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铸造技术

铸铁知识简介

时间:2015-02-01 17:10:10  作者:未知  来源:网络文摘  浏览:382  评论:0

一、铸铁的石墨化及影响因素

    铸铁是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金总称。铸铁的含碳量超过WC=2.11%,在凝固过程中经历了共晶转变,比非合金钢(碳钢)含有较多的锰元素及硫、磷等杂质元素。

    在铸铁中,碳有渗碳体(Fe3C)和石墨(G)这两种存在形式。按其存在形式不同,铸铁可分为下列几种:

(1)白口铸铁。碳主要以渗碳体形式存在的铸铁,断口呈银白色。因其硬度高、脆性大难以切削加工,故很少直接用来制造机械零件。白口铸铁主要用作炼钢的原料、可锻铸铁的毛坯,以及不受冲击、要求硬度高和耐磨性好的零件,如轧辊、犁铧、球磨机的磨球等。

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(2)灰口铸铁。碳主要以石墨形式出现的铸铁,断口呈灰色。这类铸铁有很多优良的性能,生产设备、生产工艺简单,成本低廉,广泛用于机械制造业。在一般机械中,灰口铸铁件约占机器重量的40~70%,在机床和重型机械中高达80~90%。根据石墨的形态不同,灰口铸铁又分为以下四种:

① 灰铸铁 碳主要以片状石墨的形式出现。

② 球墨铸铁 碳主要以球状石墨的形式出现。

③ 可锻铸铁 碳主要以团絮状石墨的形式出现。

④ 蠕墨铸铁 碳主要以蠕虫状石墨的形式出现。

(3)麻口铸铁 碳部分以渗碳体、部分以石墨形式存在的铸铁,断口呈灰白色相间。这类铸铁硬度高、脆性大,工业很少使用。

此外,为满足耐热、耐蚀、耐磨等特殊性能的需求,在铸铁中加入铬、钼、铜、铝、硅等合金元素就得到合金铸铁。

    石墨的形状、数量、大小及分布对灰口铸铁的组织和性能至关重要。因此,了解铸铁中石墨的形成过程及其影响因素是十分必要的。

1、铸铁的石墨化及影响因素

    铸铁中碳原子以石墨(G)形式析出的过程称为石墨化。石墨既可由铸铁液相或奥氏体中析出,也可由先析出的渗碳体分解而成。石墨是碳的一种结晶形式,具有六方晶格,其强度、硬度、塑性和韧性极低,接近于零,硬度仅为3~5HBS。

影响石墨化的因素

(1)化学成分的影响

    碳和硅是强烈促进石墨化的元素。铸铁中碳、硅的含量越高,越容易进行石墨化,得到灰口铸铁组织。但是,碳、硅的含量过高,会导致石墨片粗大,降低力学性能。

    硫是强烈阻止石墨化的元素。硫在铸铁中易使碳以渗碳体的形式析出,促使白口化;硫还会降低铁水的流动性,使铸造性能变差。

    锰是阻止石墨化的元素,但又是间接促进石墨化的元素。这主要是因为锰能与硫形成硫化锰,减弱硫对石墨化的不利影响。铸铁中的锰含量应适当,一般控制在WMn=0.6~1.3% 。

    磷是微弱促进石墨化的元素,能提高铁水的流动性,但又增加铸铁的冷裂的倾向,一般应把磷的含量控制在0.3%以内。

    生产中一般用碳当量WCE来评价铸铁成分的石墨化能力。

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碳当量表示铸铁中硅、磷对铁碳共晶综合影响的指标,一般应控制在共晶成分附近。

