铸铁的基础知识.docx
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铸铁的基础知识
2铁一碳相图及其应用
正是因为铸铁的组织与铸铁的力学性能、铸造性能和使用性能,甚至切削加工性能等息息相关,我们就必须要掌握铸铁组织的形成规律,以达到控制组织和性能的目的。
铁一碳平衡图就是掌握凝固过程及其形成组织极好工具,从中可以了解铸铁的凝固规律,控制所获得凝固组织的种类、形状和多少。
另外,生产中有多种因素会影响铸铁组织的形成,从铁一碳平衡图上也可一目了然地分析出这些因素对组织的影响情况,从而可通过控制形成的组织类型和数量来控制铸件的性能。
所以,铸造技术人员必须具备熟练应用铁一碳平衡图的能力,这样才能在生产实践中对铸件产生的各类问题进行有理论依据的分析和找出有针对性的解决办法。
2.1铸铁的分类
铸铁是一种以Fe、C、Si为基础的多元合金,其中碳含量(质量分数)为2.0%~4.0%。
铸铁成分中除C、Si外,还有Mn、P、S,号称五大元素。
在铸铁中加入Al、Cr、Ni、Mn等合金元素,可满足耐热、抗磨、耐腐蚀等性能要求,所形成的合金铸铁又称为特种铸铁。
按使用性能,铸铁可被分为工程结构件铸铁与特种性能铸铁两大类(见表
14)。
表14铸铁的分类
类别
组织
断口
工程
灰铸铁
基体+片状石墨
灰口
结构
球墨铸铁
基体+球状石墨
灰口
件铸
蠕墨铸铁
基体+蠕虫状石墨(+少量球状
灰口
铁
石墨)
可锻铸铁
基体+团絮状石墨
生坯:
白口
退火后:
灰口
抗磨铸铁
基体+渗碳体
白口
特种
冷硬铸铁
表层:
基体+渗碳体
表层:
白口
性能
内层:
基体+石墨
内层:
灰口
铸铁
耐热铸铁
基体+片状或球状石墨
灰口
耐腐蚀铸铁
基体+片状或球状石墨
灰口
2.2铁一碳双重相图
221铁一碳双重相图的基本概念
表示合金状态与温度、成分之间关系的图形称为合金相图,是研究合金结
晶过程中组织形成与变化规律的工具。
在极缓慢冷却条件下,不同成分的铁一碳合金在不同温度时形成各类组织的图形为铁一碳合金相图。
铸铁中的碳能以石墨或渗碳体两种独立相存在,因此铁一碳相图存在两重
性,即铁一石墨(C)相图与铁一渗碳体(Fe3C)相图。
在一定条件下,Fe—FesC系相图可以向Fe—C系相图转化,所以Fe—C为稳定系平衡相图,Fe—Fe3C为亚稳定系相图(见图16)。
一、』.-■亠4-』
HjSO0S6-J点;。
16
100%
I252T!
669%
L+FeiC
图16Fe—C(石墨)、Fe—FqC双重相图
铸铁中的咼碳相只有两种:
石墨与渗碳体,石墨(G)为100%的碳,渗碳体(FesC)含碳量仅为6.67%。
在生产中常用的三角试块的尖端处为白口,此处碳以FesC出现;三角试块厚的部位为灰口,此处碳以G形式出现。
这说明,同一成分的铸铁既可按Fe—FesC相图结晶,也可按Fe—C相图结晶,因此,研究铸铁时,必须研究铁一碳合金的双重相图。
2.2.2铁一碳相图与铸铁的结晶
铸铁在凝固过程中要经过三个结晶阶段,即析出初相、共晶转变、共析转
变,在这三个阶段中分别析出不同的组织,见表15
表15铸铁结晶的三个阶段
结晶过程
结晶发
生的临
界线
结晶产物
图标
初析阶段
液相线以下析出初生相
(1)BC及BC'线以下析出初生奥氏体
(2)C'D'线以下析出初生石墨
(3)CD线以下析出初生渗碳体
\少二
出初唯艰代
共
晶阶段
固相线以下发生共晶转变
(1)ECF线以下发生共晶转变,共晶组织为共晶奥氏体+共晶渗碳体
