴、凸 轮、机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的 铸件。
第八节 船用铸铁
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第八节 船用铸铁
应用技术学院航运工程系
铸铁的分类
按照碳的存在形式，铸铁可分为： • 碳以渗碳体形式存在的，称为白口铸铁； • 碳以石墨形式存在的，称为灰口铸铁； • 碳即以渗碳体形式存在，又有一部分以游 离态石墨存在的，称为麻口铸铁
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第八节 船用铸铁
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外因---冷却速度
• 在生产过程中，铸铁的冷却速度越缓慢，或在高 温下长时间保温，均有利于石墨化。 • 在其它条件一定的情况下，冷却速度与铸件的壁 厚有关，壁厚越大，冷却速度越小，越有利于石 墨化，反之亦然； • 在生产，铸件的表面和薄壁处常形成白口组织， 使切削加工困难，就是由于这个原因造成的。
应用技术学院航运工程系 第八节 船用铸铁 • 在不同条件下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的FeFe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图，即铁碳合金相图 应该是复线相图：Fe-Fe3C相图和Fe－G相图。铁碳 合金究竟按哪种相图变化，决定于加热、冷却条件 或获得的平衡性质（亚稳平衡还是稳定平衡）。
第八节 船用铸铁
铸铁的分类
按照石墨的形态, 铸铁可分为: 石墨呈片状铸铁,称灰铸铁； 石墨呈团絮状的铸铁称可锻铸铁； 石墨呈球状的铸铁称球墨铸铁； 石墨呈蠕虫状的铸铁称蠕墨铸铁。
第八节 船用铸铁
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一、铸铁的石墨化
1、铁碳合金双重相图
• 在铁碳合金中，碳可以以三种形式存 在：一是固溶在F、A中，二是化合物 态的渗碳体(Fe3C)，三是游离态石墨 （G）。渗碳体为亚稳相，具有复杂的 斜方结构。在一定条件下能分解为铁 和石墨（Fe3C→3Fe+C）。 • 石墨为稳定相，具有特殊的简单六方 晶格，其底面原子呈六方网格排列， 原子间距小（1.42×10-10m），结合力 很强；而底面之间的间距较大 （3.04×10-10m），结合力较弱。所以 石墨的强度、硬度和塑性都很差。
第八节 船用铸铁
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• 2、组织
• • • • •
球墨铸铁的组织可分为四种类型：
铁素体(F)+球状石墨(G)， 铁索体(F)-珠光体(P)+球状石墨(G)， 珠光体(P)+球状石墨(G)， 下贝氏体(B下)+球状石墨(G)。 为铁素体球墨铸铁的显微组织。
图6-3 铁素体球墨铸铁显微组织
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影响石墨化的因素
影响铸铁石墨化 的因素可分为内 因和外因两个方 面，内因是化学 成分，外因是冷 却速度。
Fra Baidu bibliotek八节 船用铸铁
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内因---化学成分
分为促进石墨化和阻碍石墨化二类。
1、 C、Si为强烈促进石墨化的元素。 石墨本身就是碳，所以碳含量越高，石墨化越 容易，石墨越多； 硅能减弱碳和铁的亲合力，不利于渗碳体的析 出，从而促进了石墨化； 在铸铁中，1%Si对石墨化的作用相当于1/3%C， 所以有：
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球墨铸铁的的球化处理
• 球墨铸铁的的球化处理必须伴随着孕育处理， 通常是在铁水中同时加入一定量的球化剂和 孕育剂。 • 我国普遍使用稀土镁球化剂。镁是强烈阻碍 石墨化的元素，为了避免白口，并使石墨球 细小、均匀分布、一定要加入孕育剂。常用 的孕育剂为75%硅铁和硅钙合金等。
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三、球墨铸铁
• 球墨铸铁的石墨呈球状，使其具有很高的 强度，又有良好的塑性和韧性。其综合机 械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本 低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的 应用。
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（一）球墨铸铁的成分、组织、性能
1、球墨铸铁的化学成分
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灰铸铁的应用
•
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3、灰铸铁的热处理
热处理不能改变石墨的形态和分布，对提 高灰口铸铁整体机械性能作用不大，因此生 产中主要用来消除铸件内应力、改善切削加 工性能和提高表面耐磨性等。
