1、合金材料与熔炼全册配套最合金材料与熔炼全册配套最 完整精品课件完整精品课件3 合金材料及熔炼 材料成型及控制工程专业选修课 3 引言 合金铸造合金、变形合金 木模造型浇注 开箱清理铸件 4 铸 造 合 金 铸造黑色合金或 铸造铁基合金 铸造有色合金或 铸造非铁合金 铸铁 铸钢 铸造铝合金 铸造铜合金 铸造镁合金 铸造钛合金 铸造锌合金 5 美国“现代铸造(Modern Casting)”杂志统计36个国 家和地区提供的铸件产量 数据是：全球2008年铸件 产量约为9338万吨，比 2007年(9492万吨)降低1.5%， 其中中国铸件占世界铸件 产量36%，比2007年增长 7.1%，巴西增长
2、4.0%，美 国负增长-8.6%；日本负增 长-18.1%。 2008年世界铸件产量： 序 号 国名 铸件总产量（万吨） 2007年2008年 1中国31273350 2美国11821080 3俄罗斯780- 4印度771680 5德国584580 6日本696570 7巴西323340 8意大利274260 9法国247240 10韩国202210 6 1489万t 4250万t 2012年全球铸件铸件产量：9000万吨。 Fig. Annual output of Chinas castings from 2001 to 2012 2001年以来我国铸件产量: 7 2010年中国铸件生产情
3、况 材质灰铁球铁可锻铸铁铸钢铸铜铸铝/镁合金其它合计 产量19009906053070380303960 比例%48251.513.41.759.60.75100 表 中国2010年各材质铸件产量（万吨） 行业行业汽车汽车 内燃内燃 机机 矿山矿山 机械机械 铸管及铸管及 管件管件 工程工程 机械机械 机床机床铁路铁路电力电力 船船 舶舶 纺机纺机其它其它合计合计 2010年96057049045039033020022055352603960 (2009年)73051035045038028018019045303853530 百分比24.214.412.411.49.88.35.15.51
4、.40.96.6100 表 中国2010年铸件应用领域（万吨） 8 北京一机床厂铸造公司生产的大型机床横梁 厚大断面球铁是重型及超重型数控机床 铸件的首选材料，也是球铁发展方向之一。 材质: QT600-3 重量：135t 长度：19.5 硬度：HB1945 9 离心铸造球铁管 DN26008150mm 重量:14.762t 壁厚:27.9mm QT400-18AL 风电球铁铸件 要求-20或-40的低温冲击韧性 20年安全运行，不维修 10 185MN上油缸横梁，材质GS20Mn5， 毛坯重量520t，浇注钢水量829.5t。这是 目前世界上一次组织精炼钢水最多、浇 注吨位最重的特大型铸钢件
5、。80t、50t、 30t电弧炉，150t、60t、40tLF精炼炉等 冶炼设备全部投入生产，于2008年5月22 日通过10炉6包联合浇注成功，改写了世 界铸造史。 185MN上油缸横梁(中信重机) 华铸CAE 工艺优化 浇注现场 清理后的铸件 11 合金材料及熔炼是材料成型及控制工程专业铸造方向的一 门专业选修课。 主要学习铸造合金原理，包括铸铁、铸钢及有色合金的化学 成分、组织与性能特点及其应用、各种合金的熔炼原理及工艺， 为后期的工艺课程和实践环节打下坚实的理论基础。 (1) 课程的性质 12 (2) 学习目的 了解常用铸造合金分类及用途； 掌握常用铸造合金的化学成分、结晶及组织形成、
6、性能特 点及其控制措施； 掌握常用铸造合金熔炼过程中的物理化学变化规律及提高 液态合金质量的途径及措施。 通过本课程的学习，具备初步的选用铸造合金、制定合金熔 炼、球化、孕育或变质处理工艺及合金的热处理工艺的能力； 具备分析生产中有关问题和提供解决方案的能力；同时了解国 内外有关铸造合金及熔炼的最新发展方向。 13 第1章 铸铁合金 (蔡启舟) (铸铁的凝固及组织形成与控制 、灰口铸铁、球墨铸铁、蠕 墨铸铁、特种铸铁) 第2章 铸钢 (蔡启舟) (铸造碳钢 、铸造低合金钢、铸造高合金钢) 第3章 铸造有色合金 (吴树森) (铸造铝合金 、镁合金、铜合金) 第4章 铸造合金的熔炼 (蔡启舟、吴树
