铸钢与铸铁

2. 铸铁的组织特征和分类 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。 铸铁经不同程度石墨化后所得的组织
名
称
石 墨 化 程 度 按 Fe-G 相图结晶、转变 Fe- 相图结晶、
显微组织 F+G F+P+G P+G Le' + P + G Le' + P + Fe3C
第七章 铸钢与铸铁
知识要点 熟悉常用铸钢的性能及应用 熟悉石墨化过程 熟悉常用的几种铸铁的组织和应用
1 铸钢 铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性 铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、 和韧性的零件，例如机车车辆 船舶、 机车车辆、 和韧性的零件，例如机车车辆、船舶、重型机械的齿 轮、轴，以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。 以及轧辊 机座、缸体、外壳、阀体等 轧辊、
灰口铸铁
较高 中等
麻口铸铁 白口铸铁
较低 按 Fe-Fe3C 相图结晶、转变 Fe相图结晶、
常用各类铸铁的组织是两部分组成的，一部分是石墨，另 常用各类铸铁的组织是两部分组成的，一部分是石墨， 一部分是基体。 一部分是基体。 基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，相当于 基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体， 铁或钢的组织。 铁或钢的组织。 所以，铸铁的组织可以看成是铁或钢的基体上分布着石 所以， 墨夹杂
二、铸钢的组织特征和热处理 由于铸钢的浇注温度很高，而且冷却较慢， 由于铸钢的浇注温度很高，而且冷却较慢，所以容 易得到粗大的奥氏体晶粒。在冷却过程中，铁素体首 易得到粗大的奥氏体晶粒。在冷却过程中， 先沿着奥氏体晶界呈网状析出，然后沿一定方向以片 先沿着奥氏体晶界呈网状析出， 状生长，形成“魏氏组织”。魏氏组织的特点是铁素 状生长，形成“魏氏组织” 体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内，使钢的塑性和 体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内， 韧性下降，不能直接使用。 韧性下降，不能直接使用。铸钢要经过退火或正火处 理，以细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力，改善机 以细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力， 械性能。退火或正火后的组织为晶粒比较细小的珠光 械性能。 体和铁素体。 体和铁素体。
σs
MPa 200 240 280 320 350
σb
MPa 400 450 500 580 650
δ5
% 25 20 16 12 10
ψ
% 40 32 25 20 18
ak kJ/m2 600 450 350 300 200
一、铸铁的石墨化过程和特点 1. 铸铁的石墨化过程 在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：一是固溶在F、A中，二是化 在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：一是固溶在F 合物态的渗碳体(Fe3C)，三是游离态石墨（ 合物态的渗碳体(Fe3C)，三是游离态石墨（G）。
碳素铸钢与铸铁相比，强度和塑性、 碳素铸钢与铸铁相比，强度和塑性、韧性 较高，但钢水的流动性差，收缩率较大。 较高，但钢水的流动性差，收缩率较大。 为了改善钢水的流动性，铸钢在浇注时应 为了改善钢水的流动性， 采取较高的浇注温度；为了补偿收缩必须 采取较高的浇注温度； 采用大的浇冒口。 采用大的浇冒口。
箱体
启动阀

铸钢的化学成分及力学性能
化学成分, 化学成分, % 钢号 C ZG15 ZG25 ZG35 ZG45 ZG55 0.12-0.22 0.22-0.32 0.32-0.42 0.42-0.52 0.52-0.62 Mn 0.35-0.65 0.50-0.80 0.50-0.80 0.50-0.80 0.50-0.80 Si 0.20-0.45 0.20-0.45 0.20-0.45 0.20-0.45 0.20-0.45 力学性能
石墨的晶体结构
在不同条件下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图和稳定平 亚稳定平衡的Fe 相图和 在不同条件下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的 -Fe3C相图 复线相图： 相图和Fe 衡的Fe- 相图，即铁碳合金相图应该是复线相图 Fe-Fe3C相图和 － 衡的Fe-G相图，即铁碳合金相图应该是复线相图：Fe-Fe3C相图和Fe－G 相图。铁碳合金究竟按哪种相图变化，决定于加热、冷却条件或获得的 相图。铁碳合金究竟按哪种相图变化，决定于加热、 平衡性质（亚稳平衡还是稳定平衡）。 平衡性质（亚稳平衡还是稳定平衡）。 铸铁中碳原子析出并形成 石墨的过程称为石墨化。 石墨的过程称为石墨化。 石墨既可以从液体和奥氏 体中析出，也可以通过渗 体中析出， 碳体分解来获得。灰口铸 碳体分解来获得。 铁和球墨铸铁中的石墨主 要是从液体中析出；可锻 要是从液体中析出； 铸铁中的石墨则完全由白 口铸铁经长时间退火，由 口铸铁经长时间退火， 渗碳体分解而得到。 渗碳体分解而得到。
