普通灰铸铁教学讲义教案

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1、第二章 普通灰铸铁第一节 铁碳双重相图合金相图是分析合金金相组织的有用工具。铸铁是以铁元素为基的含有碳、硅、锰、磷、硫等元素的多元铁合金，但其中对铸铁的金相组织起决定作用的主要是铁、碳和硅，所以，除根据铁碳相图来分析铸铁的金相组织外，还必须研究铁碳硅三元合金的相图。一、铁碳相图的二重性从热力学的观点看，在一定的条件下，高温时的渗碳体能自动分解成为奥氏体和石墨，这表明渗碳体的自由能较高，亦即在这个条件下一定成分的铸铁以奥氏体和石墨的状态存在时具有较低的能量，是处于稳定平衡的状态，说明了奥氏体加渗碳体的组织，虽然亦是在某种条件下形成，在转变过程中也是平衡的，但不是最稳定的。从结晶动力学（晶核的形成

2、与长大过程）的观点来看，以含C 4.3% 的共晶成分液体在低于共晶温度的凝固为例：在液体中形成含C 6.67% 的渗碳体晶核要比形成含C 100% 的石墨核容易，而且渗碳体是间隙型的金属间化合物，并不要求铁原子从晶核中扩散出去。因此，在某些条件下，奥氏体加石墨的共晶转变的进行还不如莱氏体共晶转变那样顺利。至于共析转变，也可以从热力学、动力学两方面去分析而得到和上面相似的结论。由此可见，从热力学观点上看，FeFe3C相图只是介稳定的，FeC（石墨）相图才是稳定的。从动力学观点看，在一定条件下，按FeFe3C相图转变也是可能的，因此就出现了二重性。二、铁碳双重相图及其分析对铸铁合金长期使用与研究的

3、结果，人们得到了如图21所示的铁碳合金双重相图，即FeFe3C介稳定系相图与FeC（石墨）稳定系相图，分别以实线和虚线表示。表21为图中各临界点的温度及含碳量。图 2-1 铁碳相图G石墨 Fe3C渗碳体表21 铁碳相图各临界点的温度、成分从这里看出，在稳定平衡的FeC相图中的共晶温度和共析温度都比介稳定平衡的高一些。共晶温度高出6，共析温度高出9，这是容易理解的。如图22的示意图所示，共晶成分的液体的自由能和共晶莱氏体(奥氏体加渗碳体)的自由能都是随着温度的上升而减低的，这二条曲线的交点就是共晶温度Tc。已知稳定平衡的奥氏体加石墨两相组织的自由能总是比莱氏体的低些，即这条曲线一定在莱氏体曲线的

4、下方，因而它和液体曲线的交点Tc(表示稳定系的共晶温度)就一定比Tc高些。关于共析转变温度问题，亦与共晶温度的讨论相似。图22 铸铁中各种组成体的自由能随温度而变的示意图由于共晶转变和共析转变都是恒温转变，所以稳定平衡相图中的共晶线ECF要和BC线交于C，与JE线交于E。显然C和E的含碳量(分别为4.26%及2.10%)就要比C、E的(分别为4.30%及2.14%)低些;稳定平衡共析线PSK要和GS线交于S，其含碳量(0.69%)要比S(0.760%)低些，和GP线交干P，其含碳量比P点(0.034%)略低，可以略而不计。因此，ECF、ES、PSK各线由于转变温度较高，含碳量较低，就分别落在E

5、CF，ES和PSK的上方或左上方。石墨的熔点D高达4000左右，所以CD线亦在CD线的左上方。分别把这些线段画在FeFe3C相图上，就构成了双重相图。在共晶温度时和石墨平衡的奥氏体中的合碳量(相当于E)比和渗碳体平衡的奥氏体中的合碳量(相当于E) 亦要低些。在铸造生产实际中，经常会碰到这样的问题：用相同化学成分的铁液，浇注不同壁厚的铸件时，或用冷却速度不同的铸型时，会得到灰口或白口断面的铸件，这和双重相图有何联系？简要地说，这是由于冷却速度不同而导致共晶凝固温度的高、低不同所致，如在Tc以下，Tc以上凝固时，一般可得灰口，如过冷至Tc以下凝固时，则有可能进行奥氏体加渗碳体的结晶(形成白口断而)

