鑄造工藝學(xué)課件1-4

第一章金屬材料與熱處理

培訓(xùn)要點(diǎn)：本章應(yīng)重點(diǎn)掌握金屬材料的物理、力學(xué)、鑄造性能的種類及概念；鐵碳合金中幾

種基本組織；鐵碳相圖上各點(diǎn)、線的意義；鑄造合金的分類；鑄件熱處理的基本知識(shí)及常用熱

處理工藝。

金屬材料是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的基本材料，由于它具有良好的使用性能和工藝性能，因此

廣泛地應(yīng)用于制造各種生產(chǎn)設(shè)備、工具、武器和生活用具。日常所用的金屬材料以合金為主,

很少使用純金屬。合金是以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其他金屬或非金屬，經(jīng)過熔煉而獲得的具

有金屬特性的材料。與純金屬相比，合金具有更好的工藝性能，而且成本較低。

第一節(jié)金屬材料的物理、力學(xué)和鑄造性能

一、金屬的物理性能

金屬的物理性能是指金屬固有的屬性，包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和

磁性等。

1.密度某種金屬單位體積的質(zhì)量稱為該金屬的密度。密度的計(jì)算公式為

P=mN（1—1）

式中P----金屬的密度（kg/m’）；

tn---金屬的質(zhì)量（kg）；

V---金屬的體積（m'

不同的金屬具有不同的密度。一般將密度小于5X10%g/m3的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、

鈦、被及其合金；密度大于SXIO'kg/n?的金屬材料稱為重金屬，如鐵、銅、錫、鉛及其合金。

日常生產(chǎn)中，利用密度可以計(jì)算金屬材料或零件的質(zhì)量，測(cè)量金屬的密度可以鑒別金屬和確

定金屬鑄件的致密程度。

2.熔點(diǎn)金屬由固態(tài)熔化成液態(tài)時(shí)的溫度稱為該金屬的熔點(diǎn)。

熔點(diǎn)是金屬材料冶煉、鑄造、焊接等熱加工工藝的重要參數(shù)之一。通常按金屬熔點(diǎn)的高

低，將熔點(diǎn)低于700℃的金屬稱為易熔金屬，如錫、秘、鉛、錮及其合金；將熔點(diǎn)高于700℃

的金屬稱為難熔金屬，如鐵、鴇、鑰、電凡及其合金。

3.導(dǎo)熱性金屬傳導(dǎo)熱量的能力稱導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性的大小用熱導(dǎo)率才表示，單位是

W/（m?K）.,

熱導(dǎo)率越大，金屬的導(dǎo)熱性越好。一般純金屬的導(dǎo)熱性比合金強(qiáng)，其中以銀為最好，銅、

鋁次之。導(dǎo)熱性是金屬材料重要性能之一，在制訂熱加工工藝時(shí)，必須考慮材料的導(dǎo)熱性。

如鑄造上熱芯盒模具的設(shè)計(jì)和材料選定時(shí)，就要考慮金屬的導(dǎo)熱性能。

4.導(dǎo)電性金屬傳導(dǎo)電流的能力稱導(dǎo)電性。常用電阻率O來表示，單位是Q-m。電阻

率越小，金屬的導(dǎo)電性越好。純金屬的導(dǎo)電性比合金好，其中以銀為最好，銅、鋁次之。

5.熱膨脹性金屬材料隨溫度變化而熱脹冷縮的特性稱為熱膨脹性。熱膨脹性的大小用

線脹系數(shù)。,和體脹系數(shù)%，來表示。一般體脹系數(shù)近似為線脹系數(shù)的三倍。在制訂鑄造和熱

處理工藝時(shí)必須考慮材料的熱膨脹影響，以減少工件的變形和開裂。例如在鑄造模具制造時(shí)

應(yīng)預(yù)留縮尺，以保證鑄件尺寸準(zhǔn)確。

6.磁性金屬材料在磁場(chǎng)中受到磁化的性能稱為磁性。衡量材料磁性的指標(biāo)為磁導(dǎo)率

單位為H/m,它是磁性材料在磁場(chǎng)中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值。在同一磁場(chǎng)中，材

料磁導(dǎo)率越大，就越容易被磁化。

根據(jù)金屬材料在磁場(chǎng)中受到磁化程度的不同，即磁導(dǎo)率的不同，可分為鐵磁性材料、順

磁性材料和抗磁性材料三類。鐵磁性材料在磁場(chǎng)中能強(qiáng)烈地被磁化，如鐵、鉆、銀等；順磁

性材料在磁場(chǎng)中只能微弱地被磁化，如鎰、銘等，抗磁性材料在磁場(chǎng)中不能被磁化，如銅、

鋅等。

二、金屬的力學(xué)性能

金屬的力學(xué)性能是指金屬在外力作用下所表現(xiàn)出的性能，包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊

性及疲勞強(qiáng)度等。力學(xué)性能是機(jī)械零件及工具設(shè)計(jì)、制造中選用金屬材料時(shí)的主要依據(jù)。

1.強(qiáng)度金屬在外力作用下抵抗變形或斷裂的能力稱為強(qiáng)度，強(qiáng)度的大小通常用應(yīng)力來

表示。其符號(hào)為。，單位為MPa。金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)常用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度來表示。屈

服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是通過金屬材料標(biāo)準(zhǔn)試樣拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。

拉伸試驗(yàn)是在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的:將標(biāo)準(zhǔn)試樣（圖1-1）裝夾在試驗(yàn)機(jī)上，然后開動(dòng)試

驗(yàn)機(jī)施以一緩慢增加的軸向拉力。試樣

在拉力作用下逐漸伸長(zhǎng)，直至斷裂為

止。

（1）屈服強(qiáng)度金屬材料受外力作

用會(huì)產(chǎn)生變形。外力緩慢增加，變形緩

慢增加。當(dāng)外力增大到一定值時(shí)，即使

外力不再增加，材料也會(huì)繼續(xù)發(fā)生變

形，這種現(xiàn)象稱為“屈服”。屈服強(qiáng)度

就是指金屬材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)

圖i-i拉伸試樣

力，用符號(hào)4表示。

a）拉伸前b）拉斷后

屈服強(qiáng)度是材料抵抗微量塑性變

形的能力。越大，其抵抗能力越強(qiáng),越不容易產(chǎn)生塑性變形。

（2）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是金屬材料在拉斷前所能承受的最大拉伸力，用符號(hào)。卜表示,

計(jì)算公式為

%=%%（1—2）

式中°\）----抗拉強(qiáng)度（Pa）；

Fb一—試樣在斷裂前的最大拉伸力（N）；

4——試樣原始截面積（m?）。

抗拉強(qiáng)度是材料抵抗斷裂的能力，外越大，材料抵抗斷裂的能力越強(qiáng)，越不容易引起斷

裂。

屈服強(qiáng)度吸和抗拉強(qiáng)度氣是設(shè)計(jì)機(jī)械和選擇、評(píng)定金屬材料的主要依據(jù)和指標(biāo)。金屬

材料不能在超過其。，的條件下工作，否則會(huì)引起零件的塑性變形；也不能在超過其。b的條

件下工作，否則會(huì)導(dǎo)致零件的破壞。

2.塑性金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力稱塑性。衡量金屬材料的

塑性指標(biāo)為伸長(zhǎng)率，它也是由拉伸試驗(yàn)獲得的。

試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比稱為伸長(zhǎng)率，用符號(hào)6表示。

金屬材料的伸長(zhǎng)率6數(shù)值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金屬可以發(fā)生大量塑性

