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1、船舶工程学院船舶工程学院金属学与造船材料金属学与造船材料(10)(10)生铁生铁碳钢碳钢铸铁：含碳量铸铁：含碳量大于大于2.11%2.11%的铁碳合金，其主要组成元素为的铁碳合金，其主要组成元素为铁，碳，硅铁，碳，硅和一定量的锰，而硫磷等杂质的含量也和一定量的锰，而硫磷等杂质的含量也比普通碳钢要高。比普通碳钢要高。C：2.5%4.0%Si：1.0%3.0%Mn：0.5%1.4%P：0.01%0.5%S：0.02%0.2%Cr、Ni、Cu、Mo等：一定量等：一定量工业上常用的铸铁成分：工业上常用的铸铁成分：柴油机缸缸套套大型船用柴油机汽缸体大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身重型机床
2、床身(HT-250)变速箱体变速箱体核燃料贮存运输核燃料贮存运输容器容器(QT350-22)8.1 8.1 成分与组织的特点成分与组织的特点 成分特点：与碳钢相比，铸铁的化学成分中除了含有较高的成分特点：与碳钢相比，铸铁的化学成分中除了含有较高的C C、SiSi等元等元素外，还含有较多的素外，还含有较多的S S、P P等杂质，在特殊性能铸铁中，还等杂质，在特殊性能铸铁中，还含有一些合金元素。这些成分均会影响铸铁的组织和性能含有一些合金元素。这些成分均会影响铸铁的组织和性能p溶于铁晶格的间隙中，形成溶于铁晶格的间隙中，形成间隙固溶体间隙固溶体，如铁素体、奥氏体，如铁素体、奥氏体p以游离的以游离的
3、石墨（石墨（G G）形式）形式析出。机械制造工业用的铸铁析出。机械制造工业用的铸铁中，碳主要以石墨（中，碳主要以石墨（G G）形式存在。）形式存在。p与与FeFe生成生成化合物化合物，如，如Fe3CFe3C碳化物存在碳化物存在铸铁中铸铁中碳碳的主要分布形式的主要分布形式 组织特点：铸铁中的碳主要以组织特点：铸铁中的碳主要以石墨石墨（G G）形式存在，所以铸铁的组织是）形式存在，所以铸铁的组织是由钢的基体和石墨组成的。由钢的基体和石墨组成的。珠光体珠光体 铁素体铁素体 珠光体珠光体+铁素体铁素体p 石墨的形态对铸铁的石墨的形态对铸铁的力学性能力学性能影响较大影响较大p 力学性能主要取决于力学性能
4、主要取决于基体组织及石墨基体组织及石墨 （数量、形状、大小、分布）（数量、形状、大小、分布）G G：3 3 5HBS 5HBS；b b2020；接近接近0 0P P：160160200HBS200HBS；b b 800 800 10001000F F：5050 80HBS 80HBS；b b 350 350 400400p 一般说来，石墨的数量越少，分布越分散，形状一般说来，石墨的数量越少，分布越分散，形状越接近球形，则铸铁的强度、塑性和韧性越高越接近球形，则铸铁的强度、塑性和韧性越高8.2 8.2 铸铁的性能特点铸铁的性能特点8.2 8.2 铸铁的性能特点铸铁的性能特点p 石墨的硬度仅为石墨
5、的硬度仅为35HBW，抗拉强度约为，抗拉强度约为20MPa，伸长率接近于零，故分布于基体，伸长率接近于零，故分布于基体上的石墨可视为上的石墨可视为空洞或裂纹空洞或裂纹。p由于石墨的存在，减少了铸件的有效承载由于石墨的存在，减少了铸件的有效承载面积，且受力时石墨尖端处产生应力集中，面积，且受力时石墨尖端处产生应力集中，大大降低了基体强度的利用率。铸铁的大大降低了基体强度的利用率。铸铁的抗抗拉强度、塑性拉强度、塑性和和韧性韧性都比碳钢低。都比碳钢低。石墨的存在p 由于石墨的存在，铸铁具有由于石墨的存在，铸铁具有良好的耐磨性、良好的耐磨性、消振性、低的缺口敏感性消振性、低的缺口敏感性及及优良的切削加
6、优良的切削加工性能工性能。p铸铁的成分接近共晶成分，因此铸铁的铸铁的成分接近共晶成分，因此铸铁的熔熔点低点低（约（约1200左右），液态铸铁左右），液态铸铁流动性流动性好好；由于石墨结晶时膨胀，所以铸造收缩；由于石墨结晶时膨胀，所以铸造收缩率低，率低，铸造性能优于碳钢铸造性能优于碳钢。石墨的存在8.2 8.2 铸铁的性能特点铸铁的性能特点渗碳体渗碳体（Fe3CFe3C）是一个）是一个亚稳定相，其中的碳以亚稳定相，其中的碳以石墨的形态存在才是稳石墨的形态存在才是稳定的。定的。Fe3C 3Fe Fe3C 3Fe C C8.3 8.3 铸铁的的石墨化铸铁的的石墨化铸铁的石墨化铸铁的石墨化铸铁中的碳以
