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

从铁碳合金相图知道,含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁(cast iron)。虽然铸铁的强度、塑性和韧性较差,不能进行锻造,但它却具有优良的铸造性、减摩性、切削加工性等一系列的性能特点,加上它的生产设备和工艺简单、价格低,因此广泛应用于机械制造、石油、化工、冶金、矿山、交通运输、国防工业等部门。据统计,按重量百分比计算,在农业机械中铸铁件约占(40~60)%;汽车、拖拉机中约占(50~70)%;机床中约占(60~90)%。特别是近年来由于稀土镁球墨铸铁的发展,更进一步打破了钢与铸铁的使用界限,不少过去使用碳钢和合金钢制造的重要零件,如曲轴、连杆、齿轮等,如今已可采用球墨铸铁来制造“以铁代钢”、“以铸代锻”。这不仅为国家节约了大量的优质钢材,而且还大大减少了机械加工的工时,降低了产品的成本。

铸铁之所以具有这些特性,除了因为它具有接近共晶的成分,熔点低,流动性好,易于铸造外,还因为它的C、Si含量较高,使碳大部分不以化合(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)

简称为白口铁,完全按照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.灰口铸铁(gray cast iron)

碳主要结晶成游离状态的石墨。其中碳大部分或全部以片状石墨形状存在,断口为暗灰色,常见的铸铁件多数是灰口铸铁。

3.可锻铸铁(malleable iron)

由一定成分的白口铸铁经石墨化退火处理而获得,其中碳大部分或全部以团状石墨形式存在,由于具有较灰口铸铁高得多的塑性和韧性,习惯上称为可锻铸铁,实际上不能锻。

4.球墨铸铁(nodular cast iron)

铁水在浇注前经球化处理,其中碳大部分或全部以球状石墨形式存在,机械性能高,生产工艺比可锻铸铁简单,近年来日益得到广泛的应用。

5.蠕墨铸铁

碳以蠕虫状石墨形式存在,介于片状和球状石墨之间,是近十几年发展起来的新型铸铁。

此外,为了满足一些特殊要求,向铸铁中加入一些合金元素,如Cr、Cu、Al、B等,可得到耐蚀铸铁、耐热铸铁及耐磨铸铁等合金铸铁。

二、铸铁的石墨化及影响因素

从以上各种铸铁的组织可见,铸铁中的碳可能以化合状态(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

碳和硅是强烈促进石墨化的元素。铸铁中C、Si越高,石墨化越容易进行,越容易得到灰口组织。但过高,石墨多而粗大,组织中铁素体量增多,珠光体量减少,力学性能降低。因此,为了保证得到一定数量的石墨,避免形成白口铸铁,灰口铸铁中C一般控制在(2.5~4.0)%,Si控制在(1.0~3.0)%,厚壁件取下限,薄壁件取上限。砂型铸造时,碳硅含量与铸铁组织的关系如图21-2所示。

(2)硫

S是强烈阻碍石墨化的元素,S阻碍C原子的扩散,S还能增强Fe、C原子的结合力。强烈的阻碍石墨化,S能使铁水的流动性降低,收缩量增大,使铸铁有较大的热裂倾向,因此铸铁中S含量越低越好,一般要控制在0.15%以下。

(3)锰

Mn本身是阻碍石墨化的元素,但它能与S结合,形成MnS浮集到渣中,从而削弱了S阻碍石墨化作用,Mn一般为(0.5~1.4)%。

(4)磷

P对石墨化稍起促进作用,改善铸造性能。但P具有冷脆性,是有害元素,要控制使用。

2.冷却速度

冷却速度对铸铁石墨化的影响很大。冷却越慢,原子扩散越充分,越有利于石墨化进行。而快冷阻止石墨化越容易得到白口组织。

冷却速度的大小主要取决于浇注温度、铸件壁厚和铸型导热能力等多种因素。浇注温度愈高,使得铁水凝固前铸型吸收的热量愈多,铸件冷却就愈慢;各种造型材料的导热性不同,铸件在金属型中的冷却比在砂型中快。同是砂型,湿型的冷却速度大于干型和预热的铸型;铸件壁厚是影响冷却速度的一个重要因素,铸件壁越厚,则冷却速度越小,石墨化就越完全。所以,在实际生产中常常发现同一厚壁处为灰口,而薄壁处出现白口的现象。铸铁的化学成分(C+Si)和冷却速度对组织的影响如图21-3所示。生产中就是利用这一关系,对于不同壁厚的铸件通过调整C和Si的含量以保证得到所需要的灰口组织。

