知识篇——铸铁经典法则

             

第一节铸铁的分类、石墨化及影响因素

一、铸铁的特点与分类

从铁(tie)(tie)(tie)碳(tan)合金(jin)(jin)相图知(zhi)道,含碳(tan)量(liang)大于2.11%的(de)(de)(de)铁(tie)(tie)(tie)碳(tan)合金(jin)(jin)称为铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)(cast iron)。虽然(ran)铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)的(de)(de)(de)强度、塑性(xing)(xing)和韧性(xing)(xing)较差,不(bu)(bu)能进行锻(duan)造,但它却具有(you)优良的(de)(de)(de)铸(zhu)造性(xing)(xing)、减摩性(xing)(xing)、切削加工(gong)(gong)性(xing)(xing)等一(yi)(yi)系列的(de)(de)(de)性(xing)(xing)能特点,加上它的(de)(de)(de)生产设(she)备和工(gong)(gong)艺简单、价(jia)格低(di),因此广(guang)泛应用于机(ji)械制造、石油、化工(gong)(gong)、冶金(jin)(jin)、矿山、交通(tong)运(yun)输、国防工(gong)(gong)业(ye)等部门。据统(tong)计,按重量(liang)百(bai)分比计算,在农业(ye)机(ji)械中(zhong)铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)件约(yue)占(zhan)(40~60)%;汽车、拖拉机(ji)中(zhong)约(yue)占(zhan)(50~70)%;机(ji)床(chuang)中(zhong)约(yue)占(zhan)(60~90)%。特别是近年来(lai)由于稀土镁球墨铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)的(de)(de)(de)发展,更进一(yi)(yi)步打破了(le)钢(gang)与铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)的(de)(de)(de)使用界(jie)限,不(bu)(bu)少(shao)(shao)过去使用碳(tan)钢(gang)和合金(jin)(jin)钢(gang)制造的(de)(de)(de)重要零件,如曲轴(zhou)、连杆、齿轮等,如今(jin)已可采(cai)用球墨铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)来(lai)制造“以(yi)铁(tie)(tie)(tie)代(dai)钢(gang)”、“以(yi)铸(zhu)代(dai)锻(duan)”。这不(bu)(bu)仅为国家节(jie)约(yue)了(le)大量(liang)的(de)(de)(de)优质钢(gang)材,而且还大大减少(shao)(shao)了(le)机(ji)械加工(gong)(gong)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)时(shi),降低(di)了(le)产品(pin)的(de)(de)(de)成本(ben)。

铸(zhu)铁之(zhi)所(suo)以具有这些特(te)性,除了因为它具有接近共(gong)晶的成分(fen),熔点低,流动性好,易于铸(zhu)造外,还因为它的C、Si含(han)量(liang)较高,使碳大部分(fen)不(bu)以化(hua)合(he)(Fe

3

C)而是呈游离的石墨状态存在,石墨有润滑作用和吸油能力,因而铸铁有良好的减摩性和切削加工性。根据碳在铸铁组织中存在形式不同,可分为以下几类:

    1.白口铸铁(white cast iron)

简(jian)称为白口铁,完全按(an)照Fe-Fe

3

C 相图进行结晶而得到的铸铁。其中碳全部以渗碳体(Fe

3

C)形式存在,断口呈银白色。由于存在有大量硬而脆的Fe

3

C,硬度高,脆性大,很难切削加工。很少用来直接制造机器,主要用于炼钢原料或制造可锻铸铁的毛坯。

    2.灰口铸(zhu)铁(gray cast iron)

碳(tan)主要结晶成游离状态的石墨(mo)。其中碳(tan)大部分或(huo)全部以片状石墨(mo)形(xing)状存在,断口为暗灰(hui)色,常(chang)见的铸铁件(jian)多数是灰(hui)口铸铁。

    3.可锻铸铁(tie)(malleable iron)

由一定成分(fen)的(de)白口铸(zhu)铁(tie)经石墨化退火处理而获(huo)得,其中碳大部分(fen)或全部以(yi)团(tuan)状(zhuang)石墨形式存在,由于具有较灰(hui)口铸(zhu)铁(tie)高得多的(de)塑(su)性(xing)和韧(ren)性(xing),习惯(guan)上称为可锻(duan)铸(zhu)铁(tie),实际上不能锻(duan)。

    4.球(qiu)墨铸铁(nodular cast iron)

铁(tie)(tie)水(shui)在浇注(zhu)前经(jing)球化处(chu)理(li),其中碳大部分或全部以球状(zhuang)石墨(mo)形(xing)式存在,机(ji)械(xie)性能(neng)高,生(sheng)产(chan)工(gong)艺比可锻铸(zhu)铁(tie)(tie)简单(dan),近(jin)年来(lai)日益得到广泛的应用。

