球铁性能与基体组织-课件(PPT·精选)

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石墨球的螺旋生长
石墨球螺旋生长模型 a）生长成的球体 b）角锥体单晶 c）锥顶角Φ 与θ 的关系
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石墨球生长的工艺措施
从生产实践中得知，使石墨 按球状生长的工艺措施为改变化 学成分和控制冷却速度。
化学成分中，对石墨生长有 重要影响的是一些能显著改变铁 液过冷倾向的元素；而引起铸铁 冷却速度产生变化的因素则是铸 件壁厚、铸型以及浇铸。
4级
>25－50 >12-25
5级 >6-12
6级 >3-6
7级 >1.5-3
8级 ≤1.5
GB9441－1998球墨铸铁金相检验标准将石墨大小分 成六级。
球墨铸铁石墨球的大小对力学性能的影响很大，减 小石墨球径，增加石墨球在单位面积的个数可以明显地 提高球墨铸铁的强度、塑性和韧性。
石墨球径的减小，使单位面积上球墨铸铁数量增多， 可使抗疲劳强度提高，因此，细化石墨也是提高抗疲劳 强度的一个要求。
球墨铸铁特性及其应用
1
球墨铸铁的概念
? 球墨铸铁的概况 球墨铸铁是指铁液在凝固过程中碳以球型石
墨析出的铸铁。与灰铸铁相比，其金相组织的最 大不同是石墨形状的改变，避免了灰铸铁中尖锐 石墨的存在，使得石墨对金属基体的切口作用大 为减少，基本消除了片状石墨引起的应力集中现 象，使得金属基体的强度利用率达到 70－90％， 从而使金属基体的性能得到很大程度的发挥。
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3、奥氏体、贝氏体、马氏体 由奥氏体、上贝氏体或下贝氏体通过等温淬
火，加入适当元素获得。 4、渗碳体
渗碳体多呈针状、条状，在球墨铸铁中易使 基体变脆，故应避免其出现。 5、磷共晶体
磷共晶体在球墨铸铁中对性能的危害比在灰 铸铁中大得多。沿晶界分布的二元或三元磷共晶 体，强烈降低球墨铸铁的韧性、塑性和强度，受 冲击时，裂痕总是沿磷共晶体边缘开始开裂。

间偏析等。
球墨 铸铁 孕育 的目
的
球化处理是球铁生产的基础，孕育处理是球铁生产的关键，孕育 效果决定了石墨球的直径、石墨球数和石墨球的圆整度。
为了保证孕育效果，孕育处理采用多级孕育处理。孕育处理越接 近浇注，孕育效果越好。
从孕育到浇注需要一定的时间，该时间越长，孕育衰退就越严重。 球化衰退防止：球化衰退的原因一方面和Mg、RE元素由铁液中逃 逸减少有关，另一方面也和孕育作用不断衰退有关，为了防止球化衰 退，采取以下措施： A、铁 液中应保持有足够的球化元素含量； C、降低原铁液的含硫量，并防止铁液氧化； C、缩短铁液经球化处理后的停留时间； D、铁液经球化处理并扒渣后，为防止 Mg、RE元素逃逸，可用覆盖剂 将铁液表面覆盖严，隔绝空气以减少元素的逃逸。
一石般墨不 球检螺查旋牛生眼长铁模素型体数量，仅检查与其共存的珠光体数量。 c锰、有保严证重必的要正的偏冷析却倾速向度，往往有可能富集于共晶团界处，严重时会促使形成晶间碳化物，显著降低球墨铸铁的韧性。
不充分时取上限；反之，取下限。将碳当量选择在共晶点 一球般墨不 铸检铁查也牛不眼例铁外素，体只数有量石，墨仅球检化查，与才其能共发存挥的金珠属光基体数的量作。用，使铸铁的力学性能大幅度提高。
挥5、。铋及铋的化合物 1特、征观：察收金缩相应，力评、定相球变应力之和超过断面金属抗断裂后形成裂纹，热裂呈暗褐色不平整端口，冷裂形成浅褐色光滑平直断口。
石墨呈球状后石墨对机械性能的影响已减小到最低程度， GCEB％94低41于－41．99286球％墨为铸亚铁共金晶相成检分验；标准将石墨大小分成六级。
球墨 铸铁
球墨铸铁可以像钢一样，通过热处理和合金化等 措施来进一步提高其使用性能。比如，处理过的球墨 铸铁可以取得很好的韧性，延伸率高达24％；抗拉强 度可以高达1400MPa，基本接近钢材。