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• 消除内应力退火（又称人工时效） 一些形状 复杂和尺寸稳定性要求较高的重要铸件，如 机床床身、柴油机汽缸等，为了防止变形和 开裂，须进行消除内应力退火。
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灰铸铁的组织
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（3）灰铸铁的力学性能
灰口铸铁的抗拉强度和塑性都很低，这是石墨对 基体的严重割裂所致。石墨强度、韧性极低，相 当于钢基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效 截面，并引起应力集中。石墨越多，越大，对基 体的割裂作用越严重，其抗拉强度越低 孕育处理可细化石墨片，减轻其对基体的割裂作 用，因而提高铸铁的强度，但塑性无明显改善。
按照Fe－G相图，可将铸铁的石墨化过程分为三 个阶段： 第一阶段石墨化： 铸铁液体结晶出一次石墨 （过共晶铸铁）和在1154℃通过共晶反应形成 共晶石墨。 第二阶段石墨化 ：在1154℃～738℃温度范围 内奥氏体沿E'S'线析出二次石墨。 第三阶段石墨化 ：在738℃通过共析反应析出 共析石墨。
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综述：优良的性能： • ①良好的铸造性能 • ②良好的减震性 • ③较低的缺口敏感性 • ④良好的切削加工性 • ⑤良好的减摩性 • ⑥良好的抗压性能
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2、灰铸铁的牌号
灰铸铁的牌号由HT+三位数字组成： 其中HT是灰铁的汉语拼音缩写；数字代表 铸铁的抗拉强度。 如HT200表示最低抗拉强度为200M Pa的灰 铸铁。 最小的灰铁是HT100，往上以50为间隔递增， 最大为HT350。
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球铁的组织
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3、性能
球墨铸铁是一种具有优良机械性能的 灰口铸铁，球铁的强度和韧性比其他铸铁 高。
不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。珠 光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体高50% 以上，而铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体 基的3-5倍。球墨铸铁还具有较好的疲劳强度。
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（4）灰铸铁的工艺性能
石墨的存在，使铸铁具备某些优良的工艺性能 因石墨的存在，造成脆性切屑，铸铁的切削加 工性能优异。 灰铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨 产生的膨胀，减少了铸件体积的收缩，降低了 铸件中的内应力。 石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使 铸件有很好的耐磨性能。 石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好 的减振性能。 大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。
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球墨铸铁
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基体类型
牌号 QT400-15 QT400-10 QT500-7 QT700-2 QT800-2 QT900-2
用途举例 阀体，汽车、内燃机车零件，机床 零件，减谴器壳 机油泵齿轮，机车、车辆轴瓦
铁素体
铁素体+珠光体 珠光体
柴油机曲轴、凸轮轴．汽缸体、缸 套，活塞环，部分磨床、铣床、 车床的主轴等
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影响石墨化的因素
碳 硅 当 量
7.0
6.0
F+G
5.0
P+G
Fe3C P+F+G
4.0
Fe3C+P
10
20
30 40 铸件壁厚/mm
50
60
70
铸件壁厚(冷却速度）和文学成分对铸铁组织的影响
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二、灰口铸铁
• 1．灰铸铁的化学成分、组织和性能 • （1）化学成分 • 灰铸铁的化学成分一般为：wC=2.5%～ 4．0%， wSi=1.0%～ 2．5%，wMn=O．5%～ 1.4%， wS≤O.15%，wP≤0.3%。 • （2）组织 • 由于石墨化程度的不同，灰铸铁的组织有三种类 型：铁素体(F)+片状石墨(G)；铁素体(F)—珠光 体(P)+片状石墨(G)；珠光体(P)+片状石墨(G)。
