第一章鑄鐵緒論-最終版

鑄造合金及熔煉緒論1

與鑄造合金相關(guān)的幾個(gè)基本概念：1.合金：由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)、稱為合金。合金除具備純金屬的基本特性外，還可以擁有純金屬所不能達(dá)到的一系列機(jī)械特性與理化特性,如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、強(qiáng)磁性、耐蝕性等。2.組元：組成合金的獨(dú)立的，最基本的單元稱組元如：二元合金是由兩種組元組成的合金

組元可以是金屬、非金屬或穩(wěn)定化合物鑄造合金及熔煉緒論23.相：在物質(zhì)中，凡是成分相同，結(jié)構(gòu)相同并與其他部分以界面分開的均勻組成部分

如:在固態(tài)下，物質(zhì)可以是單相的，也可以是多相的。

鐵在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，會(huì)出現(xiàn)相的變化。

純鐵是單相的，而鋼一般是雙相或是多相的。

固態(tài)白銅（銅與鎳二元合金）是單相的。

合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。34.組織:組織是指用肉眼或顯微鏡等所觀察到的材料的微觀形貌。

合金的組織是由數(shù)量、大小、形狀和分布方式不同的各種相所組成的。

由不同組織構(gòu)成的材料具有不同的性能。同一種鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得不同的組織，從而獲得不同的性能。例如，45鋼經(jīng)過不同的熱處理可以獲得珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體等組織。并獲得不同的性能。

4一、鑄造合金種類及特性1.鑄造合金種類

按合金顏色分－黑色合金和有色合金；

黑色合金－鐵基合金，鑄鐵、鑄鋼。

有色合金－鐵基以外的其他金屬合金，銅、鋁、鋅等

按照能否進(jìn)行塑性加工合金分為變形合金和鑄造合金1.變形合金：

要求具有良好的高溫塑性變形和較低的高溫強(qiáng)度，以便有足夠的固態(tài)變形能力。2.鑄造合金：

對(duì)固態(tài)高溫性能沒有特殊要求。但要求液態(tài)金屬有較低的熔點(diǎn)，良好的流動(dòng)性和充型能力、較小的收縮性5(2)

存在脆性非金屬第二相顯微組織除金屬基體外，同時(shí)存在如鑄鐵中的石墨和碳化物，鋁硅合金的初晶硅，鋁銅合金中的（CuAl2）相等。這些脆性第二相，起著削弱力學(xué)性能的作用。如何改善非金屬相的數(shù)量、形態(tài)及分布特征，對(duì)提高鑄造合金的性能有著特殊的意義。這是鑄造合金研究的主要方向。2.鑄造合金特點(diǎn)：（1)雜質(zhì)元素含量偏高型鋼:P、S≤0.01％，鑄鋼:允許≤0.04％，灰鐵S≤0.12％，P≤0.6％6(3)具有較大的斷面敏感性斷面敏感性：鑄件的顯微組織和力學(xué)性能隨著壁厚的變化而變化的一種屬性。厚壁部位的冷卻速度緩慢，晶粒（或共晶團(tuán)）粗大，強(qiáng)度和硬度較低;薄壁部位的冷卻速度快，晶粒細(xì)密，強(qiáng)度和硬度較大。由于鑄件形狀比較復(fù)雜，壁厚不均勻，所以同一鑄件的不同部位可能有不同的組織和性能，使鑄件因產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而變形。如何提高不同壁厚的組織均勻性，減少鑄件的斷面敏感性，降低內(nèi)應(yīng)力，是鑄造生產(chǎn)中不能回避的技術(shù)問題。7(4)結(jié)晶過程伴隨著元素的遷移和偏析如：低熔點(diǎn)的雜質(zhì)元素P、S、等，向晶界偏析，嚴(yán)重時(shí)可能形成低熔點(diǎn)共晶體，削弱晶界強(qiáng)度，降低韌性，易引起熱裂和冷裂。元素偏析的程度與元素的性質(zhì)和冷卻速度有關(guān)，冷卻越慢，晶粒越粗大，元素偏析越嚴(yán)重.8二、影響鑄造合金的組織及性能的冶金因素眾所周知，合金的組織決定它的性能，而影響組織的因素很多。

