灰铸铁铸件生产技术灰铸铁组织灰铸铁组织.docx
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灰铸铁的组织
灰铸铁的金相组织主要由基体组织和片状石墨组成,除此以外,还有少量氧化物、碳化物、磷化物、硫化物等夹杂物。
一、灰铸铁中的石墨组织
灰铸铁结晶时,由于冷却速度和硅元素的影响发生了石墨化现象,灰铸铁中大量的碳以石墨的形式存在。
石墨本身有两个显著特点:
一是密度小(约为2.25g/cm3),其在铸铁中占有的体积较大,质量分数约为3%的石墨在铸铁中占到10%的体积;二是石墨硬度、强度很低,而且较脆。
因而,片状石墨在灰铸铁中存在,不仅减少了基体组织的有效承载面积,而且相当于许多裂口一样,对金属基体起到割裂作用。
同时,由于引起应力集中,致使金属集体的力学性能不能充分发挥,从而使灰铸铁的抗拉强度较低,塑性几乎为零。
灰铸铁中石墨的形状、分布、大小和数量对灰铸铁的性能产生了决定性的作用。
1.石墨形态
灰铸铁中的石墨以片状为主,同时存在少量蠕虫状、团虫状、团块状和球状石墨等。
图2-1是灰铸铁放大100倍时的金相组织。
如果将通过深度腐蚀后观察石墨的立体形态,就会看到各共晶团内的石墨是一簇簇的,由同一核心组成,呈花朵状,如图1所示。
图1灰铸铁的金相组织(×100)图2石墨的形态
2.片状石墨的分布
GB/T7216-2009《灰铸铁金相检验》规定将片状石墨的分布形态分为六种,如图3所示。
(c)(a)(b)(
(c)
(a)
(b)
(d)
(e)
(f)
图3片状石墨的分布类型
(a)A型;(b)B型;(c)C型;(d)D型;(e)E型;(f)F型
片状石墨的六种分布形式的特征、形成条件及其对灰铸铁力学性能的影响见表1。
其中A型和D型石墨的扫描电镜照片如图4所示。
表1片状石墨的六种分布形状
分布形式
代号
特征
形成条件
对铸铁力学性能的影响
细片状
A
片状石墨呈无方向均匀分布
接近共晶的亚共晶成分,砂型铸造,冷却速度不大时
在六种分布形式中,A型石墨是灰铸铁中经常出现的一种,而且使铸铁具有比较好的力学性能
菊花状
B
片状及细小卷曲的片状石墨聚集成菊花状分布
接近共晶的亚共晶成分,冷却速度较A型大,核条件较A型石墨差
其力学性能较A型差
块片状
C
初生的粗大直片状石墨,相当于A型石墨中分布有粗大的块状,且无方向性
多出现在具有过共晶成分的铸铁中,特别是铸件厚大,冷却速度较慢时易出现
由于石墨粗大,其力学性能急剧下降
枝晶点状
D
细小卷曲的片状石墨在枝晶间呈无方向分布
多出现在冷却速度较大,碳、硅含量较低的亚共晶灰铸铁中
常出现在含碳量较低的高牌号、薄壁铸件中,性能较E型石墨好
枝晶片状
E
片状石墨在枝晶二次分枝间呈方向性分布
多出现在远离共晶点的亚共晶成分中,但冷却速度较D型小
由于晶间石墨分布有方向性,力学性能较差
星状
F
初生的星状(或蜘蛛状)石墨,相当于粗大的C型石墨上生长着许多小片状石墨,均匀无方向性
经常出现在过共晶成分的高碳铸铁中,冷却速度较C型大的薄壁铸件中
使铸件力学性能降低
从表中可见,相同条件下,片状石墨的六种分布形式中以细小的A型石墨出现时,灰铸铁的性能较好。
(a)(b)
图4A型和D型石墨的扫描电镜照片
(a)A型石墨;(b)D型石墨
3.片状石墨的长度
灰铸铁中石墨越长,即石墨片越粗大,力学性能越差。
