第五章金屬材料鑄鐵及有色金屬

第二節(jié)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。鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及生產(chǎn)簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而是應(yīng)用最廣泛的材料之一。5.2鑄鐵例如，機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)的汽缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等都是由鑄鐵制造的。鑄鐵曲軸5.2鑄鐵一、鑄鐵的石墨化過程1、Fe-Fe3C和Fe-G（石墨）雙重相圖鑄鐵中的碳除少量固溶于基體中外，主要以化合態(tài)的滲碳體（Fe3C）和游離態(tài)的石墨（G）兩種形式存在。共晶白口鑄鐵F基體球墨鑄鐵5.2鑄鐵石墨是碳的單質(zhì)之一，其強(qiáng)度、塑性、韌性幾乎為零。Fe3C是亞穩(wěn)相，在一定條件下將發(fā)生分解：Fe3C→3Fe+C（石墨）5.2鑄鐵存在兩個(gè)鐵碳相圖：

Fe-Fe3C和Fe-G雙重相圖L+GL+Fe3C5.2鑄鐵2、鑄鐵的石墨化過程鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過程稱為石墨化。鑄鐵中的石墨可以在結(jié)晶過程中直接析出，也可以由滲碳體加熱時(shí)分解得到。臺(tái)車式石墨化退火爐5.2鑄鐵3、影響石墨化的因素⑴化學(xué)成分的影響

碳和硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素。碳、硅含量過低，易出現(xiàn)白口組織，力學(xué)性能和鑄造性能變差。碳、硅含量過高，會(huì)使石墨數(shù)量多且粗大，基體內(nèi)鐵素體量增多，降低鑄件的性能。5.2鑄鐵⑵冷卻速度的影響鑄件冷卻緩慢，有利于碳原子的充分?jǐn)U散，結(jié)晶將按Fe-G相圖進(jìn)行，因而促進(jìn)石墨化。而快冷時(shí)由于過冷度大，結(jié)晶將按Fe-Fe3C相圖進(jìn)行，不利于石墨化。鑄件壁厚和碳硅含量對(duì)鑄鐵組織的影響

WC+Wsi(%)5.2鑄鐵二、鑄鐵的特點(diǎn)及分類工業(yè)上使用的鑄鐵主要是灰口鑄鐵。1、鑄鐵的組織特點(diǎn)鋼的基體+G（石墨）基體組織有三種，即鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體。5.2鑄鐵2、鑄鐵的性能特點(diǎn)⑴力學(xué)性能低。由于石墨相當(dāng)于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基體的連續(xù)性。⑵耐磨性能好。由于石墨本身有潤(rùn)滑作用。⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振動(dòng)能量。⑷鑄造性能好。由于鑄鐵碳含量高，成分接近于共晶。⑸切削性能好。由于石墨使車屑容易脆斷，不粘刀。5.2鑄鐵3、鑄鐵的分類與牌號(hào)表示方法

鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號(hào)方法牌號(hào)實(shí)例灰鑄鐵片狀FHT+一組數(shù)字?jǐn)?shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值，單位MPa?！癏T”表示灰鑄鐵代號(hào)。

HT100F+PHT150PHT200可鍛鑄鐵團(tuán)絮狀FKTH+兩組數(shù)字KTB+兩組數(shù)字KTZ+兩組數(shù)字KTH300-06表F心PKTB350-04PKTZ450-06KTH、KTB、KTZ分別為黑心、白心、珠光體可鍛鑄鐵代號(hào)；第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低延伸率值，%鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號(hào)方法牌號(hào)實(shí)例球墨鑄鐵球狀FQT+兩組數(shù)字第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低延伸率值，%?！癚T”表示球墨鑄鐵代號(hào)QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨鑄鐵蠕蟲狀FRuT+一組數(shù)字?jǐn)?shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值,MPa。“RuT”表示蠕墨鑄鐵代號(hào)

RuT260F+PRuT300PRuT420三、常用鑄鐵（一）灰鑄鐵灰鑄鐵是指石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵。其產(chǎn)量約占鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上。1、組織灰鑄鐵的組織是由液態(tài)鐵水緩慢冷卻時(shí)通過石墨化過程形成的，其基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種。5.2鑄鐵灰鑄鐵的顯微組織

