常用鑄造合金材料

第2章鑄造成形2.3常用鑄造合金材料1.鑄鐵2.鑄鋼3.非鐵鑄造合金2.3常用鑄造合金材料2.3.1鑄鐵鑄鐵：是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金；鑄鐵生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低，是使用最早、應(yīng)用最廣泛的材料之一。鑄鐵的分類鑄鐵的石墨化鑄鐵的熔煉常用鑄鐵的特點(diǎn)及應(yīng)用1.鑄鐵的分類白口鑄鐵：以Fe3C形式存在，無石墨，斷口呈銀白色；

硬而脆，少用；但可制作耐磨件或作為冶煉鋼鐵的原料灰口鑄鐵：主要以游離石墨的形式存在，斷口暗灰色；

應(yīng)用廣泛，在我國(guó)鑄鐵與鋼應(yīng)用比例為0.46：1麻口鑄鐵：以Fe3C＋石墨形式存在，斷口呈灰白色；

脆性大，少用按碳的存在形式普通鑄鐵合金鑄鐵（特殊性能鑄鐵）按化學(xué)成分

按石墨的形態(tài)(灰口鑄鐵分類)灰鑄鐵：石墨呈粗片狀可鍛鑄鐵：石墨呈團(tuán)絮狀球墨鑄鐵：石墨呈球狀蠕墨鑄鐵：石墨蠕蟲狀白口灰口2.鑄鐵的石墨化鑄鐵中碳的存在形式少量固溶在F、A中化合態(tài)的滲碳體(Fe3C)游離態(tài)石墨（G）

石墨：碳的單質(zhì)之一，強(qiáng)度、硬度很低，塑性幾乎為零。

Fe3C：亞穩(wěn)態(tài)，在高溫下可分解：

Fe3C→3Fe+C（石墨G）石墨化：指鑄鐵中碳原子析出并形成石墨的過程。可以在結(jié)晶過程中直接析出，也可以由滲碳體加熱時(shí)分解得到。鐵素體基體球墨鑄鐵FG共晶白口鑄鐵Ld′

影響鑄鐵的石墨化因素

促進(jìn)石墨化元素：C、Si、Al、Cu、Ni、Co等阻礙石墨化元素：Mn、Cr、W、Mo、V、S等原因：WC↑、WSi↑，有利于石墨的形核和析出。

化學(xué)成分

冷卻速度

鑄件冷卻緩慢，有利于碳原子的充分?jǐn)U散和聚集，有利于石墨化。冷卻速度越慢，越有利于石墨化過程。

高溫慢冷C→G；冷速較快時(shí)鐵液L→Fe3C

影響鑄件冷卻速度的因素（1）鑄型材料

金屬鑄型導(dǎo)熱快，鑄件的冷卻速度快，不利于石墨化，易產(chǎn)生白口組織（Fe3C

）。砂型導(dǎo)熱慢，鑄件易獲得灰口組織（G）。這也是砂型鑄造仍然被廣泛應(yīng)用的重要原因。主要有兩個(gè)鑄型材料鑄件壁厚

（2）鑄件壁厚（圖示）同一鑄件，厚壁處冷卻慢，有利于石墨化，易獲得灰口組織；

薄壁處冷卻快，不利于石墨化，易得到白口組織。鑄件中白口組織的產(chǎn)生，使此處硬度較高，難以切削加工，應(yīng)避免。

灰口鑄鐵的組織特點(diǎn)組織：鋼的基體＋石墨（G）基體組織有三種：F、P和（P＋F）性能：P基體強(qiáng)度、硬度最高，F(xiàn)基體強(qiáng)度、硬度最低。鐵素體基體（P＋F）基體珠光體基體3.鑄鐵的熔煉沖天爐的構(gòu)造設(shè)備：沖天爐（圖示）或感應(yīng)電爐原料：焦炭、生鐵、廢鋼、硅鐵、錳鐵等過程：