1.化學(xué)成分 2.合金化 3.熔煉條件 4.變質(zhì)處理 5.液態(tài)金屬精煉 6.熱處理 7.冷卻速度91.化學(xué)成分

是決定組織和性能的主要因素，不僅影響合金的熔點(diǎn)、凝固溫度，而且影響液態(tài)金屬結(jié)晶以后的固態(tài)相變。也就是說決定合金的相組成和各相之間的比例關(guān)系。例如：（片狀石墨轉(zhuǎn)變成球狀石墨，就是因?yàn)樵诨铱阼F中加入了0.04％左右的Mg）。102.合金化將某種元素提高到常量范圍以上，或者在基本元素基礎(chǔ)上加其它元素，以改善合金的組織和性能，稱為合金化。改變合金元素的種類、數(shù)量以及各元素的含量范圍，可對(duì)合金的組織和性能進(jìn)行有效的控制。113.熔煉條件

Cu.Al的熔點(diǎn)低，用電阻爐、坩堝爐、反射爐均可以滿足熔化的要求，但有色金屬的氧化、吸氣比較嚴(yán)重，容易產(chǎn)生氣孔和夾雜的缺陷。所以要特別注意熔化時(shí)的溫度控制、熔池表面的覆蓋保護(hù)，和氣體熔渣的排除。鑄鐵熔點(diǎn)1120度、鑄鋼1450度左右，鐵可以用沖天爐和電阻爐熔煉，鋼只能用電爐。

有色合金：電阻爐、坩堝爐、反射爐 鑄鐵：沖天爐 鋼：電爐（中頻爐、電弧爐）124.變質(zhì)處理向液態(tài)合金中加入某種物質(zhì)以改變合金的結(jié)晶過程，增加結(jié)晶核心數(shù)量、細(xì)化晶粒、改變非金屬相結(jié)晶形態(tài)，提高不同壁厚的組織和性能的均勻性---稱為變質(zhì)處理。

球鐵加球化劑才可以使片狀石墨變?yōu)榍驙睢? AI—Si合金加入鈦?zhàn)冑|(zhì)可以細(xì)化初生a固溶體，加鈉、銻可以細(xì)化共晶體a+Si 變質(zhì)處理的效果與變質(zhì)劑的性質(zhì)，處理方法、處理的時(shí)機(jī)和處理溫度有關(guān)。135.液態(tài)金屬精煉精練就是保護(hù)有益元素，同時(shí)又清除有害元素的一種冶煉工藝 例如：真空脫C精練，氬氧混吹精練、可以使不銹鋼含C量達(dá)到≤0.08%—≤0.03%，提高了耐腐蝕性能和焊接性。

6.熱處理 把鑄件加熱改變其組織和性能的一種有效方法。 加熱-保溫-冷卻7.冷卻速度 增大冷卻速度、細(xì)化晶粒、提高合金的強(qiáng)度、硬度。減少冷卻速度，會(huì)造成晶粒粗大、強(qiáng)度和硬度下降。14第一章鑄鐵合金1.1鑄鐵合金的種類1.2鑄鐵的相與組織151.1

鑄鐵合金的種類

根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形態(tài)不同，將鑄鐵分為：白口鑄鐵、麻口鑄鐵、灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵

鑄鐵的種類既與化學(xué)成分有關(guān)又與液態(tài)鐵水的處理?xiàng)l件有關(guān)非合金鑄鐵-

液態(tài)鐵水的石墨化能力及其處理情況決定凝固過程的最終組織.