7、石墨状态析出的过程。铸铁中的碳以石墨状态析出的过程。1.1.从从铁液铁液中析出中析出2.2.从从奥氏体奥氏体中析出中析出3.3.从从铁素体铁素体中析出中析出4.4.从从渗碳体的分解渗碳体的分解得到得到石墨的晶体结构石墨的晶体结构简单六方晶格简单六方晶格石墨化过程的三个阶段石墨化过程的三个阶段p 第一阶段从液相中结晶出一次石墨(GI)及共晶反应形成共晶石墨G共晶p 第三阶段共析反应形成共析石墨及从F中析出三次石墨（GIII）p 第二阶段从奥氏体中析出二次石墨（GII）影响石墨化的因素影响石墨化的因素1、化学成分、化学成分 促进石墨化元素：促进石墨化元素：C、Si、Al、Cu、Ni、Co等；等；阻
8、碍石墨化元素：阻碍石墨化元素：S、Mn、Cr、W、Mo、V等；等；P对石墨化的影响不大。对石墨化的影响不大。2、冷却速度、冷却速度 冷却速度越慢，对石墨化越有利。冷却速度越慢，对石墨化越有利。冷却速度受到造型材料、铸造方法、铸件壁厚的影响冷却速度受到造型材料、铸造方法、铸件壁厚的影响。8.4 8.4 铸铁的分类铸铁的分类根据碳在铸铁中存在的形式：根据碳在铸铁中存在的形式：1 1、白口铸铁白口铸铁：断口呈：断口呈银白色银白色；渗碳体形式；渗碳体形式 （石墨化过程全部被抑制，按（石墨化过程全部被抑制，按Fe-FeFe-Fe3 3C C相图结晶）相图结晶）2 2、麻口铸铁麻口铸铁：断口呈：断口呈黑白
9、相间黑白相间的麻点；石墨和渗碳体的麻点；石墨和渗碳体 （第一阶段石墨化过程部分进行）（第一阶段石墨化过程部分进行）3 3、灰口铸铁灰口铸铁：断口呈：断口呈暗灰色暗灰色 （石墨第一、二阶段石墨化过程充分）（石墨第一、二阶段石墨化过程充分）根据铸铁中石墨的形态根据铸铁中石墨的形态：1 1、灰铸铁：石墨呈、灰铸铁：石墨呈片状片状2 2、球墨铸铁：石墨呈、球墨铸铁：石墨呈球状球状3 3、蠕墨铸铁：石墨介于、蠕墨铸铁：石墨介于片状与球状之间片状与球状之间4 4、可锻铸铁：石墨呈、可锻铸铁：石墨呈团絮状团絮状8.4 8.4 铸铁的分类铸铁的分类8.5 8.5 灰铸铁灰铸铁第一阶段和中间阶段石墨化过程都能充
10、分进行，第三阶段第一阶段和中间阶段石墨化过程都能充分进行，第三阶段部分进行时形成的铸铁。部分进行时形成的铸铁。（2 2）组织组织灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的形成的 片状石墨片状石墨基体组织基体组织 （1 1）化学成分化学成分：C C2.72.73.63.6；SiSi1.01.02.52.5；MnMn0.50.51.31.3；微量；微量P P、S S铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁素体加珠光体灰铸铁铁石墨片的三维形石墨片的三维形貌貌低温石墨化过程得以充分进行，获得的铸铁具有低温石墨化过程
11、得以充分进行，获得的铸铁具有铁素体铁素体基基体体铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁低温石墨化过程没有进行，获得的铸铁具有低温石墨化过程没有进行，获得的铸铁具有珠光体珠光体基体基体珠光体珠光体灰铸铁灰铸铁低温石墨化过程没有充分进行，获得的铸铁具有低温石墨化过程没有充分进行，获得的铸铁具有铁素体铁素体和和珠光体珠光体的基体的基体铁素体铁素体-珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁（3 3）灰铸铁的基体）灰铸铁的基体 ：（4）灰铸铁的性能）灰铸铁的性能p 优良的铸造性能灰铸铁的成分接近于共晶点，熔点低，液态下流动性好，结晶后分散缩孔少、偏析小，可以铸造复杂性装的零件；石墨比容大，凝固后铸件收缩小。p 优良的耐磨性能石墨本身
