灰铸铁的热处理Word文档下载推荐.docx
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一般的正火是将铸件加热到Ac上限+30〜50C,使原始组织转变为奥氏体,保温一段时间后出炉空冷。
形状复杂的或较重要的铸件正火处理后需再进行消除内应力的退火。
如铸铁原始组织中存在过量的自由渗碳体,则必须先加热到
Ac1上限+50〜100C的温度,先进行高温石墨化以消除自由渗碳体在正火温度范围内,温度愈高,硬度也愈高。
因此,要求正火后的铸铁具有较高硬度和耐磨性时,可选择加热温度的上限。
正火后冷却速度影响铁素体的析出量,从而对硬度产生影响。
冷速愈大,析出的铁素体数量愈少,硬度愈高。
因此可采用控制冷却速度的方法)(空冷、风冷、雾冷),达到调整铸铁硬度的目的。
淬火与回火
1.淬火铸铁淬火工艺是将铸件加热到Ac1上限+30〜50C的温度,一般取850〜900C,使组织转变成奥氏体,并在此温度下保温,以增加碳在奥氏体中的溶解度,然后进行淬火,通常采用油淬。
对于形状复杂或大型铸件应缓慢加热,必要时可在500〜650C预热,以避免
不均匀加热而造成开裂。
随奥氏体化温度升高,淬火后的硬度越高,但过高的奥氏体化温度,不但增
加铸铁变形和开裂的危险,并产生较多的残留奥氏体,使硬度下降。
灰铸铁的淬透性与石墨大小、形状、分布、化学成分以及奥氏体晶粒度有关
石墨使铸铁的导热性降低,从而使它的淬透性下降,石墨越粗大,越多,这
种影响越大
2.回火为了避免石墨化,回火温度一般应低于550C,回火保温时间按
t=[铸件厚度(mm/25]+1(h)计算。
3.等温淬火为了减小淬火变形,提高铸件综合力学性能,凸轮、齿轮、缸套等零件常采用等温淬火。
等温淬火的加热温度和保温时间与常规淬火工艺相同。
复习前课
铸铁的分类(P89〜90)
§
4-6工程铸铁
一、铸铁的石墨化
1•概述
铸铁是碳的质量分数Wc>
2.11%的铁碳合金。
它是以Fe、C、Si为主要组成元素,并比钢含有较高的S和P等杂质。
碳在铸铁中,主要以石墨的形式存在
石墨化:
铸铁中的碳以石墨的形式析出的过程。
39
70
I
D
Ck0205
7<
H>
300
毗X100
图4-11Fe—G与Fe—Fe3C双重相图
石墨化有两种万式:
一种是在冷却过程中,可以从液体和奥氏体中直接析出石墨;
另一种是在一定条件下由亚稳定性的FesC分解出铁素体和稳定的石墨。
双重相图:
实践证明,铸铁在冷却时,冷速越缓,析出石墨的可能性越大,用Fe-G相图说明;
冷速赶快,则析出
渗碳体的可能性越大,用Fe-Fe3C相图
说明。
为便于比较和应用,习惯上把这两个相图合画在一起,称之为铁-碳合金双相
图。
如图4-11所示。
其中虚线表示稳定态(Fe-G)相图,实线表示亚稳定态(Fe
-FesC)相图,虚线与实线重合的线用实线画出。
石墨化以哪一种方式进行,主要取
决于铸铁的成分与保温冷却条件
2.石墨化过程
按照Fe-G相图,铸铁的石墨化过程分为三个阶段:
第一阶段石墨化①对于过共晶成分合金而言,铸铁液相冷至C'
D'
线时,结晶
Lc
1154C
AEG共晶
出的一次石墨;
②各成分铸铁,在1154C(E'
C'
F'
线)通过共晶反应形成的共晶石墨。
第二阶段石墨化在1154〜738C温度范围内,奥氏体沿E'
S'