161）鐵水快速冷卻

,石墨化能力最弱,碳只能以碳化物的形式結(jié)晶,最后為白口鐵。2）鐵水冷卻速度不很快或孕育不良

,石墨化能力居于中等條件,鐵水在這種狀態(tài)下結(jié)晶比較復(fù)雜,部分鐵水可能析出石墨,另一部分鐵水可能析出碳化物,結(jié)果得到由石墨、碳化物和金屬基體組成的麻口鐵。3）如果鐵水冷卻緩慢

,不經(jīng)過特殊處理,凝固結(jié)果為灰口鐵、若鐵水經(jīng)過蠕化處理則結(jié)晶為蠕墨鑄鐵,如經(jīng)過球化處理則獲得球墨鑄鐵。17186.合金鑄鐵1）合金鑄鐵——低合金和高合金鑄鐵,低合金鑄鐵含合金元素3%以下（1%以下屬于高強(qiáng)度鑄鐵范疇）,高合金鑄鐵含(3～30)%合金元素,屬于耐磨、耐熱、耐蝕鑄鐵范疇。2）合金元素對(duì)組織的作用比較復(fù)雜,單一元素的性質(zhì)、數(shù)量以及多種元素的不同組合對(duì)合金鑄鐵都顯示出不同的作用,它們不僅影響金屬基體的結(jié)構(gòu),而且影響石墨和碳化物的數(shù)量、形態(tài)及分布狀況。合金元素在灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵中都獲得應(yīng)用,這些鑄鐵利用合金化使其性能得到改善,并使品種規(guī)格變得更加豐富多彩。19§1.2

鑄鐵的基本相

盡管鑄鐵的種類牌號(hào)繁多,但就顯微組織而言,它們都是由以下各種金屬或非金屬相組成的。只是由于組成相的性質(zhì)及其相互比例的變化而使鑄鐵的性能發(fā)生了變化。一、奧氏體二、鐵素體三、珠光體四、石墨五、碳化物六、磷共晶20一、奧氏體21一、奧氏體1.非合金鑄鐵的奧氏體是一種高溫組織，它只在共析溫度以上存在，溫度下降到共析轉(zhuǎn)變溫度以下即轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w（鐵素體+滲碳體）或鐵素體+石墨。

但高鎳或高錳鑄鐵的奧氏體十分穩(wěn)定

,其共析轉(zhuǎn)變溫度降到室溫以下,使奧氏體能在室溫條件下存在。22一、奧氏體奧氏體是一種含有其它元素的固溶體,鐵-碳-硅合金的奧氏體是硅以置換方式,碳以嵌入方式固溶于Y-Fe的固溶體。碳在奧氏體中的最大溶解度為2.1%,共析反應(yīng)時(shí)溶解度下降到0.69%。2.奧氏體的晶體結(jié)構(gòu)為面心立方晶格,完全由Fe原子組成的面心立方晶格叫Y-Fe,晶格常數(shù)與溫度

t有關(guān):(0.3618+0.8496×10-5t)nm。233.非合金鑄鐵的奧氏體固溶碳量對(duì)奧氏體的共析轉(zhuǎn)變影響很大,由于C是穩(wěn)定奧氏體的元素,隨著溶碳量增加奧氏體將變得更加穩(wěn)定或共析轉(zhuǎn)變更困難,因而更容易獲得數(shù)量更多,組織更致密的珠光體基體。一、奧氏體24二、鐵素體25二、鐵素體1.鐵素體是奧氏體在平衡條件下的共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,

