重庆大学铸造合金及其熔炼新课件

符号 A B C
说明 片状石墨均匀分布 片状与点状石墨聚集成菊 花状 部分带尖角块状、粗大片 状初生石墨
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枝晶点状
枝晶片状
D
E
点、片状枝晶间石墨呈无 方向分布
短小片状枝晶间石墨呈有 方向分布
星状
F
星状（或蜘蛛状）与短片 状石墨混合均匀分布
• A、B型石墨的形状及分布
C、D型石墨的形状及分布
• E、F型石墨的形状及分布
第一节 灰铸铁金相组织和力学性能特点
基体（F＋P）＋片状石墨 石墨的作用（对基体的作用） 1.缩减作用：减小了受力的有效截面积（与基体相比较，石墨 强度几乎为零） 2.割裂作用：分割基体（破坏基体的连续性）并引起应力集中 所以，石墨的分布、形态及尺寸是决定灰铸铁性能的重要 因素。石墨形态和尺寸，主要决定于石墨的形成条件即形核程 度及长大条件。
• 四、孕育的影响
• 五、气体的影响 • 氢：能使石墨变粗大，有稳定渗碳体和阻 止石墨析出的能力。 • 氮：阻碍石墨化，稳定渗碳体，促进D型石 墨形成，达到一定量，可促进蠕虫状石墨 形成。氮可稳定珠光体，提高铸铁强度。
• 六、炉料的影响
• 七、 灰铸铁的铸造性能 • 一、流动性
• 二、收缩特性及其伴生现象
CE = 3.2～4.3%，Sc = 0.75～1.0。 具有共晶组织：片状石墨。 灰铸铁通常是指具有片状石墨的铸铁。
• 碳当量 • CE ＝%C+0.31（%Si）＋0.33（%P）-0.027（%Mn）+
• 0.40（%S）+0.07（%Ni）+0.05（%Cr）
• 共晶度 Sc 铸铁中的实际碳的质量分数与碳的当量共晶值 之比。 可衡量铸铁偏离共晶的程度。 • 共晶团 铸铁的共晶转变过程中，由铁液中结晶出来的 石墨-奥氏体所构成的集合体。
灰口铸铁的一次结晶
亚共晶 过共晶 奥氏体＋(奥氏体＋石墨)共晶 石墨＋(奥氏体＋石墨)共晶
白口铸铁的一次结晶
亚共晶 过共晶 奥氏体＋(奥氏体＋碳化物)共晶 初生碳化物＋(奥氏体＋碳化物)共晶
第三节 铸铁的二次结晶过程（固态相变过程） 一、奥氏体中碳的脱溶
• 二、铸铁的共析转变
• 共析转变属固态相变，由于原子扩散缓慢， 其转变速度比共晶凝固速度低得多，故共 析转变经常有较大的过冷，甚至完全被抑 制。 • 当奥氏体冷却至共析转变温度以下，并达 到一定的过冷度后，就开始共析转变，共 析转变是决定铸铁基体组织的重要环节。
第三节
一、灰铸铁的标准
牌 号
灰铸铁件的生产
抗拉强度 b/MPa
≥100 ≥150 ≥200 ≥250
HT100 HT150 HT200 HT250
HT300
HT350
≥300
≥350
不同壁厚灰铸铁的成分如下表：
牌号 HT100
铸件主要壁厚 /mm 所有尺寸 ＜15 15～30 30～50 ＞50 ＜15 15～30 30～50 ＞50 ＜15 15～30 30～50 ＞50 ＜15 15～30 30～50 ＞50 ＜15 15～30 30～50 ＞50
基体组织
不同比例的珠光体和铁素体或者少量的磷共晶和碳化物
基体受石墨的影响： 由于石墨的缩减作用和割裂作用，铸铁的强度最高只 及纯珠光体的五分之一到三分之一，塑性几乎为零。
