球墨铸铁曲轴的铸造及热处理工艺_百度文库
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球墨铸铁曲轴的铸造及热处理工艺
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开　本：16开
页　数：220
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字　数：361.00千字
装　帧：平装
语　　种：中文
I S B N：8
1球墨铸铁铸态组织
1.1铁碳硅合金相图
1.2铸铁中的石墨晶体结构
1.2.1球状石墨晶体的结晶核心
1.2.2石墨晶体在晶体缺陷上生长
1.2.3球状石墨晶体结构
1.2.4球状石墨晶体的生长
1.3球状石墨中的元素分布
1.4球墨铸铁铸态组织的形成
1.4.1球状石墨在铁水中析出
1.4.2初生渗碳体析出
1.4.3初生奥氏体析出
1.4.4铁碳合金共晶转变
1.4.5稳定系共晶转变和亚稳系共晶转变
1.4.6二次渗碳体
1.4.7磷共晶
1.5固态相变
1.5.1先共析铁素体析出
1.5.2共析转变与共析组织
1.5.3铁素体球墨铸铁
1.5.4珠光体球墨铸铁
1.6球墨铸铁的冷却曲线
2球墨铸铁化学成分
2.1常存元素
2.1.1碳和硅
2.2合金元素
2.3微量元素
2.4气体元素
2.5凝固过程中的元素偏析
2.6一般球墨铸铁件的化学成分范围
3球墨铸铁力学性能与物理性质
3.1力学性能
3.1.1拉伸性能
3.1.2球墨铸铁的拉伸断裂
3.1.3球墨铸铁的拉伸强度
3.1.5弹性模量
3.1.6扭转、剪切、弯曲强度
3.1.7压缩强度
3.1.8冲击韧度
3.1.9疲劳极限
3.1.10断裂韧度
3.1.11抗热疲劳强度
3.1.12高温力学性能
3.1.13蠕变与持久强度
3.1.14高i硅铁素体耐热球墨铸铁
3.1.15低温力学性能
3.2球墨铸铁物理性质
3.2.2热导率
3.2.3线膨胀系数
3.2.4比热容
3.2.5熔化潜热
7铸件浇注与补缩
9等温淬火球墨铸铁
10奥氏体球墨铸铁
11薄壁和厚壁球墨铸铁件
12异态石墨和铸造缺陷
郝石坚，教授，研究生导师，早年毕业于天津大学机械工程系。长期致力于金属材料工程领域的生产、科研和教学工作。曾经在煤矿机械制造企业从事铸造工作，开发过多种铸造合金及其成形工艺。后转入交通部西安公路交通大学(现长安大学)，享受政府特殊津贴；并继续进行铸造合金，特别是特种铸铁的研究、开发以及教学工作。
&近些年已完成多项科研项目。其著作有《现代球墨铸铁》(1987)、《高铬耐磨铸铁》(1993)、《现代铸铁学》(2004)等专著；并主编了高校专业教材《金属热加工原理》(1988)；在各学术刊物上发表论文30余篇。
宋绪丁，男，1963年4月生，工学博士，教授，博士生导师，工程机械学院副院长，长安大学教学名师，重量机械设计制造及其自动化特色专业建设负责人。1985.06毕业于原西安公路学院金属热加工工艺与设备专业，同年留校任教至今；任教期间分别于1.01在原西安公路交通大学攻读硕士研究生，获机械学专业硕士学位；8.06在长安大学攻读博士研究生，获机械设计及理论专业博士学位。
青年(14-20岁),普通成人
全书&共15章&。球墨铸铁铸态组织及其形成；成分与性能；原铁水熔炼；球化处理；孕育处理；浇注与补缩；热处理；常见铸造缺陷和异态组织；珠光体球墨铸铁；铁素体球墨铸铁；奥氏体球墨铸铁；等温淬火球墨铸铁；低碳当量球墨铸铁；薄壁球墨铸铁；厚壁薄膜铸铁。
该教材可供材料科学与工程、铸造专业的师生选用，相关的科技人员参考。