7、森) (冲天炉熔炼、电弧炉熔炼、感应电炉熔炼及炉外精炼) (3) 主要内容 14 教 材： 蔡启舟 吴树森 编, 铸造合金原理及熔炼 化学工业出版社，2010 参考书： 陆文华 李隆盛 黄良余 主编, 铸造合金及其熔炼 机械工业出版社，1996 15 第一章 铸铁合金 16 1.1 概述 铸铁是碳含量大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、磷 等元素的铁碳合金，如：白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁、蠕 墨铸铁、可锻铸铁等。 铸铁性能品种多样化； 铸造性能及加工性能优良； 资源广泛； 制造成本低； 占铸件总产重量的75%； 占载货车车重的20%，轿车的1012%。 铸铁材料的重要性： 17 1.1
8、.1 铸铁的分类 灰口铸铁：碳全部或大部分以游离的片状石墨形态存在，断 口呈浅银灰色而得名。 (1) 常用铸铁 灰口铸铁的显微组织 F+G片F+P+G片P+G片 18 球墨铸铁：碳全部或大部分以游离的球状石墨形态存在。通 常铸造以前加少量球化剂（镁或稀土）而制得。 19 蠕墨铸铁：碳全部或大部分以游离的蠕虫状石墨形态存在。 通常铸造以前加蠕化剂（镁或稀土）随后凝固而制得的。 蠕虫状石墨 蠕墨铸铁基体组织 20 可锻铸铁：碳全部或大部分以游离的团絮状石墨形态存在。 与灰口铸铁相比，具有较好的韧性和塑性，因而得名，但实 际上并不可以锻造。 黑心可锻铸铁KTH 可锻铸铁石墨化退火工艺曲线可锻铸铁石墨
9、化退火工艺曲线 21 白心可锻铸铁(珠光体基体)KTZ 可锻铸铁管件 可锻铸铁石墨化退火工艺曲线可锻铸铁石墨化退火工艺曲线 22 (2) 特种铸铁 特殊性能铸铁(特种铸铁)一般指服役过程中除力学性能外, 能满足特殊使用性能的铸铁。 特种铸铁的分类： 减摩铸铁 抗磨铸铁 耐热铸铁 耐蚀铸铁 23 1.1.2 铸铁的相与组织 (1) 奥氏体（A或） 定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织） 晶格结构：fcc C的溶解度：2.11% (1148) 0.77% (727) 奥氏体的金相组织 24 定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体。 晶格结构：bcc C的最大溶解度：0.0218%（72
10、7），室温时仅0.008%。 铁素体的金相组织 (2)铁素体（ F或） 25 在铁碳合金中的游离态是石墨。石墨具 有简单六方晶格。同一晶面上碳原子以共 价键结合，间距0.142nm结合力较强，两 层晶面的间距为0.34nm，结合力弱。 生长方式：沿基面的择优生长，优先生 长方向为a轴方向。 (3) 石墨 26 定义：Fe 与 C 所形成的金属化合物 晶格结构：复杂正交 性能：HBS=800，0，0 硬而脆钢中强化相（耐磨性好） Fe3CFe + C（石墨） 弱的铁磁性(3.8%）铁水，由于壁薄，必 须加强孕育过程，因此促进了F型石墨 的生产。 F型石墨(星状) 98 99 基体组织 F+G片F
11、+P+G片P+G片 灰铸铁的基体组织 100 (2) 灰铸铁的性能特点 力学性能 灰铸铁的机械性能首先取决于石墨的形状、数量、尺寸与 分布，其次取决于基体组织。 灰铸铁的机械性能利用率仅有30（与钢比）。 性能指标 抗拉强度 b/ MPa 延伸率 / % 冲击韧性 k/ J 弹性模量 E/ MPa 铸造碳钢4006501025206020104 灰铸铁1004000.55.0(716)104 灰铸铁与铸造碳钢力学性能比较 101 铸造性能 由于灰铸铁的熔点低，成分接近于共晶点，灰铸铁件铸造成 形时，不仅其流动性好，而且还因为在凝固过程中析出比容较 大的石墨，减小凝固收缩，容易获得优良的铸件，表
12、现出良好 的铸造性能，可浇注复杂和薄壁铸件。 四缸柴油机缸体 (HT250最小壁厚3.5mm) 102 减振性 灰铸铁与钢、球墨铸铁减振性比较 石墨对铸铁件承受振动能起缓 冲作用，减弱晶粒间振动能的传 递，并将振动能转变为热能，所 以灰铸铁具有良好的减振性，石 墨片愈多愈粗，吸震性能愈好。 由于灰铸铁具有良好的减振性， 特别适合制造发动机的缸体、缸 盖、机器的机座、立柱、导轨和 车辆的制动器等零件。 103 石墨本身也是一种良好的润滑剂，脱落在摩擦面上的石墨可 起润滑作用，还由于石墨剥落后留下的孔隙具有 储存润滑剂的 作用。因而灰铸铁具有良好的耐磨性能，且石墨愈细愈均匀， 耐磨性愈好。 耐磨性
