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)工藝簡單、成本低，是使用最早、應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及應用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；

應用廣泛，在我國鑄鐵與鋼應用比例為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?？梢栽诮Y(jié)晶過程中直接析出，也可以由滲碳體加熱時分解得到。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。

化學成分

冷卻速度

鑄件冷卻緩慢，有利于碳原子的充分擴散和聚集，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用的重要原因。主要有兩個鑄型材料鑄件壁厚

（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，應避免。

灰口鑄鐵的組織特點組織：鋼的基體＋石墨（G）基體組織有三種：F、P和（P＋F）性能：P基體強度、硬度最高，F(xiàn)基體強度、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)造設備：沖天爐（圖示）或感應電爐原料：焦炭、生鐵、廢鋼、硅鐵、錳鐵等過程：

經(jīng)底焦的燃燒，金屬料預熱、熔化和過熱、冶金反應等過程獲得所需鐵液。鑄鐵的組織和性能通過調(diào)整硅量實現(xiàn)。煉鐵2.3.2常用鑄鐵的特點及應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表示方法種類石墨形態(tài)基體組織編號方法牌號舉例灰鑄鐵片狀FHT100F+PHT150PHT200可鍛鑄鐵團絮狀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QT×××—××最低抗拉強度值（MPa）最低斷后伸長率（%）RuT×××最低抗拉強度值（MPa）蠕墨鑄鐵代號HT×××最低抗拉強度值（MPa）灰鑄鐵代號（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，制作機床底座、床身、

工作臺、導軌、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，這個過程稱為孕育處理。目的：改善灰鑄鐵的組織，提高其力學性能。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：強度、硬度比普通灰鑄鐵明顯提高。（見表）

用途：制造力學性能要求較高的鑄件。如受力較大的機座、卡盤、閥體、大型發(fā)動機的曲軸，尤其是截面尺寸變化較大的鑄件。變速箱體重型機床床身(HT-250)大型船用柴油機汽缸體(HT-300)灰鑄鐵中，石墨為片狀，對基體的割裂作用最強，抗拉強度只有碳鋼的30～50%，熱處理強化效果不大?；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去應力退火：500~550℃

目的：防止機加工、使用時變形或開裂。

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：提高導軌表面、汽缸體內(nèi)壁等的耐磨性。2.可鍛鑄鐵—瑪鋼牌號：如KTH300-06，表示抗拉強度≥300MPa，斷后伸長率≥6％。

指石墨呈團絮狀的灰口鑄鐵，由亞共晶白口鑄鐵經(jīng)長時間石墨化退火（900～960℃）獲得。性能：抗拉強度比灰鑄鐵高，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用：形狀復雜、承受沖擊和振動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應用1生產(chǎn)3.球墨鑄鐵是石墨呈球狀分布的灰口鑄鐵，簡稱球鐵。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：QT×××-××（如QT600-03）

性能特點：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。球墨鑄鐵中基體強度利用率可達70～90%，灰鑄鐵只有30～50%。

抗拉強度、彎曲疲勞強度、塑性、韌性都比灰鑄鐵有很大提高。其突出特點是屈強比高，可達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岣咂湫阅?。3.球墨鑄鐵

（2）生產(chǎn)工藝：球化處理＋孕育處理②同時，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：用于受力復雜、負荷較大、要求耐磨的鑄件.（F+G）：制作汽車、拖拉機底盤零件，閥體、閥蓋。（F+P+G）：塑韌性較好，可制作機油泵齒輪。（P+G）：強度較高，可代替中碳鋼制作柴油機或內(nèi)燃機的曲軸、連桿、軋輥、凸輪軸等。M回+G或B下+G：用于制作汽車、拖拉機的傳動齒輪。應用指大部分石墨呈蠕蟲狀分布的灰口鑄鐵。牌號：RuT×××成分：高C、Si，低Mn、P、S性能：力學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)和制動盤，電機殼，重型機床和大型柴油機的機體。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；制造大型球磨機襯板等。

其它：激冷鑄鐵、高磷鑄鐵、高鉻耐磨鑄鐵等。高強度合金鑄鐵：加入Cr、Ni、Cu、Mo等，增加基體中珠光體數(shù)量并細化組織，從而顯著提高鑄鐵強度；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。

合金鑄鐵應用課堂練習一、填空灰口鑄鐵中碳主要以

形式存在，硬度低，塑性差?；诣T鐵中石墨的形態(tài)為

，可制造

。可鍛鑄鐵中石墨的形態(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

。球墨鑄鐵的強度、塑韌性均較灰鑄鐵高，是因為

。HT200牌號中“HT”表示

，“200”表示

。QT600-03牌號中“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.可鍛鑄鐵在高溫時可以進行鍛造加工。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)量分數(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：強度和塑性、韌性高于鑄鐵，但鑄造工藝性差。（原因：熔點高，鋼液易氧化，流動性差，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，消除鑄造應力，才能使用，但不宜淬火處理。牌號：ZG+數(shù)字—數(shù)字例：ZG270-500鑄鋼代號屈服強度值抗拉強度值使用態(tài)組織：P＋F（主要牌號及應用見教材58頁）鑄造碳鋼的應用

對于形狀復雜、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：水壓機橫梁、軋鋼機機架、重載大齒輪等。5000噸水壓機橫梁

雙進雙出磨煤機大齒輪

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

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

高合金鑄鋼：合金元素的質(zhì)量分數(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的斗齒、拖拉機和坦克的履帶板、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，熔點高，鋼液易氧化和吸氣，流動性差；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，實現(xiàn)順序凝固并達到補縮效果，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：冒口多，并且間隔安放冷鐵，中間設計了一個大大的頂冒口，實現(xiàn)順序凝固和補縮。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，鑄造應力大，且存在鑄造缺陷，使鑄鋼件力學性能較差。退火或正火目的：細化晶粒，消除鑄造應力，改善力學性能。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”只是對鋼的化學成分進行微調(diào)。

電弧爐是以三個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。感應電爐練鋼利用感應線圈產(chǎn)生感應電流通過鋼料本身電阻，產(chǎn)生的電阻熱來熔煉金屬。感應電爐的容積偏小，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性能。銅合金、鋁合金鑄造特點：熔化設備：坩堝爐。熔化時，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，以便補縮；砂型鑄造時，應選用細砂造型，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。力學性能多比青銅高，而價格較青銅低。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：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：ZCuSn10Pb1（10-1錫青銅）、ZCuAl9Mn2（9-2鋁青銅）1.鑄造銅合金