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珠光体球墨铸铁生产工艺研究
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3秒自动关闭窗口成分/球墨铸铁
球墨铸铁生铁是含碳量大于2％的，工业生铁含碳量一般在2.5%--4%，并含C、SI、Mn、S、P等元素，是用铁矿石经高炉冶炼的产品。根据生铁里碳存在形态的不同，又可分为炼钢生铁、铸造和球墨铸铁等几种。析出的呈球形的铸铁。球状石墨对金属基体的割裂作用比片状石墨小，使铸铁的强度达到基体组织强度的70～90％，抗拉可达120kgf/mm2 ，并且具有良好的韧性。球墨铸铁除铁外的化学成分通常为：含碳量3.6～3.8％，含硅量2.0～3.0％，含锰、磷、硫总量不超过1.5％和适量的稀土、镁等球化剂。
性能/球墨铸铁
球墨铸铁球铁铸件差不多已在所有主要工业部门中得到应用，这些部门要求高的强度、塑性、韧性、耐磨性、耐严重的热和机械冲击、耐高温或低温、耐腐蚀以及尺寸稳定性等。为了满足使用的这些变化、球墨铸铁现有许多，提供了机械性能和吻理性能的一个很宽的。如国际标准化组织1501083所规定的大多数球墨铸铁铸件，主要是以生产的。显然，这个范围包括抗拉强度大于800牛顿/毫米，延伸率为2%的高强度牌号。另一个极端是高塑性牌号，其延伸率大于17%，而相应的强度较低(最低为370牛顿/毫米勺。强度和延伸率并不是设计者选择材料的唯一根，而其它决定性的重要性能还包括、、耐磨性和疲劳强度、和冲击性能。另外，耐蚀性和抗氧化以及电磁性能对于设计者也许是关键的。为了满足这些特殊使用，研制了一组奥氏体球铁，通常叫傲Ni一Resis亡球铁。这些奥氏体球铁，主要用锌、铬和锰，并且列入。
应用/球墨铸铁
球墨铸铁球墨铸铁的应用范围可以分为四个部门：(1)压力管遭和配件；(2)汽车应用；(3)农业、道路和建筑应用；(4)一般工程。1：压力和球墨铸铁用作管道开始时，铁管道和配件大多数由主要工业国家生产，它们的制造、设计和使用既符合国家标准，也符合国际标准和实施(I502531)。就运送水和其它来说，早就证明球铁管道要优于灰铸铁管道。这种转变的主要原因在于的强度和韧性的配合，使得由这种材料所制成的管道能经受高的运行压力，在铺设时能草率。席气输送管道必须能经受多使用条的要求，即经受在管道附近的挖掘和市政工程施工以及等，这里球铁管道的高强度、高切性和简单的及连接已经证明选用这种材料是果断的。2：汽车应用就生产的吨位而论，工业是球墨铸铁铸件第二用户，其数项最多。球铁应用于汽车中的三个主要地方：(1)动力源一发动机部件；(2)动力传递一一齿轮系、齿轮和轴套；(3)车物悬置、和转向装置。动力源曲轴是承受连续变化的弯曲、扭转和剪切载荷的，并且在它的使用寿命内，要循环十亿次，汽车设计的们早在19152年即在发现用镁处理的方法四年之后，就立刻考虑采用球铁的可能性。福特汽车公司的几乎所有曲轴都用这种材料来制造。世界上大多数汽车都装上球铁曲轴来代替锻钢曲轴，这种应用被认为是价值工程的典型例子。汽车的制造者们从延长发动机的使用寿命出发，特别谨慎地考虑曲轴材料的选抒，当高强度的贝氏体等温悴火球铁为了提高动力重量比，的扩大使用影响了材料的设计根据，装有涡轮增压器的的温度提高到500一70。C，在这种条件下，氧化和蠕变强度变得重要了。具有优良性能的球铁正在取代灰铸铁应用于排气管，随着温度的提高，将更进一步使用硅铝合金球铁。汽车动力传递可锻铸铁件有时用作汽车的传动部件，将球铁应用于圆片离合器、箱、后轴和轮壳等的强烈的趋势。Sehaffhausen的G.Fiseher铸造厂在这方面有许多应用，他们与设计者紧密合作，把铸钢件、锻钢件以及可锻铸铁件转变为球墨铸铁件。