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铸铁联轴器,铸铁的分类与石墨化

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学习目标:了解铸铁的分类,铸铁的石墨化及影响因素;熟悉常用铸铁件的牌号、组织、性能、用途。

 

本章导读:铸铁与钢的主要区别在于铸铁比碳钢含有更高的碳和硅,同时硫、磷含量也较高。一般铸铁的成分范围是: wC=2.5%~4.0%,wSi=1.0%~2.5%,wMn=0.5%~1.4%, wP≤0.3%,wS≤0.15%。常用铸铁具有优良的铸造性能,生产工艺简便,成本低,所以应用广泛,一般机器的50%(以重量计)以上是铸铁件,通常性能要求一般、形状特殊的机器底座、床身、箱体、端盖、支架等机件采用灰铸铁件,形状复杂的曲轴、凸轮轴、大型减速齿轮也可用球墨铸铁件。本章涉及了铸铁分类和特性等基本知识、常用铸铁的牌号、性能、应用范围等。

第一节 铸铁的分类与石墨化

一、铸铁的分类

碳在铸铁中可能以渗碳体(Fe3C)或石墨(G)形式存在,根据碳的存在形式,铸铁可分为:白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁。

[白口铸铁]:白口铸铁中,碳除少量溶入铁素体外,绝大部分以渗碳体的形式存在。因断口呈银白色,故称白口铸铁。白口铸铁硬度高,脆性大,难以切削加工,故很少直接用来制造机械零件,主要用作炼钢原料、可锻铸铁的毛坯,以及不需切削加工、要求硬度高和耐磨性好的零件,如轧辊、犁铧及球磨机的磨球等。

[灰口铸铁]:灰口铸铁中,碳主要以石墨的形式存在,断口呈灰色。这类铸铁是工业上最常用的铸铁。根据其石墨的存在形式不同,灰口铸铁可分为如下四类性能不同的铸铁件:

  1. (1) 灰 铸 铁 碳主要以片状石墨形式存在的铸铁。
  1. (2) 球墨铸铁 碳主要以球状石墨形式存在的铸铁。
  1. (3) 可锻铸铁 碳主要以团絮状石墨形式存在的铸铁。
  1. (4) 蠕墨铸铁 碳主要以蠕虫状石墨形式存在的铸铁。

[麻口铸铁]:麻口铸铁中,碳一部分以石墨存在,另一部分以渗碳体存在,断口呈黑白相间,这类铸铁的脆性较大,故很少使用。
此外,为了进一步提高铸铁的性能或得到某种特殊性能,在铸铁中加入一种或多种合金元素(Cr、Cu、W、Al、B等)可得到合金铸铁,如耐磨铸铁、耐蚀铸铁、耐热铸铁等。

二、铸铁的石墨化及影响因素

1、石墨化过程
铸铁中碳以石墨形态析出的过程叫做铸铁的石墨化。
按Fe-Fe3C双重相图,铸铁在结晶过程中,随着温度的下降,各温度阶段都有石墨析出,石墨化过程是一个原子扩散的过程,温度越低,原子扩散越困难,越不易石墨化。
结晶时,若各阶段石墨化能充分或大部分进行,则能获得常用的灰口铸铁,反之将会得到白口铸铁。

铁碳合金双重相图(Fe-Fe3C和Fe-G)

共晶铸铁石墨化
亚共晶铸铁石墨化
过共晶铸铁石墨化

2、影响石墨化的因素

化学成分的影响:

元素

对石墨化影响

C

是形成石墨的基础,增大铸铁中C的浓度,有利于形成石墨

Si

是强烈促进石墨化的元素,Si含量越高,石墨化进行得越充分

S

是强烈阻碍石墨化的元素,S还会降低铸铁的力学性能和流动性。因此,铸铁中含S越少越好

Mn

本身阻止石墨化,但Mn与S化合形成MnS,减弱了S对石墨化的不利影响,故铸铁中允许有适量的Mn。

冷却速度的影响:缓慢冷却时碳原子扩散充分,易形成稳定的石墨,即有利于石墨化。铸造生产中凡影响冷却速度的因素均对石墨化有影响。如铸件壁越厚,铸型材料的导热性越差,越有利于石墨化。

三、常用灰口铸铁件的性能特点

[力学性能]:常用灰口铸铁中具有石墨存在,而石墨的力学性能几乎为零,可以把铸铁看成是布满裂纹或空洞的钢。石墨不仅破坏了基体的连续性,减少了金属基体承受载荷的有效截面积,使实际应力大大增加;另一方面,在石墨尖角处易造成应力集中,使尖角处的应力远大于平均应力。所以,灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢。石墨片的数量越多、尺寸越大、分布越不均匀,对力学性能的影响就越大。但石墨的存在对灰铸铁的抗压强度影响不大,因为抗压强度主要取决于灰铸铁的基体组织,因此灰铸铁的抗压强度与钢相近。

 

 

 

 

 

 

 

 

铸铁的抗拉强度与抗压强度

[其他性能]:石墨虽然降低了灰铸铁的力学性能,但却给灰铸铁带来一系列其它的优良性能。

1)良好的铸造性能 灰铸铁件铸造成形时,不仅其流动性好,而且还因为在凝固过程中析出比容较大的石墨,减小凝固收缩,容易获得优良的铸件,表现出良好的铸造性能。
2)良好的减振性 石墨对铸铁件承受振动能起缓冲作用,减弱晶粒间振动能的传递,并将振动能转变为热能,所以灰铸铁具有良好的减振性。
3)良好的耐磨性能 石墨本身也是一种良好的润滑剂,脱落在摩擦面上的石墨可起润滑作用,因而灰铸铁具有良好的耐磨性能。
4)良好的切削加工性能 在进行切削加工时,石墨起着减摩、断屑的作用;由于石墨脱落形成显微凹穴,起储油作用,可维持油膜的连续性,故灰铸铁切削加工性能良好,刀具磨损小。
5)低的缺口敏感性 片状石墨相当于许多微小缺口,从而减小了铸件对缺口的敏感性,因此表面加工质量不高或组织缺陷对铸铁疲劳强度的不利影响要比对钢的影响小得多。

[适用场合]:由于灰铸铁具有以上一系列性能特点,因此被广泛地用来制作各种受压应力作用和要求消震的机床床身与机架、结构复杂的壳体与箱体、承受摩擦的缸体与导轨等。

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