其晶體結(jié)構(gòu)為體心立方晶格,由純鐵原子組成的體心立方晶格稱為α-Fe,其晶格常數(shù)為(0.2860十0.4252×10-5t)nm。鐵素體是C溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體。26二、鐵素體2.鐵素體的體心立方晶格最大間隙位置,一個(gè)為四面體,間隙半徑R=0.29f=0.036nm,另一個(gè)為八面體,（間隙半徑R=0.154r0.019nmb為鐵的原子半徑)。而碳的原子半徑為0.07nm,比上述間隙半徑大得多,碳在鐵素體中的溶解度很小,727℃時(shí)為0.02%C,溫度下降時(shí)溶解度更小,所以鐵素體是一種微碳固溶體。273.鑄鐵含硅量比較高,硅置換體心立方晶格中的鐵原子變?yōu)楹梃F素體。硅有固溶強(qiáng)化作用,隨著含硅量的增加,鑄鐵的強(qiáng)度及硬度提高。但硅的有效半徑大于鐵,當(dāng)含硅量大于3.0%時(shí),鐵素體晶格畸變的程度使材料的脆性增大。二、鐵素體284.鐵素體是一種高塑性、高韌性、中等強(qiáng)度的金屬基體,是高韌性鑄鐵期望的顯微組織,如鐵素體球墨鑄鐵,鐵素體可鍛鑄鐵的鐵素體含量在80%以上。與此相反,高強(qiáng)度鑄鐵則限制鐵素體的含量,以保證足夠的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。二、鐵素體295.工業(yè)鑄鐵的鐵素體含量取決于化學(xué)成分、冷卻速度、孕育及熱處理?xiàng)l件,提高碳、硅含量,減少穩(wěn)定珠光體的元素,降低冷卻速度,強(qiáng)化孕育作用或用高溫退火處理都有助于增加鐵素體量。二、鐵素體30三、珠光體31三、珠光體

珠光體也是奧氏體的共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物,由于冷卻速度較快,反應(yīng)按介穩(wěn)定系進(jìn)行,形成由Y-Fe和Fe3C組成的機(jī)械混合物。1.純珠光體基體的抗拉強(qiáng)度為(686~784)MPa,硬度HB170~330,延伸率(15~25)%,是一種強(qiáng)度、硬度、韌性都較理想的基體,其性能波動(dòng)與Fe、Fe3C層狀結(jié)構(gòu)的片間距有關(guān),片間距越小或分散度越大則強(qiáng)度、硬度越高。32三、珠光體

2.通常把片間距大于0.3μ的層狀結(jié)構(gòu)稱為珠光體,小于0.3μ在1000倍光學(xué)顯微鏡下可看清層狀結(jié)構(gòu)的組織稱為索氏體,光學(xué)顯微鏡無法辨認(rèn),需用10000倍以上電子顯微鏡才能看清的層狀組織稱為屈氏體.3.珠光體可能在鑄態(tài)下形成,也可能在正火處理過程中形成?；瘜W(xué)成分中的碳化物形成元素(如Mn

、Cr)或穩(wěn)定珠光體形成元素(如Ni、Cu、Sn)越多,冷卻速度越快,珠光體的數(shù)量就越多,片間距越小,強(qiáng)度、硬度越高。334.珠光體鑄鐵的強(qiáng)度受石墨形態(tài)的影響很大。片狀石墨使金屬基體受到割裂,因而強(qiáng)度、韌性被嚴(yán)重削弱,珠光體灰口鐵的抗拉強(qiáng)度約為234MPa,延伸率為零。球狀石墨對(duì)基體的損害比較小,珠光體球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度為(680~785)MPa,延伸率為(2~4)%。5.珠光體鑄鐵有比較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性,有一定的塑性和韌性,加工性也好,因而是高強(qiáng)度鑄鐵所要求的組織,但對(duì)高韌性球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵則盡量減少珠光體的含量。三、珠光體34四、石墨1.石墨結(jié)構(gòu)無論是片狀還是球狀石墨,其結(jié)構(gòu)都是六方晶系,如圖2.4所示六方形結(jié)構(gòu)內(nèi)的C原子距離為0.1421nm,層與層之間的距離為0.335nm?；骈g的碳原子靠極性鍵即范德瓦爾力結(jié)合,結(jié)合能為16.7kJ/m01,這個(gè)方向上的抗拉強(qiáng)度不到20MPa。