另一方面，由于石墨的存在，使铸铁具备下列特殊性能： 另一方面，由于石墨的存在，使铸铁具备下列特殊性能： （1）因石墨的存在，造成脆性切削，铸铁的切削加工性 因石墨的存在，造成脆性切削， 能优异。 能优异。 （2）铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的 铸铁的铸造性能良好， 膨胀，减少了铸件体积的收缩，降低了铸件中的内应力。 膨胀，减少了铸件体积的收缩，降低了铸件中的内应力。 （3）石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件 石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油， 有很好的耐磨性能。 有很好的耐磨性能。 （4）石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗 石墨对振动的传递起削弱作用， 振性能。 振性能。 （5）大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。 大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。
二、常用铸铁 1. 灰铸铁 灰铸铁是价格便宜、应用最广泛的 灰铸铁是价格便宜、 铸铁材料。 铸铁材料。 （1）灰铸铁的牌号 HT150、HT250、 HT150、HT250、HT400 “HT”表示“灰铁” “HT”表示“灰铁”，后面的数字表 表示 示最低抗拉强度。 示最低抗拉强度。 铁素体、 灰铸铁有铁素体 珠光体和 灰铸铁有铁素体、珠光体和铁素体 加珠光体三种基体。 加珠光体三种基体。 三种基体 灰铸铁中的碳、 灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控 制在以下范围： 2.5%～ 制在以下范围： 2.5%～ 1.0%～2.0%Si。 1.0%～2.0%Si。 4.0%C;
渗碳体为亚稳相，具有复杂的斜方结构。 渗碳体为亚稳相，具有复杂的斜方结构。在一 定条件下能分解为铁和石墨（Fe3C→3Fe+C）。 定条件下能分解为铁和石墨（Fe3C→3Fe+C）。 石墨为稳定相，具有特殊的简单六方晶格，底 石墨为稳定相，具有特殊的简单六方晶格， 面原子呈六方网格排列， 面原子呈六方网格排列，原子间距小 （1.42×10-10 m），结合力很强；底面之间的 1.42×10- m），结合力很强； ），结合力很强 间距较大（3.04×10-10 m），结合力较弱。所 ），结合力较弱 间距较大（3.04×10- m），结合力较弱。 以石墨的强度、硬度和塑性 石墨的晶体结构都 以石墨的强度、 很差。 很差。
灰口铸铁的组织 —— 钢基体 + G
不同类型铸铁组织中的石墨形态是不同的。 不同类型铸铁组织中的石墨形态是不同的。 普通灰口铸铁和变质铸铁中的石墨呈片状；可 普通灰口铸铁和变质铸铁中的石墨呈片状； 锻铸铁中石墨呈团絮状， 锻铸铁中石墨呈团絮状，球墨铸铁中的石墨呈 球状，蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。 球状，蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。
影响石墨化的主要因素是： 影响石墨化的主要因素是： (1) 温度和冷却速度 在生产过程中，铸铁的缓慢冷 在生产过程中，
却，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。 或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。 (2) 合金元素 按对石墨化的作用，可分为促进石墨 按对石墨化的作用， 化的元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co等）和阻碍石墨 Si、Al、Cu、Ni、Co等 化的元素（ 化的元素（Cr、W、Mo、V、Mn、S等）两大类。一 Mo、 Mn、 两大类。 化的元素（Cr、 般来说，碳化物形成元素阻碍石墨化，非碳化物形成 般来说，碳化物形成元素阻碍石墨化， 元素促进石墨化，其中以碳和硅最强烈。生产中，调 元素促进石墨化，其中以碳和硅最强烈。生产中， 整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。 整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。
2 铸铁 铸铁是碳质量分数大于2.11%、并常含有较多的硅、 铸铁是碳质量分数大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、 磷等元素的铁碳合金。 磷等元素的铁碳合金。 铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜，并具有许多优良的使 铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜， 用性能和工艺性能，所以应用非常广泛，是工程上最常用的金属 用性能和工艺性能，所以应用非常广泛， 材料之一。 材料之一。 它可用于制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；发动机 它可用于制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱； 的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的 的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴； 底座等。 底座等。
外壳
重型机械齿轮
轧辊
一、碳素铸钢的化学成分及机械性能 碳素铸钢的成分、机械性能及应用 碳素铸钢的成分、 碳含量是影响铸钢件性能的主要元素，随着碳含量的增加 碳含量是影响铸钢件性能的主要元素， 屈服强度和抗拉强度均增加，且抗拉强度比屈服强度增加得 屈服强度和抗拉强度均增加， 更快，但碳质量分数超过0.45%时，屈服强度很少增加，而塑 更快，但碳质量分数超过0.45%时 屈服强度很少增加， 性、韧性却显著下降。从铸造性能来看，适当提高碳含量， 韧性却显著下降。从铸造性能来看，适当提高碳含量， 可降低钢的熔化温度，增加钢水的流动性，钢中气体和夹杂 可降低钢的熔化温度，增加钢水的流动性， 也能减少。所以在生产中使用最多的是ZG230-450、ZG270也能减少。所以在生产中使用最多的是ZG230-450、ZG270500、ZG310-570 三种。 500、ZG310三种。 钢中的硫、磷应很好地控制，因硫会提高钢的热裂倾向， 钢中的硫、磷应很好地控制，因硫会提高钢的热裂倾向， 而磷则使钢的脆性增加。 而磷则使钢的脆性增加。