e. Sb 稳定P作用↑↑，Sb=0.006~0.08 （3）微量元素 Ti、As、Pb、Al、Sn等干扰球化，形成晶间脆性化合 物，严格控制 2.熔炼及炉前处理 球化率 球铁力学性能 石墨球径 石墨球圆整度 球化率——在铸铁微观组织的有代表性的视场中，在 单位面积上，球状石墨数目与全部石墨数目的比值。
措施： a. 加大铸型刚度； b. 增加石墨膨胀的体积； c. 降低温度： d. 加冒口、冷铁。 （2）夹渣 硫化物、氧化物、杂质。 原因： 措施：a. 加强覆盖；b. S↓O↓； c. Mg残↓RE残↓； d. 浇注温度↑。
（3）皮下气孔 原因：Mg + H2O → MgO + H2↑ Mg S+ H2O → MgO + H2S↑ 措施： Mg残↓，S↓，H2O ↓ （4）石墨漂浮 原因： C↑↑，Si↑↑。 措施： a. 严格控制CE； b. 降低原铁水含Si量。
镁的沸腾温度与压力关系
压力加镁装置
b. 转包法
c. 冲入法
d. 型内球化法
＊球化元素吸收率高； ＊避免孕育衰退和球化衰退； ＊难度大。
（4）孕育处理 目的： a. 消除白口倾向； b. 促进球化； c. 细化共晶团； d. 减少P、Mn晶间偏析。 孕育剂： a. 75%Si-Fe，价格便宜，有效时间短； b. 以Si为基加入Sr、Ba、Ca、Zr等延长有效期。 方法： a. 炉前一次或多次孕育；
（3）Si、Mn、P比钢高，偏析程度高 2. 球铁的退火处理 目的 获得F基体； 消除自由Fe3C；
（1）高温石墨化退火（消除自由Fe3C） 工艺：加热到Ac3以上50~100℃（900~950 ℃），保温 2~4小时，全部A化。 （2）低温石墨化退火
Acz1 以上，全部A化，保温，缓冷→F 工艺：a. 在

球铁的金相组织
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
ENDBiblioteka 40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃

8~22 160~190
50~150
铸态珠光体球铁 600~800 450~530 退火铁素体球铁 450~550 320~420
2~4 10~28
217~269 110~170
15~35 110~160
正火珠光体球铁 600~900 420~600 1600~2640 2~8
240~310
20~40
铁的弯曲疲劳强度σ-1 比钢低，但用带孔带肩的试样试验时比钢高。故珠光体球墨铸铁适 合于制造各种动力机的曲轴、凸轮抽等轴类零件。
2.冲击韧度
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球墨铸铁铸件生产技术课程
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
冲击韧度仅对高韧性球墨铸铁而言，而珠光体球墨铸铁的一次性冲击韧度比 45 钢 低。因此，一些要求承受巨大冲击裁荷的零件，珠光体球墨铸铁的应用就受到了限制。 但在实际应用中的许多零件如曲轴、连杆等工作时承受的是小能量多次冲击裁荷，如图 5 是珠光体球墨铸铁和正火 45 钢的冲击吸收功 A 和冲击次数 N 曲线。
2.屈服强度
屈服强度又称屈服点，也称屈服极限。由于球墨铸铁呈连续屈服行为，通常将 0.2％
塑性变形应力σ0.2 称为 0.2％屈服强度，视为与屈服点相当。
球墨铸铁的静载荷性能的一个突出的特点是屈服点σ0.2 高，超过正火 45 钢，比强度
σ0.2/σｂ也高于钢（据测试：球墨铸铁的σ0.2/σｂ＝0.7~0.8，钢的σ0.2/σｂ=0.3~0.57）。屈服点 是防止零件产生过量塑性变形时选取许用应力的设计依据，而屈强比则进一步反映材料
4.硬度 图 2 所示为布氏硬度与抗拉强度的关系。可见，包括铸态、退火态、热处理油冷(淬 火态)和热处理空冷(正火态)的球墨铸铁的布氏硬度和抗拉强度之间一般均呈直线关 系。