悬置件现在，铁经常用作悬置部件如弹簧挂钩以及制动系统主要安全部件(制动卡钳)和。3：农业、道路和建筑应用现代的的方法要求能提供在需要的状态下可靠的和使用较长的农业机械。整个农用工业中所广泛使用的球铁铸件包括各种拖拉机配件、犁桦、托架、夹钳和滑轮。典型的部件是农用车俩后轴壳，‘它原来采用铸钢件。道路铺设和建筑工业都需要相当数量灼各种各类的包括、、和，球铁铸件在这些方面都有应用。4：一般应用球墨铸铁机床工业利用球铁的工程性能，它允许设计复杂的机床部件以及铸件重量超过10。吨的重型机器铸件。在应用包括注射塑模板、锻压机汽缸和活塞。球铁的抗拉强度和屈服强度高，机械加工性能好，允许生产较轻铸件而使其保持刚性。同样，球铁的强度和韧性使其成为各种手工工具，如、和的理想材料。造纸机工业利用了球铁高的强度和高的弹性模数。例如与灰铸铁相比，球铁的弹性模数高60%，设计压力滚筒和干燥时能减少重量。同样，球铁(适当加入镍锢合金)轧辊应用于钢厂，比起钢和冷硬铸铁来有较高的性能。5：阀制造阀的制造者们是球铁(包括奥氏体球铁)的主要使用者，其应用方面包括成功地输送各种酸、盐和碱性液体。球铁在阀的应用方面的一个有趣的例子是球阀塞由英国Parkfeld制造厂生产。用于1420毫米煤气管道的大型球阀塞，原先用锻钢制造，2410毫米、17吨。基本上重新设计的球铁球阀塞重量仅n吨。附加的好处包括减少机械加工余量和加工时间以及提高了总的。完全铁素体球铁(1501085牌号370一27)应用于这些球阀塞。铁素体球铁(GGG40)用作用过的原子核燃料杆(仍含有50%铀235)的运送和贮藏容器的材料是由德国KrefeldSiempelkamp铸造厂所积极促成的。为了取得应用这种球铁的赞赏，Ssempelkarnp要求重量大约85吨的Caster容器经受有史以来施加于铁铸件的最严格的最恶劣的负荷。这些试验包括将85吨铸件在低于一40“C温度，从九米高度落到1000吨重的水泥座上，以及由坦克中发射出一发大炮弹，几乎以声音的撞击到铸件上。在所有这些试验中，球铁容器经受住了一切严励的试验，而只有表面损伤，当然可保证对于放射线的密封完全可靠。在故障状态和飞机坠毁之后，己确信球铁是安全的，所设计的球铁Caster容器可能得到最高的“Pradikat”安全级一柏林和Braun-sch二管理局的B(L巧证明书。这是铸造业公认的一个潜在的市场的极好例子。
制造步骤/球墨铸铁
（一）严格要求化学成分，对要求的碳硅含量比灰铸铁高，降低球墨铸铁中，，的含量（二）铁液出炉温度比灰铸较铁更高，比补偿球化，孕育处理时铁液温度的损失（三）进行球化处理，即往铁液中添加球一化剂（四）进行孕育处理（五）球墨铸铁流动性较差，收缩较大，因此需要较高的浇注温度及较大的浇注系统尺寸，多应用冒口，冷铁，采用顺序原则（六）进行
球铁应用的发展前途/球墨铸铁
球墨铸铁当球铁的吨位增加和市场渗透是很惊人的，这种材料决不能看到达到了它的全部潜力。基于这一点，现在不生产球铁的铸铁厂，建议很好地重新考虑这方面的可能性。节能要求导致基本上重新设计零件，以达到轻、效率高，这就必然要提醒设计者集中注意材料。球铁正日益被认为能提供高的强度一重量特性，并且能以比较低的成本生产。因此预料，随着代替灰铸铁、和铸银件，能亲眼看到球铁生产吨位的持续增加。最近出版的刊物对于帮助造厂在这面的力是有利的，虽然计值会变提高而改善。但铁水温度低于1450“C后孕育效果很差，RG值几乎不变。由表3可得:孕育铸铁的质量指标用铸造焦熔炼的比用冶金焦熔炼的高18%，值得注意的是相对硬度反而降低3%。
相关历史/球墨铸铁
