铸铁和铸钢

第十章铸铁和铸钢

教学目的及其要求

通过本章学习，使学生掌握和了解铸铁石墨化的一般概念，熟悉和了解常用铸铁和铸钢材料。

主要内容

1．铸铁的石墨化

2．常用铸铁和铸钢的牌号与性能

3．铸铁的热处理

学时安排

讲课2学时。

教学重点

1．铸铁的石墨化

2．常用铸铁和铸钢的牌号和性能特点

教学难点

铸铁的石墨化。

教学过程

一、铸铁概述

同钢一样，铸铁也是Fe、C元素为主的铁基材料。它是含碳量大于2.11％的铁碳合金。铸铁是历史上使用得较早的材料，价格便宜，具有很多优点。在汽车发动机中，铸铁约占80%。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。

（一）铸铁的分类

1．按碳在铸铁中存在形式分为两大类

白口铸铁：碳以渗碳体的形式存在，断口呈现银白色，硬而脆；作为零件工业上很少用（农业上制作犁铧）；可作为冶炼钢铁的原料。

灰口铸铁：碳以游离态石墨存在，断口呈现黑灰色，灰口铸铁在机械制造业有广泛的应用，在我国，铸铁与钢用量比约为0.46:1。

2．以石墨形态分类（灰口铸铁的分类）：

灰铸铁（普通灰口铸铁）：石墨为片状；

可锻铸铁：石墨为团絮状；

球墨铸铁：石墨为球状；

蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状。

（二）灰口铸铁的成分和性能特点

1．成分

Wc ：2.5—5.0%；Si、Mn、S、P 等元素。铸铁种Si的含量较多，一般在1.0～2.8%之间。所以，铸铁可以看成是Fe－Si －C 三元铁基合金。

2．性能特点：抗拉强度、塑性、韧性比钢低；抗压强度高，耐蚀性好；

良好的铸造性能和切削加工性能；

良好的减震性和耐磨性；

成本低。

生产灰口铸铁的关键是让碳以石墨的形式结晶，此过程称为石墨化。

（三）铸铁的石墨化

石墨化：铸铁中石墨的形成过程称为石墨化。

1．石墨化过程

Fe-- Fe3C / Fe—G 双重相图。石墨化的三个阶段：

（1）第一阶段（高温）石墨化

从液相中直接结晶出石墨：L →G I(Wc >4.26%)

通过共晶反应形成的石墨：在11540C，Lc’ → A E’+ G共晶

（2）第二阶段（中间）石墨化

11540C ～7380C冷却过程中从A相中析出的石墨:，A →G II

温度高，冷却速度极其缓慢，原子扩散能力强，前两阶段石墨化容易进行。

（3）低温石墨化阶段

在7380C通过共析反应形成的石墨，As’→Fp + G共析

温度低原子扩散能力低，低温石墨化不容易进行。

此阶段石墨化进行的是否彻底，影响到铸铁室温组织。

2．铸铁石墨化过程对室温组织的影响

三个阶段石墨化都进行彻底 F + G ；

第三阶段石墨化不彻底 F + P + G ；

第三个阶段石墨化未进行P + G 。

可见，灰口铸铁组织可以看作是“钢基体＋石墨”，性能比白口铁优良。铸铁中石墨的大小、形状和分布直接影响着铸铁的性能。

石墨的硬度极低，强度及塑韧性几乎为零。所以，石墨的存在犹如在钢的基体上分布的孔洞或裂纹，破坏了基体的连续性，减小了实际承载面积，且易产生应力集中，成为金属内部的裂纹源。几种形态的石墨相比较，片状G对基体的割裂作用最强，球状G最弱。所以就其机械性能而言，球墨铸铁最好，灰铸铁最差。

（三）影响石墨化的因素

1．化学成分

C、Si、P、Al、Cu、Ni 、Co促进石墨化过程；

S、Mn、Cr、W、Mo、V 阻碍石墨化过程。

Wc↑，有利于石墨的形核；

W Si↑，共晶温度↑，共晶点成分↓，也有利于石墨的析出。

2．冷却速度

冷却速度愈低，愈有利于石墨化过程。

二、工业中常用铸铁的性能特点及用途（以灰铸铁和球铁为主）

1．灰铸铁

成分： 2.5—4.0%C； 1.0—2.5%Si；少量Mn 、S、P 等。

组织：有F + G （片）；F + P + G (片)； P + G (片)；

性能：抗压不抗拉；铸造和切削加工性能好；耐磨、消振性好；缺口敏感性低。

孕育处理后的组织为：细珠光体 + 细石墨片，强度、硬度↑。

牌号：HT + 数字→表示最低抗拉强度，HT为灰铁两字拼音的第一个字母，如HT200、HT300。

用途：利用灰铸铁的减震和抗压性能，常用于制作机床底座、床身、工作台、导轨、箱体等。

2．球墨铸铁

发展历史：球墨铸铁是1947年发明的，英国和美国几乎同时发现，1949年发现Mg 可

以促进石墨球化，得到Mg 球墨铸铁。此后用了近10年时间研究稳定的工艺，并向客户宣

传，从1959年产量迅速增加。现在全世界球墨铸铁年产量达2000万吨。

成分： 3.8—4.0%C ； 2.0—2.8%Si ； 0.03—0.05% Re ；Mn ,S , Re(稀土元素)

组织：F + G （球）； F + P + G (球)； P + G (球)；

制备： 球化处理，加入Mg 、Ca 、Re 等元素， 使G 成球状

孕育处理 ，加入硅铁、硅钙铁等孕育剂， 增加石墨球数量，减少石墨球尺寸。

性能：石墨球对基体的割裂作用比片状小，应力集中小，充分发挥基体的强度。具有：

良好的抗拉强度，弯曲疲劳强度，塑性和韧性；

优异的铸造性，可切削加工性及低的缺口敏感性；

可热处理或合金化 → 提高性能；

热处理后基体组织：珠光体或回火索氏体， 贝氏体或回火马氏体。

球墨铸铁中基体强度利用率可达70—90%，灰铸铁只有30—50% 。

如QT450—10

应用： F + G :汽车拖拉机底盘零件；阀体、阀盖。

F + P +

G :机油泵齿轮。

P + G :代替中碳钢制造柴油机、汽油机曲轴、连杆、车床主轴。

热处理后 ，M 回 + G 或 B 下+ G 汽车拖拉机的传动齿轮；

3．可锻铸件 （不可锻造）

成分： 2.4—2.8%C ； 1.2—2.0%Si ；少量 Mn 、S 、P 等元素。

组织： F + 团絮状G ， P + 团絮状G

制备：将亚共晶白口铸铁进行石墨化退火，使Fe 3C 在固态下分解形成团絮状石墨。

9000C---9800

C 保温15小时左右。 牌号：