(2)E'C'F'线以下发生共晶转变,共晶组织为共晶奥氏体+共晶石墨
\\屁yi杠加\//r
£/Fc-fejC「卜
//甘朋腹氏煤+其册澤砥
共
析阶段
共析线以下发生共析转变
(1)PSK线以下发生共析转变,奥氏体转变为珠光体(渗碳体+铁素体)
(2)P'S'K'线以下发生共析转
变,奥氏体转变为铁素体+石墨
—
蛍L上^*1_ZAX/丸
在三个阶段的结晶中要记住两个临界点:
共晶点与共析点。
共晶点的意义是:
当铁液温度到达共晶温度、铁液成分到达共晶成分时,铁液就会发生共晶转变。
Fe-C(石墨)系中,共晶点C'的成分是w(C)4.26%;
Fe-Fe3C系中,共晶点C的成分是w(C)4.30%。
共析点的意义是:
当铸铁凝固冷却到共析温度、成分到达共析点成分时,
将发生共析转变。
Fe-C(石墨)系中,共析点S'的成分为w(C)0.69%;
Fe-Fe3C系中,共析点S的成分为w(C)0.76%。
在铁一碳相图中:
具有共晶成分的铸铁,称共晶铸铁;
小于共晶成分的铸铁,称亚共晶铸铁;
大于共晶成分的铸铁,称过共晶铸铁。
在铸铁的凝固过程中,要记住四条特性曲线,即液相线、固相线(共晶转
变线)、碳在奥氏体中的溶解曲线和共析线。
在双重相图、两个临界点、四条特性曲线下,三个阶段结晶中所形成的铸铁组织不同,记住在不同条件下形成的各类组织是十分重要的。
表16为结晶过
程中的两个临界点与四条特性曲线。
表16铸铁结晶过程中的两个临界点和4条特性曲线
名称
曲线或
临界点
特性
图标
液相线
BCD和
BC'D
'线
(1)该线称为液相线,此线以上
为液相区,用L表示
(2)铁液冷却至此线时,开始结晶并析出初相
(3)BC或BC'线以下皆析出初生奥氏体,用A或丫表示
u,FcYlffJR}与
Fc<(石flh備榊握/
(4)在CD线以下析出初生渗碳
体,用Fe3C表示
(5)在C'D'线以下析出初生石墨,用G表示
固相线
(共晶
线)
ECF与
E'C'
F'线
(1)该线称为固相线,合金冷却至此线后凝为固体,此线以下为固态区
(2)液相线与固相线之间,液相与固相并存,为合金的结晶区,BCE或BC'E'区内为铁液+初生奥氏体,在DCF区内为铁液+初生渗碳体,在D'C'F'区内为铁液+初生石墨
(3)该线也称为共晶转变线,铁液冷却至此线以下时发生共晶转变,铁液转变为共晶奥氏体+共晶渗碳体(按ECF线)或转变为共晶奥氏体+共晶石墨(按E'C'F'线)
(4)共晶奥氏体+共晶渗碳体可称为高温莱氏体Ld,用公式表示为Ld=A+Fe3C
、X》
/)f/C卜
/5牖
223铁一碳相图与铸铁组织
表17为铸铁在初析、共晶、共析二个阶段中结晶时形成的组织,表18为
铸铁的结晶过程与室温组织,表19为铁一碳双重相图中的铸铁组织。
在实际生产中,铸铁的组织远不止表19中的7个组成相,还会多出6个组成相,它们对铸铁性能的影响也十分巨大,必须牢牢记住。
表20即为铁一碳相图中不出现的铸铁的6个组成相。
表17铸铁在初析、共晶、共析结晶时形成的组织
结晶过程
亚共晶铸铁
共晶铸铁
过共晶铸铁
Fe-C
Fe-Fe3C
Fe-C
Fe-Fe3C
Fe-C
Fe-Fe3C
初析阶段
初生奥氏体
初生奥氏体
一
一
初生石墨
初生渗碳体
共
晶阶段
共晶奥氏体
+共晶石墨
共晶奥氏体
+共晶渗碳
体
共晶奥氏体
+共晶石墨
共晶奥氏体
+共晶渗碳
体
共晶奥氏体+
共晶石墨
共晶奥氏体+
共晶渗碳体
共
析阶段
共析铁素体
+共析石墨
珠光体
共析铁素体
+共析石墨
珠光体
共析铁素体+
共析石墨
珠光体
类别
亚
结晶
