铸铁与铸钢北大.ppt
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1、机械工程材料1.理解并掌握铸铁的组织尤其是石墨的形态、分理解并掌握铸铁的组织尤其是石墨的形态、分布布,性能之间的规律。性能之间的规律。2.理解并掌握工程材料尤其是金属的结构,理解理解并掌握工程材料尤其是金属的结构,理解材料结构与性能之间的关系,尤其是强化工程材材料结构与性能之间的关系,尤其是强化工程材料性能的途径、基本原理与方法。料性能的途径、基本原理与方法。3.掌握常用铸铁的种类、组织结构特点、性能和掌握常用铸铁的种类、组织结构特点、性能和应用,了解其应用范围。应用,了解其应用范围。4.结合实例,初步具备合理选择铸铁与铸钢材料、结合实例,初步具备合理选择铸铁与铸钢材料、正确确定加工方法、妥善
2、安排加工工艺路线的能正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能力。力。5.了解铸钢与铸铁的技术现状,前沿动态及今后了解铸钢与铸铁的技术现状,前沿动态及今后的发展方向。的发展方向。第七章第七章铸铁与铸钢铸铁与铸钢机械工程材料铸铁是含碳量大于铸铁是含碳量大于2.11%并含并含有较多硅、锰、硫、磷等元素有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。的多元铁基合金。铸铁具有许多优良的性能及生铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点,因产简便、成本低廉等优点,因而是应用最广泛的材料之一。而是应用最广泛的材料之一。7.1 概 述机械工程材料例如,机床床身、内燃机例如,机床床身、内燃机的汽缸体的汽缸体、
3、缸套、活塞环缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造铸铁制造.铸铁曲轴铸铁曲轴内内燃燃机机汽汽缸缸机械工程材料最近最近10年是我国铸铁业发展最快、年是我国铸铁业发展最快、最好的时间。最好的时间。我国铸件产量持续增长,其中,铸铁业以我国铸件产量持续增长,其中,铸铁业以年均年均20%的速度增长,远高于同期的速度增长,远高于同期GDP约约10%的增长速率。我国铸铁件的材质结构的增长速率。我国铸铁件的材质结构持续改善,球铁在铸件中所占的比重由持续改善,球铁在铸件中所占的比重由1998年的年的14增至增至2009年的年的24.7;球铁;球铁与灰铁的比例由与灰铁的比例由0.226上升到
4、上升到0.51。目前,我国年产铸铁件目前,我国年产铸铁件10000吨以上,吨以上,机械工程材料图图1 1、19982009年我国铸件、灰铁件、球铁件的产量年我国铸件、灰铁件、球铁件的产量(近近10年来,我国铸件产量持续增长,其中,尤以铸铁件的产量增长最快)年来,我国铸件产量持续增长,其中,尤以铸铁件的产量增长最快)机械工程材料图图7-17-1中国中国20092009年各材质铸件产量年各材质铸件产量(万吨)(万吨)2009年我国铸件产量为年我国铸件产量为3530万吨,其中,铸铁件产量万吨,其中,铸铁件产量占占2630万吨(球墨铸铁产量为万吨(球墨铸铁产量为870万吨,灰铸铁产量万吨,灰铸铁产量1
5、700万吨,蠕墨铸铁产量约万吨,蠕墨铸铁产量约30万吨),占我国铸件万吨),占我国铸件产量的产量的74.5%,约占当年世界铸铁件产量的,约占当年世界铸铁件产量的39.4机械工程材料一、铸铁的石墨化过一、铸铁的石墨化过程程1、Fe-Fe3C和和Fe-G(石墨石墨)双重相图双重相图Fe3C是亚稳相,在一是亚稳相,在一定条件下将发生分解:定条件下将发生分解:Fe3C3Fe+C(石石墨)墨)共晶白口铸铁共晶白口铸铁F基体球墨铸铁基体球墨铸铁机械工程材料石墨是碳的单质之石墨是碳的单质之一,其强度、塑性一,其强度、塑性、韧性几乎为零。韧性几乎为零。铸铸铁铁中中的的碳碳除除少少量量固固溶溶于于基基体体中中外