线析出二次石墨
即G口
第三阶段石墨化在738C(P'
S'
K'
线),通过共析转变析出共析石墨。
即
asFpG共析
3.影响石墨化的主要因素
(1)化学成分按对石墨化的作用,可分为促进石墨化的元素(C、Si、Al、Cu、Ni、Co、P等)和阻碍石墨化的元素(Cr、W、Mo、V、Mn、S等)两大类。
•C和Si是强烈促进石墨化的元素;
S是强烈阻碍石墨化的元素,而且还降低铁液的流动性和促进高温铸件开裂;
•适量的Mn既有利于珠光体基体形成,又能消除S的有害作用;
•P是一个促进石墨化不太强的元素,能提高铁液的流动性,但当其质量分数超过奥氏体或铁素铁的溶解度时,会形成硬而脆的磷共晶,使铸铁强度降低,脆性增大。
总之,生产中,C、Si、Mn为调节组织元素,P是控制使用元素,S属于限制元素。
(2)石墨化温度石墨化过程需要碳、铁原子的扩散,石墨化温度越低,原子扩散越困难,因而石墨化进程越慢,或停止。
尤其是第三阶段石墨化的温度较低,常常石墨化不充分。
(3)冷却速度一定成分的铸铁,石墨化程度取决于冷却速度。
冷速越慢,越利于碳原子的扩散,促使石墨化进行。
冷速越快,析出渗碳体的可能性就越大。
这是由于渗碳体的Wc(6.69%)比石墨(100%)更接近于合金的Wc(2.5%〜4.0%)
影响冷却的因素主要有浇注温度、铸件壁厚、铸型材料等。
当其它条件相同时,提高浇注温度,可使铸型温度升高,冷速减慢;
铸件壁厚越大,冷速越慢;
铸型材料导热性越差,冷速越慢。
二、铸铁的组织与性能
1•铸铁的组织通常铸铁的组织可以认为是由钢的基体与不同形状、数量、大小及分布的石墨组成的。
石墨化程度不同,所得到的铸铁类型和组织也不同
表4-23铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织
名称
石墨化程度
显微组织
第一阶段
第二阶段
第三阶段
充分进行
F+G
灰铸铁
部分进行
F+P+G
不进行
P+G
麻口铸铁
Le'
+P+G
白口铸铁
+P+Fe3C
2.铸铁的性能铸铁基体组织的类型和石墨的数量、形状、大小和分布状态决定
了铸铁的性能。
(1)石墨的影响
石墨是碳的一种结晶形态,其碳的质量分数Wc-100%,具有简单六方晶格。
由于石墨的硬度为3〜5HBS,(Tb约为20MPa,塑性和韧性极低,伸长率S接近于零,从而导致铸铁的力学性能如抗拉强度、塑性、韧性等均不如钢。
并且石墨数量越多,尺寸越大,分布越不均匀,对力学性能的削弱就越严重。
其中
•片状石墨对基体的削弱作用和引起应力集中的程度最大;
•球状石墨对基体的割裂作用最小;
•团絮状石墨的作用居于二者之中。
但石墨的存在,使铸铁具有优异的切削加工性能、良好的铸造性能和润滑作用、很好的耐磨性能和抗振性能,大量石墨的割裂作用,使铸铁对缺口不敏感。
(2)基体组织的影响
对同一类铸铁来说,在其它条件相同的情况下,铁素体相的数量越多,塑性越好;
珠光体的数量越多,则抗拉强度和硬度越高。
由于片状石墨对基体的强烈作用,所以只有当石墨为团絮状、蠕虫状或球状时,改变铸铁基体组织才能显示出对性能的影响。
三、常用铸铁材料
1.普通灰铸铁
普通灰铸铁俗称灰铸铁,简称灰铁。
其生产工艺简单,铸造性能优良,在生产中应用最为广泛,约占铸铁总量的80%。
(1)灰铸铁的成分、组织和性能
