熱處理淬火材料之鑄鐵

發布時間：2012-9-5 20:54:41

同鋼一樣，鑄鐵也是以Fe、C元素為主的鐵基材料，但是含碳量很高（＞2.11%），還含有較多的硫、磷等雜質元素。為了進一步提高鑄鐵的力學性能或特殊性能，還可以加入鉻、鉬、釩、銅、鋁等合金元素，或提高硅、錳、磷等元素的含量，這種熱處理淬火材料之鑄鐵稱為合金鑄鐵。鑄鐵是歷史上使用得較早的材料，也是最便宜的金屬材料之一。鑄鐵成本低廉生產工藝簡單并具有優良的鑄造性能和切削加工性能，還有很高的耐磨減摩性和消震性以及低的缺口敏感性等，目前仍然是機械制造業中最重要的材料之一，因此成為熱處理淬火常見的材料。例如，機床的床身、床頭箱、尾架、內燃機的氣缸體、缸套、活塞環以及凸輪軸、曲軸等都是鑄鐵制造的。在農用機械、汽車、機床等行業中，鑄鐵件約占總重量的40%～90%。鑄鐵的石墨化：
　　（1）石墨化過程：在鐵碳合金中，碳可以以三種形式存在：一是固溶在鐵素體(F)和奧氏體(A)中，二是化合物態的滲碳體(Fe3 C)，三是游離態石墨(G)。滲碳體為亞穩相，具有復雜的斜方結構。在一定條件下能分解為鐵和石墨（Fe3C-3Fe+C）。石墨為穩定相，具有特殊的簡單六方晶格，底面上的原子間距小，原子結合力很強；底面與底面之間的間距較大，原子結合力較弱，所以石墨的強度、硬度和塑性都很差。鑄鐵中的碳有大部分或全部是以石墨的形式存在，其組織都是由基體和石墨兩部分組成的。石墨的形態、大小、數量和分布對鑄鐵的性能有著非常重要的影響，而石墨的特點和基體的類別都與鑄鐵的石墨化過程有關。碳原子析出并形成石墨的過程稱為石墨化，鑄鐵在加熱或鐵水結晶過程中當條件合適就會發生石墨化。石墨既可以從液體和奧氏體中析出，也可以通過滲碳體分解來獲得。研究表明：灰鑄鐵和球墨鑄鐵中的石墨主要是從液體中析出；可鍛鑄鐵中的石墨則完全由白口鑄鐵經長時間退火，由滲碳體分解而得到。（2）影響石墨化的因素：由于鐵的晶體結構與石墨的晶體結構差異很大，而鐵與滲碳體的晶體結構要接近一些，所以普通熱處理淬火材料鑄鐵在一般鑄造條件下只能得到白口鑄鐵，而不易獲得灰鑄鐵。因此，必須通過添加合金元素和改善鑄造工藝等手段來促進鑄鐵石墨化，形成灰鑄鐵。影響石墨化的主要因素是：①溫度和冷卻速度，在生產過程中，鑄鐵的緩慢冷卻，過冷度比較小，有利于石墨化過程的充分進行。在高溫下長時間保溫，也有利于石墨化。②化學成分：促進石墨化的元素：C、Si、Al、Cu、Ni、Co等非碳化物形成元素促進石墨化，其中以碳和硅最強烈。阻礙石墨化的元素：Cr、W、Mo、V、Mn、S等碳化物形成元素阻礙石墨化。生產中，調整碳、硅含量，是控制熱處理淬火材料之鑄鐵組織和性能的基本措施。鑄鐵中碳、硅含量過低，易出現白口，其力學性能和鑄造性能都較差；反之則使鑄鐵中的石墨數量多且粗大，力學性能下降。因此碳、硅的含量一般在下列范圍內：碳為2.5%-4.0%，硅為1.0%-3.0%。石墨化程度不同，所得到的熱處理淬火材料之鑄鐵類型和組織也不同。常用各類熱處理淬火材料鑄鐵的組織是由兩部分組成的，一部分是石墨，另一部分是基體。基體可以是鐵素體、珠光體或鐵素體加珠光體，相當于鐵或鋼的組織。所以，鑄鐵的組織可以看成是鐵或鋼的基體上分布著石墨夾雜。不同類型熱處理淬火材料鑄鐵組織中的石墨形態是不同的：灰鑄鐵和變質鑄鐵中的石墨呈片狀；可緞鑄鐵中石墨呈團絮狀；球墨鑄鐵中的石墨呈球狀；蠕墨鑄鐵中的石墨呈蠕蟲狀。針對以上不同的鑄鐵組織，所使用的熱處理淬火液也不形同，應根據不同鑄鐵的組織性能選擇。本文參考《金屬工藝基礎與實踐》一書。

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