變形而不破壞，便于通過塑性變形加工成復(fù)雜形狀的零件。例如，工業(yè)純鐵的3可達(dá)50%,

可以拉成鋼絲，軋成薄板等。而灰鑄鐵的6幾乎為零，所以不能進(jìn)行塑性變形加工。

3.硬度金屬材料抵抗硬的物體壓入表面的能力稱為硬度。適當(dāng)?shù)挠捕瓤梢员ＷC足夠的

耐磨性和使用壽命，因此硬度也是金屬材料重要的力學(xué)性能之一。常用的硬度指標(biāo)為布氏硬

度和洛氏硬度，可分別用布氏硬度機(jī)和洛氏硬度機(jī)測(cè)定。

（1）布氏硬度布氏硬度機(jī)的原理是用一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在一定壓力

F作用下，將鋼球垂直地壓入金屬材料表面，并保持壓力至規(guī)

定的時(shí)間后卸載，測(cè)得壓痕的直徑。然后根據(jù)所用壓力的大小

和所得壓痕面積，算出壓痕表面所承受的平均應(yīng)力值，這個(gè)應(yīng)

力值叫做布氏硬度。用符號(hào)HB表示，計(jì)算公式為：

HB=F/A（1—3）

式中HB——布氏硬度（Pa）；

F——試驗(yàn)所加壓力（N）；

A----所得壓痕面積（m-）。

布氏硬度一般只標(biāo)出其大小而不注明單位。圖1-2為布氏圖1-2布氏硬度試驗(yàn)原理圖

硬度試驗(yàn)的原理圖。常用的布氏硬度標(biāo)尺有HBS、HBW二種。

布氏硬度適用于鑄鐵、有色金屬及其合金、各種退火及調(diào)質(zhì)的鋼材，特別對(duì)于軟金屬,

如鉛、鋁、錫等更適宜。

（2）洛氏硬度洛氏硬度機(jī)也是利用壓力將堅(jiān)硬的壓頭壓入金屬表面的原理，但它不是

根據(jù)壓痕的直徑，而是根據(jù)壓痕的深度來計(jì)算硬度（也可直接由硬度機(jī)的刻度盤上讀?。?。所

用的壓頭和載荷也和布氏硬度機(jī)不同。在洛氏硬度機(jī)測(cè)得的硬度值，就叫做洛氏硬度，用符

號(hào)HR表示。

采用不同壓頭和載荷相配合，可組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺，每一種標(biāo)尺用一個(gè)字母在洛

氏硬度符號(hào)HR后面加以注明。常用的洛氏硬度標(biāo)尺有HRA.HRB.HRC三種，其中HRC應(yīng)用

最廣泛。

4.沖擊韌度有些機(jī)械零件在工作中往往要受到突然施加的外力作用，如錘桿、曲軸、

鍛模和沖頭等。這種沖擊載荷所引起的變形和應(yīng)力，比靜載荷的大得多，因此，在設(shè)計(jì)和制

造這類零件所用的金屬材料時(shí)，其性能指標(biāo)不能單純用上述靜載荷作用下的指標(biāo)來衡量，而

必須考慮材料抗沖擊能力。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌度，用符

號(hào)OK表示。金屬材料的沖擊韌度是通過沖擊試驗(yàn)來測(cè)定的。

金屬材料的沖擊韌度，不僅受材料化學(xué)成分和組織的影響，還受到外界溫度的影響。塑

性材料往往會(huì)因溫度降低而向脆性材料轉(zhuǎn)變，使材料的沖擊韌度降低，這一特征對(duì)在低溫下

工作的零件影響較大。所以，選擇材料時(shí)，常常要考慮其低溫下沖擊韌度的大小。

5.疲勞強(qiáng)度許多機(jī)械零件在工作中是受到交變載荷作用的，如曲軸、齒輪、連桿、軸

承、彈簧等。這些零件在交變載荷作用下，雖然承受的應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，但經(jīng)過較

長(zhǎng)時(shí)間的工作會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。金屬材料在多次重

復(fù)交變載荷作用下而不引起斷裂的最大交變應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度，用符號(hào)表示。

三、金屬的鑄造性能

將液態(tài)金屬澆注到鑄型中，冷卻凝固后，獲得金屬制品的工藝方法，稱為鑄造。

金屬的鑄造性能是指將金屬材料用鑄造方法制成合格鑄件的性能。這是鑄造工藝的前提

條件和基本要求。金屬的鑄造性能主要指流動(dòng)性、收縮性和偏析等。

第二節(jié)鐵碳平衡相圖

一、鐵碳平衡相圖

鋼和鑄鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的合金，是以鐵和碳為基本組元的復(fù)雜合金。合金的

組織要比純金屬?gòu)?fù)雜，為了掌握合金的組織與性能之間的關(guān)系，必須了解合金的結(jié)晶過程，

w(C)(%)

圖1-3Fe-Fe,C和Fe-C(石墨)雙重平衡相圖

了解合金中各種組織的形成及變化的規(guī)律。根據(jù)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的相圖就是

研究這些問題的一種工具，它表示了合金系中合金的狀態(tài)與溫度、成分間的關(guān)系。鐵碳平衡

相圖，是研究鋼和鑄鐵的金相組織，力學(xué)性能，物理、化學(xué)性能，工藝性能和熱處理工藝等

的理論基礎(chǔ)，也是制訂各種鋼和鑄鐵熱加工工藝的依據(jù)。

由于鑄鐵中所含的碳能夠以Fe：1C或以石墨這樣兩種獨(dú)立相存在，因而鐵碳合金存在著Fe

—Fe：,C和Fe—C（石墨）雙重平衡相圖，見圖1-3。圖上實(shí)線表示Fe—Fe3c亞穩(wěn)定系相圖；

虛線表示Fe-C（石墨）穩(wěn)定系相圖。為了敘述簡(jiǎn)便，在分析鐵碳合金時(shí)，將圖中實(shí)用意義

不大的左上角部分（液相向Fe及d—Fe向y—Fe轉(zhuǎn)變部分），以及左下角GPQ線左邊

部分予以省略。

鐵碳平衡相圖反映了在平衡條件下，不同的鐵碳合金成分，溫度與金相組織的關(guān)系，并

表示出合金中相的組成，相的相對(duì)數(shù)量和相變的溫度等。在Fe—Fe3c和Fe—C（石墨）雙重

平衡相圖上，亦反映了在不同條件下（主要是不同的過冷度條件下），鐵碳合金會(huì)以亞穩(wěn)定狀

態(tài)或以穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得到的金相組織亦不相同。

1.鐵碳平衡相圖中的點(diǎn)和線的含義Fe—FeC和Fe—C（石墨）雙重平衡相圖中的特性

點(diǎn)和線的含義如表1-1和表1-2。

表1-1Fe-Fe3C和FLC（石墨）雙重平衡相圖中的特性點(diǎn)

點(diǎn)的符號(hào)溫度/℃IF(C)(%)說明

A15360純鐵的熔點(diǎn)

C11474.30共晶點(diǎn)Lf1-酎F&C

C，11534.26共晶點(diǎn)Lc=g+G

D12526.69滲碳體的熔點(diǎn)