根据GB/T7216-2009的规定,石墨长度在放大100倍的金相显微镜下进行检验,共分为八级,见表2。
检验时可对照标准图册进行评定。
表2石墨长度分级(×100倍)
级别
1
2
3
4
5
6
7
8
名称
石长100
石长75
石长38
石长18
石长9
石长4.5
石长2.5
石长1.5
石墨长度/mm
>100
>50~100
>25~50
>12~25
>6~12
>3~6
>1.5~3
≤1.5
4.石墨数量
在基体组织、石墨大小及其分布相同的情况下,石墨数量增加,减小了铸件有效承载面积,使力学性能下降。
因此,越是高牌号灰铸铁,要求石墨数量越少。
由于石墨数量是指石墨片在金相照片上所占的面积分数,目前尚无统一的评价标准。
二、灰铸铁的基体组织
灰铸铁的铸态组织基体组织一般有铁素体(F)、珠光体(P)以及铁素体与珠光体的混合基体(F+P),如图5所示。
(a)(b)(c)
图5灰铸铁的基体组织
(a)铁素体基体;(b)珠光体基体;(c)混合基体
如出现白口化现象时,会存在低温莱氏体组织。
热处理状态下,其基体组织会形成贝氏体、马氏体等。
1.素体基体
铁素体是碳溶解于在α-Fe(体心立方)中形成的固溶体。
其特性是塑性与韧性高,但强度和硬度较低。
2.珠光体基体
珠光体是奥氏体的共析反应产物,是铁素体与渗碳体形成的层片状机械混合物。
其性能表现为强度和硬度有所提高,塑性和韧性下降。
3.混合基体
灰铸铁铸态下的组织一般都是混合基体,只是铁素体和珠光体的比例有所不同而已,其力学性能基本介于铁素体灰铸铁和珠光体灰铸铁之间。
基体中珠光体数量和片层薄厚,直接影响着灰铸铁的力学性能。
同样条件下,珠光体数量多,其强度和硬度越高,耐磨性越好。
关于珠光体数量多少,可以借助金相显微镜,对照国家标准图册进行评定。
按珠光体在基体中所占面积分数,共分八级,分别为珠98、珠95、珠90、珠80、珠70、珠60、珠50、珠40。
由于珠光体中铁素体与渗碳体层片的厚薄程度不同,会出现粗片状、中等片状、细片状和索氏体组织,但都属于珠光体类型的组织。
三、灰铸铁中的共晶团
铸铁在1153℃附近发生共晶转变时,剩余液相转变为奥氏体和石墨的共晶组织,称为共晶团(A+G),如图2-6所示。
在随后发生共析反应时,奥氏体A则转变为铁素体和石墨,也有可能部分或全部转变为珠光体P,形成不同的基体组织,但是石墨仍然为片状。
在灰铸铁中,共晶团的细化程度,决定着石墨片的长度。
共晶团越细,单位面积上共晶团数量越多,共晶团内的石墨分枝就越发达,石墨片也越短小,灰铸铁的力学性能也越好。
共晶团的数量分为8级,图7和8分别是1级和6级共晶团比较照片(直径70mm图片放大10倍或87.5mm图片放大50倍),在共晶团的边界上常常分布一些低熔点的偏析和夹杂物。
图6共晶反应时的共晶团图7灰铸铁共晶团(1级)图8灰铸铁共晶团(6级)
四、灰铸铁中的自由碳化物
当铸铁中碳、硅量偏低,或存在稳定碳化物元素(Mo、V、Cr等)或壁薄时,就容易出现碳化物。
除了渗碳体(Fe3C)外,锰、铬等元素可溶解到渗碳中,组成合金渗碳体。
钼、铬、钛等元素,也可以与碳形成化合物,如TiC、MoC。
通常把铸铁组织中的渗碳体、合金渗碳体等统称为碳化物。
而在铁液结晶过程中碳形成石墨或是碳化物。
碳化物是碳与一种或多种元素间形成的化合物。
因碳化物的出现,不仅降低了铸铁的力学性能,而且使切削加工性能恶化。
