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1、1. 理解并掌握铸铁的组织尤其是石墨的形态、分布,性能之间的规律。 2. 理解并掌握工程材料尤其是金属的结构，理解材料结构与性能之间的关系，尤其是强化工程材料性能的途径、基本原理与方法。 3. 掌握常用铸铁的种类、组织结构特点、性能和应用，了解其应用范围。 4. 结合实例，初步具备合理选择铸铁与铸钢材料、正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能力。 5. 了解铸钢与铸铁的技术现状，前沿动态及今后的发展方向。,第七章 铸铁与铸钢,铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。 铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。,7.1 概
2、述,例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造.,铸铁曲轴,最近10年是我国铸铁业发展最快、最好的时间。,我国铸件产量持续增长，其中，铸铁业以年均20%的速度增长，远高于同期GDP约10%的增长速率。我国铸铁件的材质结构持续改善，球铁在铸件中所占的比重由1998年的14增至2009年的24.7；球铁与灰铁的比例由0.226上升到0.51。 目前，我国年产铸铁件10000吨以上，,图1、19982009年我国铸件、灰铁件、球铁件的产量 （近10年来，我国铸件产量持续增长，其中，尤以铸铁件的产量增长最快）,图7-1中国2009年各材质铸件产量（万吨）,2009年我国铸
3、件产量为3530万吨，其中，铸铁件产量占2630万吨（球墨铸铁产量为870万吨，灰铸铁产量1700万吨，蠕墨铸铁产量约30万吨），占我国铸件产量的74.5%，约占当年世界铸铁件产量的39.4,一、铸铁的石墨化过程 1、Fe-Fe3C 和 Fe-G (石墨)双重相图 Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解： Fe3C3Fe+C（石墨）,石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、韧性几乎为零。 铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体(Fe3C)和游离态的石墨(G)两种形式存在。,存在两个铁碳相图： Fe-Fe3C和Fe-G双重相图,2、铸铁的石墨化过程 铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为
4、石墨化。 铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出,也可以由渗碳体加热时分解得到。,石墨化分两个阶段： 在PSK线以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化。 包括结晶时一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加热时一次渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的分解.,在PSK线以下发生的石墨化称为第二阶段石墨化。包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。,铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系 （以共晶铸铁为例）,3、影响石墨化的因素 化学成分的影响 碳和硅是强烈促进石墨化的元素。 碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差。,碳、硅含量过高,会使石墨数
5、量多且粗大，基体内铁素体量增多，降低铸件的性能., 冷却速度的影响 铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe - G相图进行，因而促进石墨化。,快冷时由于过冷度大，结晶将按 Fe-Fe3C相图进行, 不利于石墨化.,二、铸铁的特点及分类,工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。 1、铸铁的组织特点 钢的基体+G（石墨） 基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。, 耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。 消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。 铸造性能好。由于铸铁硅含量高, 成分接近于共晶. 切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。,2、铸铁的性能特点 力学性能低。由于石墨相当于钢基体