D，4000100石墨的熔點(diǎn)

E11472.14碳在y-Fe中的最大溶解度

E，11532.10碳在y—Fe中的最大溶解度

G9110y一Fc=a一Fe的轉(zhuǎn)變溫度

S7270.76共析點(diǎn)y+Fe<C

s'7360.69共析點(diǎn)T=a+G

表1-2Fe—Fe3c和Fe-C（石墨）雙重平衡相圖中的特性線

特性線含義

ACD和ACD'液相線。鐵碳合金的溫度在液相線以上，都處于液體狀態(tài)

AECF和AECF'固相線。鐵碳合金的溫度在固相線以下，都處于固體狀態(tài)

GS冷卻時(shí)，從奧氏體中析出鐵素體的開始線

碳在奧氏體中的固溶線。當(dāng)合金中碳含量超過此線時(shí)，會(huì)從奧氏體

ES和E3'

中析出滲碳體。穩(wěn)定狀態(tài)下會(huì)析出石墨（二次）

共晶線。當(dāng)合金中碳含量超過E或E時(shí)，都會(huì)發(fā)生如下共晶轉(zhuǎn)變：

ECF和ECF'

Lc=^役+Fe：CLc篤'+G

共析線。當(dāng)合金中碳含量超過P或P時(shí)，都會(huì)發(fā)生如下共析轉(zhuǎn)變：

PSK和PSK'

2.鐵碳平衡相圖中的組成物在Fe-Fe：iC和Fe-C（石墨）雙重平衡相圖中的組成物包

括液溶體、奧氏體、鐵素體、滲碳體、石墨、萊氏體和珠光體。

1）液溶體即液相，符號(hào)L,為碳或其它元素在鐵中的液溶體，存在于液相線以上。

2）奧氏體碳溶于y—Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號(hào)y或A表示，由于

y—Fe為面心立方晶格，晶格間隙較大，因而溶碳能力較強(qiáng)。在1147℃時(shí)溶碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可

達(dá)2.14%。隨溫度下降，溶解度逐漸減少，在727℃時(shí)溶碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.76%。

在鐵碳合金中，奧氏體是一種在高溫狀態(tài)下才能穩(wěn)定存在的組織（727℃以上）。高溫奧

氏體具有良好的塑性變形能力，是鋼進(jìn)行高溫壓力加工所希望的組織。

3）鐵素體碳溶于a—Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號(hào)a或F表示?由于

a-Fe是體心立方晶格，晶格間隙較小，因而溶碳能力很低，幾乎接近純鐵，所以鐵素體的性

能與純鐵相似，具有良好的塑性和韌性，而強(qiáng)度和硬度較低。

4）滲碳體碳在鐵中溶解度有限，當(dāng)碳含量超過其在鐵中的溶解度時(shí)，多余的碳在亞穩(wěn)

定狀態(tài)下就和鐵化合形成FeC,稱為滲碳體，在穩(wěn)定狀態(tài)下則直接析出石墨。

滲碳體含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%,具有復(fù)雜的斜方晶體結(jié)構(gòu)。它的硬度很高，塑性很差，

沖擊韌度幾乎為零，脆性很大。它作為鐵碳合金的強(qiáng)化相，當(dāng)其形狀和分布合適時(shí)，可提高

合金的強(qiáng)度和耐磨性。

鐵碳合金按亞穩(wěn)定系轉(zhuǎn)化時(shí)，液相析出的為一次滲碳體，共晶轉(zhuǎn)變時(shí)析出共晶滲碳體，

奧氏體析出二次滲碳體，共析轉(zhuǎn)變時(shí)析出共析滲碳體。

在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出成分一定的兩個(gè)固相的轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變。

相圖上表示這一溫度和成分的特性點(diǎn)C（C）稱為共晶點(diǎn)。由一定成分的固溶體同時(shí)析出一定

成分的兩相的混合物的轉(zhuǎn)變稱為共析轉(zhuǎn)變。

5）石墨在鑄鐵組織中以游離狀態(tài)存在的碳，呈石墨形態(tài)，用符號(hào)G表示。鐵碳合金按

穩(wěn)定系轉(zhuǎn)化時(shí)，液相析出的為一次石墨，共晶轉(zhuǎn)變時(shí)析出共晶石墨，奧氏體析出二次石墨，

共析轉(zhuǎn)變時(shí)析出共析石墨。

石墨的形態(tài)主要有片狀、蠕蟲狀、團(tuán)絮狀以及球狀。

6）萊氏體鐵碳合金按亞穩(wěn)定系轉(zhuǎn)化時(shí)，在冷卻到1147c時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成奧氏

體和滲碳體組成的機(jī)械混合物稱為萊氏體，用符號(hào)Ld表示。由于奧氏體在727℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹?/p>

光體，所以室溫時(shí)的萊氏體是由珠光體和滲碳體組成的。為了區(qū)別，將727℃以上的萊氏體，

稱為高溫萊氏體（Ld）,在727℃以下的萊氏體，稱為低溫萊氏體（L'd）。

萊氏體的力學(xué)性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。

7）珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，常用符號(hào)P表示?珠光體是奧

氏體在冷卻過程中，在727℃恒溫下進(jìn)行共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，只存在727℃以下。

珠光體是滲碳體和鐵素體片層相間、交替排列而成的混合物。其力學(xué)性能界于滲碳體和

鐵素體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定塑性。

3.鑄鐵鐵碳合金按其在鐵碳相圖上位置的不同，即w（C）的不同而分為鋼和鑄鐵。w

（C）<2.14%的鐵碳合金為鋼；w（C）>2.14%的鐵碳合金為鑄鐵。研究鋼的結(jié)晶過程、組

織、性能及熱處理工藝時(shí)，常用Fe—Fe：,C亞穩(wěn)定系相圖；研究鑄鐵的結(jié)晶過程、組織、性能

及鑄造、熱處理工藝時(shí)，常用Fe—Fe3c和Fe—C（石墨）雙重平衡相圖。

根據(jù)鑄鐵在鐵碳相圖上位置的不同，即卬（C）的不同又分為亞共晶鑄鐵、共晶鑄鐵和過

共晶鑄鐵。如鑄鐵的w（C）<4.26%,為亞共晶鑄鐵；如卬（C）=4.26%,為共晶鑄鐵；如w

（C）>4.26%,為過共晶鑄鐵。

4.“碳當(dāng)量”及“共晶度”的概念鑄鐵中除碳以外，還有其它一些元素，如硅、鎰、

磷、硫等。這些元素的存在，會(huì)使鐵碳相圖上共晶點(diǎn)的位置發(fā)生偏移，而使共晶點(diǎn)實(shí)際碳量

發(fā)生改變。因此，要知道某一具體成分的鑄鐵屬于亞共晶還是過共晶，偏離共晶的程度有多

大，就應(yīng)將該鑄鐵的實(shí)際含碳量和根據(jù)成分“修正”后的共晶點(diǎn)實(shí)際碳量進(jìn)行對(duì)比。共晶點(diǎn)

實(shí)際碳量的計(jì)算公式為(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))

Cu%=4.26%-1/3(Si+P)%-0.4S%+0.03Mn%(1—4)

式中Cc%——鑄鐵共晶點(diǎn)實(shí)際碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(％)(穩(wěn)定系)；