236.2 142.1 60.8
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(4)抗疲劳强度 温度（℃）
20 250 400 500
疲劳强度σ－1（MPa）
铸态珠光体
退火铁素体
223.4
183.3
203.8
183.3
176.4
132.3
170.5
132.3
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4、低温性能
随温度降低，球墨铸铁逐渐发生由韧性 向脆性的转变，尤其在脆性转变温度以下 ，冲击值急剧下降。同时，屈服强度提高 ，延伸率下降，对应力集中的敏感性明显 增加，表现为屈服以后变形量较小即断裂 。对于常温下塑韧性较好的铁素体球墨铸 铁，低温下抗拉强度提高。
石墨球径的减小，使单位面积上球墨铸铁数量增多， 可使抗疲劳强度提高，因此，细化石墨也是提高抗疲劳 强度的一个要求。
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2、3 铁素体
根据GB9441-1988球墨铸铁金相检验评 定铁素体数量。其百分比，按大多数视场 对照图片评定。一般不检查牛眼铁素体数 量，仅检查与其共存的珠光体数量
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3、球墨铸铁的力学性能
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1、净荷载性能 （1）硬度
球墨铸铁的硬度主要取决于基体组织，而且与 抗拉强度、延伸率等净荷载性能有相应的关系。 （2）强度和塑性
球墨铸铁的强度和塑性主要取决于基体组织， 热处理后的下贝氏体或回火马氏体强度最高，其 次是上贝氏体、索氏体、珠光体。
随着铁素体增多，强度下降，延伸率增加。奥 氏体或铁素体强度较低，塑性较好。
石墨大部分呈球状，余为团状和极少 量团絮状
石墨大部分呈团状，余为团絮状，允 许有极少量蠕虫状
石墨呈分散分布的蠕虫状、球状、团 状、团絮状

当有稀土元素存在时，则 Mg 可低些。 根据基体组织的不同，常用的球墨铸铁分为三种类型：铁素体球铁、 铁素体― 珠光体球铁及珠光体球铁，其显微组织如图所示。
铁素体球墨铸铁
铁素体－珠光体球墨铸 铁
珠光体球墨铸铁
球墨铸铁的显微组织
球墨铸铁良好的机械性能是与其组织特点分不开的，在球铁中，石 墨结晶成球状，对基体的割裂作用大为减小，基体强度的利用率达（70～ 90）%，抗拉强度不仅高于铸铁，甚至还高于碳钢，σb＝(400～600)MPa， σs＝(300～400)MPa。屈强比σs/σb 为 0.7～0.8，比钢约高 40%左右。 塑性、韧性比灰口铸铁大大提高，δ＝(1.5～10)%，经热处理最高可达
δ＝(20～25)%。 球墨铸铁不仅具有远远超过灰铁的机械性能，而且同样也具有灰铁 的一系列优点。如良好的铸造性能、减摩性、切削加工性及低的缺口敏 感性等。甚至在某些性能方面可与锻钢相媲美，如疲劳强度大致与中碳 钢相似，耐磨性优于表面淬火钢等。此外，球铁还可适应各种热处理， 使其机械性能提高到更高的水平。因此。球铁一出现就得到迅速的发展。 它可代替部分钢作较重要的零件，对实现以铁代钢、以铸代锻起重要的 作用，具有较大的经济效益。例如，珠光体球铁常用于制造曲轴、连杆、 凸轮轴、机床主轴、水压机气缸、缸套、活塞等。铁素体球铁用于制造
盘铸件需进行退火处理。 2.正火
目的是增加基体组织中珠光体的含量，并使其细化，提高铸铁的强 度、硬度和耐磨性，如发动机的缸套、滑座和轴套等铸件均要进行正火。
此外，还能将铸态珠光体球铁进行调质和等温淬火，以获得高的强度和硬度，但是都只适宜 于小件。
并适合流水作业生产等优点。 因球化处理时铁水温度有所降低，为保证流动性，应使铁水的出炉
温度高些。 四、球墨铸铁的热处理 由于球铁基体组织与钢相同，球铁石墨又不易引起应力集中，因此 它具有较好的热处理工艺性能。凡是钢可以采用的热处理，在理论上对 球铁都适用。常用的热处理方法有以下几种：