6、。这样就把双重相图和生产实际问题联系起来了。另外，除冷却速度外化学成分对铸铁组织的形成亦会发生很大的影响，其中尤以硅(除碳以外)的影响为最大，因此，必须要使用Fe-C-Si三元相图才能解释，但为简便计，常用三元相图的等硅切面图分析问题。三、铁一碳一硅准二元相图铸铁中硅的含量一般在0.8%3.5%的范围内变动(特殊铸铁除外)。目前还是常用一定含硅量的铁一碳一硅三元垂直截而图来分析铸铁中碳、硅含量对结晶过程和组织的影响。在铁一碳一硅三元合金中，高碳相亦有可能以石墨和渗碳体两种形式出现，相应地就有铁一石墨一硅和铁一渗碳体一硅两种准二元相图。图2-3为不同硅量的铁一石墨一硅准二元相图。对比FeG和Fe

7、GSi准二元相图，硅的作用有如下各点：1) 共晶点和共析点含碳量随硅量的增加而减少。铁一石墨二元共晶合金含C4.26%，共析合金含C 0.69%，在三元系中含Si2.08%时，其共晶和共析点含碳量则相应为3.65及0.65%左右；含Si4.2%时则相应为3.15%及0.6%左右。E点的合碳量也随着硅的增高而减少，亦就是碳在液体共晶合金以及奥氏体固溶体中的溶解度减少了。2) 硅的加入使相图上出现了共晶和共析转变的三相共存区(共晶区：液相、奥氏体加石墨；共析区：奥氏体、铁素体加石墨)。这说明铁一碳一硅三元合金的共析和共晶转变，不象铁碳二元合金那样在一个恒定的温度完成，而是在一个温度范围内进行，并且

8、共析转变温度范围随着硅量的增加而扩大。 3)共晶和共析温度范围改变了，硅对稳定系和介稳定系的共晶温度的影响是不同的。随着含硅量的增加，两个共晶温度的差别扩大，即含硅量越高，奥氏体加石墨的共晶温度高出奥氏体加渗碳体的共晶温度越多。由于硅的增高，共析转变的温度提高更多，因此，有利于铁素体基体的获得。 4)硅量的增加，还缩小了相图上的奥氏体区。硅量超过10%以后，奥氏体区趋于消失。这对研究高硅耐酸铸铁的凝固过程及组织有参考意义。以上各点，对分析铸铁的凝固过程、组织形成以及制定热处理工艺，都有实际意义。四、碳当量和共晶度的意义及表达式根据各元素对共晶点实际碳量的影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，谓

9、之碳当量，以CE表示，为简化计算，一般只考虑Si、P的影响，因而CEC十13(Si十P)，将CE值和C点碳量(4.26%)相比，即可判断某一成分的铸铁偏离共晶点的程度。如CE4.26%为过共晶成分，CE4.26%为共晶成分，CE4.26%为亚共晶成分。铸铁偏离共晶点的程度还可用铸铁的实际合碳量和共晶点的实际含碳量的比值来表示，这个比值称为共晶度，以Sc表示。式中 C铁铸铁实际含碳量(%)； Cc 一一稳定态共晶点的含碳量(%); Si、P 铸铁中硅、磷含量(%)如Scl为过共晶、Sc1为共晶、Sc 1。三、提高灰铸铁性能的主要途径 为提高灰铸铁的性能，常采用：合理选定化学成分、孕育处理、微量或