性能特点 具备一定的强度，硬度较高，塑性、韧性几乎为 零（石墨的缩减作用和割裂作用）。
良好的减震性 良好的润滑能力(减摩性) 良好的导热能力 石墨的热导率比珠光体大三倍。 缺口敏感性小 所以，应用广泛。铸件重量占金属铸件重量的60 ％以上。
化 学 成 分 % C 3.2～3.8 3.3～3.7 3.2～3.6 3.1～3.5 3.0～3.4 3.2～3.6 3.1～3.5 3.0～3.4 3.0～3.2 3.2～3.5 3.1～3.4 3.0～3.3 2.9～3.2 3.1～3.4 3.0～3.3 2.9～3.2 2.8～3.1 2.9～3.2 2.8～3.1 2.8～3.1 2.7～3.0 Si 2.1～2.7 2.0～2.4 2.0～2.3 1.9～2.2 1.8～2.1 1.9～2.2 1.8～2.1 1.5～1.8 1.4～1.7 1.8～2.1 1.5～1.9 1.5～1.8 1.4～1.7 1.5～1.8 1.4～1.7 1.4～1.7 1.3～1.6 1.4～1.7 1.3～1.6 1.2～1.5 1.1～1.4 0.6～0.9 0.7～0.9 0.8～1.0 0.8～1.0 0.7～0.9 0.8～1.0 0.8～1.0 0.9～1.1 0.8～1.0 0.8～1.0 0.9～1.1 1.0～1.2 0.9～1.2 1.1～1.3 1.0～1.3 1.1～1.4 ≤0.15 ≤0.12 ≤0.15 ≤0.12 ≤0.15 ≤0.12 ≤0.15 ≤0.12 0.5～0.8 ≤0.2 ≤0.15 Mn 0.5～0.8 P ≤0.2 S ≤0.15
灰口铸铁
共析转变前二次高碳相（二次石墨或二次渗碳体）的析出 共析转变：+G +Fe3C
白口铸铁
共析转变前二次高碳相（二次渗碳体）的析出
共析转变： +Fe3C
总结：铸铁的结晶过程
铸铁组织与石墨化程度的关系
石墨化进行程度 铸铁名称 一次结晶（石 墨化） 完全进行 灰铸铁 完全进行 完全进行 麻口铸铁 白口铸铁 部分进行 未进行 二次结晶（石 墨化） 完全进行 部分进行 未进行 未进行 未进行 显微组织 F＋ G F+P+G P+G L+P+G L
• 3.物性特征保存 • 熔液的物理性质（黏度、表面张力）、凝 固时的白口、收缩、气孔、裂纹都可能存 在遗传性，更换炉料后某些特性就会消失。 因为熔体中的弥散质点时炉料组织信息的 遗传因子，从炉料遗传下来的弥散质点成 为潜在的结晶核心。 • 改良不良遗传性的途径有更换炉料、多种 炉料搭配使用、熔液的过热和针对性处理 等。其中铁液过热是最有效的措施：将铁 液温度提升至1550 ℃，熔体结构会发生明 显变化，微观均匀性明显提高。
各型片状石墨形成的条件
石墨 类型 A 形成条件 石墨形核能力强，冷却 速度慢，过冷度小。 石墨 类型 E 形成条件 碳当量较形成D型更低，但 冷速较慢，共晶凝固时液体 数量已很少，故呈方向性分 布。
D
碳当量低，成核条件差， C 初析奥氏体多，冷却速 度大，过冷度大。
实质上中心是D型，外 围是A型，开始时过冷 大，成核条件差，先出 D型，放出结晶潜热， 过冷减小而析出A型。 F
• 第一章 思考题 • 1.为什么铁碳合金会存在双重相图？双重 相图的存在对铸铁件的生产有何实际意义？ 硅对双重相图的影响有何实际意义？ • 2.请说明碳当量、共晶度的意义，并写出 表达式。 • 3.讨论铸铁第一阶段和固态相变过程的主 要内容及其对铸铁件最后形成组织的影响。