一般铸铁含Wc=2.7%〜3.6%,Wsi=1.0〜2.2%,WMn=0.5%〜1.3%,Ws<
0.15%,Wpv0.3%。
其组织有:
铁素体灰铸铁(在铁素体基体上分布着片状石墨);
珠光体+铁素体灰铸铁(在珠光体+铁素体基体上分布着片状的石墨);
珠光体灰铸铁(在珠光体基体上分布着片状的石墨)如图4-13(a)、(b)、(c)所示。
图4-13三种基体的灰铸铁
灰铸铁组织相当于在钢的基体上分布着片状石墨,因此,其基体的强度和硬度不
低于相应的钢。
石墨的强度、塑性、韧性极低,在铸铁中相当于裂缝和孔洞,破坏了基体金属的连续性,同时很容易造成应力集中。
因此,灰铸铁的抗拉强度、塑性及韧性都明显低于碳钢。
石墨片的数量越多、尺寸越大、分布越不均匀,对基体的割裂作用越严重。
但是石墨片很细,尤其相互连接时,也会使承载面积显著下降。
因此,石墨片长度应以0.03〜0.25mm为宜。
石墨的存在,使灰铸铁的铸造性能、减摩性、减振性和切削加工性都高于碳钢,缺口敏感性也较低。
灰铸铁的硬度和抗压强度主要取决于基体组织,而与石墨的存在基本无关。
因此,灰铸铁的抗压强度约为抗拉强度3〜4倍。
(2)灰铸铁的牌号及用途
灰铸铁的牌号由“HT+数字”组成。
其中“HT”是“灰铁”二字汉语拼音字首,数字表示Q0mm试棒的最低抗拉强度值(MPa)。
常用灰铸铁的牌号、力学性能及用途见表4-24。
从表中可以看出,灰铸铁的强度与铸件的壁厚有关,铸件壁厚增加则强度降低,这主要是由于壁厚增加使冷却速度降低,造成基体组织中铁素体增多而珠光体减少的缘故。
(3)灰铸铁的孕育处理
浇注时向铁液中加入少量孕育剂(如硅铁、硅钙合金等),改变铁液的结晶条件,以得到细小、均匀分布的片状石墨和细小的珠光体组织的方法,称为孕育处理。
孕育处理时,孕育剂及它们的氧化物使石墨片均匀细化,并使铸铁的结晶过程几乎在全部铁液中同时进行,避免铸件边缘及薄壁处出现白口组织,使铸铁各个部位截面上的组织与性能均匀一致,提高了铸铁的强度、塑性和韧性,同时也降低了灰铸铁的断面敏感性。
经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁,表4-24中,HT250、HT300、
HT350即属于孕育铸铁,常用于制造力学性能要求较高,截面尺寸变化较大的大型铸件,如汽缸、曲轴、凸轮、机床床身等。
(4)灰铸铁的热处理
由于热处理仅能改变灰铸铁的基本组织,改变不了石墨形态,因此,用热处理来提高灰铸铁的力学性能的效果不大。
灰铸铁的热处理常用于消除铸件的内应力和稳定尺寸,消除铸件的白口组织、改善切削加工性,提高铸件表面的硬度及耐磨性。
1时效处理
形状复杂、厚薄不均的铸件在冷却过程中,由于各部位冷却速度不同,形成内应力,即削弱了铸件的强度,又使得在随后的切削加工中,因应力的重新分布而引起变形,甚至开裂。
因此,铸件在成形后都需要进行时效处理,尤其对一些大型、复杂或加工精度较高的铸件(如机床床身、柴油机汽缸等),在铸造后、切削加工前,甚至在粗加工后都要进行一次时效退火。
传统的时效处理一般有自然时效和人工时效。
自然时效是将铸件长期放置在室温
下以消除其内应力的方法;
人工时效是将铸件重新加热到530〜620C,经长时间保
温(2〜6h)后在炉内缓慢冷却至200E以下出炉空冷的方法。
经时效退火后可消除90%以上的内应力。
