常用铸造合金及其熔炼

≤0.3
≤0.15
12
铸铁的分类
根据C铸铁中存在形式的不同：
白口铸铁：Fe3C
铸铁
麻口铸铁：Fe3C+G 灰口铸铁：G
白口铸铁： 碳全部以Fe3C的形式存在，断口呈银色。
由于白口铸铁具有良好的耐磨性，所以有时也用来制造一些耐 磨件，如轧辊、粉碎机锤头、衬板、球磨机磨球和犁铧等。
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灰口铸铁： —碳大部或全部以石墨形式存在，断口呈暗灰色。 根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：
特殊镇静钢
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镇静钢： 浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上 部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这 节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收缩率低， 但组织致密，偏析小，质量均匀。 镇静钢的缺点是有集中缩孔，成材率低，价格较高。 镇静钢材主要用于低温下承受冲击的构件、焊接 结构及其他要求强度较高的构件。
L’d+P+G+Fe3C
显微组织
L’d+P+Fe3C L’d L’d+Fe3C
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Fe -C合金结晶过程中为什么一般形成Fe -Fe3C 而不是Fe - G ？ 从热力学上，G比Fe3C要稳定； 从动力学上，渗碳体的成分与铁液更接近， Fe的排列与A也有相似之处。 因而， A 中析出渗碳体较易形核，而 G 的晶体 结构与A相差较大，不易从A中形核和长大。 铁碳合金中， C以何种形式存在取决于化学成 分和冷却速度。 26
一、炼铁
在高炉中进行: 铁矿石+焦碳+石灰石 炉料 →高炉
预热900～1200℃ → 焦碳燃烧，产生CO → 加热炉料， 发生反应
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①还原反应: ②造渣反应:
C、CO将FeO中氧分离→还原Fe CaO+SiO2=CaSiO3（炉渣）
③渗碳反应: Fe吸收焦碳中C→含C高，熔点低的生铁水
炼钢生铁——用于炼钢（大多数） 铸造生铁——熔炼铸钢（少量）
铸造性好
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灰铸铁的显微组织对比
F+G
P+G
F+P+G
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灰铸铁性能特征：
①机械性能——抗拉强度、弹性模量较低MPa 塑性、韧性近于零→脆性材料 但抗压强度与钢相近（600 ～ 800MPa） 石墨愈多、愈粗大——机械性能愈差
②工艺性能——脆性材料，不能锻造和冲压，可焊性较差，
但铸造性能优良，切削加工性能好（崩碎切屑） ③减震性——减震能力为钢的5～10倍 → 机床床身、机座 ④耐磨性——石墨润滑作用，比钢好→导轨、衬套，活塞环等 ⑤缺口敏感性——低，疲劳强度影响小。
0.340nm
0.142nm
容易形成片状石墨
石墨的晶体结构
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力学性能
Fe3C 硬而脆, 硬度800HB，能轻易划破玻璃， 塑性几乎为零。 G 抗拉强度约为20MPa 、 伸长率和韧性几乎为零， 硬度仅为3HB。 分布于基体上的石墨可视为空洞或裂纹.
铸铁的力学性能主要取决于基体组织及石墨的数量、 形状、大小和分布。
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2）硫
硫是强烈阻碍石墨化元素。 硫量高易促使碳以Fe3C 白口组织；
硫量高
热脆性；↑
使铸铁铸造性能恶化（如降低流动性，增大收率）。
所以：硫含量限制在 0.1 - 0.15%以下，高强度铸铁则应更低。
3）锰
锰是弱阻碍石墨化元素，具有稳定珠光体，提 高铸铁强度和硬度的作用。 MnS
一般控制在 0.6~1.2% 之间
L+Fe3C
I