    5.蠕墨铸(zhu)铁

碳以(yi)蠕虫(chong)状石墨形式存在(zai),介于片状和球状石墨之间(jian),是近十几年(nian)发展起(qi)来的新型铸(zhu)铁。

此外,为(wei)了满足一些特殊(shu)要求(qiu),向铸(zhu)(zhu)(zhu)铁中加入(ru)一些合金(jin)(jin)元素(su),如Cr、Cu、Al、B等,可得到耐(nai)蚀铸(zhu)(zhu)(zhu)铁、耐(nai)热铸(zhu)(zhu)(zhu)铁及耐(nai)磨(mo)铸(zhu)(zhu)(zhu)铁等合金(jin)(jin)铸(zhu)(zhu)(zhu)铁。

二、铸铁的石墨化及影响因素

从以上各种铸铁的组(zu)织可(ke)见,铸铁中(zhong)的碳可(ke)能以化合状态(Fe

3

C)或自由状态(石墨)两种形态存在。铸铁在结晶过程中,碳以石墨形态析出的现象称为石墨化。铸铁中石墨化程度直接决定了铸铁的组织和性能。影响铸铁中石墨化的因素主要有化学成分和冷却速度。

    1.化学成分

    (1)碳和硅

碳和硅(gui)是(shi)强烈促进(jin)石墨(mo)化的(de)(de)元素。铸(zhu)铁中(zhong)(zhong)C、Si越高(gao),石墨(mo)化越容(rong)易(yi)(yi)进(jin)行,越容(rong)易(yi)(yi)得到灰口(kou)组(zu)织(zhi)(zhi)。但过高(gao),石墨(mo)多(duo)而(er)粗大,组(zu)织(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)铁素体(ti)量(liang)增(zeng)多(duo),珠光体(ti)量(liang)减少(shao),力(li)学性能降低。因此,为了保证得到一定数量(liang)的(de)(de)石墨(mo),避免形成(cheng)白口(kou)铸(zhu)铁,灰口(kou)铸(zhu)铁中(zhong)(zhong)C 一般控制(zhi)在(zai)(2.5~4.0) %,Si控制(zhi)在(zai)(1.0~3.0) %,厚壁件(jian)取(qu)下限(xian),薄壁件(jian)取(qu)上限(xian)。砂型铸(zhu)造时,碳硅(gui)含量(liang)与铸(zhu)铁组(zu)织(zhi)(zhi)的(de)(de)关系如图21-2所示。

(2)硫

    S是(shi)强烈阻(zu)碍石墨化的元素,S阻(zu)碍C原子的扩散(san),S还能增(zeng)强Fe、C原子的结合力(li)。强烈的阻(zu)碍石墨化,S能使铁(tie)水的流(liu)动性降(jiang)低,收缩量增(zeng)大,使铸(zhu)(zhu)铁(tie)有较大的热裂倾向,因此(ci)铸(zhu)(zhu)铁(tie)中S 含量越低越好,一(yi)般要控制在0.15%以下(xia)。

(3)锰

Mn本身是阻碍石墨(mo)化的元素,但它能(neng)与S结合,形成MnS浮集到(dao)渣中(zhong),从而(er)削弱了S阻碍石墨(mo)化作用,Mn一般为(0.5~1.4) %。

(4)磷

    P对石墨(mo)化稍(shao)起促进作用,改善(shan)铸造性能。但P具有冷脆性,是有害元素,要控(kong)制(zhi)使用。

    2.冷却速度

冷却速度对铸铁石墨化(hua)的影响很大。冷却越(yue)(yue)慢(man),原子(zi)扩散越(yue)(yue)充(chong)分,越(yue)(yue)有利于石墨化(hua)进行。而快冷阻(zu)止(zhi)石墨化(hua)越(yue)(yue)容易(yi)得到白(bai)口组(zu)织。

冷(leng)却(que)(que)(que)速度(du)(du)的(de)(de)大(da)小主要(yao)取决(jue)于浇注温(wen)(wen)度(du)(du)、铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)件(jian)壁(bi)(bi)厚(hou)和(he)铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)型(xing)导热(re)能力等(deng)多种因(yin)素。浇注温(wen)(wen)度(du)(du)愈(yu)高,使得铁水(shui)凝(ning)固(gu)前铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)型(xing)吸收(shou)的(de)(de)热(re)量(liang)愈(yu)多,铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)件(jian)冷(leng)却(que)(que)(que)就(jiu)愈(yu)慢;各种造型(xing)材料的(de)(de)导热(re)性不同(tong),铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)件(jian)在金属型(xing)中(zhong)的(de)(de)冷(leng)却(que)(que)(que)比在砂型(xing)中(zhong)快。同(tong)是砂型(xing),湿型(xing)的(de)(de)冷(leng)却(que)(que)(que)速度(du)(du)大(da)于干型(xing)和(he)预热(re)的(de)(de)铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)型(xing);铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)件(jian)壁(bi)(bi)厚(hou)是影响冷(leng)却(que)(que)(que)速度(du)(du)的(de)(de)一(yi)个重要(yao)因(yin)素,铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)件(jian)壁(bi)(bi)越厚(hou),则冷(leng)却(que)(que)(que)速度(du)(du)越小,石墨化(hua)就(jiu)越完全。所(suo)(suo)以,在实际生产中(zhong)常常发现(xian)(xian)同(tong)一(yi)厚(hou)壁(bi)(bi)处为灰口(kou),而薄壁(bi)(bi)处出现(xian)(xian)白口(kou)的(de)(de)现(xian)(xian)象。铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)铁的(de)(de)化(hua)学成分(C+Si)和(he)冷(leng)却(que)(que)(que)速度(du)(du)对组(zu)织的(de)(de)影响如图21-3所(suo)(suo)示(shi)。生产中(zhong)就(jiu)是利用这一(yi)关系(xi),对于不同(tong)壁(bi)(bi)厚(hou)的(de)(de)铸(zhu)(zhu)(zhu)(zhu)件(jian)通(tong)过调整C和(he)Si 的(de)(de)含量(liang)以保证得到所(suo)(suo)需要(yao)的(de)(de)灰口(kou)组(zu)织。