第二节灰口铸铁

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

一、灰口铸铁的成分、组织与性能

(一)灰口铸铁的成分与组织

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

灰口铸铁组织特点是石墨呈片状分布在金属的基体组织上。按金属基体组织的不同,灰口铸铁分为三种类型:铁素体灰口铸铁;铁素体-珠光体灰口铸铁;珠光体灰口铸铁。

1.铁素体灰口铸铁

它是在铁素体的金属基体上分布着粗大的片状石墨。此铸铁的强度、硬度最低,很少用来制造机器零件,但质软,易加工,铸造性能好,可用来制造少数要求不高的铸件或薄件。

2.铁素体--珠光体灰口铸铁

它是在珠光体和铁素体组成的金属基体上分布着片状石墨,其石墨片稍粗大,数量也较多,因此,其强度、硬度较差,此种铸造时易控制,切削性能较好,用途广。

3.珠光体灰口铸铁

它是在珠光体的基体上分布着细小而均匀的片状石墨。强度、硬度最高,主要用于制造重要机件。

(二)灰口铸铁的性能

1.机械性能

灰口铸铁组织是钢的基体上分布有片状石墨,石墨的密度为铸铁的1/3,其体积约占铸铁的(7~10)%,石墨的抗拉强度小于20MPa,塑性近于零,硬度3HBS,石墨的这种特性是改变灰口铸铁机械性能的主要因素。

由于片状石墨象刀口一样对金属基体的严重割裂作用,减少了基体受力的有效面积,使铸件金属基体的作用不能充分发挥,据统计灰口铸铁金属基体强度的利用率一般不超过(30~50)%,这表现为铸铁抗拉强度比碳钢低得多,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

由于铸铁很脆,因此不能进行锻造和冲压,焊接时易于产生裂纹,并出现白口组织,使切削加工增加困难,所以说焊接性能差。

灰口铸铁接近共晶成分,铸造时流动性好,又由于石墨膨胀可使收缩减小,铸造性能最好。

由于石墨具有割裂基体连续性的作用,从而使铸件的切削屑易脆断成碎片,具有良好的切削加工性。

3.减振性

铸铁中的石墨对振动能起缓冲作用,阻止晶粒间振动能的传递,并将振动能量转变为热能。所以,灰口铸铁具有很好的减振性。并且,粗大片状石墨的减振能力大于球状石墨,因此对于承受振动较大的零件,在强度允许时应先采用具有片状石墨的普通灰口铸铁。

4.耐磨性

石墨对铸铁耐磨性的影响主要表现在储油与润滑两个方面。铸铁摩擦面上的石墨构成大量的显微凹坑,起储油作用,可维持油膜的连续性,同时石墨本身又是良好的润滑剂,脱落在摩擦面上也起润滑作用。所以灰口铸铁具有良好的耐磨性。

5.缺口敏感性小

石墨在铸铁中形成大量的小切口,从而减少了它对外来切口(孔洞、断面的急剧过渡、非金属夹杂等)的敏感性。因此,表面加工质量不高对铸铁疲劳强度的不利影响要比对钢的影响小得多。