1947年英国H.Morrogh发现，在过共晶灰口铸铁中附加铈，使其含量在0.02wt%以上时，石墨呈球状。1948年美国A.P.Ganganebin等人研究指出，在铸铁中添加，随后用硅铁孕育，当残余镁量大于0.04wt%时，得到球状石墨。从此以后，球墨铸铁开始了大规模。球墨铸铁球墨铸铁作为新型材料的发展速度是令人惊异的。1949年世界球墨铸铁产量只有5万吨，1960年为53.5万吨，1970年增长到500万吨，1980年为760万吨，1990年达到915万吨。2000年达到1500万吨。球墨铸铁的生产发展速度在工业特别快。世界球墨铸铁产量的75%是由、、、、、六国生产的。
中国球墨铸铁生产起步很早，1950年就成功并投入，中国的球墨铸铁年产量达230万吨，位于美国、日本之后，居世界第三位。适合中国国情的稀土镁球化剂的研制成功，铸态球墨铸铁以及奥氏体-贝氏体球墨铸铁等各个领域的生产技术和研究工作均达到了很高的技术水平。（1）铸态曲轴和铸态铁素体球墨铸铁汽车底盘零件分别在我国第二汽车厂、和第一汽车厂相继投产。这标志着中国铸态球墨铸铁生产达到了较高水平。与之相适应的、双联法熔炼、瞬时孕育、孕育块技术以及音频检测和热分析快速分析等的采用，则标志着中国大量流水生产汽车铸件的技术水平与国际先进水平的差距正在缩小。（2）试验研究了大断面（壁厚大于120mm）球墨铸铁的冶金因素以及相应的生产工艺措施。采用适量的、强制冷却、顺序凝固、延后孕育，必要时添加微量、等可防止球墨铸铁件中心部位的石墨畸变和组织疏松等，现已成功地制作了38吨重的大型复杂结构件，17.5吨重的柴油机体、截面为805mm的球墨铸铁轧辊等。（3）奥氏体-贝氏体球墨铸铁的研究与应用。20世纪70年代初，几乎同时中国、美国、3个国家宣布研究成功了具有高强度、高韧性的奥氏体-贝氏体球墨铸铁（国际上统称ADI），这种材质的达1000MPa，因此它广泛应用于齿轮以及各种，与相比，奥-贝球墨铸铁具有显著的经济效益和社会效益。（4）球墨铸铁管和水平连续铸造球墨铸铁型材。中国已相继建成几个球墨铸铁管厂，且近几年还将有几个球墨铸铁管厂建成。2000年，中国年产离心铸造球墨铸铁管达90万吨。此外，中国自行研制的水平连续铸造球墨铸铁型材生产线已通过国家鉴定，并已有多家企业投产。再加上中国引进的一条，至2002年，中国年产球墨铸铁型材的能力达数万吨。球墨铸铁件（5）系统地测定了稀土镁球墨铸铁的性能及其他性能，为设计人员提供了有关数据。测定了稀土镁球墨铸铁的、、等性能，结合金相标准研究了石墨和基体组织对球墨铸铁性能的影响规律。系统地测定了铁素体球墨铸铁在常温、低温、静态和动态条件下的各种性能。此外，还研究了稀土镁球墨铸铁的应力应变性能、小能量多冲抗力和断裂韧性，并开始用于指导生产。结合球墨铸铁齿轮的应用，还系统地研究了球墨铸铁的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，以及球墨铸铁齿轮的点蚀、剥落等。
（6）稀土镁球墨铸铁。在高强度低合金球墨铸铁方面，除了对铜、钼研究较多外，还对镍、铌等进行了研究。在利用天然钒钛生铁制作钒钛合金球墨铸铁方面，中国国内一些单位进行了大量、系统的工作。虽然在性能上不够稳定，在系统研究与生产应用，取得了显著的。在耐热球墨铸铁方面，除了中硅球墨铸铁以外，系统研究了Si+Al总量对稀土镁球墨铸铁抗能力的影响。中国研制的RQTAL5Si5耐热铸铁用作耐热炉条的使用寿命是灰铸铁的3倍，是普通耐热铸铁的2倍，并与日本Cr25Ni13Si2耐热钢的使用寿命相当。高镍奥氏体球墨铸铁方面也取得了进展，它在石油开采机械、化工设备、工业用炉器件上均取得了成功的应用。在耐酸球墨铸铁方面，中国生产的稀土高硅球墨铸铁比普通高硅铸铁的组织细小、均匀、致密，由此，抗蚀性能提高了10%～90%，并且其也有显著改善。