Si%、P%、S%、Mn%——分別為鑄鐵中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(％)。

例如：某鑄鐵成分為：C3.8%、S⑵1%、Mn0.4%、P0.05%、S0.03%?其共晶點(diǎn)實(shí)際碳的

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

Cc%=4.26%-1/3(2.1+0.05)%-0.4X0.03%+0.03X0.4%=3.54%

該鑄鐵w(C)=3.8%,大于Cc%,因此該鑄鐵為過共晶鑄鐵。

目前，常以各元素對(duì)共晶點(diǎn)實(shí)際碳量的影響，將這些元素的量折算成碳量的增減，這樣

算得的碳量稱為“碳當(dāng)量”，用CE%表示，計(jì)算公式為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

CE%=C%+l/3(Si+P)%+0.4S%-0.03Mn%

一般鑄鐵中硫很低，而鎘的影響又較小，因此，可簡(jiǎn)化為

CE%=C%+l/3(Si+P)%(1—5)

將CE%和共晶點(diǎn)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(=4.26%)相比，就可以判斷某具體成分鑄鐵偏離共晶點(diǎn)

的方向和程度。如CE%<4.26%為亞共晶鑄鐵；如CE%=4.26%為共晶鑄鐵；如CE%>4.26%

為過共晶鑄鐵。

如上例鑄鐵的碳當(dāng)量為

CE%=3.8%+l/3(2.1+0.05)%=4.52%

因此是過共晶鑄鐵。

鑄鐵偏離共晶點(diǎn)的方向和程度還可以用鑄鐵含碳量與共晶點(diǎn)實(shí)際碳量的比值來表示，這

個(gè)比值稱為“共晶度”，以Sc表示。如ScVl為亞共晶鑄鐵；如Sc=l為共晶鑄鐵；如Sc>l

為過共晶鑄鐵。Sc的計(jì)算公式為

C%C%

Sc=—_________________(1—6)

Cc-%4.26%-l/3(Si+P)%

式中C%——鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(％)；

Cc%——鑄鐵共晶點(diǎn)實(shí)際碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(％)(穩(wěn)定系)。

如上例鑄鐵的共晶度為

3.8%

Sc==\.07

4.26%-1/3(2.1+0.05)%

所以是過共晶鑄鐵。

碳當(dāng)量的高低和共晶度的大小，除衡量鑄鐵偏離共晶點(diǎn)的程度對(duì)凝固過程可作出判斷外,

還能間接地推斷出鑄造性能的好壞以及石墨化能力的大小，因此，是一個(gè)十分重要的參數(shù)。

二、鑄造合金分類

鑄件用的合金統(tǒng)稱為鑄造合金。鑄造合金的種類很多，常用的有鑄鐵、鑄鋼和鑄造非鐵

合金三大類。

1.鑄鐵的分類實(shí)際應(yīng)用的鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.4%?4%范圍內(nèi)。根據(jù)碳在鑄鐵中存

在形態(tài)的不同，鑄鐵一般可分為白口鑄鐵、灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和可鍛鑄鐵。

(1)白口鑄鐵碳除極少量溶于鐵素體外，其余絕大部分都以滲碳體的形式存在于鑄鐵

中，斷口呈銀白色，故稱白口鑄鐵。由于大量滲碳體的存在，所以白口鑄鐵性能硬而脆，很

難進(jìn)行機(jī)械加工。故主要作煉鋼用和制造可鍛鑄鐵件，很少直接用于制造各種零件。只是利

用其硬而耐磨的特性，制造一些要求高耐磨性的零件，如軋輯、磨球及農(nóng)用犁鋅等。

(2)灰鑄鐵碳大部分或全部以片狀石墨的形式存在于鑄鐵中，斷口呈暗灰色，故稱灰

鑄鐵?；诣T鐵是各類鑄鐵中應(yīng)用最為廣泛的一種?；诣T鐵的鑄造、切削、耐磨和減震等四方

面的性能都優(yōu)于其它鑄鐵，且生產(chǎn)方便、成品率高、成本低。

灰鑄鐵按其性能特點(diǎn)，可分為普通灰鑄鐵和高強(qiáng)度灰鑄鐵(又稱孕育鑄鐵)。灰鑄鐵牌號(hào)

中HT250至HT350,均為孕育鑄鐵。

(3)球墨鑄鐵石墨大部分或全部呈球狀存在于鑄鐵中，故稱球墨鑄鐵。它是鐵液在澆

注前經(jīng)過球化處理和孕育處理獲得的一種高強(qiáng)度鑄鐵。球墨鑄鐵的力學(xué)性能接近于碳鋼，大

大超過灰鑄鐵，其鑄造性能比鑄鋼好。因此，現(xiàn)已廣泛利用球鐵代替鑄鋼、鍛鋼、鑄造非鐵

合金和可鍛鑄鐵來制造各種強(qiáng)度、韌性和耐磨性要求較高的零件。例如曲軸、凸輪軸、連桿、

齒輪等。

(4)蠕墨鑄鐵石墨在鑄鐵中大部分呈蠕蟲狀，故稱蠕墨鑄鐵.它是鐵液經(jīng)過蠕化處理

后得到的一種高強(qiáng)度鑄鐵。由于其石墨形狀介于球墨鑄鐵和灰鑄鐵之間，因而其性能也介于

球墨鑄鐵和灰鑄鐵之間，填補(bǔ)了鑄鐵材料在性能上的“空白”，是一種新型的鑄鐵材料，在國(guó)

內(nèi)外獲得迅速發(fā)展。

(5)可鍛鑄鐵鑄鐵中石墨呈緊密的團(tuán)絮狀。因其強(qiáng)度較高，韌性好，故稱可鍛鑄鐵，

又稱馬鐵。可鍛鑄鐵其實(shí)是不可鍛造的。它是用白口鑄鐵經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間石墨化退火而獲得的。

2.鑄鋼的分類鑄鋼是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.11%的鐵碳合金。按照不同的化學(xué)成分，鑄

鋼可分為碳素鑄鋼和合金鑄鋼兩大類。

(1)碳素鑄鋼常存元素以碳為主。含碳量直接影響鑄鋼的組織和力學(xué)性能。

根據(jù)含碳量的不同，碳素鑄鋼分為三類：

低碳鑄鋼:w(C)<0.25%；

中碳鑄鋼：w(C)=0.25%?0.60%；

高碳鑄鋼：w(C)>0.60%。

其中以中碳鑄鋼的應(yīng)用最為廣泛。

(2)合金鑄鋼為了改善和提高鑄鋼的某些性能，在鑄鋼中加入一種或幾種合金元素進(jìn)

行合金化，就成為合金鑄鋼。

按照加入合金元素含量的不同，合金鑄鋼可分為三類：

低合金鑄鋼：合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5%；

中合金鑄鋼：合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?10%；

高合金鑄鋼：合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%。

3.鑄造非鐵合金的分類工業(yè)上把黑色金屬元素(Fe、Cr、Mn)以外的金屬元素稱為非

鐵金屬元素，又稱有色金屬元素。常用的鑄造非鐵金屬元素有：銅、鋁、鎂、錫、鉛、鋅、

禪、鈦等。工業(yè)上一般都采用非鐵金屬合金制做零件，因?yàn)榧兘饘俚蔫T造性能和力學(xué)性能都

比合金差。

鑄造非鐵合金分為鑄造銅合金、鋁合金、鎂合金、鋅合金和軸承合金五大類。一般工業(yè)