6、外,主主要要以以化化合合态态的的渗渗碳碳体体(Fe3C)和和游游离离态态的的石石墨墨(G)两两种种形式存在。形式存在。机械工程材料存在两个铁碳相图:存在两个铁碳相图:Fe-Fe3C和和Fe-G双重相图双重相图L+GL+Fe3C机械工程材料2、铸铁的石墨化过程、铸铁的石墨化过程铸铁中的碳原子析出形成石墨铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。的过程称为石墨化。铸铁中的石墨可以在结晶过程铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出中直接析出,也可以由渗碳体加也可以由渗碳体加热时分解得到。热时分解得到。机械工程材料石墨化分两个阶段:石墨化分两个阶段:在在PSK线以上发生线以上发生的石墨化称为的石墨化称为
7、第一阶第一阶段石墨化段石墨化。包括结晶时一次石墨包括结晶时一次石墨、二次石墨、共晶石墨二次石墨、共晶石墨的析出和加热时一次的析出和加热时一次渗碳体、二次渗碳体渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的分解及共晶渗碳体的分解.P机械工程材料在在PSK线以下发线以下发生的石墨化称为生的石墨化称为第第二阶段石墨化二阶段石墨化。包。包括冷却时共析石墨括冷却时共析石墨的析出和加热时共的析出和加热时共析渗碳体的分解。析渗碳体的分解。石墨化程度不同,石墨化程度不同,所得到的铸铁类型所得到的铸铁类型和组织也不同和组织也不同。P机械工程材料铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系(以共晶铸铁为
8、例)(以共晶铸铁为例)石墨化进行程度石墨化进行程度铸铁的显微组织铸铁的显微组织铸铁类型铸铁类型第一阶段第一阶段石墨化石墨化第二阶段第二阶段石墨化石墨化完全进行完全进行完全进行完全进行F+G灰口铸铁灰口铸铁部分进行部分进行F+P+G未进行未进行P+G部分进行部分进行未进行未进行Le+P+G麻口铸铁麻口铸铁未进行未进行未进行未进行Le白口铸铁白口铸铁机械工程材料3 3、影响石墨化的因素、影响石墨化的因素、影响石墨化的因素、影响石墨化的因素 化学成分的影响化学成分的影响化学成分的影响化学成分的影响 碳和碳和碳和碳和硅硅是强烈促进石墨化的元素。是强烈促进石墨化的元素。是强烈促进石墨化的元素。是强烈促进
9、石墨化的元素。碳、硅含量过低,易出现白口组织,力学性能和铸造碳、硅含量过低,易出现白口组织,力学性能和铸造碳、硅含量过低,易出现白口组织,力学性能和铸造碳、硅含量过低,易出现白口组织,力学性能和铸造性能变差。性能变差。性能变差。性能变差。l l碳、硅含量过高碳、硅含量过高碳、硅含量过高碳、硅含量过高,会使石墨数量多会使石墨数量多会使石墨数量多会使石墨数量多且粗大,基体内且粗大,基体内且粗大,基体内且粗大,基体内铁素体量增多,铁素体量增多,铁素体量增多,铁素体量增多,降低铸件的性能降低铸件的性能降低铸件的性能降低铸件的性能.SiC白口铸铁白口铸铁灰口铸铁灰口铸铁麻口麻口铸铸铁铁共晶共晶碳、硅含量
10、对铸铁石墨化的影响碳、硅含量对铸铁石墨化的影响机械工程材料冷却速度的影响冷却速度的影响铸铸件件冷冷却却缓缓慢慢,有有利利于于碳碳原原子子的的充充分分扩扩散散,结结晶晶将按将按Fe-G相图进行,因而促进石墨化。相图进行,因而促进石墨化。WC+Wsi(%)铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响 l快冷时由快冷时由于过冷度于过冷度大,结晶大,结晶将按将按 Fe-Fe3C相图相图进行进行,不利不利于石墨化于石墨化.机械工程材料二、二、铸铁的特点及分类铸铁的特点及分类工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。1、铸铁的组织特点、铸铁的组织特点钢的基体钢