第二节灰口铸铁

灰口铸铁(简称为灰铁)是价格便宜,应用最广(guang)的一种铸铁,占(zhan)各种铸铁总含量的80%以上。

一、灰口铸铁的成分、组织与性能

    (一(yi))灰(hui)口(kou)铸铁的成分与组织

灰口铸铁的化学成分大致为(wei):(2.6~3.6) %C,(1.2~3.0) %Si,(0.4~1.2)%Mn,≤0.15%S,≤0.3%P。

灰口(kou)铸(zhu)(zhu)(zhu)铁(tie)(tie)组(zu)织特(te)点(dian)是(shi)石墨呈片(pian)状分(fen)布在(zai)金属(shu)的基(ji)体(ti)组(zu)织上。按(an)金属(shu)基(ji)体(ti)组(zu)织的不(bu)同,灰口(kou)铸(zhu)(zhu)(zhu)铁(tie)(tie)分(fen)为三种类型:铁(tie)(tie)素体(ti)灰口(kou)铸(zhu)(zhu)(zhu)铁(tie)(tie);铁(tie)(tie)素体(ti)-珠(zhu)光(guang)体(ti)灰口(kou)铸(zhu)(zhu)(zhu)铁(tie)(tie);珠(zhu)光(guang)体(ti)灰口(kou)铸(zhu)(zhu)(zhu)铁(tie)(tie)。

1.铁素体(ti)灰(hui)口铸铁

它是在(zai)铁(tie)素体的(de)(de)金属基体上分布(bu)着(zhe)粗大的(de)(de)片状石墨。此铸铁(tie)的(de)(de)强度(du)、硬度(du)最低,很少(shao)用来(lai)制造机器零(ling)件,但(dan)质(zhi)软(ruan),易加(jia)工(gong),铸造性能好,可(ke)用来(lai)制造少(shao)数要求(qiu)不(bu)高的(de)(de)铸件或薄件。

2.铁素体--珠(zhu)光体灰口铸铁

它是(shi)在(zai)珠光体(ti)(ti)和铁素体(ti)(ti)组成的(de)金(jin)属(shu)基(ji)体(ti)(ti)上分(fen)布着片状石(shi)墨,其(qi)石(shi)墨片稍粗大,数量(liang)也较(jiao)多,因此,其(qi)强度、硬度较(jiao)差(cha),此种铸造时(shi)易控制,切削性能较(jiao)好(hao),用(yong)途广。

3.珠光体灰口(kou)铸铁(tie)

它(ta)是在珠(zhu)光体的基体上分布着细小而(er)均匀(yun)的片状石墨。强度、硬度最高,主要(yao)用于制造重要(yao)机件(jian)。

(二)灰口铸(zhu)铁的性能(neng)

1.机械性能

灰口(kou)铸(zhu)(zhu)铁(tie)组织是(shi)钢(gang)的(de)(de)(de)基体上分布有片状石(shi)墨(mo)(mo),石(shi)墨(mo)(mo)的(de)(de)(de)密度(du)(du)为铸(zhu)(zhu)铁(tie)的(de)(de)(de)1/3,其体积约(yue)占(zhan)铸(zhu)(zhu)铁(tie)的(de)(de)(de)(7~10)%,石(shi)墨(mo)(mo)的(de)(de)(de)抗拉强度(du)(du)小于(yu)20MPa,塑性近于(yu)零,硬度(du)(du)3HBS,石(shi)墨(mo)(mo)的(de)(de)(de)这种(zhong)特(te)性是(shi)改变灰口(kou)铸(zhu)(zhu)铁(tie)机械性能的(de)(de)(de)主要因素。