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(2)冷却速度的影响

    冷却速度越慢越有利于石墨化的进行。反之,冷却速度越快越有利于渗碳体的析出。

    影响铸铁冷却速度的因素主要有铸型材料、铸件壁厚、浇注温度等。如铸铁在砂型中冷却比在金属型中冷却慢;铸件壁越厚,冷却越慢;浇注温度越高,冷却速度越慢。

    实际生产中,通过选择适当的铸铁成分和必要的工艺措施,来控制铸铁的组织和性能。右图是砂型铸造时铸件壁厚(冷却速度)和化学成分对组织的影响。

二、灰铸铁

(1)灰铸铁的成分组织和性能

    灰铸铁的化学成分一般在共晶点附近,其组织可看成是碳钢的基体加片状石墨,按基体组织不同分为三类:铁素体基体灰铸铁;铁素体-珠光体基体灰铸铁;珠光体基体灰铸铁。其显微组织见下图所示。

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    灰铸铁的性能主要取决于基体组织和石墨的形态、数量、大小和分布。由于石墨的强度、硬度、塑性极低,可以把石墨相当于是在钢的基体中存在的孔洞和裂纹。灰铸铁中的片状石墨分割和破坏了基体的连续性,减少了承受载荷的有效截面尺寸,且石墨的两端尖角处易产生应力集中,所以,灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性比钢低很多。石墨片越粗大,数量越多,分布越不均匀,灰铸铁的力学性能就越差。由于石墨对抗压强度和硬度影响不大,故灰铸铁的抗压强度和硬度接近于相同基体的钢。当石墨的形态、数量、大小和分布一定时,铸铁的力学性能取决于基体组织。基体中珠光体越多,强度、硬度越高,塑性、韧性越差。

    正是由于片状石墨的存在,使灰铸铁具有优良的铸造性能、优良的切削加工性能、良好的减振性、减摩性和低的缺口敏感性。

(2)灰铸铁的孕育处理

    孕育处理是提高灰铸铁力学性能的一种有效办法。他是在浇注前向铁水中加入少量孕育剂,使大量高度弥散的难熔质点成为石墨的结晶核心,以获得细小均匀的石墨片和细片珠光体。常用孕育剂是含硅量为75%的硅铁合金或硅钙合金。

    通过孕育处理得到的铸铁称为孕育铸铁。孕育铸铁有较高的强度,且铸件各部位截面上的组织和性能比较均匀,常用于力学性能要求较高、截面尺寸变化较大的零件,如发动机曲轴、齿轮、机床床身等。

(3)灰铸铁的牌号、性能及用途

    灰铸铁的牌号用“HT+数字”表示,HT是“灰铁”两字的汉语拼音字首;数字表示最低的抗拉强度值(MPa)。例如HT150,代表抗拉强度σb≥150Mpa的灰铸铁。

    灰铸铁的性能优越、生产简单,应用广泛,其产量占整个铸铁产量的80%以上。常用灰铸铁的牌号、性能及用途见下表。

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(4)灰铸铁的热处理

    热处理只能改变基体组织,不能改变石墨的形状、数量、大小和分布,对提高灰铸铁的力学性能作用不大。因此用于灰铸铁的热处理主要作用是消除应力、改善切削加工性、提高表面的硬度和耐磨性等。

1、去应力退火

    铸件在冷却过程,因壁厚不同,造成各部位的冷却速度不同,铸件内部会产生很大的内应力,使铸件出现变形或开裂,故需要进行去应力退火。其工艺为:加热至500~600℃,保温一段时间后,随炉冷至200℃以下出炉空冷。

2、消除白口、降低硬度退火

    铸件的表面和薄壁处冷却速度快,容易产生白口组织,使铸件的硬度增加,切削加工困难,需采用降低硬度的退火处理。渗碳体在退火的保温和缓冷过程中分解而析出石墨,从而降低铸件硬度、改善切削加工性能。退火方法是将铸件加热到850~900℃,保温2~5h,然后随炉冷却至250~400℃出炉空冷。最后形成以铁素体或铁素体-珠光体为基体的灰铸铁。

3、表面淬火

    表面淬火的主要作用是提高铸件的表面硬度和耐磨性。常用的方法有火焰淬火、感应淬火、接触电阻加热淬火等。


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