上常用的為前兩類。

（1）鑄造銅合金鑄造銅合金按照成分的不同可分為鑄造青銅和鑄造黃銅兩大類。

1）鑄造青銅。鑄造青銅又分為錫青銅和特殊（無錫）青銅兩類。以銅和錫為主要成分的

合金稱為錫青銅，它是最古老的銅合金。以鋁、鎰、硅等元素代替錫元素的銅合金稱為特殊

青銅。如應(yīng)用較多的鋁青銅等。

2）鑄造黃銅。以銅和鋅為主要成分的合金稱為黃銅。又分為普通黃銅和特殊黃銅兩類。

銅和鋅的二元合金稱為普通黃銅。除銅和鋅外，還含有鋁、錦、硅等元素的鑄銅合金稱為特

殊黃銅。

（2）鑄造鋁合金鑄造鋁合金是在純鋁的基礎(chǔ)上加入其他金屬或非金屬元素，不僅能保

持純鋁的基本性能，而且由于合金化及熱處理的作用，使鋁合金具有良好的綜合性能。

按其所含的主要元素不同，鑄造鋁合金常分為鑄造鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁

鋅合金及鋁稀土合金等。其中鋁硅合金和鋁銅合金應(yīng)用最廣。

第三節(jié)鑄件熱處理

鑄件熱處理是用加熱、保溫和冷卻等方法，改變金屬材料的基體組織。是提高鑄件強(qiáng)度、

硬度、耐磨性，獲得良好的塑性和韌性等性能的有效工藝方法。

一、鑄鐵件的熱處理

1.灰鑄鐵件的熱處理灰鑄鐵件的熱處理不能改變石墨的形狀，不能根本上消除片狀

石墨的有害作用，故通常熱處理只用于消除鑄件的鑄造應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸；消除白口組織，降

低硬度以改善其加工性能，增加表面硬度和耐磨性。

（1）時(shí)效處理形狀復(fù)雜的鑄件，由于各部位壁厚不均勻而在鑄造過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，

使鑄件產(chǎn)生變形或開裂。時(shí)效處理的目的就是消除這種鑄造應(yīng)力。時(shí)效處理分自然時(shí)效和人

工時(shí)效兩種。自然時(shí)效就是將鑄件露天放置幾個(gè)月，半年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，讓鑄件自然、緩慢

地發(fā)生變形，從而逐漸消除鑄造應(yīng)力。但這種方法生產(chǎn)周期長(zhǎng)，鑄造應(yīng)力消除不徹底，生產(chǎn)

中已較少采用。

人工時(shí)效也就是低溫退火，是將鑄件以較緩慢的升溫速度（60?100℃?。┘訜岬?20?

550℃,保溫一段時(shí)間，然后以緩慢的冷卻速度

（20~30℃/h）隨爐冷卻至150?200C后出爐空

冷。見圖l-4o此時(shí)，鑄造應(yīng)力基本上消除。若加

熱溫度過高（超過560°C）或保溫時(shí)間過長(zhǎng)，反

而會(huì)使珠光體分解，從而導(dǎo)致鑄件強(qiáng)度和硬度降

低。

（2）石墨化退火鑄件冷卻凝固時(shí)，在表面

或某些較薄截面處，由于冷卻速度較快，易出現(xiàn)

白口組織，使鑄件的硬度和脆性增加，不易切削

加工。此時(shí)可米用石墨化退火的熱處理工藝來消除白口組織。

其處理工藝為：將鑄件加熱到900?960℃,保溫1?4h,然后隨爐冷卻，見圖1-5。

900?960'C

1-4|

爐冷

時(shí)間/h

圖1-5灰鑄鐵件的石墨化退火工藝圖1-6球墨鑄鐵件的低溫退火工藝

應(yīng)當(dāng)指出，消除白口組織主要通過鑄造工藝來解決。熱處理只是一種輔助工藝，不是生

產(chǎn)必須的工序。

2.球墨鑄鐵件的熱處理由于球墨鑄鐵中石墨的有利形狀，使得基體的作用得以充分發(fā)

揮。通過熱處理，可大幅度調(diào)整和改善球墨鑄鐵的性能，滿足不同的使用要求。球墨鑄鐵件

常用的熱處理工藝有退火、正火和等溫淬火等。

（1）退火球墨鑄鐵退火分為消除鑄造應(yīng)力退火、低溫退火和高溫退火。

1）消除鑄造應(yīng)力退火球墨鑄鐵的鑄造應(yīng)力比灰鐵大1?2倍，對(duì)于不再進(jìn)行其它熱處

理的球墨鑄鐵件，往往要進(jìn)行消除鑄造應(yīng)力退火。

2）低溫退火低溫退火的目的是使鑄件基體中珠光體中的Fe3c發(fā)生石墨化分解，以獲

得鐵素體基體的球墨鑄鐵，提高其塑性和韌性。低溫退火的過程是將鑄件加熱到720?760C,

保溫一段時(shí)間后隨爐冷至600℃,出爐空冷，見圖1-6。

3）高溫退火由于球墨鑄鐵白口傾向較大，因而在鑄態(tài)組織內(nèi)往往存在自由滲碳體。為

了使自由滲碳體分解（消除白口），需進(jìn)行高溫退火。見圖1-7。

870-940C

O

J

於

震500-600"C

空冷

時(shí)間小時(shí)間/h

圖1-7球墨鑄鐵件的高溫退火工藝圖1-8球墨鑄鐵件的完全奧氏體化正火工藝

（2）正火

1）完全奧氏體化正火目的是獲得珠光體球墨鑄鐵，如QT700-2、QT600-3。

鑄態(tài)組織無滲碳體時(shí)的工藝為：將鑄件加熱到870?940℃,保溫1?3h,然后出爐空冷

（風(fēng)冷或霧冷）。由于球墨鑄鐵正火后有較大內(nèi)應(yīng)力，有些工廠正火后還采用高溫回火，以獲

得回火索氏體基體組織，見圖1-8。

鑄態(tài)組織滲碳體體積分?jǐn)?shù)23%時(shí)的工藝為：將鑄件加熱到950?980℃,保溫2?3h,然

后隨爐冷至860?880℃,保溫1?2h,出爐空冷（風(fēng)冷或霧冷）。

2）部分奧氏體化正火目的與普通正火相似，不同的是：由于采用較低的加熱溫度，內(nèi)

部組織僅發(fā)生部分奧氏體化，正火后組織中仍保留部分鐵素體，從而可提高鑄件的塑性和韌

性，但強(qiáng)度比高溫正火略低。

鑄態(tài)組織無滲碳體時(shí)的工藝為：將鑄件加熱到880?900℃,保溫1?4h,出爐空冷（風(fēng)