共
/过程
晶
铸
铁——
室温
组织
过
结晶
共
/过程晶
铸
铁
室温
组织
表18铸铁的结晶过程与室温组织
按Fe-C(石墨)稳疋系结晶
按Fe-Fe3C亚稳定系结晶
'I
i
初蚀眾析出利问警铁痕
周相体,「無品转愛*~~t焦晶奥氏萍井鳩石聃
铁素体+石墨(共晶石墨+二二次石墨
+共析石墨)
液相歿
I(析出初ADI
初生石榭剌栾铁貳
析出二次石攝
共析比
铁素体+石墨(初生石墨+共晶石墨
+二次石墨+共析石墨)
铁灌⑹代)
液人罐
*(析岀协相)士」比乂
初生奥氏怖铜齐铁濒
風相佯
丨I其韻转如
無品鳧氏休共聶滇碑佯
奥卜析出二次能罠佯
氏
…共析红
(井析转变)
t
珠光佯(轶描体+潸羈停)
珠光体+莱氏体(珠光体+共晶渗碳体)
+二次渗碳体
|(析岀初締|
初生襟碳体测康f禮
[3Mtt
|【共囲鞘变:
~|
裁晶奥氏体共胡灌碳休
L析岀二津戰体
H盘MI
(共需f如
珠光体(铁累体十毬碳体)
莱氏体(珠光体+共晶渗碳体)+渗碳体
(初生渗碳体+二次渗碳体)
铁港佃
1
固柑垃
共
晶
结晶
过程
1
共晶"
供骷寸
析出
莫晶奧氏体
二次石陽节
共析绒
铸
1
1[共析转变q
铁
I~(共晶转变)I
共晶潅碳体共胡虞氏体
析岀二痕澹碳体十共析塑
(共析转號T
组织
室温铁素体+石墨(共晶石墨+二次石墨
+共析石墨)
莱氏体(珠光体+共晶渗碳体)+二次渗
碳体
表19Fe-C(石墨)、Fe-Fe3C双重相图中的铸铁组织
类
别
组织
代号
特征
主要性能
液
相
液
溶
体
L
1.存在液相线之上的铁液为液相,是碳与其他元素在铁中的无限液溶
体。
2.在液、固线之间也有液体,但成分随温度而变化。
1.优良的流动性;
2•流动性的高低与温度、成分有关。
高
碳
相
石
墨
G
1•石墨是铸铁中以游离状态存在的
碳,含碳量近乎100%。
2.按化学成分与温度不同,石墨有初析石墨、共晶石墨、二次石墨和共析石墨。
3.石墨的形态有片状、球状、蠕虫状、
1.力学性能低:
Rm<20MPa,
硬度3HBW,无塑性;
2.减振好,耐磨性优良。
团絮状。
渗
碳
体
Fe3C
1.铁和碳的化合物,碳的质量分数为
6.69%。
2.按化学成分与温度不同,有初生渗碳体、共晶渗碳体、二次渗碳体及共析渗碳体。
3.渗碳体是不稳定的化合物,在一定的温度条件下可转变成铁素体+石墨,更高温度时又可变为奥氏体+石墨。
1.性能硬、脆:
硬度800〜1000
HBW,塑性与韧性近为零;
2.强度低:
Rm为20〜50MPa。
1.按Fe-Fe3C系共品转变的共晶组
基
体
莱氏体
Ld
织,为渗碳体与奥氏体的共晶体,称为高温莱氏体。
2.冷却至共析温度以下,按Fe-Fe3C转变,奥氏体转变为珠光体,形成珠光体+渗碳体,称为低温莱氏体。
1.具有咼的耐磨性;
2.性硬、脆,冲击韧性低,易脆裂。
1.碳在Y-Fe中的固溶体,面心立方
晶格,1147C时最大的溶碳量是
1.具有良好的塑性与强度,
奥
2.14%。
Rm=400〜800MPa,
氏
A(Y)
2.为铸铁的咼温组织,存在于727〜
A=40%〜50%。
体
1147C之间,只有Mn、Ni含量
2.有一定的硬度160〜200
足够时,才可能出现室温下的奥氏
HBW。
体铸铁。
3.等温淬火时也会有约30%的富碳奥氏体。
1.铁索体与渗碳体组成的机械混合
体,碳的质量分数为0.76%。
1.具有较高强度与硬度,Rm
2.是过冷奥氏体在共析转变时形成
珠
的共析组织。
=400〜800MPa,硬度175〜
光
P
3.共析转变时的过冷度不同,可形成