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用镁和铈处理的铁液有较大的结晶过冷和形成白口的倾向， 硅能减小这种倾向。此外，硅还能细化石墨，提高石墨球 的圆整度。
但硅又降低铸铁的韧性，并使韧性-脆性转变温度升高。
因此在选择碳硅含量时，应按照高碳低硅的原则，一般认 为Si>2.8%时，会使球墨铸铁的韧性降低，故当要求高 韧性时，应以此值为限，如铸件是在寒冷地区使用，则含 硅量应适当降低。
球铁力学性能的验收依据，主要为抗拉强度（σb）和伸长 率（δ），如用户有特殊需要，冲击韧性、屈服点、硬度 也可作为附加的验收依据，必要时还应对金相组织进行检 验。
在特殊情况下，经供需双方同意，允许根据铸件本体所测 得的硬度值规定球铁的硬度牌号，见GB1348-88。
2021/6/20
3
2.金相组织
δ
供参考
(%)
硬度（HB） 主要金相组织
18 130~180
铁素体
15 130~180
铁素体
10 160~210
铁素体
7 170~230
铁素体+珠光体
3 190~270
珠光体+铁素体
2 225~305
珠光体
2 245~335 珠光体或回火组织
2 280~360 贝氏体或回火马氏体
2021/6/20
2
（1）球化级别1~6级，一般要求1~3级。 （2）石墨大小3~8级，一般要求石墨直径6~8级。 （3）珠光体的粗细和数量。 ➢ 珠光体粗细度分为：粗片状珠光体、片状珠光体、细片状珠光体。 ➢ 一般要求为细片状珠光体。 ➢ 对于高韧性球铁，珠光体要少，特别是QT400-18，不允许有珠光体，
或其量<1%，其余为铁素体。 （4）高韧性球铁中不允许出现磷共晶和碳化物。

754.6
0.5
700.7
0.5
629.2
0
退火铁素体球墨铸铁
抗拉强度σ b
MPa
延伸率δ （％）
470.4
24
492.9
24
515.5
24
539.0
19
554.7
13
564.5
9
548.8
5
558.6605.6
0
球墨铸铁的物理性能
1、密度 （1）球墨铸铁的常温密度
材料 铁素体球铁 珠光体球铁 中硅耐热球铁
石墨大部分呈团状，余为团絮状，允 许有极少量蠕虫状
石墨呈分散分布的蠕虫状、球状、团 状、团絮状
石墨呈聚集分布的蠕虫状、片状及球 状、团状、团絮状
球化率（％） ≥95
90－95 80－90 70－80 60－70
2、2 石墨大小
石墨球大小分级(GB9441-1988)
级别
石墨直径（100×） mm
3级 >25－50
3、高温性能 （1）硬度
各种球墨铸铁低温下有很好的硬度，但在540℃时开始粒状化，高 于650℃ 开始分解，硬度开始下降并逐渐接近铁素体球墨铸铁的硬 度。
布氏硬度HBS
四种退火球墨铸铁的高温硬度
200 150 100
50 0 100 300 450 550 650 试验温度(摄氏度）
上贝氏体 下贝氏体 珠光体 铁素体
密度(g/cm－3) 6.9-7.2 7.1-7.5 7.1
（2）熔融状态镁球墨铸铁的密度
温度℃ 1225
密度
(g/cm－ 3)
7.05
1250 6.90
1300 6.94 6.87

（a）铁素体基体
（b）珠光体基体 （c）铁素体+珠光体基体 图7-4 球墨铸铁的显微组织
（d）下贝氏体基体
各种球墨铸铁的牌号、基体组织及力学性能如表7-3所示。牌号中的符号“QT” 是“球铁”二字汉语拼音的第一个字母，后面两组数字分别表示其最小抗拉强度值 （MPa）和延伸率值（%）。
牌号
QT400-18L QT400-18R QT400-15 QT450-10
3）调质
调质适用于要求良好综合力学性能的球墨铸铁。方法为将工件加热到 860～920℃，保温使基体变为奥氏体，油中淬火得到马氏体，经过550～ 600℃回火、空冷，得到回火索氏体。
4）等温淬火
等温淬火适用于外形复杂，热处理易变形、开裂，而综合力学性能要求又高的铸件，如齿轮、 滚动轴承套圈、凸轮轴等。方法为将零件加热至860～900℃，保温后放入250～300℃的盐浴中， 30～90 min后取出空冷，可得到下贝氏体加石墨组织。
制造需承受冲击、振动的零 件，如汽车拖拉机轮毂、农机 具零件、中低压阀门等
牌号
QT500-7 QT600-3 QT700-2 QT800-2
主要基体组织
铁素体 珠光体 珠光体 铁素体
珠光体 珠光体或索氏体
表7-3（续）
Rm/ MPa
Rp0.2/ MPa
≥
A5/%
500
320
7
600
370
3
700
420
表7-3 球墨铸铁的牌号、基体组织、力学性能及用途（摘自GB/T 1348-2009）
主要基体组织
铁素体 铁素体 铁素体 铁素体
Rm/ MPa
Rp0.2/ MPa
≥
400