因此,一般铸铁中不允许存在自由碳化物。
碳化物按其分布形态可分为针状、网状、块状和莱氏体状等,按其在大多数显微镜视场中的百分比分为六级,即碳1、碳3、碳碳5、碳10、碳15、碳20,检验时按照《灰铸铁金相检验》GB/T7216-2009标准进行比较评定。
五、灰铸铁中的磷共晶
磷共晶有二元磷共晶(Fe-Fe3P,含wp10.2%,wFe89.8%,熔点1050℃)和三元磷共晶(Fe-Fe3P-Fe3C,含wp6.89%,wC1.96%,wFe91.15%,熔点950℃),以及二元磷共晶与碳化物的复合物、三元磷共晶与碳化物的复合物等四种类型,一般分布在灰铸铁的晶界上,有孤岛状、均匀分布、断续分布和连续分布等,如图9所示。
(a)(b)
图9灰铸铁中的磷共晶
(a)二元磷共晶(×500)(b)三元磷共晶(×400)
二元磷共晶和三元磷共晶都硬而脆,由于存在于晶界,破坏了金属基体的连续性,会降低金属的力学性能,尤其是韧性。
所以作为结构材料的铸铁件,一般应控制磷共晶。
另一方面,磷共晶构成了基体组织中的硬化相,可以显著提高铸铁的减磨性。
而三元磷共晶极硬而脆,易碎裂脱落,成为磨料,加剧工件的磨损。
所以,在多数情况下,含磷铸铁基体组织要求的是二元磷共晶而不是三元磷共晶。
高磷铸铁理想的磷共晶结构应是状,细小而均匀。
磷共晶的形成,主要受以下因素的影响:
(1)化学成分的影响。
含磷量超过0.06~0.08%时,铸铁中就会出现二元或三元磷共晶;石墨化元素一般促成二元磷共晶;反石墨化元素一般促成三元磷共晶和磷共晶一碳化物的复合物。
(2)冷却速度的影响。
冷却速度缓慢,磷共晶粗大,反之,则细小;缓冷有利于三元磷共晶中共晶渗碳体的分解,故可出现二元磷共晶。
(3)浇注温度的影响。
提高铁液浇注温度,可使磷共晶减少,且易形成二元磷共晶;反之,则易形成三元磷共晶和磷共晶一碳化物复合物。
在生产实践中,当铁液浇注温度大于1340~1350℃时,对于二元磷共晶生成有利。
(4)孕育处理的影响。
孕育充分,多次孕育处理能细化磷共晶,减少三元磷共晶和磷共晶一碳化物的复合物。
(5)适当地进行热处理对磷共晶的形态数量也有重要的影响。
六、灰铸铁的组织要求
在实际生产中,对各牌号的灰铸铁组织要求如见表3。
表3灰铸铁的组织要求
牌号
灰铸铁的组织
石墨组织
基体组织
HT100
存在初生石墨,长度250~1000μm,无向分布,含量12~15%
珠光体30~70%,粗片状,铁素体70~80%,二元磷共晶体小于7%
HT150
片状石墨,长度120~500μm,无向分布,含量7~11%
珠光体40~90%,中粗片状,铁素体10~60%,二元磷共晶体小于7%
HT200
80~90%片状石墨,10~20%的晶间石墨,长度60~250μm,无向分布,含量6~9%
珠光体小于95%,中片状,铁素体小于5%,二元磷共晶体小于4%
HT250
80~95%片状石墨,5~15%的晶间石墨,长度60~250μm,无向分布,含量4~7%
珠光体小于98%,中细片状,二元磷共晶体小于2%
HT300
80~95%片状石墨,5~20%的晶间石墨,长度30~120μm,无向分布,含量3~6%
珠光体小于98%,中细片状,二元磷共晶体小于2%
HT350
75~90%片状石墨,10~24%的晶间石墨,长度30~120μm,无向分布,含量2~4%