冷或霧冷）。

鑄態(tài)組織滲碳體體積分?jǐn)?shù)23%時(shí)的工藝為：將鑄件加熱到920?980℃,保溫2?3h,然

后隨爐冷至820?880℃,保溫1?2h,出爐空冷（風(fēng)冷或霧冷）。見圖1-9。

860-9200C

熙250?350C

（0.5-1.5?:空冷

時(shí)間小

圖1-9有滲碳體的球鐵件部分奧氏體化正火工藝圖1-10球，墨鑄鐵件的等溫淬火工藝

（3）等溫淬火球墨鑄鐵經(jīng)等溫淬火處理后的組織是貝氏體和少量殘余奧氏體，這種組

織不僅具有較高的綜合力學(xué)性能（較高的強(qiáng)度和韌性），而且具有很好的耐磨性。是目前發(fā)揮

球墨鑄鐵最大潛力的熱處理方法，應(yīng)用和發(fā)展速度很快。

將鑄件加熱到860?920℃,保溫一段時(shí)間待完全奧氏體化后，立即放入溫度為250?350

℃的鹽浴爐中等溫（30?90min）,然后取出空冷。得到貝氏體組織。見圖1-10。

二、鑄鋼件的熱處理

鑄鋼件一般都要進(jìn)行熱處理。目的是：細(xì)化晶粒；消除魏氏組織和鑄造應(yīng)力。碳素鑄鋼

件的熱處理方法有：完全退火、正火和正火加回火。合金元素有提高淬透性的作用，因此,

低合金鑄鋼件的主要熱處理方式是淬火加回火或正火加回火。

1.完全退火將鑄鋼件加熱到奧氏體區(qū)的溫度（適宜的溫度是上臨界溫度Ac：,以上30?

50℃）,并保溫一段時(shí)間（根據(jù)鑄鋼件的材質(zhì)和壁厚來確定），在珠光體向奧氏體完全轉(zhuǎn)變后

隨爐冷卻至200?300'C時(shí)出爐空冷。見圖

1-11?

2.正火加回火為了進(jìn)一步提高鑄

鋼的力學(xué)性能，可以采用正火加回火熱處

理工藝。

鑄鋼件的正火工藝，是將鑄件加熱到

A。以上30?80℃,保溫一段時(shí)間，使組

時(shí)間/h

織完全奧氏體化，然后出爐空冷，得到均

圖1-11鑄鋼件的退火工藝

勻細(xì)化的晶粒組織，使鑄件的力學(xué)

性能得到提高。

正火后的鑄件，由于經(jīng)快速冷

卻，殘留一部分內(nèi)應(yīng)力，所以必須

再進(jìn)行回火?；鼗饡r(shí)，將鑄件加熱

到500?600℃,并保溫一段時(shí)間后

隨爐緩冷。鑄鋼件的正火加回火工

藝曲線見圖1-12。

對(duì)于形狀復(fù)雜的鑄鋼件，正火圖1-12鑄鋼件的正火加|口|火工藝

溫度升到600C以上時(shí)，應(yīng)緩慢升

溫或在此溫度下保溫一段時(shí)間，以防鑄件產(chǎn)生裂紋。

三、鑄造非鐵合金件的熱處理

1.鑄造鋁合金的熱處理鑄造鋁合金在鑄態(tài)下的力學(xué)性能往往不能滿足使用要求。所

以，多數(shù)鋁合金鑄件都要熱處理。通過熱處理改變鑄造鋁合金的組織，可以提高鑄件力學(xué)性

能，增強(qiáng)耐腐蝕性能，改善加工性能，獲得尺寸的穩(wěn)定性。

（1）熱處理工藝分類及作用鋁合金鑄件的熱處理工藝可以分為以下四類：

1）退火處理將鑄件加熱到較高溫度（300℃左右），保溫一定時(shí)間后，隨爐冷卻的工藝

稱為退火。退火處理可以消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定鑄件尺寸，減少變形，增大鑄件的塑性。

2）固溶處理把鑄件加熱到盡可能高的溫度（接近于共晶體的熔點(diǎn)），保溫足夠長(zhǎng)的時(shí)

間后快速冷卻，使強(qiáng)化組元在鋁中最大限度地溶解，這種高溫狀態(tài)被固定保存到室溫的過程

稱為固溶處理，俗稱淬火。固溶處理可以提高鑄件的強(qiáng)度和塑性，改善合金的耐腐蝕性能。

3）時(shí)效處理將固溶處理后的鑄件加熱到某一溫度，保溫一定的時(shí)間后出爐空冷的工藝

稱為時(shí)效。采用較低的時(shí)效溫度或較短的保溫時(shí)間的時(shí)效處理稱不完全人工時(shí)效；采用較高

的時(shí)效溫度或較長(zhǎng)的保溫時(shí)間的時(shí)效處理稱為完全人工時(shí)效。不完全人工時(shí)效可使鑄件獲得

優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，即較高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，但抗蝕性能可能較低。完全人工

時(shí)效，可使鑄件獲得最大的強(qiáng)度，即最高的拉伸強(qiáng)度，但伸長(zhǎng)率較低。

4）循環(huán)處理多次將鑄件冷卻到零下溫度，保溫一定時(shí)間再加熱到鑄件的工作溫度的過

程，稱為循環(huán)處理。循環(huán)處理可提高鑄件尺寸的穩(wěn)定性，適于做精密零件。

（2）熱處理狀態(tài)代號(hào)及目的鑄造鋁合金熱處理狀態(tài)的名稱、代號(hào)及目的見表1-3

2.鑄造銅合金的熱處理大多數(shù)鑄造銅合金都不能熱處理強(qiáng)化，而是在鑄態(tài)下使用，但

也有少數(shù)鑄造銅合金可熱處理，如鍍青銅、錯(cuò)青銅、輅青銅等。

鑄造銅合金的熱處理按其應(yīng)用可分為以下三類：

（1）消除應(yīng)力退火目的在于消除鑄造和補(bǔ)焊后產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。如鋁青銅焊后熱處理工藝

為：將鑄件加熱到450?550C,保溫4?8h,隨爐緩冷至200℃后打開爐門空冷。

（2）強(qiáng)化熱處理包括固溶處理和時(shí)效處理，目的在于提高合金的物理化學(xué)和力學(xué)性能。

如銘青銅強(qiáng)化熱處理工藝為：980?1000C,每25mm保溫lh,450?5200c水淬，2?4h時(shí)效，

空冷。

（3）消除鑄造缺陷的熱處理鑄造錫青銅加熱至400?650C時(shí)，a棱晶間的6相擴(kuò)散溶

入a相中，引起合金的體積膨脹從而堵塞錫青銅的顯微縮孔，改善其耐壓性。如錫青銅熱處

理工藝為：650℃,3h保溫，隨爐冷卻。

表1-3鑄造鋁合金熱處理代號(hào)及意義

熱處理狀態(tài)熱處理狀態(tài)