（7）稀土在球墨铸铁中的作用。稀土能使石墨球化。自从H.Morrogh最先使用铈得到球墨铸铁以来，先后许多人研究了各种的球化行为，发现铈是最有效的球化元素，其他元素也均具有程度不等的球化能力。结合国情，中国对稀土的球化作用进行了大量研制工作，发现稀土元素对常用的球墨铸铁成分（C3.6～3.8wt%，Si2.0～2.5wt%）来说，很难获得同镁球墨铸铁那样完整均匀的球状石墨；而且，当稀土量过高时，还会出现各种变态形的石墨，白口倾向也增大，但是，如果是高碳过共晶成分（C＞4.0wt%），稀土残留量为0.12～0.15wt%时，可获得良好的球状石墨。根据中国铁质差、含量高（冲天炉熔炼）和出铁温度低的情况，加入是必要的。球化剂中镁是主导元素，稀土一方面可促进石墨球化；另一方面克服硫以及元素的影响以保证球化也是必须的。稀土防止干扰元素破坏球化。研究表明，当Pb、Bi、Sb、Te、Ti等总量为0.05wt%时，加入0.01wt%（残余量）的稀土，可以完全中和干扰，并可抑制变态石墨的产生。中国绝大部分的生铁中含有钛，有的生铁中含钛高达0.2～0.3wt%，但稀土镁球化剂由于能使铁中的稀土残留量达0.02～0.03wt%，故仍可保证石墨球化良好。如果在球墨铸铁中加入0.02～0.03wt%Bi，则几乎把球状石墨完全破坏；若随后加入0.01～0.05wt%Ce，则又恢复原来的球化状态，这是由于Bi和Ce形成了稳定的。稀土的形核作用。20世纪60年代以后的研究表明，含铈的孕育剂可使铁液在整个保持期中增加球数，使最终的组织中含有更多的石墨球和更小的白口倾向。经研究还表明，含稀土的孕育剂可改善球墨铸铁的孕育效果并显著提高抗衰退的能力。加入稀土可使石墨球数增多的原因可归结为：稀土可提供更多的，但它与FeSi孕育相比所提供的晶核成分有所不同；稀土可使原来（存在于铁液中的）不活化的晶核得以长大，结果使铁液中总的晶核数量增多
历史争论/球墨铸铁
球墨铸铁在巩县铁生沟西汉中、晚期的冶铁遗址中出土的铁?，经过金相检验，具有放射状的球状石墨，球化率相当于现代标准一级。而现代的球墨铸铁则是迟至1947年才研制成功的。中国古代的铸铁，在一个相当长的时期里含硅量都偏低，在约2000年前的西汉时期，中国铁器中的球状石墨，就已由低硅的生铁铸件经柔化退火的方法得到。这是的重大成就，也是世界冶金史上的奇迹。球墨铸铁以其优良的性能，在使用中有时可以代替昂贵的铸钢和锻钢，在机械制造工业中得到广泛应用。国际冶金行业过去一直认为球墨铸铁是英国人于1947年发明的。某些学者甚至声称，没有现代科技，发明球墨铸铁是不可想象的。1981年，中国球铁专家采用现代科学手段，对出土的513件古汉魏铁器进行研究，通过大量的数据断定汉代中国就出现了球状石墨铸铁。有关在第18届科技史大会上宣读，轰动了铸造界和科技史界。国际冶金史专家于1987年对此进行验证后认为：古代中国已经摸索到了用铸铁柔化术制造球墨铸铁的规律，这对世界冶金史作重新分期划代具有重要意义。
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球墨铸铁技术
球墨铸铁技术
b100% cMTUTRTRTASTM-F186 3
a b90% c d&18%, c
1 1CSiCE 3.2%~3.8%
2)锰（Mn） 锰在球墨铸铁中起的作用与灰铸铁不同。灰铸铁中，锰除了强化铁素体和稳定珠光体外，还能减少硫的危害作用。球墨铸铁中，球化元素具有很强的脱硫能力，锰不再具有这种作用。由于锰具有严重的正偏析倾向，往往富集于共晶团晶界处，促使形成晶间碳化物，显著降低球墨铸铁的韧性。对厚大断面球铁来说，锰的偏析倾向更严重。同时锰含量的提高，基体中的珠光体含量提高，所以提高了强度指标的同时，降低韧性。对高韧性球墨铸铁中锰含量控制应更严格。 因此，在原材料可能的情况下Mn越低越好。对与大型铸件锰的控制上限为Mn&0.3%。
