金属材料与热处理教案第8章铸铁Word文件下载.docx
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教具:
三角板一只。
课
时
安
排
节
次
内容
总
其中
讲授
实验、实习
课堂作业
1
铸铁基础知识与灰铸铁
2
1.5
0.5
可锻铸铁与球墨铸铁
3
蠕墨铸铁与合金铸铁
合计
5
第1节(每节、每课或连排2课时)
2节
星期日/月
掌握铸铁的概念及铸铁的分类;
了解铸铁的石墨化过程及影响石墨化的因素;
掌
握铸铁的组织与性能的关系;
掌握灰铸铁的成分与组织;
掌握灰铸铁的力学性能;
掌握灰铸铁的
牌号与用途。
1、铸铁的分类;
2、铸铁的石墨化;
3、铸铁的组织与性能的关系。
1、灰铸铁的成分与组织;
2、灰铸铁的力学性能;
3、灰铸铁的牌号与用途。
作业布置:
配套习题册一、1.2.3.4.二、1.2.3.4.5.三、1.2.3。
教具:
教学过程
转下页
课后小结:
铸铁于钢相比,具有优良的铸造性能和切削加工性能,生产成本低廉,且耐压、耐磨和减振等性能具佳,在生产中广泛应用于机械制造、冶金、石油化工、交通、建筑和国防工业各部门。
灰铸铁是铸铁中用的最多的。
所以今天学习铸铁的分类并了解铸铁的性能是必要的,也是必须的,希望大家认真完成课后作业。
含碳量在2%以上的铁碳合金。
工业用铸铁一般含碳量为2%~4%。
碳在铸铁中多以石墨形态存在,有时也以渗碳体形态存在。
除碳外,铸铁中还含有1%~3%的硅,以及锰、磷、硫等元素。
合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。
碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。
8.1.1铸铁的分类
1.根据铸铁石墨化程度分
(1)灰口铸铁:
即在结晶过程中充分墨化的铸铁,其断口为暗灰色,游离碳全部以石墨状态存在。
(2)白口铸铁:
没有石墨化,完全按Fe-Fe3C相图进行结晶而得到的铸铁。
(3)麻口铸铁:
石墨化未充分进行,工业上应用少(脆、硬)。
2.根据铸铁中石墨形态分
石墨以片状存在于铸铁中;
(2)可锻铸铁:
石墨以团絮状存在于铸铁中;
(3)球墨铸铁:
石墨以球状存在于铸铁中;
(4)蠕墨铸铁:
石墨以蠕虫状存在于铸铁中。
8.1.2铸铁的石墨化
铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。
1.石墨化的途径
石墨既可以从液体和奥氏体中析出,也可以通过渗碳体分解来获得.灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出;
可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火,由渗碳体分解而得到。
2.影响石墨化的因素
化学成分:
随C、Si↑→G核↑,有利于G析出;
S↑→阻碍G,促进白口化,所以严格控制。
冷却速度:
V↑→原子来不急扩散,G难以进行;
易白口。
V小——易得到灰口。
所以设计时:
合理选择铸件壁厚。
8.1.3铸铁的组织与性能的关系
铸铁的力学性能主要取决于基体的组织和石墨的形态、数量、大小以及分布状态。
其中基体的组织一般可通过不同的热处理加以改变。
力学性能:
由于石墨对基体有严重割裂,所以铸铁的抗拉强度和塑性都很低。
(1)优良的铸造性能;
(2)良好的切削加性;
(3)优良的耐磨性与减震性;
(4)较低的机械性;
(5)缺口敏感性较低。
8.1.4灰铸铁的成分与组织
灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁,主要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷,是应用最广的铸铁,其产量占铸铁总产量80%以上。
价格便宜,应用广泛,占铸铁总量的80%
。
影响灰口铸铁组织和性能的因素:
化学成分的影响(主要是控制C、Si含量),冷却速度的影响(冷速越快,越易形成白口铁)。