330HBW。
体
片状珠光体、细片状珠光体(索氏
2.塑性、韧性优于渗碳体,A
=10%〜25%。
体)、极细片状珠光体(托氏体),通
过热处理可获得粒状珠光体。
1.碳在a—Fe中的固溶体,体心立
方品格。
1.具有良好的塑性与韧性,A
铁
2.727C时最大溶碳量(质量分数)
=25%〜60%。
素
ac
为0.034%。
2.强度与硬度稍低,Rm=200〜
体
3.因生成条件不同,其形态有等轴晶
400MPa,硬度70〜150HBW。
粒状、破碎状、牛眼状、网状和针
状。
表20铁、碳相图中不出现的铸铁中的6个组成相
名称
铸铁中存在的原由
特性
奥氏体
热处理时形成的组
织
1.加热至奥氏体化区域并保温,后在250〜400C冷却并保温,使过冷奥氏体等温分解形成针状铁素体+高碳奥氏体。
2.该组织存在于等温淬火球墨铸铁中,该铸铁具有高强度,高
硬度与韧性
马氏体
热处理时形成的组
织
1.加热至奥氏体化区域并保温,后在250C以下冷却,进行无扩散转变而形成马氏体组织,实质上是过饱和a-Fe固溶体,具有很高的硬度与耐磨性。
2.马氏体的塑性、韧性极低,可通过不同的回火获得回火马氏体、回火托氏体、回火索氏体,从而得到不同性能的铸铁。
晶
界共晶物
硫
共
晶
铸铁为多元素的铁
碳合金,铸铁中含
有S
1.当铸铁中Mn较低时,S以FeS的形式形成Fe-FeS的二元硫共晶(熔点985C),当冷却速度大时,则形成
Fe-Fe3C-FeS三元硫共晶(熔点975C)。
2.硫共晶在晶界上析出•易产生热裂并影响力学性能。
磷
共
晶
铸铁中含有P
1.P以二元或三元磷共晶存在于晶界,能使铸铁韧性降低、脆性增加,二元磷共晶为Fe-Fe3P(熔点1050C),三元磷共晶为Fe-Fe3P-Fe3C(熔点953C)。
2.有利于提高耐磨性能
碳化物
铸铁中含有Mn、
Cr、V、Ti、Mo等
合金兀素
1.碳化物是碳与一种或多种合金元素形成的化合物,如(Fe,
Mn)3C、(Fe,Mn,Cr)3C等。
2.常分布于品界,影响力学性能,但在抗磨铸铁中则显著提咼耐磨性。
非金属
夹杂物
在铸铁熔炼时的冶
金反应中所形成的
化合物
1.非金属夹杂物系指除石墨、基体、碳化物、磷共晶、硫共晶以外的组成物,按其成分有氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物及由其组成的多元素的复合化合物。
2.多沿晶界分布,降低力学性能、疲劳强度及流动性。
2.3铁—碳相图对铸铁生产的指导意义
2.3.1利用相图的双重性控制铸铁的结晶过程在熔炼孕育铸铁时,必须通过化学成分等措施将原铁液全部或部分按Fe—
Fe3C系结晶,形成白口或麻口,然后通过孕育手段,使其按Fe—C(石墨)系
结晶。
在共晶转变时变成奥氏体+石墨,不允许出现渗碳体;而可锻铸铁在共晶转变时必须控制铁液按Fe—Fe3C系结晶,即在共晶转变时,形成莱氏体,变成奥氏体+渗碳体,不允许出现石墨。
当需要珠光体基体的铸铁时,可以通过在铁液中加反石墨化元素如Cr、Sb、Sn、Cu等,使铸铁在共析转变时按Fe—Fe3C系结晶,形成珠光体基体。
如果要获得铁素体基体,则通过对铸铁中C、Si含量的控制,使铸铁在共析转变时按Fe—C(石墨)系结晶,形成铁素体基体。
2.3.2通过对三阶段结晶的控制,获得需要的组织与性能
(1)在熔制高强度灰铸铁时,必须采用含C量较低的亚共晶铸铁,添加某些合金元素增加Si/C比及进行孕育处理,是为了:
★在初析阶段析出更多粗大的奥氏体,有利于提高强度;