由于片状石(shi)墨象刀口(kou)一样对金属基(ji)(ji)体(ti)(ti)的(de)严重割裂作用(yong),减少了(le)基(ji)(ji)体(ti)(ti)受力的(de)有效(xiao)面积,使铸件金属基(ji)(ji)体(ti)(ti)的(de)作用(yong)不能充分发挥,据统计灰口(kou)铸铁金属基(ji)(ji)体(ti)(ti)强度的(de)利用(yong)率一般不超过(30~50)%,这表现为铸铁抗拉强度比碳(tan)钢低得多,σ

b

为(120~250)MPa,塑性、韧性较差,并且几乎没有延伸率(δ≈0),使普通灰口铸铁成为脆性材料,故常把灰口铸铁看成具有大量微小裂纹或孔洞的碳钢。但石墨对基体的割裂作用和造成的应力集中对压应力的有害影响较小,所以灰口铸铁的抗压强度较高。石墨数量愈多,愈粗大,分布愈不均匀,对基体的割裂就愈严重,其机械性能愈差。由上可知,普通灰铁性能好坏的关键是组织中的石墨,即其性能取决于铸铁的石墨化程度。

2.工艺性能(neng)

由于(yu)铸铁很脆,因此不(bu)能进行锻(duan)造和冲压(ya),焊(han)接时易于(yu)产生裂纹,并出(chu)现(xian)白口组织,使切削加工(gong)增加困(kun)难,所以说焊(han)接性能差(cha)。

灰口铸铁接近共晶成分,铸造时(shi)流动性好,又由(you)于石墨(mo)膨胀(zhang)可使(shi)收缩减小,铸造性能最(zui)好。

由于(yu)石墨具有割裂基体连续性的(de)作用,从而(er)使铸件的(de)切(qie)削(xue)(xue)屑(xie)易脆断成碎片,具有良(liang)好的(de)切(qie)削(xue)(xue)加工性。

3.减振性

铸(zhu)铁中的(de)石(shi)墨(mo)对振(zhen)(zhen)动(dong)能(neng)起缓(huan)冲作用(yong),阻止晶粒间振(zhen)(zhen)动(dong)能(neng)的(de)传递,并将(jiang)振(zhen)(zhen)动(dong)能(neng)量转变为热(re)能(neng)。所以,灰口铸(zhu)铁具有(you)很好的(de)减振(zhen)(zhen)性。并且,粗大(da)片状石(shi)墨(mo)的(de)减振(zhen)(zhen)能(neng)力(li)大(da)于球状石(shi)墨(mo),因此(ci)对于承(cheng)受(shou)振(zhen)(zhen)动(dong)较大(da)的(de)零件,在(zai)强度允许时(shi)应先(xian)采(cai)用(yong)具有(you)片状石(shi)墨(mo)的(de)普(pu)通灰口铸(zhu)铁。

4.耐磨性

石墨(mo)(mo)对铸铁耐(nai)磨性(xing)的(de)(de)影响主要表现在(zai)储油与(yu)润(run)(run)滑两个方面(mian)。铸铁摩擦面(mian)上的(de)(de)石墨(mo)(mo)构成大量的(de)(de)显微凹坑,起储油作用,可维持油膜的(de)(de)连续(xu)性(xing),同时石墨(mo)(mo)本身又是(shi)良(liang)(liang)好的(de)(de)润(run)(run)滑剂(ji),脱落在(zai)摩擦面(mian)上也起润(run)(run)滑作用。所以灰口铸铁具有(you)良(liang)(liang)好的(de)(de)耐(nai)磨性(xing)。

5.缺口敏感(gan)性(xing)小

石墨在铸铁(tie)中形(xing)成大(da)量的小切口(kou),从而减少了它对(dui)外(wai)来切口(kou)( 孔洞、断面(mian)的急剧(ju)过渡(du)、非(fei)金属夹杂(za)等)的敏感性。因(yin)此,表面(mian)加工质量不高对(dui)铸铁(tie)疲劳强(qiang)度的不利影响要比对(dui)钢(gang)的影响小得多。

由(you)于灰(hui)口铸铁(tie)具有以上一系列的特点,故被(bei)广泛地用(yong)来制造(zao)各种承受压(ya)力和要求(qiu)消振性好(hao)的床身、机架、箱体(ti)、壳体(ti)和经受摩擦(ca)的导轨、缸(gang)体(ti)、活塞环等。

