文档介绍：材料的结构组织与性能 (五)
材料学院
铸铁
铸铁=钢的基体+石墨
与钢相比成分中含有
较多的Si、P、S等
铸铁的特点
铸铁(cast iron)%的铁碳合金。在工业生产中,因冶炼、原材料等因素,铸铁成分中一般还含有硅、锰、磷、硫等元素,所以实际应用的铸铁是以铁、碳、硅为主的多元铁基合金。铸铁与钢在化学成分上的主要区别是前者的碳、硅以及杂质元素磷、硫含量较高。铸铁的生产成本较低、并且有如下许多优良的性能:
优良的减振性,
较高的耐磨性、
极好的铸造工艺性和切削加工性。
所以,铸铁是工业生产中广泛应用的工程材料。按质量比统计,汽车、拖拉机中,铸铁用量占50%~70%,在机床中占60%~90%,近几十年来,由于铸铁成分、石墨形态、铸造工艺的变化与发展,铸铁性能有了很大的提高。尤其是球墨铸铁已代替部分铸钢或合金钢,用来制造曲轴、连杆、凸轮轴、阀门等重要零件,广泛应用于内燃机、汽车拖拉机、机床等工业领域,是一种质优、价廉、易得的优良铸造材料。
铸铁的性能
化学成分
碳的存在形式
基体类型
石墨的形态、数量、大小及空间分布
石墨
渗碳体
渗碳体具有复杂的晶体结构,而石墨的强度、硬度、塑性都很低,在铸铁中可视为空洞,与渗碳体的性能相去甚远。因此,碳在铸铁中是以化合态的Fe3C形式存在还是以游离态的G形式存在以及二者的相对比例大小,对铸铁的性能都会产生重大影响。
铸铁的石墨化
铸铁的石墨化(graphitization )是指铸铁中石墨的形成过程。
通常将铸铁由高温液态凝固冷却到室温过程中石墨的结晶析出分为三个阶段:
第一阶段石墨化: 过共晶成分的铁水从液相中结晶出一次石墨;共晶和亚共晶成分的铁水在1154℃共晶反应时形成共晶石墨,叫第一阶段石墨化。
第二阶段石墨化: 在1154~738℃的温度范围内,奥氏体中由于碳的溶解度的降低,而沿固溶线析出二次石墨的过程叫第二阶段石墨化。
第三阶段石墨化: 奥氏体在738℃发生共析转变形成共析石墨的过程叫第三阶段石墨化。
影响石墨化的主要因素
工艺条件:在工艺条件中以冷却速度的影响最为强烈。冷速越慢越易获得石墨。
化学成分:促进石墨化的元素有C、Si、Al、Cu、Ni、Co等,阻止石墨化的元素有Cr、W、Mo、V、Mn、S等
C
+
Si
(%)
0 10 20 30 40 50 60 70
壁厚(mm)
1
5
4
3
2
1-P+Fe3C; 2- P+Fe3C+G;3-P+G;4-P+F+G;5-F+G
碳、硅含量和冷却速度对铸铁组织的影响
灰铸铁
灰铸铁(gray cast-iron)是一种断面呈深灰色,石墨形状为片状,应用最为广泛的铸铁(见图)。灰铸铁的片状石墨对基体有很大的割裂作用,石墨尖端易形成应力集中,在所有铸铁中,是石墨形状最差的一种。
灰铸铁的特性:
,容易熔炼,流动性好,可浇铸成形状复杂的铸件。石墨的比体积较大,石墨的析出可部分抵消铸件凝固及冷却过程中的收缩,所以灰铸铁的收缩率较小,设置的浇冒口也可以较小。
、消振性和切削加工性灰铸铁中的片状石墨很容易在摩擦力的作用下剥落下来。而石墨本身是一种性能良好的固态润滑剂,同时石墨剥落后的孔隙能吸附和存储润滑油,使摩擦界面保持良好的润滑状态;由于石墨的润滑作用及断屑作用、故灰铸铁具有良好的切削加工性能;石墨能吸收机械振动能,阻止振动的传播,其消振性比钢好得多。
,可以看成钢的基体上的裂纹或孔洞。石墨片的端部相当于裂纹的尖端,在拉应力的作用下容易形成应力集中,致使其抗拉强度和塑性都很低。所以灰铸铁不能用来制造在拉应力状态下服役的零件。在压应力作用下,石墨不会形成大的应力集中,灰铸铁的抗压强度并不比钢低。所以特别适合制作在压应力状态下服役的零件,如机床的床身、底座、立柱、箱体等。应当指出,灰铸铁的冲击韧度很低,是一种典型的脆性材料,所以不适合制造在冲击载荷作用下服役的零件。
,灰铸铁有较好的耐蚀性及抗氧化性。这与灰铸铁成分中含有较高的硅有关,