鐵素體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵鐵素體加珠光體灰鑄鐵常對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行孕育處理，以細(xì)化片狀石墨。常用的孕育劑有硅鐵和硅鈣合金。經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。孕育處理前孕育處理后硅鐵硅鈣5.2鑄鐵2、熱處理熱處理只改變基體組織，不改變石墨形態(tài)。灰鑄鐵強(qiáng)度只有碳鋼的30~50%，熱處理強(qiáng)化效果不大?；诣T鐵常用的熱處理有：①消除內(nèi)應(yīng)力退火(又稱人工時(shí)效)②消除白口組織退火③表面淬火立式加工中心5.2鑄鐵3、用途制造承受壓力和震動(dòng)的零件，如機(jī)床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體。大型船用柴油機(jī)汽缸體(HT-300)重型機(jī)床床身(HT-250)變速箱體5.2鑄鐵可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線

（二）可鍛鑄鐵石墨呈團(tuán)絮狀的灰口鑄鐵，是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的。1、組織：基體（F、P）＋團(tuán)絮狀G鐵素體基體可鍛鑄鐵又稱黑心可鍛鑄鐵。2、性能：強(qiáng)度為碳鋼的４0~７0%，接近于鑄鋼。名為可鍛，實(shí)不可鍛。5.2鑄鐵

可鍛鑄鐵的顯微組織

黑心可鍛鑄鐵

珠光體可鍛鑄鐵

5.2鑄鐵3、用途用于制造形狀復(fù)雜且承受振動(dòng)載荷的薄壁小型件，如汽車、拖拉機(jī)的前后輪殼、管接頭、低壓閥門等可鍛鑄鐵管件5.2鑄鐵（三）球墨鑄鐵石墨呈球形的灰口鑄鐵。由液態(tài)鐵水經(jīng)石墨化得到。1、組織：基體（F、F+P、P）+球狀G球狀石墨是液態(tài)鐵水經(jīng)球化處理得到的。球化劑為鎂、稀土和稀土鎂。為避免白口，并使石墨細(xì)小均勻，在球化處理同時(shí)還進(jìn)行孕育處理。常用孕育劑為硅鐵和硅鈣合金。硅鐵硅鈣稀土鎂5.2鑄鐵球墨鑄鐵的顯微組織

鐵素體加珠光體球墨鑄鐵

鐵素體球墨鑄鐵

珠光體球墨鑄鐵

球墨鑄鐵中的石墨球5.2鑄鐵2、性能與熱處理強(qiáng)度是碳鋼的70~90%。球墨鑄鐵的突出特點(diǎn)是屈強(qiáng)比(0.2/b)高,約為0.7~0.8,而鋼一般只0.3~0.5。球墨鑄鐵可進(jìn)行各種熱處理，熱處理特點(diǎn)是：①奧氏體化溫度比碳鋼高，由于硅含量高。②淬透性比碳鋼高③奧氏體中碳含量可控?zé)崽幚碛型嘶稹⒄?、淬火加回火、等溫淬火等?/p>

5.2鑄鐵3、用途

承受震動(dòng)、載荷大的零件，如曲軸、傳動(dòng)齒輪等。核燃料貯存運(yùn)輸容器(QT350-22)鑄鐵曲軸（四）蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型鑄鐵。蠕墨鑄鐵是液態(tài)鐵水經(jīng)蠕化處理和孕育處理得到的。常用蠕化劑有稀土硅鐵鎂合金、稀土硅鐵合金、稀土硅鐵鈣合金等。蠕墨鑄鐵的組織：基體（F、F+P、P）+蠕蟲狀G

5.2鑄鐵蠕墨鑄鐵的顯微組織（鐵素體基體）

蠕墨鑄鐵中的石墨5.2鑄鐵蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和抗疲勞性能優(yōu)于灰鑄鐵，其力學(xué)性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間。常用于制造承受熱循環(huán)載荷的零件和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的鑄件。如鋼錠模、玻璃模具、柴油機(jī)汽缸、汽缸蓋、排氣閥、液壓閥的閥體、耐壓泵的泵體等。玻璃模具制動(dòng)盤閥芯5.2鑄鐵第三節(jié)有色金屬及其合金