經(jīng)底焦的燃燒，金屬料預(yù)熱、熔化和過熱、冶金反應(yīng)等過程獲得所需鐵液。鑄鐵的組織和性能通過調(diào)整硅量實(shí)現(xiàn)。煉鐵2.3.2常用鑄鐵的特點(diǎn)及應(yīng)用灰鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵常用鑄鐵的種類：灰口鑄鐵合金鑄鐵灰口鑄鐵的分類和牌號(hào)表示方法種類石墨形態(tài)基體組織編號(hào)方法牌號(hào)舉例灰鑄鐵片狀FHT100F+PHT150PHT200可鍛鑄鐵團(tuán)絮狀FKTH×××—××KTZ×××—××KTH300-06PKTZ450-06球墨鑄鐵球狀FQT400-15F+PQT600-03PQT700-02蠕墨鑄鐵蠕蟲狀FRuT260F+PRuT300PRuT420球墨鑄鐵代號(hào)QT×××—××最低抗拉強(qiáng)度值（MPa）最低斷后伸長(zhǎng)率（%）RuT×××最低抗拉強(qiáng)度值（MPa）蠕墨鑄鐵代號(hào)HT×××最低抗拉強(qiáng)度值（MPa）灰鑄鐵代號(hào)（數(shù)字含義同球鐵）1.灰鑄鐵

成分：2.5～4.0%C；1.0～3.0%Si；少量Mn

、S、P等。

組織：F+片狀G；F+P+片狀G；P+片狀G；

性能：抗壓不抗拉，塑性差，鑄造性能和切削加工性能好；耐磨減摩、減震性好，壓力加工和焊接性能差。

用途：常利用灰鑄鐵的減震和抗壓性能，制作機(jī)床底座、床身、

工作臺(tái)、導(dǎo)軌、箱體等。F基體+片狀G(F+P)基體+片狀GP基體+片狀G指石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵。

灰鑄鐵的孕育處理孕育處理：

澆注前，在鐵水中加入孕育劑（硅鐵或硅鈣合金），增加晶核數(shù)量，提高形核率，從而獲得細(xì)小且均勻分布的石墨片和珠光體組織，并降低產(chǎn)生白口傾向，這個(gè)過程稱為孕育處理。目的：改善灰鑄鐵的組織，提高其力學(xué)性能。孕育處理后孕育處理前硅鐵硅鈣

孕育鑄鐵：經(jīng)過孕育處理的灰鑄鐵，稱為“孕育鑄鐵”

性能：強(qiáng)度、硬度比普通灰鑄鐵明顯提高。（見表）

用途：制造力學(xué)性能要求較高的鑄件。如受力較大的機(jī)座、卡盤、閥體、大型發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，尤其是截面尺寸變化較大的鑄件。變速箱體重型機(jī)床床身(HT-250)大型船用柴油機(jī)汽缸體(HT-300)灰鑄鐵中，石墨為片狀，對(duì)基體的割裂作用最強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度只有碳鋼的30～50%，熱處理強(qiáng)化效果不大?；诣T鐵的熱處理熱處理只改變鑄鐵的基體組織，不改變石墨形態(tài)。常用熱處理工藝：①去應(yīng)力退火：500~550℃

目的：防止機(jī)加工、使用時(shí)變形或開裂。

②高溫退火：850~890℃

目的：使鑄件表面、薄壁等白口處的Fe3C→G，消除白口組織，硬度↓切削加工性↑③表面淬火：提高導(dǎo)軌表面、汽缸體內(nèi)壁等的耐磨性。2.可鍛鑄鐵—瑪鋼牌號(hào)：如KTH300-06，表示抗拉強(qiáng)度≥300MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥6％。

指石墨呈團(tuán)絮狀的灰口鑄鐵，由亞共晶白口鑄鐵經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間石墨化退火（900～960℃）獲得。性能：抗拉強(qiáng)度比灰鑄鐵高，為碳鋼的40~70%，接近于鑄鋼；有一定塑性和韌性。但仍不可鍛造。鐵素體基體黑心可鍛鑄鐵珠光體基體可鍛鑄鐵斷口心部呈黑色應(yīng)用：形狀復(fù)雜、承受沖擊和振動(dòng)載荷的小型薄壁零件，如汽車的后橋外殼、管接頭、低壓閥門、扳手等。2.可鍛鑄鐵—瑪鋼2應(yīng)用1生產(chǎn)3.球墨鑄鐵是石墨呈球狀分布的灰口鑄鐵，簡(jiǎn)稱球鐵。組織：鋼基體+球狀G