由于灰口铸铁具有以上一系列的特点,故被广泛地用来制造各种承受压力和要求消振性好的床身、机架、箱体、壳体和经受摩擦的导轨、缸体、活塞环等。

  二、灰口铸铁的孕育处理

普通灰口铸铁的最大弱点是强度低,这是因为一般灰口铸铁的C、Si含量较高,石墨片和基体组织比较粗大。提高灰口铸铁机械性能的有效方法之一是采用孕育处理(inoculation)的方法。它是把作为孕育剂(inoculant)的硅铁或硅钙合金(加入量一般为铁水总质量的0.4%左右)冲入到C、Si含量稍低的铁水中,经搅拌去渣后进行浇注,以获得大量的人工晶核,从而得到石墨片极为细小且均匀分布的珠光体灰口铸铁,这种铸铁又常称为“孕育铸铁”(inoculated cast iron)。其强度、硬度比普通灰口铸铁有显著提高。

孕育铸铁具有较高的强度和硬度,可用来制造力学性能要求较高的铸件,如汽缸、曲轴、凸轮、机床床身等,尤其是截面尺寸变化较大的铸件。

另外,工厂里常用去应力退火和软化退火来消除铸件内应力和白口组织。

  三、灰口铸铁的牌号和应用

灰口铸铁的牌号由“灰铁”汉语拼音的字首“HT”和后面的三位数字组成。后续数字表示最低抗拉强度(MPa)的数值。表21-1列出灰口铸铁的牌号、性能和用途。

第三节可锻铸铁

可锻铸铁又称马铁或玛钢,实际并不可以锻造,这些名称只表示它具有一定的塑性δ=(2~12)%和韧性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为:(2.4~2.7)%C,(1.4~1.8)%Si,(0.5~0.7)%Mn,<0.08%P,<0.25%S。C、Si含量很低,就是为了保证在通常冷却条件下得到白口铸铁件。

根据基体组织的不同,可分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁,其显微组织如图21-5所示。

由于石墨呈团状,对基体的割裂破坏作用比片状石墨小得多,因此有较高的强度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21-2列出常用可锻铸铁的牌号、性能和用途。牌号中“KT”代表可锻铸铁,其后的两组数字,分别表示最低抗拉强度和最低伸长率;“KTH”表示黑心可锻铸铁;“KTZ”表示珠光体可锻铸铁。例如,KTH350-10,表示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

球墨铸铁(简称为球铁)是近几十年来铸铁生产发展的一个重要方面,结合我国资源特点,于六十年代创造了稀土镁球墨铸铁。目前已成功地用于铸造一些受力复杂,强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。

球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨,有效地提高了铸铁的机械性能,特别是提高了塑性和韧性,从而得到比碳钢还高的强度。

球墨铸铁与灰口铸铁相比,C、Si含量较高,而Mn较低,对S、P的限制较严。其化学成分一般为:(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(此为无稀土元素时),当有稀土元素存在时,则Mg可低些。

根据基体组织的不同,常用的球墨铸铁分为三种类型:铁素体球铁、铁素体--珠光体球铁及珠光体球铁。

球墨铸铁良好的机械性能是与其组织特点分不开的,在球铁中,石墨结晶成球状,对基体的割裂作用大为减小,基体强度的利用率达(70~90)%,抗拉强度不仅高于铸铁,甚至还高于碳钢,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)%。

球墨铸铁不仅具有远远超过灰铁的机械性能,而且同样也具有灰铁的一系列优点。如良好的铸造性能、减摩性、切削加工性及低的缺口敏感性等。甚至在某些性能方面可与锻钢相媲美,如疲劳强度大致与中碳钢相似,耐磨性优于表面淬火钢等。此外,球铁还可适应各种热处理,使其机械性能提高到更高的水平。因此。球铁一出现就得到迅速的发展。它可代替部分钢作较重要的零件,对实现以铁代钢、以铸代锻起重要的作用,具有较大的经济效益。珠光体球铁常用于制造曲轴、连杆、凸轮轴、机床主轴、水压机气缸、缸套、活塞等。铁素体球铁用于制造压阀、机座、汽车后桥壳等。

  二、球墨铸铁的牌号的应用

球墨铸铁牌号由“QT”(“球铁”两字汉语拼音字首)和两组数字组成,前一组数字表示最低抗拉强度,后一组数字表示最低伸长率。如QT500-07,表示抗拉强度最低值为500MPa,伸长率最低值为7%的球墨铸铁。球墨铸铁的牌号、性能和用途见表21-3。