10、低合金化。根据要求，各种措施还可同时采用。（一）合理选定化学成分提高硅碳比。对于灰铸铁来说，碳当量增高，性能降低。在碳当量较低时，适当提高硅碳比，强度性能会有所提高，切削性能有较大改善，但缩松、渗漏倾向可能会提高。（二）孕育处理把孕育剂加入铁液中，以改变铁液的冶金状态，从而改善铸铁的组织和性能，而这种改变往往难以用化学成分的细微变化来解释。（三）低合金化向一定成分的普通灰铸铁中加入少量合金元素，是提高灰铸铁力学性能的另一个有力手段。四 孕育铸铁的生产技术1 孕育的目的l 促进石墨化，减少白口倾向；l 改善断面均匀性；l 控制石墨形态，减少过冷石墨，获得细小的A型石墨；l 增加共晶团数量；l 改

11、善力学性能和其他性能；2铸铁的强度范围：HT200以上牌号均需要孕育处理；3 孕育铸铁的原铁水化学成分要求：孕育前应具有一定过冷倾向，组织应为马口组织，孕育后铸件凝固时完全进入灰口区。因此，原铁水的含碳量2.8-3.2，含硅量取1.5%。如果原铁水的碳当量过高，孕育后石墨粗大，降低力学性能。如果碳当量太低，铸造性能不好。含锰量较高0.8-1.2%。4 孕育剂及孕育处理方法(1)常用的孕育剂名称性能特点使用范围备注硅铁孕育速效，1.5min内达到峰值，810min衰退；减少过冷和白口倾向，增加共晶团数，有利于形成A型石墨；强度可以提高1020Mpa。大量适用于HT200以上的牌号，价格便宜钡硅铁

12、比硅铁有更强的增加共晶团数和改善断面均匀性的能力；抗衰退能力强，孕育效果可达到20min。各种牌号的灰铸铁，尤其是大型壁厚件及浇注时间长的条件；价格贵，比硅铁高出2535锶硅铁减小白口能力比硅铁高出3050，断面均匀性和抗衰退能力比硅铁好，特别是，在减少白口的同时，不增加共晶团数，有利于减少缩松；易溶解，夹渣少。适用于薄壁件，尤其是不希望有高的共晶团数，对缩松渗漏有要求的铸件。价格高(2)孕育方法包内冲入法将孕育剂加入包内，然后冲入铁液。其特点是工艺简单，但是孕育剂易氧化，孕育剂易漂浮，吸收率低，孕育剂容易与夹渣裹在一起，使孕育剂渣化，衰退严重。出铁槽孕育出铁时，用手工或孕育剂料斗，将孕育剂加

13、在出铁槽铁水流中。其特点是较包内孕育孕育剂的氧化减轻，用量相对减少，浇注前铁液停留时间长，孕育衰退。浇杯孕育把孕育剂放在浇杯内，铁液倒入浇杯，孕育剂溶解后进入铸型。其特点是孕育衰退减轻，孕育剂用量少；但是，增加了造型工作量，孕育剂颗粒易漂浮。 硅铁棒孕育浇注时，通过铁液流对包嘴处的硅铁棒冲刷来达到孕育。其特点是衰退少，孕育剂用量大大减少，但是硅铁棒制作麻烦，孕育剂用量不易控制，对较注工艺要求高。大块浮硅孕育将大块孕育剂放在包内，冲入铁液使孕育块边熔边浮，出铁完毕时，铁液表面仍有1415的硅铁块，或包内冲入后，在铁液表面再撒一层硅铁粒。其特点是铁液表面富硅，浇注时与低硅铁液一同进入铸型，衰退少，