12、是良好的润滑剂，石墨脱落后的空洞能吸附和储存润滑油。p 优良的消振性能石墨组织松软，能吸收振动能量。p 良好的切削加工性能石墨可以对断屑作用和对刀具的润滑减磨作用。p 力学性能受片状石墨的影响，灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳钢，抗拉强度和硬度主要取决于基体组织，所以灰铸铁的抗压强度比抗拉强度高三、四倍，而接近于钢。灰铸铁更适用于耐压零件，如机床床身等。p 较低的缺口敏感性石墨的存在相当于铸件中已存在很多小缺口，故灰铸铁零件对表面缺陷和缺口不敏感（5）灰铸铁的牌号）灰铸铁的牌号H T+最低抗拉强度b=200MPa灰铁的汉语拼音字头HT 200HT 200（6）孕育处理）孕育处理
13、孕育处理孕育处理：浇注前向铁液中加入变质剂，促进：浇注前向铁液中加入变质剂，促进晶粒细化晶粒细化。常用常用变质剂变质剂为含硅为含硅75%75%的硅铁，加入量一般为铁液重量的的硅铁，加入量一般为铁液重量的0.4%0.4%左右左右 性能性能：孕育铸铁的：孕育铸铁的强度强度有很大提高，并且有很大提高，并且塑性、韧性塑性、韧性也有也有所提高所提高 孕育处理后的灰铸铁叫做孕育处理后的灰铸铁叫做孕育铸铁或变质铸铁孕育铸铁或变质铸铁（7）灰铸铁的热处理）灰铸铁的热处理1、消除内应力退火（时效处理）、消除内应力退火（时效处理）低温退火低温退火。将铸件置于将铸件置于100200的炉中，缓慢升温至的炉中，缓慢升温
14、至500600，保温，保温48h缓冷缓冷2、改善切削性能的退火、改善切削性能的退火高温退火高温退火，降低硬度，降低硬度 将铸件加热至将铸件加热至850900，保温，保温25h，缓冷至，缓冷至400500出炉空冷出炉空冷3、表面淬火表面淬火提高硬度和耐磨性提高硬度和耐磨性p 灰铸铁的热处理仅能灰铸铁的热处理仅能改变其基体组织改变其基体组织，改变不了石墨形态，改变不了石墨形态p 热处理不能明显改变灰铸铁的力学性能，其热处理主要热处理不能明显改变灰铸铁的力学性能，其热处理主要用于消除应用于消除应力和改善切削加工性能力和改善切削加工性能等等大型船用柴油机汽缸体大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机
15、床床身重型机床床身(HT-250)Y（8）用途）用途Y 制造制造承受压力承受压力和和震动的零件震动的零件,如船如船舶主副机、机床床身、各种箱体、舶主副机、机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。壳体、泵体、缸体。8.6 8.6 可锻铸铁可锻铸铁必须加快冷却速度，要求碳、硅含量不能太高，以保证必须加快冷却速度，要求碳、硅含量不能太高，以保证浇注后获得白口组织，但又不能太低，否则将延长石墨浇注后获得白口组织，但又不能太低，否则将延长石墨化退火周期。化退火周期。可锻铸铁是由白口铸铁（石墨化过程全部被抑制）经高可锻铸铁是由白口铸铁（石墨化过程全部被抑制）经高温长时间可锻化温长时间可锻化(石墨化退火石墨化
16、退火)获得的，其石墨呈获得的，其石墨呈团絮状团絮状（1）大致成分范围：）大致成分范围：2.42.7%C，1.41.8%Si，0.50.7%Mn，0.08%P，0.25%S，0.06%Cr（2）可锻铸铁的组织）可锻铸铁的组织p 第一阶段石墨化充分进行后（组织为奥氏体加团絮状石第一阶段石墨化充分进行后（组织为奥氏体加团絮状石墨），在共析温度附近长时间保温，使第二阶段石墨化墨），在共析温度附近长时间保温，使第二阶段石墨化也充分进行，则得到也充分进行，则得到，由于表，由于表层脱碳而使心部的石墨多于表层，断口心部呈灰黑色，层脱碳而使心部的石墨多于表层，断口心部呈灰黑色，表层呈灰白色，故称为表层呈灰白色，故称为p 若通过共析转变区时冷却较快，第二阶段石墨化未能进若通过共析转变区时冷却较快，第二阶段石墨化未能进行，使奥氏体转变为珠光体，得到行，使奥氏体转变为珠光体，得到，称为，称为。可锻铸铁的显微组织 黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁 可锻铸铁的石墨化退火可锻铸铁的石墨化退火（3）可锻铸铁的种类）可锻铸铁的种类 1）铁素体可锻铸铁）铁素体可锻铸铁(黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁)较高