  三、球墨铸铁的生产

球铁的生产中要严格控制铁水的化学成分,S、P含量愈低愈好。选择适合的球化剂和孕育剂,球化剂的作用是使石墨结晶时呈球状析出,最常用的是稀土镁合金和稀土硅铁镁,加入量为铁水的(1~1.6)%。镁是重要的球化元素,但密度小(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。

球化处理常用的方法是冲入法,处理时,先将球化剂放到铁水包低部的堤坝内,上面铺以硅铁粉和稻草灰,并压紧,以延缓铁水与球化剂的作用,防止球化剂上浮,提高吸收率。

开始时先将铁水包容量的1/2~1/3铁水冲入包内,使球化剂与铁水发生反应,然后冲入其余铁水,经搅拌扒渣后,即可浇注。

将球化剂置于浇注系统中特制的反应室内进行球化处理的工艺称为型内球化,是近年来球化工艺的新发展。镁的利用率高,质量稳定,并适合流水作业生产等优点。

因球化处理时铁水温度有所降低,为保证流动性,应使铁水的出炉温度高些。

  四、球墨铸铁的热处理

由于球铁基体组织与钢相同,球铁石墨又不易引起应力集中,因此它具有较好的热处理工艺性能。凡是钢可以采用的热处理,在理论上对球铁都适用。常用的热处理方法有以下几种:

1.退火

目的是为了获得高塑性、韧性的铁素体球铁。如汽车、拖拉机的底盘铸件需进行退火处理。

2.正火

目的是增加基体组织中珠光体的含量,并使其细化,提高铸铁的强度、硬度和耐磨性,如发动机的缸套、滑座和轴套等铸件均要进行正火。

此外,还能将铸态珠光体球铁进行调质和等温淬火,以获得高的强度和硬度,但是都只适宜于小件。

第五节蠕墨铸铁及合金铸铁简介

  一、蠕墨铸铁

蠕墨铸铁是70年代发展起来的一种新型高强度铸铁。生产蠕墨铸铁的方法与球铁相似,即在出铁时往铁水中加入蠕化剂,进行蠕化处理,然后加入孕育剂作孕育处理而得到。目前所用的蠕化剂有镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。

蠕墨铸铁的石墨呈蠕虫状,短而厚,端部圆滑,分布均匀。其机械性能介于普通灰铸铁和球铁之间,热疲劳性能好。具有接近灰口铸铁的优良的铸造性能。它主要应用于一些经受热循环载荷,要求组织致密、结构复杂、强度高的铸件,如汽缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。它是一种有发展前程的结构材料。

蠕墨铸铁的牌号用“RuT”加一组数字表示。如RuT420,表示抗拉强度不低于420MPa的蠕墨铸铁。

  二、合金铸铁

随着生产的发展,对铸铁不仅要求有更高的机械性能,而且有时还要求具有某些特殊性能。如耐磨性、耐热性和耐蚀性等。为此,可向铸铁中加入一定量的合金元素制成合金铸铁(alloy cast iron)。

(一)耐磨铸铁(wear resistant cast iron)

向铸铁中加入一定的P、B、V或Ti等元素,使铸铁组织中形成大量均布的高硬度显微夹杂物,大大提高了铸铁的耐磨性。向铸铁中加入Cr、Mo和Cu等元素使基体组织细化和强化,也能提高耐磨性。高P、Cu、Ti合金铸铁是制造机床导轨的好材料。Cr、Mo、Cu合金铸铁主要用在汽车、拖拉机、精密机床方面以及要求较高的大型柴油机汽缸套及活塞环等零件。此外,还有中锰球墨铸铁用于农机上的耙片、犁铧、球磨机的衬板、磨球、拖拉机上的履带板等。

(二)耐热铸铁(heat-resistantcast iron)

耐热铸铁是指在高温下具有较好的抗氧化和抗生长的能力。所谓“生长”是指由于氧化性气体沿着石墨片的边界和裂纹渗入铸铁内部所造成的氧化以及由于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)耐蚀铸铁(corrosion resistant cast iron)

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