灰铸铁碳量较高(为2.7%~4.0%),可看成是碳钢的基体加片状石墨。
按基体组织的不同灰铸铁分为三类:
铁素体基体灰铸铁;
珠光体一铁素体基体灰铸铁;
珠光体基体灰铸铁。
(1)铁素体灰铸铁:
在铁素体的基体上分布着多而粗大的石墨片,其强度、硬度差,很少应用。
(2)珠光体灰铸铁:
在珠光体的基体上分布着均匀、细小的石墨片,其强度、硬度相对较高,常用于制造床身、机体等重要件。
(3)珠光体—铁素体灰铸铁:
在珠光体和铁素体混合的基体上,分布着较为粗大的石墨片,此种铸铁的强度、硬度尽管比前者低,但仍可满足一般机体要求,其铸造性、减震性均佳,且便于熔炼,是应用最广的灰铸铁。
灰铸铁显微组织的不同,实质上是碳在铸铁中存在形式的不同。
灰铸铁中的碳有化合碳(Fe3C)和石墨碳所组成。
化合碳为0.8%时,属珠光体灰铸铁;
化合碳小于0.8%时,属珠光体—铁素体灰铸铁;
全部碳都以石墨状态存在时,则为铁素体灰铸铁
8.1.5灰铸铁的力学性能
灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。
灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重,在石墨尖角处易造成应力集中,使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢,但抗压强度与钢相当,也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。
同时,基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响,铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大,强度和硬度最低,故应用较少;
珠光体基体灰铸铁的石墨片细小,有较高的强度和硬度,主要用来制造较重要铸件;
铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大,性能不如珠光体灰铸铁。
故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁
8.1.6灰铸铁的性能和孕育处理
经过孕育处理后的灰铸铁叫做孕育铸铁。
孕育剂为硅类合金和碳类合金。
其目地是形成非自发晶核,细化石墨,细化组织,提高强度;
避免铸件边缘及薄断面出现白口组织,提高组织的均匀性。
8.1.7灰铸铁的牌号与用途
灰铸铁的牌号由“灰铁”汉语拼音字母字头“HT”及后面的一组数字组成,数字表示最低抗拉强度。
如:
HT200:
用于制造承受较大负荷的零件,如机床的床身、立柱、汽车缸体、缸盖、轮毂、联轴器等。
第2节(每节、每课或连排2课时)
掌握可锻铸铁化学成分;
了解可锻铸铁的性能及用途;
掌握可锻铸铁的牌号表示
方法;
了解球墨铸铁的性能;
了解球墨铸铁常用热处理工艺种类;
掌握球墨铸铁的牌号表示方法。
学会正确识别可锻铸铁与球墨铸铁;
能正确选用球墨铸铁常用热处理方法。
1、可锻铸铁化学成分;
2、可锻铸铁的性能及用途;
3、球墨铸铁的性能。
1、可锻铸铁的牌号表示方法;
2、球墨铸铁常用热处理;
3、球墨铸铁的牌号。
配套习题册一、5.6.7.8.二、6.7.8.9.10.三、4.5.6。
本次课重点在于学习可锻铸铁及球墨铸铁的组织、性能及牌号,难点在于可锻铸铁及球墨铸铁的热处理工艺。
通过学习本节内容,再联系前面第六章学习过的钢的热处理工艺加于比较,看看铸铁的热处理于钢的热处理工艺有何异同。
注意一点可锻铸铁是不可以锻造的哦,而球墨铸铁的性能是所有几种铸铁中力学性能最好的。
可锻铸铁,由一定化学成分的铁液浇注成白口坯件,再经退火而成的铸铁,有较高的强度、塑性和冲击韧度,可以部分代替碳钢。
可锻铸铁白口铸铁通过石墨化退火处理得到的一种高强韧铸铁。
有较高的强度、塑性和冲击韧度,可以部分代替碳钢。
它与灰口铸铁相比,可锻铸铁有较好的强度和塑性,特别是低温冲击性能较好,耐磨性和减振性优于普通碳素钢。
这种铸铁因具有-定的塑性和韧性,所以俗称玛钢、马铁,又叫展性铸铁或韧性铸铁。