基體組織有F、P、（P+F）3種類型F基體＋球狀GP基體＋球狀G(P＋F)基體＋球狀G牌號(hào)：QT×××-××（如QT600-03）

性能特點(diǎn)：與其它灰口鑄鐵比較，石墨球?qū)w的割裂作用減小到最低程度，可充分發(fā)揮基體的性能。球墨鑄鐵中基體強(qiáng)度利用率可達(dá)70～90%，灰鑄鐵只有30～50%。

抗拉強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度、塑性、韌性都比灰鑄鐵有很大提高。其突出特點(diǎn)是屈強(qiáng)比高，可達(dá)0.7～0.8，而鋼一般只有0.3~0.5?？伞耙澡F代鋼”熱處理工藝性好?？蔁崽幚砘蚝辖鸹?，提高其性能。3.球墨鑄鐵

（2）生產(chǎn)工藝：球化處理＋孕育處理②同時(shí)，加入硅鐵或硅鈣鐵等孕育劑，增加石墨球數(shù)量，減少石墨球尺寸，防止白口出現(xiàn)。①澆注前，在鐵水中加入球化劑（稀土鎂合），使石墨呈球狀析出。（1）鐵液成分

3.6～3.9%C；2.0～2.8%Si；少量Mn，低S、P球墨鑄鐵的生產(chǎn)

球墨鑄鐵較灰鑄鐵易產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔和夾渣等缺陷，需采取工藝措施，予以防止。

鋼的熱處理工藝都可用于球墨鑄鐵，如退火、正火、表面淬火、調(diào)質(zhì)處理、等溫淬火等，以獲得不同組織，達(dá)到不同的性能要求。熱處理后的基體組織：

可有P、S回、B下、M回等，滿足不同使用性能要求。

球墨鑄鐵的熱處理用途：用于受力復(fù)雜、負(fù)荷較大、要求耐磨的鑄件.（F+G）：制作汽車、拖拉機(jī)底盤零件，閥體、閥蓋。（F+P+G）：塑韌性較好，可制作機(jī)油泵齒輪。（P+G）：強(qiáng)度較高，可代替中碳鋼制作柴油機(jī)或內(nèi)燃機(jī)的曲軸、連桿、軋輥、凸輪軸等。M回+G或B下+G：用于制作汽車、拖拉機(jī)的傳動(dòng)齒輪。應(yīng)用指大部分石墨呈蠕蟲狀分布的灰口鑄鐵。牌號(hào)：RuT×××成分：高C、Si，低Mn、P、S性能：力學(xué)性能介于基體相同的灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間；氣密性、耐磨性比灰鑄鐵好；減震性比球鐵好，但不如灰鑄鐵；鑄造工藝性與灰鑄鐵相近，切削加工性與球鐵相近。組織：鋼基體+蠕蟲狀G生產(chǎn)：蠕化處理→孕育處理用途：制造汽車的汽缸蓋、活塞環(huán)和制動(dòng)盤，電機(jī)殼，重型機(jī)床和大型柴油機(jī)的機(jī)體。4.蠕墨鑄鐵

5.合金鑄鐵耐蝕合金鑄鐵：加入Si、Al、Cr、Cu、Ni等，在鑄鐵表面形成致密的保護(hù)膜，減少各相間的電位差；制造化工管道、閥門等。

耐磨合金鑄鐵：加入Cr、V、Mo、Ti、Re等；制造大型球磨機(jī)襯板等。

其它：激冷鑄鐵、高磷鑄鐵、高鉻耐磨鑄鐵等。高強(qiáng)度合金鑄鐵：加入Cr、Ni、Cu、Mo等，增加基體中珠光體數(shù)量并細(xì)化組織，從而顯著提高鑄鐵強(qiáng)度；制造曲軸、連桿等。耐熱合金鑄鐵：加入Si、Al、Cr等，使鑄件表面形成致密的SiO2、