在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把鐵及其合金稱為黑色金屬，把其他非鐵金屬及其合金稱為有色金屬。

5.3有色金屬及其合金

有色金屬的產(chǎn)量和用量不如黑色金屬多，但由于其具有許多優(yōu)良的特性，如特殊的電、磁、熱性能，耐蝕性能及高的比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）等，已成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的金屬材料。5.3有色金屬及其合金一、鋁及鋁合金

（一）鋁及鋁合金的性能特點(diǎn)

純鋁具有銀白色金屬光澤，密度小（2.72），熔點(diǎn)低（660.4℃），導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良?？勾髿飧g性能好，易于加工成形。具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。5.3有色金屬及其合金鋁合金既具有高強(qiáng)度又保持純鋁的優(yōu)良特性。鋁合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外還有Cr、Ni、Ti、Zr等輔加元素。

鋁合金型材鋁鑄件5.3有色金屬及其合金（二）鋁合金的分類根據(jù)鋁合金的成分和生產(chǎn)加工方法可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。鋁合金分類示意圖變形鋁合金又分為可熱處理強(qiáng)化和不可熱處理強(qiáng)化兩類。5.3有色金屬及其合金（三）變形鋁合金1.變形鋁合金牌號(hào)表示方法防銹鋁合金：LF+序號(hào)硬鋁合金：LY+序號(hào)

超硬鋁合金：LC+序號(hào)鍛鋁合金：LD+序號(hào)鋁合金波紋管鋁合金制品2.常用變形鋁合金①防銹鋁合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg的主要作用是提高抗蝕能力和塑性，并起固溶強(qiáng)化作用。防銹鋁合金鍛造退火后組織為單相固溶體，抗蝕性、焊接性能好，易于變形加工，但切削性能差。不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，常利用加工硬化提高其強(qiáng)度。衛(wèi)星天線（LF2）5.3有色金屬及其合金汽化器（熱交換管為L(zhǎng)F21）常用的Al-Mn系合金有LF21（3A21），其抗蝕性和強(qiáng)度高于純鋁，用于制造油罐、油箱、管道、鉚釘?shù)刃枰獜澢?、沖壓加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05），其密度比純鋁小，強(qiáng)度比Al-Mn合金高，在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如制造管道、容器、鉚釘及承受中等載荷的零件。5.3有色金屬及其合金②硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn?？蛇M(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化，也可進(jìn)行變形強(qiáng)化。強(qiáng)度、硬度高，加工性能好，耐蝕性低于防銹鋁。

常用硬鋁合金如LY11(2A11)、LY12(2A12)等，用于制造沖壓件、模鍛件和鉚接件，如螺旋槳、梁、鉚釘?shù)取?/p>

飛機(jī)翼梁(腹板為硬鋁合金)5.3有色金屬及其合金③超硬鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。時(shí)效強(qiáng)化效果超過硬鋁合金。熱態(tài)塑性好，但耐蝕性差。飛機(jī)主起落架常用合金有LC4(7A04)、LC9(7A09)等，主要用于工作溫度較低、受力較大的結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)的大梁、起落架等。5.3有色金屬及其合金④鍛造鋁合金

Al-Cu-Mg-Si系合金

可鍛性好，力學(xué)性能高；用于形狀復(fù)雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉輪、導(dǎo)風(fēng)輪等。Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金常用牌號(hào)有LD7（2A70）、LD8（2A80）、LD9（2A90）等。用于制造150~225℃下工作的零件，如壓氣機(jī)葉片、超音速飛機(jī)蒙皮等。壓氣機(jī)葉片5.3有色金屬及其合金葉導(dǎo)輪美F-117隱身戰(zhàn)斗機(jī)

（所用材料大部分是鋁合金）5.3有色金屬及其合金（四）鑄造鋁合金包括：Al-Si系：代號(hào)為ZL1+兩位數(shù)字順序號(hào)Al-Cu系：代號(hào)為ZL2+兩位數(shù)字順序號(hào)Al-Mg系：代號(hào)為ZL3+兩位數(shù)字順序號(hào)Al-Zn系：代號(hào)為ZL4+兩位數(shù)字順序號(hào)1.Al-Si系鑄造鋁合金