目的

代號(hào)名稱

1.提高硬度，改善機(jī)械加工性能，降低加工表面粗糙度

T1未經(jīng)固溶處理的人工時(shí)效

2.提高ZL104.ZL105等合金的強(qiáng)度

消除內(nèi)應(yīng)力，消除機(jī)械加工硬化，提高鑄件尺寸穩(wěn)定性，

T2退火

增加合金塑性

提高合金力學(xué)性能，提高強(qiáng)度和硬度，獲得破高的塑性及

T4固溶處理

良好的抗蝕性能

T5固溶處理和不完全人工時(shí)效獲得足夠高的強(qiáng)度，保持高的塑性，但抗蝕性下降

T6固溶處理和完全人工時(shí)效獲得最高的強(qiáng)度，但塑性及抗蝕性降低

T7固溶處理和穩(wěn)定化回火提高鑄件尺寸穩(wěn)定性和抗蝕性能

T8固溶處理和軟化回火提高鑄件尺寸穩(wěn)定性，提高合金塑性，但強(qiáng)度降低

T9循環(huán)處理穩(wěn)定鑄件尺寸

第二章鑄造合金及其熔煉

培訓(xùn)要點(diǎn)：本章應(yīng)重點(diǎn)掌握各種鑄造合金的牌號(hào)及性能：化學(xué)成分對(duì)灰鑄鐵、球墨鑄鐵性

能的影響；孕育鑄鐵、球墨鑄鐵的生產(chǎn)技術(shù)；沖天爐熔煉操作工藝、一般過程和基本原理；了

解鑄鋼和非鐵合金的熔煉過程及主要設(shè)備。

第一節(jié)鑄鐵及其熔煉

一'鑄鐵

鑄鐵是一種以鐵、碳、硅為基礎(chǔ)的多元合金，此外，還含有鋅、磷、硫等元素。有時(shí)為

了改善鑄鐵的性能，還可加入銅、銘、鋁等合金元素。鑄鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在2.0%?4.5%。

常用的鑄鐵有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和可鍛鑄鐵。

1.灰鑄鐵

(1)灰鑄鐵的牌號(hào)及性能抗拉強(qiáng)度是灰鑄鐵最主要的力學(xué)性能，灰鑄鐵的牌號(hào)是按其

大小來區(qū)分的，根據(jù)GB9439-1988《灰鑄鐵件》的規(guī)定，按單鑄030mm試棒的抗拉強(qiáng)度值

將灰鑄鐵分為六種牌號(hào)，見表2-1。

表27按單鑄試棒性能分類

牌號(hào)抗拉強(qiáng)度Ob/MPaA牌號(hào)抗拉強(qiáng)度Ob/MPa》

HT100100HT250250

HT150150HT300300

HT200200HT350350

灰鑄鐵的力學(xué)性能是由金屬基體組織及石墨形態(tài)決定的。主要的機(jī)體組織有：珠光體、

鐵素體及珠光體加鐵素體三種。

灰鑄鐵中存在的片狀石墨，一方面減少了金屬基體的承載面積，另一方面石墨片的尖角

處造成了應(yīng)力集中，所以，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度較差，塑性較低。由此可見片狀石墨的數(shù)量大

小和分布狀況是影響灰鑄鐵性能的主要因素。

(2)化學(xué)成分對(duì)灰鑄鐵性能的影響灰鑄鐵的化學(xué)成分除了含有碳、硅、鎘、磷、硫五

種主要元素外，還含有一些其它元素，各種元素及其含量都對(duì)灰鑄鐵的性能產(chǎn)生不同影響。

1)碳和硅碳和硅都是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，通過調(diào)整碳和硅的含量可以控制灰鑄鐵

的組織和性能?；诣T鐵碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多在2.6%?3.6%,硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在L2%?3.0%。

碳是構(gòu)成石墨的元素，鐵液中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，石墨的數(shù)量也就越多。硅是促進(jìn)石墨

化的元素。當(dāng)硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%?2.0%范圍內(nèi)增加時(shí)，硅促進(jìn)石墨化的作用特別強(qiáng)烈。一

般以碳當(dāng)量綜合考慮碳和硅的影響。

碳當(dāng)量過高，促使灰鑄鐵石墨片變粗、數(shù)量增多，基體中鐵素體量增多，強(qiáng)度和硬度下

降。碳當(dāng)量過低，鑄鐵易出現(xiàn)麻口或白口組織，會(huì)導(dǎo)致灰鑄鐵鑄造性能降低、鑄件斷面敏感

性增大、內(nèi)應(yīng)力增加，強(qiáng)度下降，硬度上升加工困難。因此，必須選取合適的碳硅量，使灰

鑄鐵碳當(dāng)量控制在合適的范圍內(nèi)。

2)鐳和硫鎬和硫都是阻礙石墨化的元素，但兩者共同存在時(shí)，會(huì)形成高熔點(diǎn)的MnS,

不僅無阻礙石墨化的作用，而且可作為石墨化的非自發(fā)晶核。所以，錦能削弱硫的有害作用。

此外，鎰能促使珠光體形成并細(xì)化珠光體，從而提高灰鑄鐵的力學(xué)性能，灰鑄鐵中鐳的質(zhì)量

分?jǐn)?shù)一般為0.6%?1.2%。

硫在高含量時(shí)有阻礙石墨化的作用，使鑄件形成白口組織，同時(shí)還使奧氏體枝晶粗化，

降低鑄鐵性能。硫還能使鐵液的流動(dòng)性降低，收縮量增大，使鑄鐵有較大的熱裂傾向。因此,

硫作為有害元素應(yīng)加以控制，一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.15%以下。但目前認(rèn)為，為確保孕育效

果，灰鑄鐵中含硫量亦非愈低愈好，一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于0.05%?0.06%。

3）磷磷使鑄鐵的共晶點(diǎn)左移，其作用程度和硅相似，故計(jì)算碳當(dāng)量時(shí)，應(yīng)計(jì)入磷的含

量。

當(dāng)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.3%時(shí)，會(huì)生成硬而脆，且熔點(diǎn)低的磷共晶，常以網(wǎng)狀分布在晶界

上，使鑄鐵脆性增加。降低鑄鐵的力學(xué)性能尤其是韌性和致密性。磷量高往往是鑄件產(chǎn)生冷

裂的原因。但磷共晶能提高鑄件的耐磨性，且磷能降低鑄鐵的熔點(diǎn)和共晶溫度，提高鐵液的

流動(dòng)性，改善鑄造性能。一般灰鑄鐵，磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過0.2%；高強(qiáng)度灰鑄鐵的磷的質(zhì)

量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.12%以下；有致密性要求的，磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)需低于0.06%；有耐磨和高流動(dòng)

性要求的磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)0.3%?1.5%。

4）合金元素灰鑄鐵的低合金化是提高其力學(xué)性能、使用性能及節(jié)省材料的重要途徑，

低合金灰鑄鐵可以含有一種或幾種合金元素，其總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在3%以下，合金元素的作

用主要有以下幾方面：

①改善并顯著提高鑄鐵的力學(xué)性能，增加硬度；

②增加鑄件性能的均勻性，降低斷面敏感性；

③改善鑄件的塑性；

④改善鑄鐵的高溫及低溫性能：

⑤提高鑄鐵熱處理的淬透性及改善耐磨性。

常用的合金元素有：銘、銀、鑰、銅、鈕、錫、鈦、硼等。

（3）孕育鑄鐵向碳、硅含量較低的鐵液中加入一定數(shù)量的孕育劑，造成人工晶核，改

變鐵液的結(jié)晶條件，從而細(xì)化共晶團(tuán)，改善石墨

的尺寸及分布，提高灰鑄鐵的力學(xué)性能。這種灰

鑄鐵叫孕育鑄鐵。

孕育鑄鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵是原鐵液化學(xué)成分的

選擇、孕育劑、孕育處理方法及爐前控制。

1）原鐵液化學(xué)成分的選擇選擇適宜的碳、

硅含量（碳當(dāng)量）的原鐵液，是生產(chǎn)孕育鑄鐵的

關(guān)鍵。碳、硅含量過高不經(jīng)孕育處理就是灰口組

織，孕育處理反而造成石墨粗大，使強(qiáng)度下降；

碳、硅含量過低，則增加熔煉困難，降低鑄造性

能，增加孕育劑消耗。因此，一般選擇位于鑄件I—白口區(qū)11.一麻口區(qū)II,II”,III一灰口區(qū)