  二、灰口铸铁的孕育处理

普(pu)通(tong)(tong)灰(hui)口铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)(tie)的(de)(de)最大弱(ruo)点是(shi)强度低,这是(shi)因为(wei)(wei)(wei)一般(ban)灰(hui)口铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)(tie)的(de)(de)C、Si含(han)量(liang)较高,石(shi)墨片和基体组织比较粗大。提(ti)高灰(hui)口铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)(tie)机械性(xing)能的(de)(de)有(you)效方法之一是(shi)采用(yong)孕育处(chu)理(inoculation)的(de)(de)方法。它(ta)是(shi)把作为(wei)(wei)(wei)孕育剂(inoculant)的(de)(de)硅铁(tie)(tie)(tie)(tie)或硅钙合金(加入(ru)量(liang)一般(ban)为(wei)(wei)(wei)铁(tie)(tie)(tie)(tie)水总(zong)质量(liang)的(de)(de)0.4%左右)冲入(ru)到C、Si含(han)量(liang)稍低的(de)(de)铁(tie)(tie)(tie)(tie)水中,经(jing)搅(jiao)拌去渣后进行浇注,以获(huo)得大量(liang)的(de)(de)人(ren)工(gong)晶核,从而得到石(shi)墨片极为(wei)(wei)(wei)细(xi)小且均匀分(fen)布的(de)(de)珠光体灰(hui)口铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)(tie),这种铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)(tie)又常称为(wei)(wei)(wei)“孕育铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)(tie)”(inoculated cast iron)。其强度、硬(ying)度比普(pu)通(tong)(tong)灰(hui)口铸(zhu)铁(tie)(tie)(tie)(tie)有(you)显(xian)著(zhu)提(ti)高。

孕育铸铁具有较(jiao)高的(de)(de)强度(du)和硬(ying)度(du),可用来(lai)制造力学性(xing)能(neng)要(yao)求较(jiao)高的(de)(de)铸件(jian),如汽缸(gang)、曲(qu)轴(zhou)、凸(tu)轮(lun)、机(ji)床床身等,尤其是截面(mian)尺寸(cun)变化较(jiao)大的(de)(de)铸件(jian)。

另外,工(gong)厂里常(chang)用去(qu)应力退(tui)火和(he)软化退(tui)火来消除(chu)铸件内应力和(he)白(bai)口组(zu)织。

  三、灰口铸铁的牌号和应用

灰(hui)(hui)口(kou)铸(zhu)铁的牌号(hao)由“灰(hui)(hui)铁”汉语拼音的字(zi)(zi)首(shou)“HT”和后(hou)面的三位数字(zi)(zi)组成。后(hou)续数字(zi)(zi)表(biao)示最(zui)低抗拉强度(MPa)的数值。表(biao)21-1列(lie)出灰(hui)(hui)口(kou)铸(zhu)铁的牌号(hao)、性(xing)能(neng)和用(yong)途。

第三节可锻铸铁

可(ke)(ke)锻铸铁又称马铁或玛钢,实(shi)际并不可(ke)(ke)以锻造(zao),这些名称只表示它具(ju)有一定的塑性δ=(2~12) %和(he)韧性a

KU

≤30J/cm

,故称为展性铸铁或韧性铸铁。可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理使渗碳体分解而得到团絮状石墨的一种高强度铸铁。按退火方法不同有黑心和白心两种类型铸铁。黑心可锻铸铁依靠石墨化退火获得,白心可锻铸铁利用氧化脱碳退火来制取。后者已很少生产,我国主要生产黑心可锻铸铁。

可锻铸铁的化学成分(fen)为(wei):(2.4~2.7)%C,(1.4~1.8)%Si,(0.5~0.7)%Mn,<0.08%P,<0.25%S。C、Si含量(liang)很低(di),就(jiu)是为(wei)了保(bao)证在通常冷却条件(jian)下得到白(bai)口铸铁件(jian)。

根据(ju)基体组织的(de)不同,可分为铁(tie)(tie)素体可锻铸铁(tie)(tie)和珠光体可锻铸铁(tie)(tie),其显微组织如图21-5所示(shi)。

由于(yu)石墨(mo)呈团(tuan)状,对基体的割裂(lie)破坏(huai)作用比片状石墨(mo)小得多,因(yin)此有较高的强(qiang)度σ

b

=(300~700)MPa,以及较好的塑性和韧性,适于生产对机械性能要求较高,承受冲击负荷的薄壁( 厚度不超过25mm)形状复杂的小型铸件,如各种管接头、阀门及汽车上的一些小零件。但可锻铸铁生产周期长,工艺复杂,成本较高,近年来有些可锻铸铁件已部分地被球墨铸铁所代替。

表(biao)(biao)21-2列出常用(yong)可锻铸铁的牌号、性能和用(yong)途。牌号中“KT ”代表(biao)(biao)可锻铸铁,其后的两组(zu)数字,分别表(biao)(biao)示最低(di)抗拉强度和最低(di)伸(shen)长率;“KTH”表(biao)(biao)示黑心可锻铸铁;“KTZ”表(biao)(biao)示珠光体可锻铸铁。例如,KTH350-10,表(biao)(biao)示σ

b

最低值为350MPa,δ最低值为10%的铁素体黑心可锻铸铁。

第四节球墨铸铁

    一、球墨铸铁的组织和性能

球(qiu)墨铸(zhu)(zhu)铁(简(jian)称为球(qiu)铁)是近几十年来(lai)铸(zhu)(zhu)铁生产发展的一个重要方(fang)面(mian),结合我国(guo)资(zi)源特点(dian),于六十年代创造(zao)了稀土镁球(qiu)墨铸(zhu)(zhu)铁。目(mu)前已成功(gong)地用于铸(zhu)(zhu)造(zao)一些受力(li)复杂(za),强度、韧性(xing)、耐磨性(xing)要求较高的零件。