G
+ S’ 0.68
+ Fe3C A+G
738℃ F+G

Q
P S
K
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+ Fe3C
第一阶段石 墨化
A N
H
J
B
L
L+
E’ 2.08 1154℃ E C C’ 4.26 A+G 738℃ F+G L+G
第二 阶段 D石墨 化 F
G
S’ 0.68
P S
Q
K
第三阶段石 墨化
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铸铁的性能特点
⑴ 力学性能低。
G → 分布于基体中 → 空洞、裂纹→ 有效承载面积降低 、 受力时石墨尖端处产生应力集中→ 力学性比碳钢↓
⑵ 耐磨性能好。 石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油。 ⑶ 消振性能好。石墨可以吸收振动能量，对振动的传递起削
弱作用。
⑷ 铸造性能好。 铸铁的成分接近共晶成分，因此铸铁的熔点
影响石墨化的主要因素：
成分
促进石墨化元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co等） 阻碍石墨化元素（Cr、W、Mo、V、Mn、S等）
工艺
(1) 冷却速度： 快速冷却——按 Fe-Fe3C相图转变 缓慢冷却——按 Fe－G 相图转变，石墨化充分 (2) 温度：高温长时间保温有利于石墨化
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影响石墨化程度的主要因素
组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口之间的过渡 组织，因断口处有黑白相间的麻点，故而得名。
根据铸铁的化学成分，铸铁分为： 普通铸铁
合金铸铁——含Si>4%、Mn>2%，或Ti，V，
Mo， Cr, Cu等
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铸铁中的石墨化过程
石墨组织的形成，称为铸铁的石墨化过程。 铁碳合金中，C的存在方式有两种： Fe3C 和 G（graphite） Fe3C是一种亚稳定相，G是一种稳定的相。
钢 （ 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 %）
白口铸铁
（2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 %）
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第二节 工业中常用的铸造合金及其熔炼
铸铁 是以Fe、C元素为主的铁基材料，其含碳量 Wc >2.11%。 铸铁成形只能用铸造方法，不能用锻或轧制方法。 与钢相比，铸铁的强度低、塑性、韧性差，但具 有优良的铸造和切削加工性能。 按碳元素在铸铁中存在的方式不同，可将铸铁分 为白口铸铁、麻口铸铁和灰口铸铁。 根据石墨形状的不同，灰口铸铁又可分为灰铸铁、 可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。
铸铁的石墨化过程
共晶石墨
第一阶段(液态阶段) ： LC’ 1154℃ AE'+G 1200 A 第二阶段： 1000 G 912℃ 1154 ～ 738 ℃ F+A S' A G 800 P' F P S 二次石墨 • 第三阶段： 600 Q 400 AS‘ 738℃ FP'+G Fe
温度/ ℃
在实际生产中，一般是根据铸件的壁厚（主要部位的壁厚）， 选择适当的化学成分（主要指碳、硅），以获得所需要的组 织。
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1. 灰铸铁
（1） 石墨对灰铸铁性能的影响
石墨的结晶特点
在简单六方晶体中 , 碳 原子是分层排列 同一层上的原子间距小 (0.142nm),结合力强 层 间 原 子 间 距 大 (0.340nm)结合力弱
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半镇静钢：为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸
腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸
腾钢弱。 半镇静钢钢锭的结构与沸腾钢钢锭相似，而性能 却与镇静钢钢锭相近，成分偏析小，综合机械性 能好。
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第二节 工业中常用的铸造合金及其熔炼
Fe-C 合金分类
工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 % 亚共析钢 ＜ 0.77 % 共析钢 ＝ 0.77 % 过共析钢 ＞ 0.77 % 亚共晶白口铁 ＜ 4.3 % 共晶白口铁 ＝ 4.3 % 过共晶白口铁 ＞ 4.3 %
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第二节 工业中常用的铸造合金及其熔炼
一、铸铁及其熔炼
铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金，铸造合金中 应用最广。铸铁是以铁、碳和硅为主要元素 的多元合金。常用成分范围见下表。
铸铁的常用成分范围
组元 wC wSi wMn wP wS wFe 其余
成分（%） 2.4~4.0 0.6~3.0
0.4~1.2
Fe3C →3 Fe +C（高温）
由于条件的不同 ，铁碳合金存在两种相图 ： Fe -Fe3C 亚稳系状态图 ，Fe - G 稳定系状态图
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铁－碳双重相图
为了便于比较，习惯上把两个相图画在一起。此种合二为一 的相图称铁－碳双重相图
A N
H L+
J
+
B
L
L+
E’ 2.08 1154℃ E C C’ 4.26 L+G D F
第二章 常用铸造合金及其熔炼
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本章主要内容与目的：
了解铸钢、铸铁的生产过程。
了解铸铁的分类。 理解铸铁石墨化及影响因素。 掌握普通灰口铁、孕育铸铁、可锻铸铁、球墨铸 铁和蠕虫铸铁的生产特点、牌号、性能。
钢铁的生产过程影片
2
第一节 钢铁的生产过程
钢铁的生产过程是一个由铁矿石练成生铁、由生铁练成钢液 并浇注成钢锭的过程。 铁矿石、焦炭、石灰石→生铁→钢水→钢锭
白口铸铁： P+Fe3C+Le 麻口铸铁： P+Fe3C+G+Le 灰口铸铁： 珠光体灰口铸铁： P+G片
7.0 6.0
灰口铸铁
5.0
4.0 白
珠光体+铁素体灰口铸铁： P+F+G片 铁素体灰口铸铁： F+G片
口 铸 铁
10
20
30
40
50
60
70
铸铁壁厚（mm）
冷却速度
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(2)．冷却速度
铸件壁愈厚，冷却速度愈慢，则石墨化 倾向愈大，愈易得到粗大的石墨片和铁 素体基体。 由此可知：随着壁厚的增加，石墨片的数 量和尺寸都增大，铸铁强度、硬度反而下 降。这一现象称为壁厚（对力学性能的） 敏感性。