6、中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。,铸铁与铸钢的强度比较,铸铁根据石墨的形态进行分类。铸铁中石墨的形态有片状、团絮状、球状和蠕虫状四种，其所对应的铸铁分别为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。,7.2 灰铸铁,碳大部分是以片状石墨存在，因其断口呈暗灰色而得名。灰铸铁生产工艺简单、价格低廉、应用广泛，其产量约占铸铁总产量的70 汽车业是灰铸铁的主要应用领域之一，近年来随着汽车轻量化要求的不断提高，薄壁高强度灰铸铁的应用迅速推进,(1)灰铸铁的组织,灰 铸铁 的显 微组 织,(2)灰铸铁的热处理 热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。 灰铸铁强度只有碳钢的3050%，热处理强
7、化效果不大。 灰铸铁常用的热处理有： 消除内应力退火(又称人工时效) 消除白口组织退火 表面淬火,12.9L 6缸蠕铁柴油机缸体（2008，Brazil）,3、用途 制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。,(3)灰铸铁的牌号及用途,灰铸铁牌号中“HT”为灰铁汉语拼音字首，其后数字表示该材料的最低抗拉强度（MPa）。例如HT200表示抗拉强度b200MPa的灰铸铁。灰铸铁的强度与铸件的壁厚大小有关系，因此在根据性能要求选择铸铁牌号时，必须注意到铸件的壁厚。如铸件的壁厚超出表中所列的尺寸时，应根据基体情况适当提高或降低铸铁的牌号。灰铸铁主要用于制造承受压力和振动的零部件
8、。,灰铸铁的牌号、力学性能、显微组织及用途,实例7-1 乘用车的刹车盘通常是使用HT250或相近的低合金灰铸铁，要求材料具有良好的导热性和冷热疲劳性能，所以要求A型石墨，以利于热传导。国内发动机的一些缸体已采用HT300甚至HT350铸铁制作。我国一汽铸造公司已稳定地采用HT300生产6DL道依茨发动机缸体，同时也储备了HT350的生产技术，,7.3 球墨铸铁,中国从1950年开始研究和生产球铁，是世界上较早生产球铁的国家之一。 从2005年起，我国球铁产量连续五年居世界第一，2008年已达820万吨，约占当年世界球铁产量的1/3，比世界第2、3、4名美国（360万吨）、日本（200万吨）和德
9、国（185万吨）的总和还多 2004到2008年，世界球铁铸件的产量从1870万吨增加到2384万吨，年均增长率为5.5%。中国球铁与灰铁的比例为0.50，世界平均水平为0.55，美国的比例为1.0。 我国球铁产量的提升空间还很大,图7-6 中国球铁件应用领域,其中铸管和管件年产量约280万吨，占33%；汽车铸件约280万吨，为33%，约占我国工程结构球铁产量（不包括铸管）的50%；其他如工程机械、农机、机床、建筑、冶金、矿山、能源工业部门等约占33%,DN 2600X 8150 热模法球铁管 （新兴铸管公司生产. 单重14.76吨，壁厚28mm）,东汽生产的QT400-18-LT风电球铁铸件
10、要求低温冲击性能-20，V型缺口试样冲击韧性12,:一汽铸造公司用壳型背丸工艺生产的球铁曲轴 （尺寸精度高，外观精美，综合废品率在0.5%以下）,90吨重高延伸率和高低温冲击韧性球铁铸件,135吨机床球铁件,注塑机头板、二板与尾板,用途 承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。,核燃料贮存运输容器(QT350-22),铸铁曲轴,实例7-2 发动机曲轴是球铁在我国应用最典型的零件，研究开发最早，应用范围最广，产量最多。汽车、拖拉机、船用及工程机械上的许多发动机曲轴以及空压机、空调压缩机上的曲轴都是球墨铸铁的。据统计，我国年产用于发动机的各类球铁曲轴约20万吨，1000万根以上。一汽铸造公司用
11、壳型背丸工艺年产球铁曲轴约50万只，综合废品率在0.2%以下。,(4)球墨铸铁的牌号及用途,球墨铸铁的牌号是由球铁汉语拼音字首“QT”及其后的两组数字组成。这两组数字分别表示该材料的最低抗拉强度（单位为MPa）和最低伸长率。例如QT600-3表示Rm600MPa，A3%的球墨铸铁。 球墨铸铁主要用于制造受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件。如在机械制造业中，珠光体球墨铸铁常用于制造拖拉机或柴油机的曲轴、连杆、凸轮轴、各种齿轮、机床的主轴、蜗杆、蜗轮、轧钢机的轧辊、大齿轮及大型水压机的工作缸、缸套、活塞等；铁素体球墨铸铁常用于制造受压阀门、机器底座、汽车后轮壳等,表7-4 球墨铸铁的牌号、组