球墨铸(zhu)铁(tie)是通过球化和孕育处(chu)理得到(dao)球状石墨,有(you)效地提(ti)高了铸(zhu)铁(tie)的机械性能(neng),特别是提(ti)高了塑性和韧性,从而得到(dao)比碳钢还高的强度。

球墨铸(zhu)铁与(yu)灰口铸(zhu)铁相(xiang)比,C、Si含量较(jiao)高(gao),而Mn较(jiao)低,对S、P的限制(zhi)较(jiao)严。其化(hua)学(xue)成(cheng)分一般为(wei):(3.5~3.8)%C,(2.0~3.0)%Si,(0.5~0.7)%Mn,<0.08%P,<0.02%S,(0.03~0.07)%Mg(此为(wei)无稀(xi)土(tu)元(yuan)素(su)时),当有稀(xi)土(tu)元(yuan)素(su)存(cun)在时,则Mg可(ke)低些。

根据基体(ti)组织的(de)不同,常(chang)用的(de)球(qiu)墨(mo)铸(zhu)铁分为(wei)三种类型:铁素体(ti)球(qiu)铁、铁素体(ti)--珠光(guang)体(ti)球(qiu)铁及珠光(guang)体(ti)球(qiu)铁。

球(qiu)墨(mo)铸铁良(liang)好(hao)的(de)(de)机(ji)械(xie)性能是与其组织(zhi)特点(dian)分(fen)不(bu)开(kai)的(de)(de),在(zai)球(qiu)铁中,石墨(mo)结晶成球(qiu)状,对基(ji)体的(de)(de)割裂(lie)作用大为减小,基(ji)体强度(du)的(de)(de)利用率达(70~90)%,抗拉强度(du)不(bu)仅(jin)高(gao)于铸铁,甚至还高(gao)于碳(tan)钢,σ

b

=(400~600)MPa,σ

s

=(300~400)MPa。屈强比σ

s

b

为0.7~0.8,比钢约高40%左右。塑性、韧性比灰口铸铁大大提高,δ=(1.5~10)%,经热处理最高可达δ=(20~25)%。

球墨(mo)铸铁(tie)(tie)不(bu)仅具有远远超过(guo)灰铁(tie)(tie)的(de)(de)(de)机械(xie)性(xing)能(neng),而(er)且同样也具有灰铁(tie)(tie)的(de)(de)(de)一(yi)系列优(you)(you)点。如良好的(de)(de)(de)铸造性(xing)能(neng)、减摩性(xing)、切削(xue)加工性(xing)及(ji)低的(de)(de)(de)缺口敏感性(xing)等。甚至在某(mou)些性(xing)能(neng)方面可与锻(duan)钢相媲美,如疲劳强度大(da)致与中碳钢相似,耐磨性(xing)优(you)(you)于表面淬火钢等。此外(wai),球铁(tie)(tie)还可适应各种(zhong)热处理,使其机械(xie)性(xing)能(neng)提高(gao)到更高(gao)的(de)(de)(de)水(shui)平(ping)。因此。球铁(tie)(tie)一(yi)出现就(jiu)得到迅速的(de)(de)(de)发展。它(ta)可代替部分钢作较重要的(de)(de)(de)零件,对实现以(yi)铁(tie)(tie)代钢、以(yi)铸代锻(duan)起(qi)重要的(de)(de)(de)作用,具有较大(da)的(de)(de)(de)经济(ji)效益。珠光体(ti)球铁(tie)(tie)常(chang)用于制造曲轴(zhou)、连杆、凸轮轴(zhou)、机床(chuang)主轴(zhou)、水(shui)压机气缸、缸套、活(huo)塞等。铁(tie)(tie)素体(ti)球铁(tie)(tie)用于制造压阀、机座(zuo)、汽车(che)后桥壳等。

  二、球墨铸铁的牌号的应用

球墨铸(zhu)铁(tie)牌号由(you)“QT”(“球铁(tie)”两字(zi)(zi)(zi)汉语拼音字(zi)(zi)(zi)首) 和两组(zu)数字(zi)(zi)(zi)组(zu)成(cheng),前一组(zu)数字(zi)(zi)(zi)表示最低(di)抗拉强(qiang)度,后一组(zu)数字(zi)(zi)(zi)表示最低(di)伸(shen)长(zhang)率。如QT500-07,表示抗拉强(qiang)度最低(di)值为500MPa,伸(shen)长(zhang)率最低(di)值为7%的球墨铸(zhu)铁(tie)。球墨铸(zhu)铁(tie)的牌号、性能和用途见表21-3。