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球墨铸铁的应用
•
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（三）球墨铸铁的热处理
1、退火 900℃～950℃、2h～5h 目的在于获得
• 消除铸件白口、降低硬度的退火 灰口铸铁件 表层和薄壁处产生向口组织难以切削加工， 需要退火以降低硬度。退火在共析温度以上 进行，使渗碳体分解成石墨，所以又称高温 退火。
• 表面淬火 有些铸件如机床导轨、缸体内壁等， 因需要提高硬度和耐磨性，可进行表面淬火 处理，如高频表面淬火，火焰表面淬火和激 光加热表面淬火等。淬火后表面硬度可达 50HRC～55HRC。
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内因---化学成分
磷是促进石墨化的元素。 铸铁中磷含量增加时， 液相线降低，从而提高了铁水的流动性。在铸铁 中，磷含量大于0.3%时，常常形成二元或三元磷 共晶体，其性能硬而脆，降低铸铁的强度，但提 高其耐磨性。所以，要求铸铁有较高强度时，要 限制磷含量（一般在0.12%以下），而耐磨铸铁 则要求有一定的磷含量（可达0.3%以上）。
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2、铸铁的石墨化
铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。 • 石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过 渗碳体分解来获得。灰口铸铁和球墨铸铁中的石 墨主要是从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完 全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得 到。
•
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碳当量CE=C%+1/3Si%
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内因---化学成分
2、 S 是阻碍石墨化的元素。硫强烈促进白口化， 并使铸铁的铸造性能和机械性能恶化。少量硫即 可生成FeS(或MnS)。FeS与铁形成低熔点(约 980℃)共晶体，沿晶界分布。因此限定硫的含量 在0.15%以下。 锰是阻碍石墨化的元素，能溶于铁素体和渗碳体 中，增强铁、碳原子间的结合力，扩大奥氏体区， 阻止共析转变时的石墨化，促进珠光体基体的形 成。锰还能与硫生成MnS，减少硫的有害作用。 锰含量一般为0.5%～1.4%。
球墨铸铁的成分要求比较严格，有“两高 三低”之说,一般范围是： 3.6%～3.9%C, 2.2%～2.8%Si, 0.6%～0.8%Mn, <0.07%S, <0.1%P。
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球墨铸铁的的球化处理
• 一般在浇注之前，在铁液中加入少量球 化剂（通常为镁、稀土镁合金或含铈的 稀土合金）和孕育剂（通常为硅铁）， 使铁水凝固后形成球状石墨。
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（二）球墨铸铁的牌号、应用
球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表 示最低抗拉强度极限和延伸率。 如QT420-10、QT600-2、QT800-2
第八节 船用铸铁 球墨铸铁的应用
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有时可代替铸钢和可锻铸铁在机械制造工业中 得到了广泛应用。 可以用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件， 如曲轴、连杆、轴等。
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第八节 船用铸铁
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概述
铸铁是碳含量大于2.11%、并常含有较多的硅、 锰、硫、磷等元素的铁碳合金。 铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，并具 有许多优良的使用性能和工艺性能，所以应用 非常广泛，是工程上最常用的金属材料之一。 它可用于制造各种机器零件，如机床的床身、 床头箱；发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲 轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等。
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（5）灰铸铁的孕育处理