第二章
灰铸铁的组织及性能
• 同理，若炉料以石墨类铸铁为主，熔化后 在铁液中会保留未熔解的石墨原子集团。 当炉料中大量使用含粗大石墨的生铁时， 在铸铁凝固时会促使粗大石墨析出。 • 2.成分遗传效应 • 一些微量元素来自废钢、生铁或其他混杂 物。大多数微量元素是强碳化物形成元素， 会促使铸件白口和缩孔倾向增大，甚至产 生裂纹；一些微量元素甚至使石墨变成畸 形；炉料中含有气体元素，会使铸件产生 气孔。
过共晶成分，慢冷时形成的 石墨。
过共晶成分，快冷时形成， 如活塞环中常出现F型石墨。
B
• （三）球状石墨的形成过程 • 一定成分的铁液，经过球化处理，使铁液 中的硫和氧含量显著下降，此时球化元素 在铁液中有一定的残留量，这种铁液在共 晶凝固过程中将形成球状石墨。 • A.球状石墨的结构
• 2.球状石墨的形成条件 • 球状石墨生成的两个必要条件是铁液凝固 时必须有较大的过冷度和较大的铁液与石 墨间的界面张力。 • 事实证明加入任何一种球化剂（Mg、Ce、Y、 La等）都会使铁液的过冷度加大，而且也 会影响到铁液的表面张力。 • 球化剂的特点：
二、初析石墨的结晶
• 三、初析奥氏体的结晶 • （一）初析奥氏体枝晶的凝固过程
• （二）初生奥氏体的形态 • 奥氏体为面心立方体，其初生形貌如图所 示
• （三）奥氏体枝晶中的成分偏析
• （四）影响奥氏体枝晶数量及尺寸的因素
在碳当量相同的情况下，初析奥氏体的量受铸铁 中的碳、硅含量的影响。目前常用Si/C比来讨论 其影响， Si/C比增加，初析奥氏体的量随之增 高。
第二节 影响灰铸铁铸态组织的因素
一、冷却速度
• 二、化学成分的影响 • 1.各元素在铸铁中存在的状态
• 2.常见元素对铁－碳相图上共晶温度的影响
• 3.化学成分对石墨的影响
• 4.各元素对金属基体的影响
• 5.常用合金元素的具体作用
• 6.微量元素的作用
• 三、铁液的过热和高温静置的影响
铸造合金及其熔炼新课件
• 铸造合金及熔炼课件 • 主讲教师：杨大壮
第一篇 铸铁及其熔炼
• 第一章 铸铁的凝固结晶及组织的形成 • 第一节 铁－碳双重相图 • 一、铁－碳相图的二重性 • 1）热力学观点 • 2）动力学观点
• 二、铁碳双重相图及其分析
• 三、Fe-C、Fe-Fe3C双重相图的组成相 • 溶液L、δ铁素体（1392-1536℃）、α铁 素体（911 ℃以下 ）、奥氏体A、石墨G、 渗碳体Fe3C、莱氏体Ld、珠光体P
• （五）亚稳定系共晶转变过程
• 当铸铁的化学成分和冷却速度变化时，铸 铁的凝固现象也会发生变化，当共晶转变 进入亚稳定区域时，原共晶转变的液相－ 奥氏体－石墨将改变成液相－奥氏体－渗 碳体的三相平衡，转变成奥氏体－渗碳体 组成的共晶体组织，即莱氏体。
• （六）磷共晶的形成 • 磷在铸铁中是一个容易偏析的元素。铸铁 中含磷0.05％时就可在铸铁组织中形成磷 共晶，磷共晶常以不连续网状或孤岛状分 布于原共晶团的位置。对大多数铸件来说， 磷共晶会增加铸件的脆性，磷被认为是应 该控制的元素。 • 二元磷共晶：а-Fe＋ Fe3P的共晶混合物， HV750～800。 • 三元磷共晶： а-Fe＋ Fe3P＋Fe3C， HV900~950,硬脆，易脱落。