8.2.1可锻铸铁化学成分
首先浇注成白口铸铁件,然后经可锻化退火(可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨)而获得可锻铸铁件。
可锻铸铁的化学成分是:
wC=2.2%~2.8%,wSi=1.0%~1.8%,wMn=0.3%~0.8%,wS≤0.2%,wP≤0.1%。
可锻铸铁的组织有二种类型:
(1)铁素体(F)+团絮状石墨(G);
(2)珠光体(P)+团絮状石墨(G)。
8.2.2可锻铸铁的性能及用途
1.可锻铸铁的性能
白口铸铁的切削加工性能极差,但是经过高温回火后,有较高的强度和可塑性,可以切削加工。
由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状,对基体的割裂作用较小,因此它的力学性能比灰铸铁高,塑性和韧性好,但可锻铸铁并不能进行锻压加工。
可锻铸铁的基体组织不同,其性能也不一样,其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性,而珠光体可锻铸铁具有较高的强度,硬度和耐磨性。
2.可锻铸铁的用途
黑心可锻铸铁的强度、硬度低,塑性、韧性好,用于载荷不大、承受较高冲击、振动的零件。
珠光体基体可锻铸铁因具有高的强度、硬度,用于载荷较高、耐磨损并有一定韧性要求的重要零件。
8.2.3可锻铸铁的牌号表示方法
1.牌号表示方法
可锻铸铁的牌号是由“KTH”(“可铁黑”三字汉语拼音字首)或“KTZ”(“可铁珠”三字汉语拼音字首)后附最低抗拉强度值(MPa)和最低断后伸长率的百分数表示。
例如牌号KTH350—10表示最低抗拉强度为350MPa、最低断后伸长率为10%的黑心可锻铸铁,即铁素体可锻铸铁;
KTZ650—02表示最低抗拉强度为650MPa、最低断后伸长率为2%的珠光体可锻铸铁。
2.常见的几种可锻铸铁
(1)铸铁牌号KTH300—06、KTH330—08、KTH350—10、KTH370—12:
用于制造管道配件、低压阀门、汽车拖拉机的后桥外壳、转向机构、机床零件等。
(2)铸铁牌号KTZ450—06、KTZ550—04、KTZ650—02、KTZ700—02:
制造强度要求较高、耐磨性较好的铸件,如齿轮箱、凸轮轴、曲轴、连杆、活塞环等
(3)铸铁牌号KTB380—04、KTB380—12、KTB400—05、KTB450—07:
此为白心可锻铸铁,仅限于制造薄壁铸件和焊接后不需进行热处理的铸件、由于工艺较复杂,故在机械制造上较少应用。
8.2.4球墨铸铁概述
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。
球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料,其综合性能接近于钢,正是基于其优异的性能,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。
球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。
所谓“以铁代钢”,主要指球墨铸铁。
8.2.5球墨铸铁的性能
球铁铸件差不多已在所有主要工业部门中得到应用,这些部门要求高的强度、塑性、韧性、耐磨性、耐严重的热和机械冲击、耐高温或低温、耐腐蚀以及尺寸稳定性等。
为了满足使用条件的这些变化、球墨铸铁现有许多牌号,提供了机械性能和物理性能的一个很宽的范围。
如国际标准化组织ISO1083所规定的大多数球墨铸铁铸件,主要是以非合金态生产的。
显然,这个范围包括抗拉强度大于800牛顿/平方毫米,延伸率为2%的高强度牌号。
另一个极端是高塑性牌号,其延伸率大于17%,而相应的强度较低(最低为370牛顿/平方毫米)。
强度和延伸率并不是设计者选择材料的唯一根据,而其它决定性的重要性能还包括屈服强度、弹性模数、耐磨性和疲劳强度、硬度和冲击性能等。
另外,耐蚀性和抗氧化以及电磁性能对于设计者也许是关键的。
为了满足这些特殊使用,研制了一组奥氏体球铁,通常叫Ni一Resis球铁。
这些奥氏体球铁,主要用镍、铬和锰合金化,并且列入国际标准。