11、的基体+G(石墨)石墨)基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。F+GF+P+GP+G机械工程材料耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。铸造性能好。由于铸铁硅含量高铸造性能好。由于铸铁硅含量高,成分接近于共晶成分接近于共晶.切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断,不粘刀。切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断,不粘刀。l2、铸铁的性能特点、铸铁的性能特点l 力学性能低。由于力学性能低。由于石墨相当于钢基体中石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞,破坏
12、的裂纹或空洞,破坏了基体的连续性,且了基体的连续性,且易导致应力集中。易导致应力集中。铸铁与铸钢的强度比较铸铁与铸钢的强度比较机械工程材料铸铁根据石墨的形态进行分类。铸铸铁根据石墨的形态进行分类。铸铁中石墨的形态有片状、团絮状、铁中石墨的形态有片状、团絮状、球状和蠕虫状四种,其所对应的铸球状和蠕虫状四种,其所对应的铸铁分别为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铁分别为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。铸铁和蠕墨铸铁。机械工程材料7.2灰铸铁灰铸铁碳大部分是以片状石墨存在,因其断口呈碳大部分是以片状石墨存在,因其断口呈暗灰色而得名。灰铸铁生产工艺简单、价暗灰色而得名。灰铸铁生产工艺简单、价格低廉、应用广泛
13、,其产量约占铸铁总产格低廉、应用广泛,其产量约占铸铁总产量的量的70汽车业是灰铸铁的主要应用领域之一,近汽车业是灰铸铁的主要应用领域之一,近年来随着汽车轻量化要求的不断提高,薄年来随着汽车轻量化要求的不断提高,薄壁高强度灰铸铁的应用迅速推进壁高强度灰铸铁的应用迅速推进机械工程材料(1)灰铸铁的组织灰铸铁的组织机械工程材料灰灰 铸铸铁铁 的的显显 微微组组 织织铁铁素素体体灰灰铸铸铁铁珠珠光光体体灰灰铸铸铁铁铁铁素素体体加加珠珠光光体体灰灰铸铸铁铁石石墨墨片片的的三三维维形形貌貌机械工程材料(2)灰铸铁的热处理灰铸铁的热处理热处理只改变基体组织,不改变石热处理只改变基体组织,不改变石墨形态。墨形
14、态。灰铸铁强度只有碳钢的灰铸铁强度只有碳钢的3050%,热处理强化效果不大。热处理强化效果不大。灰铸铁常用的热处理有:灰铸铁常用的热处理有:消除内应力退火消除内应力退火(又称人工时效又称人工时效)消除白口组织退火消除白口组织退火表面淬火表面淬火灰铸铁件灰铸铁件汽汽缸缸套套活活塞塞环环机械工程材料12.9L6缸蠕铁柴油机缸体(缸蠕铁柴油机缸体(2008,Brazil)机械工程材料3、用途、用途制造承受压力和震动的零件制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。体、泵体、缸体。大型船用柴油机汽缸体大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身重型机床
15、床身(HT-250)变速箱体变速箱体机械工程材料(3)灰铸铁的牌号及用途灰铸铁的牌号及用途灰铸铁牌号中灰铸铁牌号中“HT”为灰铁汉语拼音字首,为灰铁汉语拼音字首,其后数字表示该材料的最低抗拉强度其后数字表示该材料的最低抗拉强度(MPa)。例如)。例如HT200表示抗拉强度表示抗拉强度b200MPa的灰铸铁。灰铸铁的强度与铸的灰铸铁。灰铸铁的强度与铸件的壁厚大小有关系,因此在根据性能要件的壁厚大小有关系,因此在根据性能要求选择铸铁牌号时,必须注意到铸件的壁求选择铸铁牌号时,必须注意到铸件的壁厚。如铸件的壁厚超出表中所列的尺寸时,厚。如铸件的壁厚超出表中所列的尺寸时,应根据基体情况适当提高或降低铸
