1、SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第五章第五章 鑄鐵鑄鐵白口鑄鐵白口鑄鐵性能脆硬，工性能脆硬，工業很少應用。業很少應用。改變鐵碳體系改變鐵碳體系中碳的存在形中碳的存在形式，碳主要是式，碳主要是以晶態以晶態G存在，存在，組織中不存在組織中不存在L d ， wc為為2.11%-5.0%的的鐵碳合金則是鐵碳合金則是工業上最常用工業上最常用的鑄鐵！的鑄鐵！SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY

2、2成分：成分：wC2.11%，一般為，一般為2.55% 并含并含Si、Mn、S、P強度強度 、塑性、韌性較低、塑性、韌性較低價格低廉價格低廉良好的鑄造性能良好的鑄造性能優良的切削加工優良的切削加工優良的減摩性能優良的減摩性能優良的減振性能優良的減振性能 低的缺口敏感性低的缺口敏感性 鑄鐵特點鑄鐵特點SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第一節第一節 灰口鑄鐵的石墨化灰口鑄鐵的石墨化GRAPHITIZATION OF GRAY CAST IRON 1. 1. 石墨的特性石墨的特性 一、一、石墨

3、化過程石墨化過程 Graphitization process0.34nmABASCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY成分成分Fe3C wC6.69% G wC100%結構結構Fe3C 正交晶體結構正交晶體結構G 簡單六方晶體結構簡單六方晶體結構石墨的結晶特點石墨的結晶特點在簡單六方晶體中在簡單六方晶體中,碳原子分層排列碳原子分層排列同一層上的原子間距同一層上的原子間距小小(0.142nm),結結合力強合力強層間原子間距層間原子間距大大(0.340nm)結合力弱結合力弱結晶時原子層方向的生長

4、速度大于層間結晶時原子層方向的生長速度大于層間容易形成片狀石墨容易形成片狀石墨SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY低強度低強度 0 b低塑性低塑性 0 0Ka低硬度低硬度 3HBS減摩性減摩性消震性消震性高脆性高脆性石墨的性能石墨的性能碳纖維碳纖維SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY6單壁碳納米管單壁碳納米管SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEE

5、RING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY7富勒烯富勒烯C60、 C70 等等SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY晶體結構為金剛石立方晶體結構為金剛石立方SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 2. 2. 石墨形成的三個階段石墨形成的三個階段在鑄鐵中，在鑄鐵中，C既可以既可以G形式也可以形式也可以滲碳體滲碳體的形式存在。的形式存在。G可以從鐵液中直接結晶出可以從鐵液

6、中直接結晶出熱力學條件熱力學條件：對鑄鐵的石墨化有利。：對鑄鐵的石墨化有利。G比比Fe3C要穩定要穩定Fe3C 3Fe+G動力學條件動力學條件：對鑄鐵的石墨化不利。石墨的結構和：對鑄鐵的石墨化不利。石墨的結構和成分與鐵液及成分與鐵液及A A差別比較大，滲碳體的結構和成分與差別比較大，滲碳體的結構和成分與鐵液及鐵液及A A更接近更接近Fe3C wC6.69% G wC100%SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY鐵碳合金中，鐵碳合金中，C以何種形式存在取決于以何種形式存在取決于化學成分化學成分

7、和和冷卻速度冷卻速度等因素。等因素。反映反映Fe-C合金結晶過程和組織轉變規律的狀態圖合金結晶過程和組織轉變規律的狀態圖有兩個有兩個：FeFe3C 相圖相圖FeG相圖相圖SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY鐵鐵-碳雙重相圖碳雙重相圖SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第一階段第一階段 (液態石墨化階段液態石墨化階段)從過共晶熔液中直接結晶出從過共晶熔液中直接結晶出GI及在及在1154通

8、過通過共共晶轉變而形成的晶轉變而形成的G共晶共晶 L GI (Wc 4.26%) LC E+ G共晶共晶 第二階段第二階段 (中間石墨化階段中間石墨化階段)11541154738738 ，自自A中沿中沿ES線析出二次石墨線析出二次石墨GII A GII第三階段第三階段（低溫石墨化階段）（低溫石墨化階段） 通過共析轉變形成的通過共析轉變形成的G共析共析 A s p+ G共析共析L4.26A2.08+GSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE

9、AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY高溫原子擴散能力強，高溫石墨化容易進行。高溫原子擴散能力強，高溫石墨化容易進行。第三階段石墨化溫度低，擴散條件差，石墨化不易第三階段石墨化溫度低，擴散條件差，石墨化不易完成完成第一階段和第二階段稱為高溫石墨化階段第一階段和第二階段稱為高溫石墨化階段第三階段稱為低溫石墨化階段第三階段稱為低溫石墨化階段第三階段第三階段 738A0.68F+G（極慢冷極慢冷）A0.68P+G（快冷快冷）A0.68F+P+G（慢冷慢冷）SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XI

10、AN JIAOTONG UNIVERSITY共晶合金的石墨化過程共晶合金的石墨化過程1SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY共晶合金的石墨化過程共晶合金的石墨化過程1SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY共晶合金的石墨化過程共晶合金的石墨化過程2SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSC

11、HOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY共晶合金的石墨化過程共晶合金的石墨化過程3SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY石墨化后得到的組織石墨化后得到的組織石墨化程度石墨化程度顯微組織顯微組織第一階段第一階段 第二階段第二階段第三階段第三階段充分進行充分進

12、行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行部分進行部分進行不進行不進行F+GF+GF+P+GF+P+GP+GP+G灰口鑄鐵灰口鑄鐵SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY白口鑄鐵白口鑄鐵石墨化程度石墨化程度顯微組織顯微組織第一階段第一階段 第二階段第二階段 第三階段第三階段不進行不進行不進行不進行不進行不進行Ld+P+Fe3CIILdLd+Fe3CI共晶合金的石墨化過程共晶合金的石墨化過程4SCHOOL OF MATERIALS SCIE

13、NCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY共晶合金的石墨化過程共晶合金的石墨化過程5SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY麻口鑄鐵麻口鑄鐵石墨化程度石墨化程度顯微組織顯微組織第一階段第一階段第二階段第二階段第三階段第三階段部分進行部分進行部分進行部分進行不進行不進行P+Ld+G+Fe3CSCHOOL

14、OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY麻口鑄鐵麻口鑄鐵片狀石墨珠光體基體萊氏體SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY各類鑄鐵經不同程度各類鑄鐵經不同程度石墨化后得到的組織石墨化后得到的組織鑄鐵類型鑄鐵類型石墨化程度石墨化程度顯微組織顯微組織第一階段第一階段第二階段第二階段第三階段第三階段灰口鑄鐵灰口鑄鐵充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進

15、行充分進行部分進行部分進行不進行不進行F+GF+P+GP+G麻口鑄鐵麻口鑄鐵部分進行部分進行部分進行部分進行不進行不進行Ld+P+G+Fe3C亞共晶白口亞共晶白口共晶白口共晶白口過共晶白口過共晶白口不進行不進行不進行不進行不進行不進行Ld+P+Fe3CLdLd+Fe3CSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、影響一、影響石墨化的因素石墨化的因素 1. 1. 化學成分的影響化學成分的影響wC有利于石墨形核；有利于石墨形核；強烈促進石墨化強烈促進石墨化含量過高，會導致含量過高，會導致G數量增

16、多，會降低鑄鐵的力學性能數量增多，會降低鑄鐵的力學性能灰口鑄鐵的含碳量通常控制在灰口鑄鐵的含碳量通常控制在2.64.0%碳的影響碳的影響硅硅的影響的影響 削弱鐵削弱鐵-碳原子間的結合力，有利于碳原子擴散，能夠碳原子間的結合力，有利于碳原子擴散，能夠促進石墨化促進石墨化 能提高鑄鐵的共晶轉變溫度和共析轉變溫度而能促進石能提高鑄鐵的共晶轉變溫度和共析轉變溫度而能促進石墨化墨化 能降低共晶點的碳含量，有利石墨析出，促進石墨化能降低共晶點的碳含量，有利石墨析出，促進石墨化SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVE

17、RSITY鑄鐵中加入硅后，共晶點的含碳量：鑄鐵中加入硅后，共晶點的含碳量： wC % 4.3 %1/3 wSi % 碳當量碳當量 CE wC + 1/3 wSi 調整碳當量調整碳當量 控制鑄鐵的組織。灰口鑄鐵的碳當量控制鑄鐵的組織。灰口鑄鐵的碳當量配在配在4.3%4.3%左右左右除除C、Si外，外，P、Al、Cu、Ni、Co也為石墨化元素也為石墨化元素S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素為白口化元素等元素為白口化元素2. . 冷卻速度的影響冷卻速度的影響滲碳體的成分（碳含量）更接近于液態鑄鐵，與滲碳體的成分（碳含量）更接近于液態鑄鐵，與G相相比，成分與結構亦更近于比，成分與結構亦更近于A，在快冷

18、時易得到滲碳體；，在快冷時易得到滲碳體；而而G是一種更穩定的相，在緩冷時易得到是一種更穩定的相，在緩冷時易得到GSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY白口鑄鐵白口鑄鐵 麻口鑄鐵麻口鑄鐵 P基灰口鑄鐵基灰口鑄鐵 F + P基灰口鑄鐵基灰口鑄鐵 F基灰口鑄鐵基灰口鑄鐵SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY第二節第二節 灰口鑄鐵的特點灰口鑄鐵的特點及應用及應用CHARACTERISTICS AN

19、D APPLICATION OF GRAY CAST IRON按石墨化程度分按石墨化程度分灰口鑄鐵灰口鑄鐵 麻口鑄鐵麻口鑄鐵 白口鑄鐵白口鑄鐵SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 一、一、灰口鑄鐵的組織特點灰口鑄鐵的組織特點 Structural characteristics of gray cast iron鋼基體鋼基體 + + 石墨石墨FF+PPG片片G團絮團絮G球球G蠕蟲蠕蟲SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JI

20、AOTONG UNIVERSITY與鋼相比：抗拉強度低，較高的抗壓強度與鋼相比：抗拉強度低，較高的抗壓強度塑塑、韌性差韌性差鑄造性能好，可切削加工性能好鑄造性能好，可切削加工性能好減摩性好，消振性好，耐磨性好減摩性好，消振性好，耐磨性好成本低成本低 二、二、灰口鑄鐵的性能特點灰口鑄鐵的性能特點 Performance characteristics of gray cast iron 三、三、灰口鑄鐵的分類灰口鑄鐵的分類 Classification of gray cast iron普通灰口鑄鐵（簡稱灰鑄鐵），普通灰口鑄鐵（簡稱灰鑄鐵），鋼基體鋼基體 + 片狀石墨片狀石墨可鍛鑄鐵，可鍛鑄鐵，

21、鋼基體鋼基體 + 團絮狀石墨團絮狀石墨球墨鑄鐵，球墨鑄鐵，鋼基體鋼基體 + 球狀石墨球狀石墨蠕墨鑄鐵，鋼基體蠕墨鑄鐵，鋼基體 + 蠕蟲狀石墨蠕蟲狀石墨SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 1. 1. 普通灰口鑄鐵（灰鑄鐵）普通灰口鑄鐵（灰鑄鐵） 四、四、常見灰口鑄鐵常見灰口鑄鐵 Common gray cast ironwC 2.54.0%wSi 1.02.5%wMn 0.51.4%wS 0.100.15%wP 0.120.25% 成成分分C、Si含量高，第一階段和第二階段石墨化過程充分，

22、含量高，第一階段和第二階段石墨化過程充分，第三階段石墨化的程度不同，有三種組織：第三階段石墨化的程度不同，有三種組織：組織組織F+G片片 P+F+G片片 P+G片片SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY灰鑄鐵的顯微組織對比灰鑄鐵的顯微組織對比F+GP+GF+P+GSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY工藝工藝鐵水少量孕育劑作為人工晶核細化石鐵水少量孕育劑作為人工晶核細化石墨片墨片澆注澆注性

