1、金属材料与热处理教案第8章铸铁湘西民族职业技术学院备课用纸第8章(章或课)课题: 铸铁讲授节数6授课班级11-5高模具111-5高数控111-5高数控211-5高数控311-5高数控4授课日期第 周至第 周第 周至第 周第 周至第 周第 周至第 周第 周至第 周教学目的要求:掌握铸铁的组织;掌握铸铁的分类;了解影响石墨化的因素;铸铁的组织与性能的关系;掌握灰铸铁的成分、牌号与用途;掌握可锻铸铁的成分、牌号与用途;掌握球墨铸铁的成分、牌号与用途;掌握蠕墨铸铁的成分、牌号与用途;掌握合金铸铁的成分、牌号与用途。教学重点: 1、铸铁的概念及分类; 2、铸铁的石墨化及影响石墨化的因素; 3、铸铁的组织
2、与性能的关系。教学难点: 1、灰铸铁的成分牌号与用途; 2、可锻、球墨铸铁的成分牌号与用途; 3、蠕墨、合金铸铁的成分、牌号与用途。教学方法: 讲授法。教具: 三角板一只。课时安排节次内 容总课时其 中讲授实验、实习课堂作业1铸铁基础知识与灰铸铁21.50.52可锻铸铁与球墨铸铁2203蠕墨铸铁与合金铸铁21.50.5合 计651湘西民族职业技术学院备课用纸第1节(每节、每课或连排2课时)课题:铸铁基础知识与灰铸铁讲授节数2节授课班级11-5高模具111-5高数控111-5高数控211-5高数控311-5高数控4授课日期星期 日/ 月星期 日/ 月星期 日/ 月星期 日/ 月星期 日/ 月教学
3、目的要求: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。教学重点: 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。教学难点: 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: 三角板一只。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
4、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
5、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(1)灰口铸铁: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、SiG核,有利于 G 析出;S阻碍 G ,促进白口化,
6、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,
7、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
8、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
9、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
10、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。湘西民族职业技术学院备课用纸第2节(每节、每课或连排2课时)课题:可锻铸铁与球墨铸铁讲授节数2节授课班级11-5高模具111-5高数控111-5高数控211-5高数控311-5高数控4授课日期星期 日/ 月星期 日/ 月星期 日/ 月星期 日/ 月星期 日/ 月教学目的要求: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。教学重点: 1、可锻铸铁化
11、学成分;2、可锻铸铁的性能及用途;3、球墨铸铁的性能。教学难点: 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。作业布置: 配套习题册 一、5.6.7.8. 二、6.7.8.9.10. 三、4.5.6。教 具: 三角板一只。教学过程转下页课后小结: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
12、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%,wS0.2%,wP0.1
13、%。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
14、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KTH 35010表示最低抗拉强度为350 MPa、最低断后伸长率为10%的黑心可锻铸铁,即铁素体可锻铸铁;KTZ 65002表示最低抗拉强度为650 MPa、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KTH30006、KTH33008、KTH35010、KTH370
15、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KTZ45006、KTZ55004、KTZ65002、KTZ70002: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KTB38004、KTB38012、KTB40005、KTB45007: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
16、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
17、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
18、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。具体工艺: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。具体工艺: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2
19、50-350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。具体工艺: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。具体工艺: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
20、铁代号QT,如QT400-18 伸长率(%) 抗拉强度(MPa)奥氏体球墨铸铁QTA,如QTA Ni30 Cr3冷硬球墨铸铁QTL,如QTLCrMo抗磨球墨铸铁QTM,如QTMMn 8-300抗拉强度(MPa) 锰的名义含量 耐热球墨铸铁QTR,如QTR Si5耐蚀球墨铸铁QTS,如QTS Ni20 Cr2湘西民族职业技术学院备课用纸第3节(每节、每课或连排2课时)课题:蠕墨铸铁与合金铸铁讲授节数2节授课班级11-5高模具111-5高数控111-5高数控211-5高数控311-5高数控4授课日期星期 日/ 月星期 日/ 月星期 日/ 月星期 日/ 月星期 日/ 月教学目的要求:掌握蠕墨铸铁的成
21、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。教学重点: 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。教学难点: 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。作业布置: 配套习题册 一、5.6.7.8. 二、6.7.8.9.10. 三、4.5.6。教 具: 三角板一只。教学过程转下页课后小结: 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
22、、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.
23、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
24、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
25、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
26、为低合金铸铁 (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
27、排列,如:ST Si 15 Mo 4 Cu :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。MT Cu 1 P Ti 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
28、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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