由于層內(nèi)的共價(jià)鍵能比層間極性鍵能約大20倍,因此石墨結(jié)構(gòu)表現(xiàn)極大的各向異性,結(jié)晶學(xué)上把垂直于基面(0001)的方向稱為C軸方向,平行于基面而垂直于柱面的方向稱為α軸方向。35四、石墨2.石墨的各向異性對(duì)性能和結(jié)晶方式影響很大:(1)

層間受到切向力作用時(shí)容易滑移,因此石墨有一定的潤(rùn)滑作用;(2)

平行于基面或垂直于柱面的α

軸方向是石墨優(yōu)先生長(zhǎng)方向,因?yàn)樵摲较蚓哂胁伙柡凸矁r(jià)鍵,工業(yè)鐵水中的石墨由于α軸方向和c

軸方向的生長(zhǎng)速度有顯著差別而傾向于片狀結(jié)構(gòu);(3)

在純凈鐵水中,基面的界面能56.2JAm2比柱面的界面能433.OJ/cd小得多,基面強(qiáng)烈的表面活性使它具有比柱面更大的生長(zhǎng)速度,以致傾向于球狀生長(zhǎng);363.石墨類型石墨形態(tài)因結(jié)晶條件不同而有七種基本類型,如圖2.5所示。即球狀、團(tuán)狀、團(tuán)絮狀、蠕蟲狀、水草狀、開花狀和片狀。在片狀石墨中又可分為A、B、C、D、E五種形狀,如圖2.6所示。四、石墨373.石墨類型石墨形態(tài)因結(jié)晶條件不同而有七種基本類型,如圖2.5所示。即球狀、團(tuán)狀、團(tuán)絮狀、蠕蟲狀、水草狀、開花狀和片狀。在片狀石墨中又可分為A、B、C、D、E五種形狀,如圖2.6所示。四、石墨38五、碳化物1.由一個(gè)

C原子和三個(gè)

Fe原子組成的化合物

Fe3C稱為滲碳體

(Cementite),其顯微硬度為HM1000～1100,是普通鑄鐵中硬度最高的非金屬相。2.滲碳體是按介穩(wěn)定系結(jié)晶的產(chǎn)物,直接從過共晶成分鐵水中析出,在鐵水中形核長(zhǎng)大。（1）尺寸特別粗大的滲碳體稱為初生滲碳體,它對(duì)強(qiáng)度的破壞最嚴(yán)重。（2）共晶反應(yīng)時(shí)與奧氏體同時(shí)生長(zhǎng)的滲碳體稱為共晶滲碳體,它和共晶奧氏體形成的機(jī)械混合物稱為萊氏體(Ledeburite),這個(gè)共晶體在繼續(xù)冷卻過程中不斷從共晶奧氏體內(nèi)析出細(xì)小的二次滲碳體并附著在初生或共晶滲碳體上。

39（3）奧氏體冷卻到共析點(diǎn)以下即發(fā)生共析發(fā)應(yīng),一方面析出共析滲碳體,一方面轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe,二者共同組成的共析體就是珠光體。因此,常溫下看到的萊氏體并不是由奧氏體和共晶滲碳體組成,而是由珠光體和共晶滲碳體組成。3.由大量初生滲碳體組成的顯微組織特別硬而脆，不能加工，強(qiáng)度很低，很難直接應(yīng)用，但若含量適當(dāng)可能是很好的抗磨材料。對(duì)于承受一定負(fù)荷的結(jié)構(gòu)零件，游離滲碳體被視為必須加以限制的有害組織，應(yīng)與消除。而對(duì)于抗磨鑄鐵則必須有一定數(shù)量的滲碳體確保其耐磨性。五、碳化物404.鐵-碳-硅合金中的碳化物為Fe3C，合金鑄鐵中的碳化物結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。根據(jù)中子及X射線衍射，F(xiàn)e3C為斜方晶系，晶格常數(shù)α=0.45144nm，c=0.5728nm。五、碳化物在Fe3C晶格中由一個(gè)C原子與鄰近的4