常用力学性能指标
抗拉强度σb 屈服强度σs 延伸率δ
冲击韧性Ak ak
灰铸铁的结晶
过冷度ΔT
• 难点： 碳当量（化学成分）、组织（石墨形态）对力 学性能的影响
• 重点： 碳当量、凝固条件→组织（石墨形态）→力学 性能关系 孕育机理与方法
灰铸铁的一般概念
％C = 2.7～3.8% ％Si＝1.4～2.1%
• （二）石墨的晶体结构及片状石墨的长大
• 石墨的晶体结构如下图所示，呈六方晶体 结构。由于石墨具有这样的晶体结构特点， 从结晶学的晶体生长理论看，石墨的正常 生长应该是沿基面的择优生长，最后形成 片状组织，然而在不同的实际情况下，石 墨可形成多种多样的形式。
片状石墨的分类
名称 片状 菊花状 块片状
• 3.球墨铸铁的共晶转变
• 球化处理后，一般都有孕育处理过程，这 样有利于得到细小圆整的石墨球；加之球 墨铸铁又离异共晶转变的特点，因而球铁 的共晶团数比灰铸铁的高得多，一般要高 50－200倍。
• （四）蠕虫状石墨的形成过程 • 蠕虫状石墨主要共晶凝固过程中从铁液中 直接析出，最初形状呈小球状或聚集状， 经过畸变，并经没被奥氏体全包围的长出 口，在与铁液直接接触的条件下长大而成。 • 生长模式：小球墨－畸变球墨－蠕虫状石 墨。此外，蠕虫状石墨的最初形态也可能 呈小片状，然后在界面前沿，由于石墨化 元素的局部富集而逐渐演变成蠕虫状石墨。 • 究竟以什么模式生长，取决于蠕化元素在 铁液中的浓度。浓度大先球后蠕，浓度小 先片后蠕。
• 五、铸铁中常见元素对铁碳相图各临界点 的影响
• 五、碳当量和共晶度的意义及表达式 • 1)碳当量
• 2）共晶度
• 第二节 铸铁的一次结晶过程 • 一、铸铁熔液的结构 • 研究表明，铸铁在熔融状态下并非单一液相， 而是存在着未熔解石墨分子和渗碳体分子的多 相体。因此在实际铸造生产过程中，铁液的遗 传性对铸铁的组织形成和各种性能影响很大。 • 铁液的遗传性表现在： • 1.结构信息保留 • 若炉料含废钢、白口铸铁多，铁液的白口倾向 大，这是由于原始的、未被熔解的渗碳体原子 集团被保留于铁液中作为核心的缘故。
• 四、硅对铁碳相图的影响 • 1.共晶点和共析点含碳量随硅量的增加而 减少。 • 2.硅的加入使相图上共晶和共析转变的三 相共存区（共晶区：液相、奥氏体、石墨； 共析区：奥氏体、铁素体、石墨）。
• 3.共晶和共析温度范围改变了，硅对稳定 系和介稳定系的共晶温度的影响是不同的 （随硅含量的增加，两个共晶温度的差别 扩大，即含硅量越高，奥氏体加石墨的共 晶温度高出奥氏体加渗碳体的共晶温度越 多。由于硅的增高，共析转变的温度提高 更多，因此有利于铁素体基体的获得）。 • 4.硅量的增加，还缩小了相图上的奥氏体 区。 • 硅量超过10％，奥氏体区趋于消失。
• 四、共晶凝固过程 • (一）稳定系的共晶转变 • 当铁液的温度降低到略低于稳定系共晶平 衡温度，即具有一定程度的过冷后，初析 奥氏体间熔体的含碳量就达到饱和程度。 如果此时能形成石墨晶核并长大，则出现 了石墨－熔体的界面，由于石墨的含碳量 高，因而界面的碳量低，这就为共晶奥氏 体的析出形成了条件，奥氏体的析出又促 进共晶石墨的连续析出，因而形成了从熔 体中同时析出奥氏体和石墨的格局。至此， 铸铁便进入共晶凝固阶段。