★使共晶转变时变Fe—Fe3C系结晶为Fe—C(石墨)结晶,不出现渗碳体,以免影响力学性能与加工性能;
★在共析转变时按Fe—Fe3C系进行,形成珠光体基体。
(2)在熔制可锻铸铁时,要选择比高强度灰铸铁更低的C、Si量,确保铁
液结晶时全部为白口,不得有麻口和灰点,即铁液在共晶与共析转变时全部按Fe—Fe3C进行,在初析阶段析出初生奥氏体,在共晶阶段形成奥氏体+渗碳体,在共析阶段奥氏体全部变为珠光体,室温的组织是珠光体+渗碳体。
如果控制不好,有片状石墨存在,将严重影响退火时的石墨,可见控制铸铁按铁—碳双重
相图中哪一系统结晶十分重要
值得指出的是,可锻铸铁中也加孕育剂,但是加的是复合孕育剂,即Be、
Te、Sb等元素在共晶转变时反石墨化,确保其白口;Al、B、Si、Ba、Sr、Ti
等元素在退火时促进石墨化,缩短退火时间。
(3)熔制球墨铸铁和蠕墨铸铁时,它们的原铁液在共晶转变时都是按Fe
—C(石墨)系结晶,铸态为灰口,因为它们的碳当量很高,白口倾向极小;但是其原铁液经过球化或蠕化处理以后,则按Fe—FesC系进行共晶转变,全部为白口,因为Mg、RE都是强烈反石墨化的元素,促使铁液按Fe—FesC系结晶。
对球化或蠕化后的铁液再进行孕育处理,则孕育后的球化铁液或蠕化铁液则按Fe—C(石墨)系结晶,全部变为灰口,因为孕育剂强烈促进石墨化,促使铁液按Fe—C(石墨)系进行结晶。
因此,将球化、蠕化的变质处理及而后的孕育处理与铁一碳双重相图相联系,则对残余Mg量为什么要低,对孕育要确保薄壁处不出现游离渗碳体这些问题,就有了更理性的认识;从而对生产中为什么要尽量减少球化剂以减小白口与缩松倾向,尽量采用瞬时孕育消除游离渗碳体等,有了更深刻的认识。
233控制碳当量与共晶度,选择所需铸铁的种类
(1)碳当量
铸铁中存在多种合金元素,这些合金元素对共晶点碳量的增减是有影响的。
将各元素的量折算成碳量的增减,增减后的碳量称之为碳当量。
在生产实践中,碳当量计算时只考虑Si、P的影响,计算的方式是将Si、P折算成碳量,再加上铸铁的实际碳量,则为碳当量,用CE表示,其计算公式为:
式中C、Si、P皆为铸铁中实际C、Si、P的质量分数(%)。
将碳当量(CE)与铁一碳相图共晶点含碳量(4.26%)相比较,可判断该成分的铸铁偏离共晶点的程度:
CE=4.26%的铸铁,称为共晶铸铁;
CEV4.26%的铸铁,称为亚共晶铸铁;
CE>4.26%的铸铁,称为过共晶铸铁。
(2)共晶度
铸铁偏移共晶点的程度也可用铸铁的实际含碳量与共晶点的实际含碳量之
比值来表示,这个比值称为共晶度,以Sc表示,其计算公式为:
n|C)
w(C)
4.26-1y^Si)+^P)J
w(C)――铸铁中实际的含碳量(质量分数),(%);
w(C')铸铁共晶点的实际含碳量(质量分数),它已包含了w(Si)和w(P)的折算;
4.26%――为铸铁共晶点在稳定系时的w(C)量,(%);w(Si)――铸铁中实际的Si质量分数,(%);
w(P)铸铁中实际的P质量分数,(%)。
以共晶度Sc的高低可判断铸铁偏离共晶点的程度,以此将铸铁分类:
Sc=1,称共晶铸铁;
Sc>1,称过共晶铸铁;
Sc<1,称亚共晶铸铁。
生产中常根据CE的高低、Sc的大小来推断铸铁力学性能的高低、铸造性能的好坏及石墨化能力的大小,因此,碳当量、共晶度是十分重要的参数。
2.4铁一碳相图与铸铁的性能
241铁一碳相图与铸铁的力学性能
生产中似乎很难将所熔制的铸铁与铁一碳相图联系起来,如果将各类铸铁按碳当量的高低列在铁一碳相图上,将会给我们什么样的启发呢?