又稱硅鋁明。其中ZL102（ZAlSi12）是含12%Si的鋁硅二元合金，稱為簡(jiǎn)單硅鋁明。5.3有色金屬及其合金Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好，具有優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性和焊接性能。用于制造飛機(jī)、儀表、電動(dòng)機(jī)殼體、汽缸體、風(fēng)機(jī)葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等?；钊?裙部為鋁硅合金)5.3有色金屬及其合金2.Al-Cu系鑄造鋁合金這類合金的耐熱性好，強(qiáng)度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能差，強(qiáng)度低于Al-Si系合金。常用代號(hào)有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在較高溫度下工作的高強(qiáng)零件，如內(nèi)燃機(jī)汽缸頭、汽車活塞等。汽缸頭5.3有色金屬及其合金3.Al-Mg系鑄造鋁合金這類合金的耐蝕性好，強(qiáng)度高，密度??；但鑄造性能差，耐熱性低。常用代號(hào)為ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。主要用于制造外形簡(jiǎn)單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質(zhì)下工作的零件，如艦船配件、氨用泵體等。鼓風(fēng)機(jī)用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301)5.3有色金屬及其合金4.Al-Zn系鑄造鋁合金這類合金的鑄造性能好，強(qiáng)度較高，可自然時(shí)效強(qiáng)化；但密度大，耐蝕性較差。大型空壓機(jī)活塞(ZL401)常用代號(hào)為ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等。主要用于制造形狀復(fù)雜受力較小的汽車、飛機(jī)、儀器零件。5.3有色金屬及其合金二、銅及銅合金

（一）銅及銅合金的性能特點(diǎn)純銅呈紫紅色，故又稱紫銅，具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。純銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性，塑性好。5.3有色金屬及其合金銅合金常加元素為Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了強(qiáng)度，又保持了純銅特性。銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類。銅管銅冷卻器5.3有色金屬及其合金（二）黃銅以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。黃銅按化學(xué)成分可分為普通黃銅和特殊黃銅。按工藝可分為加工黃銅和鑄造黃銅。法蘭閥閘閥5.3有色金屬及其合金普通黃銅的顯微組織

單相黃銅

兩相黃銅

5.3有色金屬及其合金1、普通黃銅

銅與鋅的二元合金稱為普通黃銅。加工普通黃銅的牌號(hào)為：H（黃）+表示銅平均百分含量的數(shù)字，如H68。單相黃銅塑性好。常用牌號(hào)有H80、H70、H68。適于制造冷變形零件，如彈殼、冷凝器管等。兩相黃銅熱塑性好，強(qiáng)度高。常用牌號(hào)有H59、H62。適于制造受力件，如墊圈、彈簧、導(dǎo)管、散熱器等。冷凝器管汽車機(jī)油泵襯套5.3有色金屬及其合金2、特殊黃銅在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素形成特殊黃銅。加工特殊黃銅的牌號(hào)為：H（黃）+主加元素符號(hào)（Zn除外）+銅平均百分含量+主加元素平均百分含量，如HPb59-1。

特殊黃銅強(qiáng)度、耐蝕性比普通黃銅好，鑄造性能改善。黃銅制品5.3有色金屬及其合金常用牌號(hào)有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe95-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齒輪、螺旋槳、軸承、襯套及閥體等。5.3有色金屬及其合金（三）青銅除黃銅和白銅外的其他銅合金統(tǒng)稱為青銅。加工青銅的牌號(hào)為：Q+主加元素符號(hào)及其平均百分含量+其他元素平均百分含量如QSn4-3（含4%Sn、3%Zn)。常用青銅有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅、硅青銅、鉛青銅等。

青銅制品5.3有色金屬及其合金1、錫青銅

是以錫為主加元素的銅合金，錫含量一般為3~14%。

錫青銅鑄造流動(dòng)性差，鑄件密度低，易滲漏，但體積收縮率在有色金屬中最小。錫青銅具有良好的耐蝕性，在大氣、海水及無機(jī)鹽溶液中的耐蝕性比純銅和黃銅好，但在硫酸、鹽酸和氨水中的耐蝕性較差。5.3有色金屬及其合金常用牌號(hào)有QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。主要用于耐蝕承載件，如彈簧、軸承、齒輪軸、蝸輪、