16、铁的牌应根据基体情况适当提高或降低铸铁的牌号。灰铸铁主要用于制造承受压力和振动号。灰铸铁主要用于制造承受压力和振动的零部件。的零部件。机械工程材料 灰铸铁的牌号、力学性能、显微组织及用途灰铸铁的牌号、力学性能、显微组织及用途牌号牌号铸铸件壁件壁厚厚/mm力学性能力学性能基体基体组组织织Rm/MPabb/MPabc/MPaHBWHT100所有尺所有尺寸寸100260140FHT1501530150330650150200F+PHT2001530200400750170220PHT25020302504701000190240HT30015303005401100187225细细PHT350153
17、03506101200197269HT4002030400680207269细细P机械工程材料实例实例7-17-1乘用车的刹车盘通常是使用乘用车的刹车盘通常是使用HT250HT250或相近的低或相近的低合金灰铸铁,要求材料具有良好的导热性和合金灰铸铁,要求材料具有良好的导热性和冷热疲劳性能,所以要求冷热疲劳性能,所以要求A A型石墨,以利于热型石墨,以利于热传导。国内发动机的一些缸体已采用传导。国内发动机的一些缸体已采用HT300HT300甚甚至至HT350HT350铸铁制作。我国一汽铸造公司已稳定铸铁制作。我国一汽铸造公司已稳定地采用地采用HT300HT300生产生产6DL6DL道依茨发动机
18、缸体,同道依茨发动机缸体,同时也储备了时也储备了HT350HT350的生产技术,的生产技术,机械工程材料7.3球墨铸铁球墨铸铁中国从中国从1950年开始研究和生产球铁,是世界上较年开始研究和生产球铁,是世界上较早生产球铁的国家之一。早生产球铁的国家之一。从从2005年起,我国球铁产量连续五年居世界第一,年起,我国球铁产量连续五年居世界第一,2008年已达年已达820万吨,约占当年世界球铁产量的万吨,约占当年世界球铁产量的1/3,比世界第,比世界第2、3、4名美国(名美国(360万吨)、日万吨)、日本(本(200万吨)和德国(万吨)和德国(185万吨)的总和还多万吨)的总和还多2004到到200
19、8年,世界球铁铸件的产量从年,世界球铁铸件的产量从1870万万吨增加到吨增加到2384万吨,年均增长率为万吨,年均增长率为5.5%。中国球。中国球铁与灰铁的比例为铁与灰铁的比例为0.50,世界平均水平为,世界平均水平为0.55,美国的比例为美国的比例为1.0。我国球铁产量的提升空间还很大我国球铁产量的提升空间还很大机械工程材料图7-6 中国球铁件应用领域其中铸管和管件年产量约其中铸管和管件年产量约280280万吨,占万吨,占33%33%;汽车铸件约;汽车铸件约280280万万吨,为吨,为33%33%,约占我国工程结构球铁产量(不包括铸管)的,约占我国工程结构球铁产量(不包括铸管)的50%50%
20、;其他如工程机械、农机、机床、建筑、冶金、矿山、能源工;其他如工程机械、农机、机床、建筑、冶金、矿山、能源工业部门等约占业部门等约占33%33%机械工程材料DN 2600X 8150 热模法球铁管 (新兴铸管公司生产.单重14.76吨,壁厚28mm)机械工程材料东汽生产的QT400-18-LT风电球铁铸件要求低要求低温冲击性能温冲击性能-20,V型缺口试样冲击韧性型缺口试样冲击韧性12机械工程材料:一汽铸造公司用壳型背丸工艺生产的球铁曲轴 (尺寸精度高,外观精美,综合废品率在0.5%以下)机械工程材料90吨重高延伸率和高低温冲击韧性球铁铸件 机械工程材料 135吨机床球铁件机械工程材料注塑机头
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