图17列出了7种铸铁在相图上的位置,它们分别为可锻铸铁KTZ470-04,灰铸铁HT350、HT250、HT150、HT100,球墨铸铁QT600-3,蠕墨铸铁RuT400。
它们的碳当量(CE)分别为2.9%、3.3%、3.6%、4.0%、4.4%、4.6%和4.7%。
可KW?
D-*H
球■诲铁
QT*00-J
«W«t
Ru1400
1IIVI
404.M*4.7
iik・」
2.0J.54A电$M
bv(CH%)
图177种铸铁在铁碳相图中的位置图
通过7种铸铁在相图上的位置,可作出以下分析:
(1)灰铸铁HT350、HT250、HT150与可锻铸铁KTZ470-04是亚共晶铸铁,HTl00、球墨铸铁、蠕墨铸铁是过共晶铸铁。
(2)亚共晶灰铸铁中,碳当量最低、离共晶点最远的HT350的强度最高,HT250次之,HTl50最低,即灰铸铁的碳当量越低,离共晶点越远,强度越高。
由相图分析,原因有二:
一是离共晶点远,碳当量低,说明铸铁中石墨减少,降低了石墨对基体的削弱作用,使铸铁强度增加;二是离共晶点远,液相线与固相线距离变大,析出的奥氏体粗大,数量增多,形成骨架,使铸铁强度增高。
(3)过共晶铸铁HT100在7种铸铁中强度最低。
由相图看出,该铸铁初析阶段析出粗大的初生石墨,加上较高的碳当量与石墨数量,显著增大了石墨对基体的割裂作用,从而导致强度极大地降低。
(4)球墨铸铁QT600-3与蠕墨铸铁RuT400在相图上虽属过共晶铸铁,但石墨呈球状与蠕虫状,碳当量虽高,但其强度不因碳当量升高而下降,其强度还远高于灰铸铁。
这说明对铸铁力学性能的影响中,石墨形态是起决定性作用的,只有在片状石墨下,碳当量对力学性能才起主要作用。
高碳当量的球墨铸铁与蠕墨铸铁之所以有高强度,原因是因石墨的形态发生了变化,即由片状变为球状或蠕虫状,从而大幅度地降低了石墨对基体的割裂作用,说明石墨形态对强度的作用远大于碳当量,是第一位的。
(5)可锻铸铁的强度高于灰铸铁,除其碳当量低于灰铸铁外,主要是热处理后石墨形态变为团絮状石墨的缘故,而后者的作用是主要的。
从以上分析可看出铁—碳相图实用价值的一个侧面。
2.4.2铁—碳相图与铸铁的铸造性能
(1)铁—碳相图与铸铁的凝固方式铸铁的凝固方式有层状凝固、糊状凝固和中间凝固三种,三种凝固方式的铸铁分别为共晶灰铸铁、球墨铸铁和低碳当量的灰铸铁。
这三种铸铁在铁—碳
相图上的位置如图18所示
共晶牺铁
(启收I■固)
低
(申间餐園}
球炳铸铁
EwFe
<
L+r
匚FT石晶)115兀[
WIK-HMM!
fl»IM■»■»■
住-1;曲C1M7V|
353.0334.043455,0
**(C)(%)
I
(2)凝固方式对铸件质量的影响
图18三种凝固形式铸铁在铁碳相图上的位置、
铸铁的凝固与一次结晶都是研究铸铁从液态到固态的变化状况的,即研究
液态到固态的热交换
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- 关 键 词:
- 铸铁 基础知识