• 经孕育处理（亦称变质处理）后的灰铸铁叫做 孕育铸铁。 • 孕育的目的是：使铁水内同时生成大量均匀分 布的非自发核心，以获得细小均匀的石墨片， 并细化基体组织，提高铸铁强度；避免铸件边 缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的 均匀性。 • 孕育铸铁具有较高的强度和硬度，可用来制造 机械性能要求较高的铸件，如汽缸、曲轴、凸 轮、机床床身等，尤其是截面尺寸变化较大的 铸件。
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铸铁的分类
按照碳的存在形式，铸铁可分为： • 碳以渗碳体形式存在的，称为白口铸铁； • 碳以石墨形式存在的，称为灰口铸铁； • 碳即以渗碳体形式存在，又有一部分以游 离态石墨存在的，称为麻口铸铁
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第八节 船用铸铁
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外因---冷却速度
• 在生产过程中，铸铁的冷却速度越缓慢，或在高 温下长时间保温，均有利于石墨化。 • 在其它条件一定的情况下，冷却速度与铸件的壁 厚有关，壁厚越大，冷却速度越小，越有利于石 墨化，反之亦然； • 在生产，铸件的表面和薄壁处常形成白口组织， 使切削加工困难，就是由于这个原因造成的。
应用技术学院航运工程系 第八节 船用铸铁 • 在不同条件下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的FeFe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图，即铁碳合金相图 应该是复线相图：Fe-Fe3C相图和Fe－G相图。铁碳 合金究竟按哪种相图变化，决定于加热、冷却条件 或获得的平衡性质（亚稳平衡还是稳定平衡）。
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铸铁的分类
按照石墨的形态, 铸铁可分为: 石墨呈片状铸铁,称灰铸铁； 石墨呈团絮状的铸铁称可锻铸铁； 石墨呈球状的铸铁称球墨铸铁； 石墨呈蠕虫状的铸铁称蠕墨铸铁。
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一、铸铁的石墨化
1、铁碳合金双重相图
• 在铁碳合金中，碳可以以三种形式存 在：一是固溶在F、A中，二是化合物 态的渗碳体(Fe3C)，三是游离态石墨 （G）。渗碳体为亚稳相，具有复杂的 斜方结构。在一定条件下能分解为铁 和石墨（Fe3C→3Fe+C）。 • 石墨为稳定相，具有特殊的简单六方 晶格，其底面原子呈六方网格排列， 原子间距小（1.42×10-10m），结合力 很强；而底面之间的间距较大 （3.04×10-10m），结合力较弱。所以 石墨的强度、硬度和塑性都很差。
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• 2、组织
• • • • •
球墨铸铁的组织可分为四种类型：
铁素体(F)+球状石墨(G)， 铁索体(F)-珠光体(P)+球状石墨(G)， 珠光体(P)+球状石墨(G)， 下贝氏体(B下)+球状石墨(G)。 为铁素体球墨铸铁的显微组织。
图6-3 铁素体球墨铸铁显微组织
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影响石墨化的因素
影响铸铁石墨化 的因素可分为内 因和外因两个方 面，内因是化学 成分，外因是冷 却速度。
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内因---化学成分
分为促进石墨化和阻碍石墨化二类。
1、 C、Si为强烈促进石墨化的元素。 石墨本身就是碳，所以碳含量越高，石墨化越 容易，石墨越多； 硅能减弱碳和铁的亲合力，不利于渗碳体的析 出，从而促进了石墨化； 在铸铁中，1%Si对石墨化的作用相当于1/3%C， 所以有：
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球墨铸铁的的球化处理
• 球墨铸铁的的球化处理必须伴随着孕育处理， 通常是在铁水中同时加入一定量的球化剂和 孕育剂。 • 我国普遍使用稀土镁球化剂。镁是强烈阻碍 石墨化的元素，为了避免白口，并使石墨球 细小、均匀分布、一定要加入孕育剂。常用 的孕育剂为75%硅铁和硅钙合金等。
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三、球墨铸铁
• 球墨铸铁的石墨呈球状，使其具有很高的 强度，又有良好的塑性和韧性。其综合机 械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本 低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的 应用。
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1、球墨铸铁的化学成分
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灰铸铁的应用
•
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3、灰铸铁的热处理