3）磷： 磷在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低球墨铸铁的韧性。磷还增大球墨铸铁的缩松倾向。当要求球墨铸铁有高的韧性时，应将磷控制在0.06%以下。 4）硫： 球墨铸铁中的硫与球化元素有很强的化合能力，生成硫化物和硫氧化物，不仅消耗球化剂，造成球化不稳定，而且还使夹杂物数量增多，球化衰退速度加快。熔炼中硫涉入从增碳剂中，过程控制尽可能降低原材料中硫含量的同时，采取炉前脱硫措施。 用Re—Mg合金处理后，一般硫的残留量S&0.02% ，这对球化衰退和硫化物夹渣都没有影响，当原铁水中的S&0.02%时，必须采用脱硫处理。 5）钼： Mo提高了材料的高温强度和常温强度，由于的使用，容易形成一定量的珠光体和碳化物，降低韧性，对于有Mo合金化的球墨铸铁，材料规范要求Mo含量0.3~0.7%控制。 6）镁和稀土的含量 镁是主要的球化元素，稀土具有脱硫，中和反球化元素，对Mg具有保护作用，提高铁水的抗衰退能力。但是稀土元素是碳化物形成元素，因此在保证球化良好的情况下尽可能控制稀土的残留量。Re=0.01~0.04%，Mg=0.03~0.06%时可以保证球化。 根据上述分析计算，最终确定化学成份如下： C：3.3-3.8%；Si：2.2-2.7%；Mn：&0.30%；S&0.02%；Re=0.01~0.04%；Mg=0.03~0.06%，Mo：0.3~0.7%
1 SiMnSPSi&1.0%, Mn&0.3% S&0.03%, P&0.03%CuCrMo , 2
S0.02% 3Mo Mo0.5~1.0%MoMo 4 Mg Re—Mg
2 MgReMg MgREA CCD MgRE 5
孕育剂的加入量控制在0.6~1.4%，孕育剂加入量过少，直接造成孕育效果差，孕育量过大，导致铸件夹杂。 6．浇注工艺控制 浇注应采用快浇，平稳注入的原则。为了提高瞬时孕育的均匀性及防止熔渣进入型腔，水口盆的总容量应与铸件的毛重相当，浇注时将孕育剂放入水口盆中，将铁水一次全部注入水口，使铁水与孕育剂充分混合，扒去表面浮渣，提出水口堵浇注。
五．铸造工艺的控制原则 1）合理的铸造工艺是至关重要的因素， 2）通过铸造工艺对凝固时间加以控制，其原则是在厚大断面处放置冷铁来调节温度场加速铁水凝固。（同行业中有些工厂采用强制冷却工艺，既在使用冷铁的条件下再增加水冷或空气冷却等强制措施以强化铸件凝固，减少凝固时间，效果非常好。但有一定的危险性，技术要求高。除此之外，为获得铁素体基体开箱温度要控制 600℃以下。） 六．结果分析 根据上述工艺方法，在生产实践中完全可以在铸态下获得顾客标准要求，具体结果如下表： 图4为金相组织，从图中可以看出基体完全为铁素体，球化等级为ASTM标准I-II级。 七．结论 && 通过对影响铸铁铁素体球铁的各个因素进行分析，对其进行控制，各项性能指标完全满足要求；在获得高的抗拉强度和屈服强度的前提下，得到高的延伸率；合理控制球化孕育工艺，铸态下得到全铁素体组织，避免后续的热处理 根据上述铁素体球墨铸铁的控制技术，我们在生产美国GE公司球铁件时已得到充分的验证，取得了较好的结果。有关厚大断面球墨铸铁的生产技术国内外都有报道，虽然各自的方法不同，但所遵循的原则是相同的。 即：1．严格控制原材料，合理选择化学成份，减少干扰球化的元素含量。2．采用有效的防衰退措施。3．选择合理的铸造工艺。4．合理的选择球化孕育处理方法
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