8.2.6球墨铸铁常用热处理
1.退火处理
用于提高韧性。
具体工艺:
为提高球墨铸铁的延性或韧性,可将球墨铸铁件重新加热到900-950℃并保温足够时间进行高温退火,再炉冷到600℃出炉变冷。
若铸态组织由(铁素体+珠光体)为基体+球状石墨组成,那么只需将球墨铸铁件重新加热到700-760℃共析温度上下经保温后冷至600℃出炉变冷,就能将珠光体中渗碳体分解转化为铁素体及球状石墨。
2.正火处理
用于提高强度。
将基体为铁素体及珠光体的球墨铸铁件重新加热到850-900℃温度,原铁素体及珠光体转换为奥氏体,并有部分球状石墨溶解于奥氏体,经保温后空冷奥氏体转变为细珠光体,从而提高球墨铸铁的强度。
3.淬火加低温回火处理
用于提高硬度。
将球墨铸铁件加热到860-900℃温度,保温让原基体组织全部奥氏体化后再在油或熔盐中冷却实现淬火,后经250-350℃加热保温回火,原基体转化为回火马氏体及残留奥氏体组织,原球状石墨形态不变。
处理后的球墨铸铁件具有较高的硬度和一定韧性,同时还保留了石墨的润滑性能。
4.调质处理
用于提高综合力学性能。
将球墨铸铁件加热到860-900℃的温度保温让基体组织奥氏体化,再在油或熔盐中实现冷却实现淬火,后经500-600℃的高温回火,获得回火索氏体组织,原球状石墨形态不变。
5.等温淬火处理
用于获得较高强度。
将球墨铸铁件加热到830-870℃温度保温使奥氏体化后,投入280-350℃的熔盐中保温,让奥氏体部分转变为下贝氏体,原球状石墨不变,从何获得比较高强度的球墨铸铁。
8.2.7球墨铸铁的牌号
球墨铸铁代号QT,如QT400-18
┖───伸长率(%)
┖━━━━抗拉强度(MPa)
奥氏体球墨铸铁QTA,如QTANi30Cr3
冷硬球墨铸铁QTL,如QTLCrMo
抗磨球墨铸铁QTM,如QTMMn8-300
┖━━━抗拉强度(MPa)
┖━━━━锰的名义含量
耐热球墨铸铁QTR,如QTRSi5
耐蚀球墨铸铁QTS,如QTSNi20Cr2
第3节(每节、每课或连排2课时)
掌握蠕墨铸铁的成分、组织及性能;
掌握蠕墨铸铁的牌号表示方法;
掌握蠕墨铸
铁的用途;
了解合金铸铁概念;
掌握合金铸铁的牌号;
了解合金铸铁的类型及用途。
进一步提高
学生对铸铁识别和选用能力。
1、蠕墨铸铁的成分、组织及性能;
2、合金铸铁简介;
3、蠕墨铸铁的牌号。
1、蠕墨铸铁的用途;
2、合金铸铁的牌号;
3、合金铸铁的类型及用途。
蠕墨铸铁与合金铸铁作为一种新型铸铁材料,具有了普通铸铁(灰铸铁)及前面学习的其它类型的铸铁所不具有特殊性能。
本次课的重点在于了解蠕墨铸铁、合金铸铁的成分、组织、性能及用途,而对于它们的热处理工艺太复杂,而且由于是新技术,很多都是商业秘密,在这里不作讨论。
蠕墨铸铁作为一种新型铸铁材料出现在20世纪60年代。
我国是研究蠕墨铸铁最早的国家之一。
1966年山东省机械设计研究院发表了稀土高强度灰铸铁论文,标志了我国蠕墨铸铁生产技术的研制成功。
通常蠕墨铸铁是铸造以前加蠕化剂(镁或稀土)随后凝固而制得的。
迄今为止,国内外研究结果一致认为,稀土是制取蠕墨铸铁的主导元素。
我国稀土资源富有,为发展我国蠕墨铸铁提供了极其有利的条件和物质基础。
8.3.1蠕墨铸铁的成分、组织及性能
蠕墨铸铁的化学成分一般为:
C%=3.4%~3.6%;
Si%=2.4%~3.0%,S%<
0.06%;
Mn%=0.4%~0.6%;
P%<
0.07%。
蠕墨铸铁的石墨形态介于片状和球状石墨之间。
蠕墨铸铁的石墨形态在光学显微镜下看起来像片状,但不同于灰口铸铁的是其片较短而厚、头部较圆(形似蠕虫)。
所以可以认为蠕虫状石墨是一种过渡型石墨。
蠕虫状石墨的形态介于片状与球状之间,所以蠕墨铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间,其铸造性能、减振性和导热性都优于球墨铸铁,与灰铸铁相近。
8.3.2蠕墨铸铁的牌号
蠕墨铸铁的牌号为:
RuT+数字。
牌号中,“RuT”是“蠕铁”二字汉语拼音的大写字头,为蠕墨铸铁的代号;
后面的数字表示最低抗拉强度。
例如:
牌号RuT300表示最低抗拉强度为300MPa的蠕墨铸铁。