Al2O3、CrO3等氧化膜，制造加熱爐的爐底板、煙道擋板等。

合金鑄鐵應(yīng)用課堂練習(xí)一、填空灰口鑄鐵中碳主要以

形式存在，硬度低，塑性差。灰鑄鐵中石墨的形態(tài)為

，可制造

?？慑戣T鐵中石墨的形態(tài)為

，可制造

。球墨鑄鐵中石墨的形態(tài)為

，可制造

。蠕墨鑄鐵中石墨的形態(tài)為

，可制造

。影響石墨化的主要因素是

和

。球墨鑄鐵的強(qiáng)度、塑韌性均較灰鑄鐵高，是因?yàn)?/p>

。HT200牌號(hào)中“HT”表示

，“200”表示

。QT600-03牌號(hào)中“QT”表示

，“600”表示

，“03”表示

。二、判斷1.灰口鑄鐵可以經(jīng)過熱處理改變基體組織和石墨形態(tài)。2.可鍛鑄鐵在高溫時(shí)可以進(jìn)行鍛造加工。3.可以通過球化退火使灰鑄鐵變成球墨鑄鐵。4.可通過調(diào)質(zhì)處理或等溫淬火提高球墨鑄鐵的力學(xué)性能。5.灰鑄鐵可通過表面淬火，提高其表面硬度和耐磨性。課堂練習(xí)2.3.3鑄鋼主要內(nèi)容：鑄鋼的分類鑄造碳鋼鑄造合金鋼：低合金鑄鋼

高合金鑄鋼鑄鋼件的生產(chǎn)指在鑄造工藝中使用的鋼，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.15～0.60％。

2.3.3鑄鋼1.鑄鋼分類

1）鑄造碳鋼：性能特點(diǎn)：強(qiáng)度和塑性、韌性高于鑄鐵，但鑄造工藝性差。（原因：熔點(diǎn)高，鋼液易氧化，流動(dòng)性差，收縮率大。）熱處理：鑄鋼件必須經(jīng)過退火或正火處理，改善組織和性能，消除鑄造應(yīng)力，才能使用，但不宜淬火處理。牌號(hào)：ZG+數(shù)字—數(shù)字例：ZG270-500鑄鋼代號(hào)屈服強(qiáng)度值抗拉強(qiáng)度值使用態(tài)組織：P＋F（主要牌號(hào)及應(yīng)用見教材58頁）鑄造碳鋼的應(yīng)用

對(duì)于形狀復(fù)雜、難以用鍛造成形、用鑄鐵又不能滿足其性能要求的零件，可采用鑄鋼件。例如：水壓機(jī)橫梁、軋鋼機(jī)機(jī)架、重載大齒輪等。5000噸水壓機(jī)橫梁

雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)大齒輪

2）鑄造合金鋼鑄造碳鋼+合金元素（如Mn、Si、Cr、Mo、V等）編號(hào)方法：在一般合金鋼牌號(hào)前加“ZG”表示鑄鋼主要牌號(hào)及用途

低合金鑄鋼：ZG40Mn、ZG30MnSi、ZG30CrMnSi，制造齒輪、水壓機(jī)工作缸、水輪機(jī)轉(zhuǎn)子等；ZG40Cr常用于制造高強(qiáng)度齒輪、軸等重要受力零件。

高合金鑄鋼：合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%以上，屬特殊性能鋼。例如，ZGMn13耐磨鋼主要用于制造挖掘機(jī)的斗齒、拖拉機(jī)和坦克的履帶板、火車輪等；不銹鋼主要用于化工、石油及醫(yī)藥設(shè)備的閥、泵及容器等。