  三、球墨铸铁的生产

球(qiu)铁(tie)的(de)生产中要严格控制铁(tie)水(shui)的(de)化学成分,S、P含(han)量(liang)(liang)愈(yu)低(di)愈(yu)好。选择适合(he)的(de)球(qiu)化剂(ji)和孕育(yu)剂(ji),球(qiu)化剂(ji)的(de)作用(yong)是使石墨结晶时呈球(qiu)状析出,最常(chang)用(yong)的(de)是稀土镁(mei)合(he)金(jin)和稀土硅铁(tie)镁(mei),加入(ru)量(liang)(liang)为铁(tie)水(shui)的(de)(1~1.6)%。镁(mei)是重要的(de)球(qiu)化元(yuan)素,但密度小(xiao)(1.74g/cm

) ,沸点低(1120℃),若直接加到铁水中,将立即沸腾,镁的回收率低,且易出事故。稀土元素的球化作用比镁弱,但有强烈的脱硫、去气能力,还能细化组织,改善铸造性能。孕育剂的作用是促进铁水的石墨化,防止产生白口。由于镁和稀土元素都是阻止石墨化的元素,球化同时需加孕育剂。孕育剂为75%硅铁,加入量为铁水重量的(0.4~1.0)%,同时要掌握好球化处理和热处理工艺。

球化处理常用的(de)方法是(shi)冲(chong)入法,处理时,先(xian)将球化剂放到铁(tie)水(shui)包低(di)部的(de)堤坝内,上(shang)面铺以硅铁(tie)粉(fen)和稻草灰,并压(ya)紧,以延缓铁(tie)水(shui)与(yu)球化剂的(de)作用,防止球化剂上(shang)浮(fu),提高吸收率。

开始时先将(jiang)铁水包容量的1/2~1/3铁水冲入(ru)包内,使球(qiu)化剂与铁水发生(sheng)反应,然后(hou)冲入(ru)其(qi)余铁水,经(jing)搅拌(ban)扒渣后(hou),即可浇注。

将球(qiu)化(hua)剂置于浇注系统中特(te)制(zhi)的(de)反应室内进行球(qiu)化(hua)处理的(de)工艺称为(wei)型(xing)内球(qiu)化(hua),是近年来球(qiu)化(hua)工艺的(de)新发(fa)展。镁(mei)的(de)利(li)用(yong)率高,质(zhi)量稳(wen)定,并适合流水作业生产(chan)等优点(dian)。

因球化(hua)处理时铁(tie)(tie)水温度有所降低(di),为保证流动性(xing),应使(shi)铁(tie)(tie)水的出炉温度高些。

  四、球墨铸铁的热处理

由(you)于(yu)球铁基体组织与钢相同,球铁石墨又不易(yi)引起应力集中,因此(ci)它具有较好的(de)(de)热(re)处(chu)理(li)工艺性能。凡是钢可以(yi)采用的(de)(de)热(re)处(chu)理(li),在理(li)论上(shang)对球铁都适用。常用的(de)(de)热(re)处(chu)理(li)方法有以(yi)下几种:

1.退火

目的是(shi)为了获得高塑性、韧(ren)性的铁素体(ti)球铁。如汽车(che)、拖拉机(ji)的底盘铸件(jian)需进行(xing)退火处(chu)理。

2.正火(huo)

目的(de)(de)是增加基体(ti)组(zu)织中珠(zhu)光体(ti)的(de)(de)含量,并使其细化,提高铸铁的(de)(de)强度、硬度和耐磨性,如发(fa)动机的(de)(de)缸套(tao)、滑座和轴套(tao)等铸件均要进行(xing)正火。

此(ci)外,还(hai)能(neng)将铸态(tai)珠(zhu)光体球铁进行调质(zhi)和(he)等温(wen)淬火,以获得高的强(qiang)度和(he)硬度,但是都只适宜于小件(jian)。

第五节蠕墨铸铁及合金铸铁简介

  一、蠕墨铸铁

蠕(ru)(ru)墨(mo)铸铁是70年代发(fa)展起来的(de)一(yi)种(zhong)新型高强度铸铁。生产蠕(ru)(ru)墨(mo)铸铁的(de)方法(fa)与球(qiu)铁相(xiang)似,即(ji)在出铁时往铁水中加入蠕(ru)(ru)化剂(ji),进(jin)行蠕(ru)(ru)化处理(li),然后加入孕育剂(ji)作孕育处理(li)而(er)得到。目前所(suo)用的(de)蠕(ru)(ru)化剂(ji)有镁(mei)钛(tai)合金、稀(xi)土(tu)镁(mei)钛(tai)合金或稀(xi)土(tu)镁(mei)钙合金等。