时效退火温度越高,铸件残余应力消除越显著,铸件尺寸稳定性越好,但随着时效温度的提高,时效后铸件力学性能会有所下降。
振动时效是目前生产中用来消除内应力的一种新方法。
它是用振动时效设备,按
照振动时效技术国家标准,使金属工件在半小时内,进行近十万次较大振幅的低频亚共振振动,使之产生微观塑性变形,从而降低和均化残余应力,防止工件在使用过程
中的变形。
由于振动时效所需时间短(半小时),成本低(一度电和几元钱),效果好,而且能随时随地多次进行,既不降低硬度和强度,又无烟尘环境污染和氧化皮,所以广泛用于铸件、焊件和机加工件的时效处理,被誉为理想的无成本时效技术。
2石墨化退火
石墨化退火一般是将铸件以70〜100C/h的速度加热至850〜900E,保温2〜5h(取决于铸件壁厚),然后炉冷至400〜500E后空冷。
目的是消除灰铸铁件表层和薄壁处在浇注时产生的白口组织。
3表面热处理
有些铸件,如机床导轨、缸体内壁等,表面需要高的硬度和耐磨性,可进行表面淬火处理,如高频表面淬火,火焰表面淬火和激光加热表面淬火等。
淬火前铸件需进行正火处理,以保证获得大于65%以上的珠光体组织,淬火后表面硬度可达50〜
55HRC。
2.球墨铸铁
球墨铸铁是石墨呈球状的灰铸铁。
它是在浇注前向砂灰铸铁液中加入球化剂和孕育剂,而获得具有球状石墨的铸铁。
球化剂:
能使石墨结晶成球状的物质
常用球化剂:
镁、稀土和稀土镁合金。
孕育剂:
硅铁合金。
孕育处理的目的:
首先是促进石墨化,其次是改善石墨的结晶条件,使石墨球径变小,数量增多,形状圆整、分布均匀,显著改善了其力学性能。
(1)球墨铸铁的成分、组织和性能(自阅回答问题)
球墨铸铁的成分中,C、Si的质量分数较高,Mn的质量分数较低,S、P质量分数限制很严,同时含有一定量的Mg和稀土元素。
球墨铸铁常见的基体组织有铁素体、铁素体+珠光体和珠光体三种。
通过合金化和热处理后,还可获得下贝氏体、马氏体、托氏体、索氏体和奥氏体等基体组织的球墨铸铁。
在石墨球的数量、形状、大小及分布一定的条件下,珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体球墨铸铁咼50%以上,而铁素体球墨铸铁的伸长率是珠光体球墨铸铁的3〜5倍。
铁素体+珠光体基体的球墨铸铁性能介于二者之间。
经热处理后以马氏体为基的球墨铸铁具有咼硬度、咼强度,但韧性很低;
以下贝氏体为基的球墨铸铁具有优良的综合力学性能。
石墨球越细小,分布越均匀,越能充分发挥基体组织的作用。
球墨铸铁的金属基体强度的利用率可以高达70%〜90%,而普通灰铸铁仅为
30%〜50%。
同其它铸铁相比,球墨铸铁强度、塑性、韧性高,屈服强度也很高。
屈强比可达0.7〜0.8,比钢约高一倍,疲劳强度可接近一般中碳钢,耐磨性优于非合金钢,铸造性能优于铸钢,加工性能几乎可与灰铸铁媲美。
因此,球墨铸铁在工农业生产中得到越来越广泛的应用,但其熔炼工艺和铸造工艺要求较高,有待于进一步改进。
(2)球墨铸铁的牌号及用途
球墨铸铁的牌号由“QT+数字-数字”组成。
其中“QT”是“球铁”二字汉语拼音字首,其后的第一组数字表示最低抗拉强度(MPa),第二组数字表示最小断后伸长率(%)。
球墨铸铁的牌号、力学性能和用途举例见表4-25。
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