2.鑄鋼件的生產(chǎn)1）鑄鋼的鑄造性能2）鑄鋼的熔煉3）鑄鋼件的熱處理1）鑄鋼的鑄造性能

鑄鋼的鑄造性能差。原因：與鑄鐵相比，熔點(diǎn)高，鋼液易氧化和吸氣，流動(dòng)性差；收縮率較大；易產(chǎn)生澆不足、氣孔、縮孔、熱裂紋、粘砂等缺陷。生產(chǎn)鑄鋼件的工藝措施（1）提高對(duì)型砂性能的要求。（2）合理使用耐火涂料。鑄型表面涂以耐火度高的涂料，防止粘砂。（3）采取合理的鑄造工藝。

主要是合理安放冒口和冷鐵，實(shí)現(xiàn)順序凝固并達(dá)到補(bǔ)縮效果，防止縮孔和縮松產(chǎn)生。例：鑄鋼齒輪的鑄型工藝。橫澆道直澆道特點(diǎn)：冒口多，并且間隔安放冷鐵，中間設(shè)計(jì)了一個(gè)大大的頂冒口，實(shí)現(xiàn)順序凝固和補(bǔ)縮。2）鑄鋼件的熱處理

鑄鋼件必須經(jīng)過退火或正火處理才能使用；但不易淬火，易開裂。

原因：晶粒粗大，鑄造應(yīng)力大，且存在鑄造缺陷，使鑄鋼件力學(xué)性能較差。退火或正火目的：細(xì)化晶粒，消除鑄造應(yīng)力，改善力學(xué)性能。電弧爐煉鋼示意圖2）鑄鋼的熔煉主要有兩種：電弧爐煉鋼和感應(yīng)電爐煉鋼

一般，大規(guī)模生產(chǎn)或澆注大型鑄件采用電弧爐煉鋼（圖示），與常規(guī)鋼材生產(chǎn)的冶金煉鋼不同，所用已是鋼料，這里“煉”只是對(duì)鋼的化學(xué)成分進(jìn)行微調(diào)。

電弧爐是以三個(gè)石墨電極與金屬爐料之間引燃電弧產(chǎn)生的熱量來熔煉金屬，常用容量（每爐所煉鋼液量）為5～10噸。電弧爐可傾斜將鋼液倒入鋼包。感應(yīng)電爐練鋼利用感應(yīng)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流通過鋼料本身電阻，產(chǎn)生的電阻熱來熔煉金屬。感應(yīng)電爐的容積偏小，多用于澆注中小鑄鋼件。2.3.4非鐵鑄造合金常用有銅合金鑄件和鋁合金鑄件，具有良好的物理和化學(xué)性能。銅合金、鋁合金鑄造特點(diǎn)：熔化設(shè)備：坩堝爐。熔化時(shí)，金屬料與燃料不直接接觸，以減少金屬的損耗，并保證金屬的潔凈。液態(tài)下易氧化；凝固收縮率比灰鑄鐵高，需安放冒口使其順序凝固，以便補(bǔ)縮；砂型鑄造時(shí)，應(yīng)選用細(xì)砂造型，以保證鑄件表面光潔。電阻坩堝爐鑄造黃銅：除含鋅外，還常含有硅、錳、鋁、鉛等。力學(xué)性能多比青銅高，而價(jià)格較青銅低。常用于一般用途的軸瓦、襯套、齒輪等耐磨件及閥門等耐蝕件。

常用牌號(hào)：ZCuZn38（38黃銅）、ZCuZn31Al2（31-2鋁黃銅）1）鑄造銅合金種類鑄造青銅

錫青銅：線收縮率低，不易產(chǎn)生縮孔，耐磨性和耐蝕性優(yōu)于黃銅，但流動(dòng)性差易產(chǎn)生縮松，適用于致密性要求不高的耐磨、耐蝕件。

鋁青銅：具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐磨性、耐蝕性，但鑄造性能較差，僅用于重要的耐磨、耐蝕件。

常用牌號(hào)：ZCuSn10Pb1（10-1錫青銅）、ZCuAl9Mn2（9-2鋁青銅）1.鑄造銅合金