蠕墨铸(zhu)(zhu)铁(tie)(tie)的(de)(de)石墨呈(cheng)蠕虫状,短而厚(hou),端部圆滑(hua),分布均匀(yun)。其机(ji)械性能介(jie)于普(pu)通灰铸(zhu)(zhu)铁(tie)(tie)和球铁(tie)(tie)之间(jian),热疲劳性能好。具有(you)接(jie)近灰口铸(zhu)(zhu)铁(tie)(tie)的(de)(de)优(you)良的(de)(de)铸(zhu)(zhu)造(zao)性能。它主要(yao)应用于一些经受(shou)热循环载荷,要(yao)求组织(zhi)致(zhi)密(mi)、结构(gou)复杂、强度高的(de)(de)铸(zhu)(zhu)件(jian),如汽缸(gang)盖、汽缸(gang)套、钢(gang)锭(ding)模、液压阀等铸(zhu)(zhu)件(jian)。它是一种(zhong)有(you)发(fa)展前(qian)程(cheng)的(de)(de)结构(gou)材料。

蠕墨(mo)铸铁(tie)的牌号用“RuT”加一组数字表示。如(ru)RuT420,表示抗拉强度不低(di)于420MPa的蠕墨(mo)铸铁(tie)。

  二、合金铸铁

随着生产的(de)发(fa)展,对铸(zhu)铁不仅要求有(you)(you)更高(gao)的(de)机械性(xing)(xing)能,而且有(you)(you)时还要求具有(you)(you)某些(xie)特殊(shu)性(xing)(xing)能。如耐磨性(xing)(xing)、耐热性(xing)(xing)和耐蚀(shi)性(xing)(xing)等(deng)。为此,可(ke)向铸(zhu)铁中加入(ru)一定量的(de)合金元素(su)制成合金铸(zhu)铁(alloy cast iron)。

(一(yi))耐(nai)磨铸铁(tie)(wear resistant cast iron)

向(xiang)铸(zhu)(zhu)(zhu)铁(tie)中加入(ru)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)P、B、V或(huo)Ti等(deng)元(yuan)(yuan)素,使铸(zhu)(zhu)(zhu)铁(tie)组织中形(xing)成大量均布的(de)(de)(de)高硬度显微夹(jia)杂物,大大提(ti)高了(le)铸(zhu)(zhu)(zhu)铁(tie)的(de)(de)(de)耐(nai)磨(mo)性(xing)。向(xiang)铸(zhu)(zhu)(zhu)铁(tie)中加入(ru)Cr、Mo和Cu等(deng)元(yuan)(yuan)素使基体组织细(xi)化(hua)和强化(hua),也(ye)能提(ti)高耐(nai)磨(mo)性(xing)。高P、Cu、Ti合(he)金铸(zhu)(zhu)(zhu)铁(tie)是制造机床(chuang)导轨(gui)的(de)(de)(de)好材(cai)料。Cr、Mo、Cu 合(he)金铸(zhu)(zhu)(zhu)铁(tie)主(zhu)要用在汽(qi)(qi)车、拖(tuo)拉(la)机、精密机床(chuang)方面以及要求较高的(de)(de)(de)大型柴油机汽(qi)(qi)缸(gang)套(tao)及活(huo)塞环等(deng)零件。此外(wai),还有中锰(meng)球(qiu)(qiu)墨铸(zhu)(zhu)(zhu)铁(tie)用于农机上的(de)(de)(de)耙片、犁(li)铧、球(qiu)(qiu)磨(mo)机的(de)(de)(de)衬(chen)板、磨(mo)球(qiu)(qiu)、拖(tuo)拉(la)机上的(de)(de)(de)履(lv)带板等(deng)。

(二)耐热(re)铸铁(heat-resistant cast iron)

耐热铸(zhu)铁是(shi)指(zhi)在高(gao)温下(xia)具有较(jiao)好的抗(kang)氧(yang)化(hua)和(he)抗(kang)生长(zhang)的能力。所谓“生长(zhang)”是(shi)指(zhi)由(you)于(yu)氧(yang)化(hua)性气体沿着石墨片的边界和(he)裂纹渗入铸(zhu)铁内(nei)部所造成的氧(yang)化(hua)以及由(you)于(yu)Fe

3

C分解而发生的石墨化引起铸铁件体积膨胀。向铸铁中加入一定量的Al、Si或Cr等元素,一方面使铸铁表面形成致密的氧化膜(Al

2

O

3

、SiO

2

、Cr

2

O

3

),使这类铸铁在高温下具有抗氧化、不起皮的能力;另一方面,这些元素提高了铸铁组织的相变温度,阻止了Fe

3

C的分解,增强了铸铁在高温下的抗生长性,使铸件的性能与尺寸稳定,即提高了耐热性。耐热铸铁可用于制造炉门、炉栅等耐热件。

(三(san))耐蚀(shi)铸铁(corrosion resistant cast iron)

耐(nai)(nai)蚀铸铁是指在腐蚀性介质中工作时具有耐(nai)(nai)蚀能力的铸铁。它们主要应用于化工部门,如阀门、管道、泵、容器等。提高铸铁耐(nai)(nai)蚀性主要靠(kao)加入大量(liang)的Si、Al、Cr、Ni、Cu等合金元素。在铸件表面形成保护膜,可以(yi)提高铸铁的耐(nai)(nai)蚀性能。