14、操作简单，减少硅铁的破碎。但是硅铁块度要和铁液温度、铁水包的容量相匹配；孕育剂消耗量大。如图所示孕育丝孕育把孕育剂放在空芯金属管内，采用喂丝机精确给料，均匀送入浇口杯。其特点是孕育剂用量少（0.08以下），无孕育衰退，孕育剂加入量准确。但是，孕育丝成本高，要求喂丝系统控制可靠。铁液流孕育利用重力或气动或振动把孕育剂加入到正在浇注的铁液流中。其特点是孕育剂用量可减少到0.1%以下，无衰退，这种方法一般用于生产线的浇注机上。 型内孕育把孕育块放在浇注系统内，铁液进入型腔时杯孕育。其特点是孕育均匀，无衰退，孕育剂用量可减少至0.05-0.1%。要求孕育块均匀连续熔化，容易产生渣孔。 4 孕育效果的评

15、价（1）常规方法：观察三角试片的白口宽度。一般尺寸为2550150mm，参考数据牌号原铁水白口宽度mm孕育后白口宽度mm二者之比HT250410261.5:1HT300810492:1HT35012245102.5:1HT40016286123:1注意：l 浸水冷却时要注意采用间断浸水；l 孕育前的白口宽度小于铸件的主要壁厚；l 孕育后的白口宽度大于铸件最小壁厚的12；l 孕育后白口宽度过大，需要补加孕育剂；l 孕育后白口宽度过小，需要稳定珠光体的元素；（2）观察共晶团数：利用金相显微镜观察，多用于实验室研究。（3）测量过冷度：利用热分析方法测定。（详细论述其原理及应用注意事项） 5 生产孕育

16、铸铁的注意事项：l 孕育剂使用前要烘干，防止吸潮；或者孕育剂不能放在潮湿地方，防止粉化；l 禁止使用纯硅做孕育剂；纯硅孕育效果非常差，必须含有少量的铝、钙等元素；但是孕育剂中的含铝量不能太高，否则易产生皮下气孔。l 孕育处理要讲究方法；l 出铁温度要大于1450；l 孕育剂粒度不宜过粗或过细；与处理的铁水量和温度有关，一般小于0.5吨，粒度取13mm；瞬时孕育时，粒度0.22mm；粉状孕育剂不能用；l 注意孕育剂种类的选用；如表所示；l 孕育后防止衰退，在15min以内浇注完毕；第二章 普通灰铸铁第一节 铁碳双重相图1一、铁碳相图的二重性1二、铁碳双重相图及其分析1三、铁一碳一硅准二元相图4四

17、、碳当量和共晶度的意义及表达式4第二节 灰铸铁的结晶过程5一 铸铁的一次结晶过程5（一）初析石墨的结晶5（二）初析奥氏体的结晶5（三）共晶凝固过程6（四）片状石墨的种类7二、二次结晶8（一）奥氏体中碳的脱溶8（二）共析转变9（三）贝氏体的形成9（四）马氏体的形成9第三节 灰铸铁金相组织和力学性能特点9一 灰铸铁的金相组织特点9二 灰铸铁的性能特点10（一）强度性能较差10（二）硬度特点10（三）较低的缺口敏感性10（四）良好的减震性10（五）良好的减摩性10第四节 工艺因素对铸铁组织和性能的影响10一 冷却速度的影响11二、化学成分的影响11（一）各元素在铸铁中存在得状态11（二）常见元素对铁

18、碳相图上共晶温度的影响12（三）化学成分对石墨的影响12（四）各元素对金属基体的影响13（五）常用合金元素的具体作用14（六）常见微量元素的作用14三、铁液的过热和高温静置的影响14四、孕育的影响14五、炉料的影响14第五节 灰铸铁件的生产技术16一 灰铸铁的标准16二、灰铸铁的质量控制指标17（一）成熟度及相对强度17（二）硬化度及相对硬度17（三）品质系数18三、提高灰铸铁性能的主要途径18（一）合理选定化学成分18（二）孕育处理18（三）低合金化18四 孕育铸铁的生产技术181 孕育的目的182铸铁的强度范围：193 孕育铸铁的原铁水化学成分要求：194 孕育剂及孕育处理方法194 孕育效果的评价2127