8.3.3蠕墨铸铁的用途
由于蠕墨铸铁兼有球墨铸铁和灰铸铁的性能,因此,它具有独特的用途,在钢锭模、汽车发动机、排气管、玻璃模具、柴油机缸盖、制动零件等方面的应用均取得了良好的效果。
特别是我国第二汽车厂蠕墨铸铁排气管流水线的投产,标志着我国蠕墨铸铁生产已达到高水平。
到目前为止,世界蠕墨铸铁的产量尚难以统计,这是因为蠕墨铸铁往往被统计在灰铸铁的产量之内,而不是从单独的项目统计。
我国蠕墨铸铁的年产量不尽确切。
我国制作蠕墨铸铁所用的蠕化剂中均含有稀土元素,如稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅钙合金、稀土锌镁硅铁合金等。
由此,形成了适合国情的蠕化剂系列。
我国在蠕墨铸铁的形成机制的研究方面处于领先地位。
另外在蠕墨铸铁的处理工艺、铁液熔炼及炉前质量控制、蠕墨铸铁常温和高温性能方面均进行了广泛、深入的研究。
特别要指出的是,在我国冲天炉条件下,不少工厂能稳定地生产蠕墨铸铁,取得了显著的经济效益。
可以预期,利用蠕墨铸铁具有的良好的综合性能、力学性能较高,在高温下有较高的强度,氧化生长较小、组织致密、热导率高以及断面敏感性小等特点,取代一部分高牌号灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁,由此,将取得良好的技术经济效果。
8.3.4合金铸铁简介
合金铸铁是指在普通铸铁中加入合金元素而具有特殊性能的铸铁。
通常加入的合金元素有硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、钛、锑、锡等。
合金铸铁根据合金元素的加入量分为低合金铸铁(合金元素含量<
3%)、中合金铸铁(合金元素含量为3~10%)和高合金铸铁(合金元素含量>
10%)。
合金元素能使铸铁基体组织发生变化,从而使铸铁获得特殊的耐热、耐磨、耐腐蚀、无磁和耐低温等物理-化学性能,因此这种铸铁也叫“特殊性能铸铁”。
合金铸铁广泛用于机器制造、冶金矿山、化工、仪表工业以及冷冻技术等部门。
8.3.5合金铸铁的牌号
(1)抗磨球墨铸铁KmTQMn6。
(2)冷硬铸铁LTCrMoR。
(3)耐腐铸铁STSi15R。
(4)耐腐球墨铸铁STQS15Si5。
(5)耐热铸铁RTCr2。
(6)耐热球墨铸铁RTQA16。
牌号中的常规碳、硅、锰、磷元素,一般不标出,有特殊作用时才标注其元素符号及质量分数。
含金元素按递减序排列,含量相等,按字母顺序排列,如:
STSi15Mo4Cu:
ST—耐蚀铸铁代号;
Si—硅元素符号;
15—硅的名义质量百分数;
Mo—钼元素符号;
4—钼的名义质量百分数;
Cu—铜元素符号。
MTCu1PTi-150:
MT—耐磨铸铁代号;
Cu—铜元素符号;
1—铜的名义质量分数;
P—磷元素的符号;
Ti—钛元素符号;
150—抗拉强度。
8.3.6合金铸铁的类型及用途
1.耐磨铸铁
耐磨铸铁分减摩铸铁和抗磨铸铁两类。
[减摩铸铁]:
用于润滑条件下工作的零件,例如机床导轨、汽缸套及轴承等
[抗磨铸铁]:
用于无润滑、干摩擦的零件,例如轧辊、犁铧、抛丸机叶片、球磨机衬板和磨球等。
2.耐热铸铁
(1)性能要求:
耐热铸铁是指在高温下具有一定的抗氧化和抗生长能力,并能承受一定载荷。
(2)常用耐热铸铁:
常用的耐热铸铁有中硅铸铁、高铬铸铁、镍铬硅铸铁、镍铬球墨铸铁等。
用来代替耐热钢制造耐热零件,如加热炉底板、热交换器、坩埚等。
3.耐蚀铸铁
耐蚀铸铁具有较高的耐蚀性能,耐蚀措施与不锈钢相似,一般加入Si、Al、Cr、Ni、Cu等合金元素,在铸件表面形成牢固的、致密而又完整的保护膜,阻止腐蚀继续进行,并提高铸铁基体的电极电位,提高铸铁的耐蚀性。
[常用耐蚀铸铁]:
应用最广泛的是高硅耐蚀铸铁,这种铸铁在含氧酸类和盐类介质中有良好的耐蚀性,但在碱性介质和盐酸、氢氟酸中,因表面SiO2保护膜被破坏,耐蚀性有所下降。
耐蚀铸铁广泛用于化工部门,用来制造管道、阀门、泵类、反应锅及盛贮器等。
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