組織圖上麻口區(qū)內(nèi)或白口區(qū)域邊緣（靠近麻口

區(qū)）的成分，在孕育處理后，就可使鑄鐵轉(zhuǎn)入珠光體區(qū)域。見圖2-1。一般原鐵液的碳的質(zhì)量

分?jǐn)?shù)為2.8%?3.3%,硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%?1.6%。

錦在孕育鑄鐵中的作用，除中和硫外，還能增加珠光體含量。所以，孕育鑄鐵鋅的質(zhì)量

分?jǐn)?shù)含量一般較高，為0.8%?1.0%。

硫、磷作為有害元素，都會(huì)降低鑄鐵強(qiáng)度，應(yīng)加以限制，一般硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制在0.1%

以下，磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制在0.15%以下。

2）孕育劑孕育劑主要含有促進(jìn)石墨化元素。孕育劑的種類很多，選用的原則是孕育效

果好且價(jià)格低廉。

最常用的孕育劑是硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的硅鐵合金。但有較多報(bào)告指出，對(duì)于片狀石墨

鑄鐵來說，純硅或純硅鐵很少有，甚至沒有孕育作用，真正起作用的是硅鐵中一定含量的鋁

和鈣，硅鐵僅起到把鋁和鈣帶入鐵液的作用。除鋁和鈣外，能起孕育作用的元素還有錮、錦、

銀、鈦、錯(cuò)等。因此，目前出現(xiàn)了許多按不同孕育需要加入不同元素的孕育劑，且許多都已

商品化、系列化，如：鐵硅鐵、錮硅鐵、稀土鈣鋼硅鐵等。

3）孕育處理方法一般孕育處理的方法是將孕育劑均勻地加在出鐵槽的鐵液流上，使其

隨鐵液沖入鐵液包內(nèi)。孕育劑的加入時(shí)間應(yīng)占出鐵時(shí)間的60%以上，并在出鐵接近三分之一

時(shí)加入，保證孕育劑與鐵液均勻混合。出鐵完畢后可適當(dāng)攪拌。這種孕育處理方法又稱爐前

孕育或一次孕育。孕育處理后的鐵液應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)澆完，以防孕育衰退。

為縮短從孕育到凝固的時(shí)間，防止孕育衰退，加強(qiáng)孕育效果，減少孕育劑用量，目前已

發(fā)展了許多瞬時(shí)孕育方法，如澆包漏斗隨流孕育、硅鐵棒孕育、喂絲孕育、型內(nèi)孕育等。

孕育劑的加入量應(yīng)嚴(yán)格控制。孕育劑的加入量與鐵液成分、鑄件壁厚、孕育劑種類和孕

育方式有關(guān)。一般爐前孕育的加入量為鐵液重量的0.2%?0.5%,瞬時(shí)孕育為0.08%~0.2%。

4）爐前控制在生產(chǎn)過程中，為及時(shí)檢查鐵液的化學(xué)成分，確定孕育劑的加入量并檢查

孕育效果，避免澆注后出現(xiàn)廢品，必須在爐前采取簡(jiǎn)單、迅速、較正確的檢查，并據(jù)此采取

相應(yīng)的措施。

爐前常用的檢查方法是三角試塊白口檢

測(cè)。三角試塊的形狀和尺寸見圖2-2?試塊一般

采用干型立澆。澆注后待其冷卻至暗紅色后放

入水中激冷，然后敲斷，觀察斷口處的顏色、

晶粒大小，并測(cè)量白口寬度。白口寬度與鑄鐵

牌號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2-2。圖2-2三角試塊的形狀及尺寸

表2-2孕育前后的試塊白口寬度（單位：mm）

牌號(hào)孕育前的白口寬度孕育后的白口寬度

HT35012?245?10

HT3008?184?8

HT2506?123?7

此外，爐前采用的檢查方法還有爐前快速化學(xué)分析法、直讀光譜分析法、熱分析法、爐

前快速金相法等。

2.球墨鑄鐵

（1）球墨鑄鐵的牌號(hào)及性能根據(jù)GB1348-1988《球墨鑄鐵件》的規(guī)定，球墨鑄鐵的牌

號(hào)及性能見表2-3。

表2-3球墨鑄鐵單鑄試塊的牌號(hào)及性能

抗拉強(qiáng)度屈服點(diǎn)伸長(zhǎng)率6供參考

牌號(hào)MPaMPa(%)布氏硬度

主要金相組織

最小值HBS

QT400-1840025018130?180鐵素體

QT400-1540025015130?180鐵素體

QT450-1045031010160?210鐵素體

QT500-75003207170?230鐵素體+珠光體

QT600-36003703190?270珠光體+鐵素體

QT700-27004202225?305珠光體

QT800-28004802245?335珠光體或回火組織

QT900-29006002280?360貝氏體或回火馬氏體

(2)化學(xué)成分的選擇及其影響球墨鑄鐵的化學(xué)成分對(duì)其組織、力學(xué)性能和鑄造性能等

有很大的影響，因此，必須合理地選擇。

1)碳和碳當(dāng)量碳對(duì)球墨鑄鐵性能的影響不僅與含量有關(guān)，還和碳當(dāng)量的高低有關(guān)。

碳能促進(jìn)石墨化，減少白口傾向。碳能促進(jìn)鎂的吸收，改善球化。由于石墨呈球狀，適

當(dāng)提高含碳量并不削弱力學(xué)性能。碳當(dāng)量高能改善流動(dòng)性，增加凝固時(shí)的體積膨脹，當(dāng)鑄型

剛度大時(shí)能促使鑄件減少縮松，剛度小時(shí)則增加縮松。但碳當(dāng)量過高時(shí)會(huì)引起石墨漂浮。因

此，碳當(dāng)量應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)，在不出現(xiàn)石墨飄浮的前提下，應(yīng)盡量提高碳當(dāng)量，一般

碳當(dāng)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇在共晶點(diǎn)附近(4.6%?4.7%),碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)盡量高一些，一般為

3.5%?3.9%。

2)硅硅明顯促進(jìn)石墨化，以孕育劑方式添加的硅作用更顯著。因此，球墨鑄鐵在選定

碳當(dāng)量后，原鐵液應(yīng)采用高碳低硅的原則，終硅量以孕育劑方式添加。增加含硅量可增加鐵

素體量，鐵素體球墨鑄鐵的終硅量比珠光體球墨鑄鐵高一些。但硅使常溫沖擊韌度降低，脆

性轉(zhuǎn)變溫度提高，因此，硅不宜過高，特別是在低溫下工作的零件，其含硅量應(yīng)低一些為好。

通常珠光體球墨鑄鐵的硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.7%?2.6%,鐵素體球墨鑄鐵的硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

2.5%?3.2%。

3)銃與灰鑄鐵不同的是，球墨鑄鐵中的含硫量很低，鎰已較少起中和硫的作用。在球

墨鑄鐵中，鎰主要起合金化作用，即穩(wěn)定及細(xì)化球光體，但錦易產(chǎn)生邊界偏析，使球墨鑄鐵

的塑性及韌性降低。因止匕即使是珠光體球墨鑄鐵，亦認(rèn)為鎰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以