12、织、力学性能及用途,(1)球墨铸铁的组织,由基体和球状石墨组成的，铸态下的基体有三种。球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。加入到铁水中能使石墨结晶成球形的物质称为球化剂，常用的球化剂为稀土镁合金,球墨铸铁的显微组织,(2)球墨铸铁的性能,由于球状石墨，对基体的割裂作用和产生的应力集中小，基体强度利用率可达7090，接近于碳钢，塑性和韧性比灰铸铁和可锻铸铁都高。球墨铸铁的突出特点是屈强比(s/b)高，约为0.70.8，而钢一般只有0.30.5。 球墨铸铁还具有较高的疲劳强度。带孔和带台肩球墨铸铁件的疲劳强度与45钢的相当(表7-3)。因此，多数带孔和台肩的重要零件可用球墨铸铁代替钢来制造。试验还
13、表明，球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过45钢,表7-3 球墨铸铁和45钢的疲劳强度,(3)球墨铸铁的热处理,球墨铸铁可进行各种热处理,如退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。,球墨铸铁的热处理特点是： 奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高; 淬透性比碳钢高; 奥氏体中碳含量可控。,Austempered Ductile Iron 简称ADI,ADI是一种具有较高性价比的新型工程材料，等温淬火热处理后有很好的综合性能。与同等韧性的普通球墨铸铁相比，其强度提高一倍，与合金钢相当，但其弹性模量最低20%（减少接触应力），且减震性及抗磨性好等许多优点，发展很快，应用范围逐步扩大，产量不断增加，2007年世界
14、产量已近30万吨，其中美国最多，达20万吨，欧洲2.5万吨，中国约7万吨；去年我国ADI年产量约8万吨，约占世界年产量50万吨的1/61/5；,我国所生产的ADI铸件中，要求不高的抗磨件如磨球、衬板、锤头等占35%，重型卡车底盘上悬挂件、支架件、拖钩件等零件、铁路机车衬套、支架、垫板、风镐缸体、榨油机榨螺，小型柴油机曲轴、凸轮轴等一般机械承载件占50%，精度要求较高的齿轮和增压发动机曲轴等不到5%。 在北美和欧洲ADI应用市场中，汽车占了主要位置，约占ADI总量的50%以上，特别是重卡的底盘零件，应用很多。美国每辆重卡至少有500公斤以上的ADI零件；欧洲ADI在风力发电零件和工程机械上的应用
15、取得较大进展。,ADI取代原球墨铸铁件、铸钢件、锻钢焊接件和某些铝合金件，在载重汽车、小轿车、柴油机、建筑机械、铁路（机车）、农业机械、闸门工程等领域得到越来越多的应用，用来制造曲轴、齿轮、齿轮架、钢板弹簧支架、支撑座、衬套、发动机固定支架、连杆、缸体、风镐机头、万向连轴节、闸瓦、火车斜楔、销套、磨耗板、汽车轮毂等要求高强度、耐冲击、耐磨和有疲劳性能要求的零件。,实例7-4 东风汽车公司在5吨高机动性越野车试制中，采用ADI代替传统的45号铸钢的底盘零件，使14个零件采用ADI后，总重量由630.62kg减轻至380kg，减重率达39.6%，并在后续的改进中进一步增加ADI零件的数量，使整车A
16、DI件重量达到了550.4kg。,7.4蠕墨铸铁,国外（主要是欧洲）每年生产大约50万台内燃机用的缸体、缸盖等蠕铁件，重量约10万吨，约占欧洲蠕铁产量的2/3，其余是钢锭模、排气管、支架、飞轮、制动毂、液压阀等。在欧洲，柴油发动机的比例比较高，约占50%,四、蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁. 蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的. 蠕化剂为稀土硅铁镁合金、,稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。 蠕墨铸铁的组织： 基体（F、F+P、P）+ 蠕虫状G,蠕墨铸铁中的石墨,蠕墨铸铁的显微组织,蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间
17、。,蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。,制动鼓,返 回,可锻铸铁石墨化退火工艺曲线,7.5 可锻铸铁 石墨呈团絮状的灰口 铸铁，是由白口铸铁 经石墨化退火获得的。 1、组织： 基体(F、P)团絮状G 铁素体基体可锻铸铁又称黑心可锻铸铁。 2、性能：强度为碳钢的00%，接近于铸钢。 名为可锻，实不可锻,可锻铸铁的显微组织,黑心可锻铸铁,珠光体可锻铸铁,可锻铸铁的石墨化退火,3、用途 用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。,表7-6 黑心可锻铸铁的牌号、力学性能及用途,工业铸铁的成分范围与组织,返 回,冶炼后直接铸造成形的钢材。主要用于制造一些形状复杂难以锻造或切削加工，又要求较高强度和塑性，并承受冲击载荷的零件，如轧钢机机架、水压机横梁、重型机械齿轮、轴、轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。,7.6 铸钢,由于铸钢的铸造性能不佳，炼钢设备价格昂贵，故近来有以球墨铸铁部分代替铸钢趋势。,轧辊,外壳,五吨铸造大齿轮,返回,轧钢机机架（铸钢，400吨）,一般工程用铸造碳钢力学性能,