热处理不能改变石墨的形态和分布，对提 高灰口铸铁整体机械性能作用不大，因此生 产中主要用来消除铸件内应力、改善切削加 工性能和提高表面耐磨性等。
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• 消除内应力退火（又称人工时效） 一些形状 复杂和尺寸稳定性要求较高的重要铸件，如 机床床身、柴油机汽缸等，为了防止变形和 开裂，须进行消除内应力退火。
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灰铸铁的组织
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（3）灰铸铁的力学性能
灰口铸铁的抗拉强度和塑性都很低，这是石墨对 基体的严重割裂所致。石墨强度、韧性极低，相 当于钢基体上的裂纹或空洞，它减小基体的有效 截面，并引起应力集中。石墨越多，越大，对基 体的割裂作用越严重，其抗拉强度越低 孕育处理可细化石墨片，减轻其对基体的割裂作 用，因而提高铸铁的强度，但塑性无明显改善。
按照Fe－G相图，可将铸铁的石墨化过程分为三 个阶段： 第一阶段石墨化： 铸铁液体结晶出一次石墨 （过共晶铸铁）和在1154℃通过共晶反应形成 共晶石墨。 第二阶段石墨化 ：在1154℃～738℃温度范围 内奥氏体沿E'S'线析出二次石墨。 第三阶段石墨化 ：在738℃通过共析反应析出 共析石墨。
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综述：优良的性能： • ①良好的铸造性能 • ②良好的减震性 • ③较低的缺口敏感性 • ④良好的切削加工性 • ⑤良好的减摩性 • ⑥良好的抗压性能
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2、灰铸铁的牌号
灰铸铁的牌号由HT+三位数字组成： 其中HT是灰铁的汉语拼音缩写；数字代表 铸铁的抗拉强度。 如HT200表示最低抗拉强度为200M Pa的灰 铸铁。 最小的灰铁是HT100，往上以50为间隔递增， 最大为HT350。
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球铁的组织
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3、性能
球墨铸铁是一种具有优良机械性能的 灰口铸铁，球铁的强度和韧性比其他铸铁 高。
不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。珠 光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体高50% 以上，而铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体 基的3-5倍。球墨铸铁还具有较好的疲劳强度。
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（4）灰铸铁的工艺性能
石墨的存在，使铸铁具备某些优良的工艺性能 因石墨的存在，造成脆性切屑，铸铁的切削加 工性能优异。 灰铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨 产生的膨胀，减少了铸件体积的收缩，降低了 铸件中的内应力。 石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使 铸件有很好的耐磨性能。 石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好 的减振性能。 大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。
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球墨铸铁
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基体类型
牌号 QT400-15 QT400-10 QT500-7 QT700-2 QT800-2 QT900-2
用途举例 阀体，汽车、内燃机车零件，机床 零件，减谴器壳 机油泵齿轮，机车、车辆轴瓦
铁素体
铁素体+珠光体 珠光体
柴油机曲轴、凸轮轴．汽缸体、缸 套，活塞环，部分磨床、铣床、 车床的主轴等
第八节 船用铸铁
应用技术学院航运工程系
影响石墨化的因素
碳 硅 当 量
7.0
6.0
F+G
5.0
P+G
Fe3C P+F+G
4.0
Fe3C+P
10
20
30 40 铸件壁厚/mm
50
60
70
铸件壁厚(冷却速度）和文学成分对铸铁组织的影响
第八节 船用铸铁
应用技术学院航运工程系
二、灰口铸铁
• 1．灰铸铁的化学成分、组织和性能 • （1）化学成分 • 灰铸铁的化学成分一般为：wC=2.5%～ 4．0%， wSi=1.0%～ 2．5%，wMn=O．5%～ 1.4%， wS≤O.15%，wP≤0.3%。 • （2）组织 • 由于石墨化程度的不同，灰铸铁的组织有三种类 型：铁素体(F)+片状石墨(G)；铁素体(F)—珠光 体(P)+片状石墨(G)；珠光体(P)+片状石墨(G)。