23、能性能抗拉強度和塑性低抗拉強度和塑性低 具有高的抗壓強度具有高的抗壓強度 具有優良的切削加工性能具有優良的切削加工性能 具有優良的減摩性能具有優良的減摩性能 具有優良的減振性能具有優良的減振性能 具有低的缺口敏感性具有低的缺口敏感性 SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 工業上最常用的是工業上最常用的是PF灰鑄鐵，因其綜合力學性灰鑄鐵，因其綜合力學性能好。能好。 按照按照GB/T9439規定，灰鑄鐵的牌號用規定，灰鑄鐵的牌號用 HT牌號牌號HT 最低抗拉強度最低抗拉強度MPa灰鐵灰鐵HT1

24、50灰鐵灰鐵最低抗拉強度為最低抗拉強度為150MPaSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY用途用途汽車、拖拉機氣缸、氣缸套，機床床身等受壓力及振汽車、拖拉機氣缸、氣缸套，機床床身等受壓力及振動的零件動的零件在機床制造中，鑄鐵件用量：在機床制造中，鑄鐵件用量：60 90%SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERIN

25、G OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYHT的強度隨厚度增加而降低，選材時應注意的強度隨厚度增加而降低，選材時應注意普通灰口鑄鐵的主要缺點，是鑄件組織對冷卻速度普通灰口鑄鐵的主要缺點，是鑄件組織對冷卻速度很敏感很敏感同一鑄件薄截面上可能出現白口或麻口組織，而厚同一鑄件薄截面上可能出現白口或麻口組織，而厚截面上則可能出現大量的石墨片或過量的，結果截面上則可能出現大量的石墨片或過量的，結果力學性能不均勻力學性能不均勻SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY 3. 3. 球墨鑄鐵球

26、墨鑄鐵措施：球化劑孕育劑措施：球化劑孕育劑在尚未澆鑄的一定成分的鐵水中加入一定量的球化劑在尚未澆鑄的一定成分的鐵水中加入一定量的球化劑（如（如Mg、RE 等）進行球化處理，并加入少量的孕育等）進行球化處理，并加入少量的孕育劑（劑（Si-Fe、 Si-Ca合金）以促進石墨化，減小球尺寸合金）以促進石墨化，減小球尺寸與灰鐵相比，球鐵的成分更嚴格與灰鐵相比，球鐵的成分更嚴格C、Si, S、PwC3.84.0%, wSi2.02.8% wMn0.60.8% wS0.04%, wP 0.10% wRE 灰鑄鐵灰鑄鐵 導熱性導熱性、鑄造性、可切削性鑄造性、可切削性 球墨鑄鐵球墨鑄鐵 性能性能用途用途熱循環

27、載荷條件下的鋼錠模，玻璃模具，柴油機汽缸、熱循環載荷條件下的鋼錠模，玻璃模具，柴油機汽缸、氣缸蓋、排氣管、剎車件等氣缸蓋、排氣管、剎車件等SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY牌號牌號 RuT 340最低抗拉強度，最低抗拉強度，MPa蠕墨蠕墨鑄鐵鑄鐵SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN

28、JIAOTONG UNIVERSITYSCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY五、五、合金鑄鐵合金鑄鐵 為了滿足特殊性能，在鑄鐵中有意識的加入一些為了滿足特殊性能，在鑄鐵中有意識的加入一些 合金元素，就形成合金鑄鐵合金元素，就形成合金鑄鐵合金鑄鐵合金鑄鐵 高強度高強度合金鑄鐵合金鑄鐵耐熱耐熱合金鑄鐵合金鑄鐵耐蝕耐蝕合金鑄鐵合金鑄鐵耐磨耐磨合金鑄鐵合金鑄鐵SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XIAN JIAOTONG UNIVERSITY加入少量的加入少量的Cr、Ni、Cu、Mo等等基體中的基體中的P數量增加并細化數量增加并細化P 提高鑄鐵的強度提高鑄鐵