13、能 导热性能 由于石墨具有良好的导热性，而且灰铸铁共晶团内石墨是 相连的，所以灰铸铁的导热性好，用于缸体、缸套、排气管、 铁锅。 104 片状石墨相当于许多微小缺口，从而减小了铸件对缺口的敏 感性，无缺口试样和有缺口试样的疲劳强度之比-1/-1k = 1.051.26，而钢约为1.5。因此表面加工质量不高或组织缺陷对 铸铁疲劳强度的不利影响要比对钢的影响小得多。 切削加工性能 在进行切削加工时，石墨起着减摩、断屑的作用。由于石墨 脱落形成显微凹穴，起储油作用，可维持油膜的连续性，故灰 铸铁切削加工性能良好，刀具磨损小。 低的缺口敏感性 105 1.3.2 灰铸铁的生产 (1) 灰铸铁的国家标准
14、GB9439-2010T 单铸试棒的工艺 106 (2) 化学成分 C: 2.54.0%, Si: 1.03.0% Mn: 0.51.4% P: 0.12% S: 0.15% 107 1.3.3 提高灰铸铁力学性能的途径 (1) 合理选定化学成分 适当提高Si/C比 108 (2) 低合金化 合金元素最大用量使用1强度提高百分比激冷倾向 Ni3.0%10较弱或没有 Cu1.5%10较弱或没有 Mn与碳量有关10较弱 Cr0.5%20较强 Mo1.0040中等 V0.3545很强 常用合金元素对灰铸铁强度和激冷倾向的影响 109 1.3.4 灰铸铁的孕育 定义：孕育处理是在铁水中加入少量材料，促
15、使形成结晶核 心以改善金属组织和性能的方法 目的：促进石墨化，降低白口倾向； 降低断面敏感性； 控制石墨形态，消除过冷石墨； 适当增高共晶团数和促进细片状珠光体的形成； 改善铸铁的强度性能及其它性能(如致密性、 耐磨性及切削性能等)。 110 (1) 孕育剂与孕育方法 石墨化孕育剂：75SiFe Ba, RE, Sr, Zr + 75SiFe (具有促进石墨化和改善石墨形态的特性) 稳定化孕育剂：Cr-Si-Mn, Cr-Si-Mn-Zr Cr-Si-C (强化基体、提高强度和硬度) 复 合 孕 育剂：RE-Sb-Ca-Si, RE-Sb-Cr-Ca-Si (兼有上述两种孕育剂的特性) 孕育剂
16、 111 孕育方法 一次孕育 一次孕育最常用的方法：出铁槽或浇包加入。 112 一次孕育的优点：简单易行。 一次孕育的缺点：孕育剂用量大，易发生孕育衰退现象(孕育作 用随时间延长而消失)。 113 114 115 瞬时孕育(后孕育、晚期孕育) 随流孕育 把2040目粒状的孕育剂随铁水浇注流加入0.080.2%的孕育 剂，即可使铁水得到充分的孕育，这种方法的孕育剂用量很少， 对消除碳化物非常有效，并可大幅度增加共晶团或石墨球数。 116 保温浇注炉 的随流孕育 117 江铃铸造厂气冲 生产线浇注现场 118 孕育丝孕育 孕育丝： 粒度：40140号筛 板厚：0.20.4mm 直径：1.87.0m
17、m 加入量：0.020.03% 特点：无粉尘污染；可避免不熔质点带入铸型造成白点；便于 自动控制；但装置比较复杂。 119 特点：孕育效果好，适 用于大批量生产。 缺点: 不易检验。 孕育块可用铸造方法制造，也可将粉状孕育剂用硬脂酸粘结 成块，然后插入浇口杯或特设的反应室内，当铁水流过时孕育 块逐层熔化带入铸型产生孕育作用。 孕育块孕育 120 (2) 孕育理论 核心理论 氧化物：SiO2 碳化物：CaC2, SiC 硫化物：CeS, LaS, SrS 非核心理论 过饱和形核理论 3SiO2 + 4Al = 2Al2O3 = 3Si SiO2 + 2Ca = 2CaO + Si SiO2 +
18、2Ce = 2CeO + Si 直接石墨化及间接石墨化理论 121 1.3.4 灰铸铁的热处理 消除内应力退火(人工时效) 500550，保温2h/10mm，随炉缓冷至150-200出炉空冷。 消除白口组织的退火 850950，保温14h，随炉缓冷，使渗碳体分解，消除白口。 正火 850950，保温13h，出炉空冷，得到珠光体基体组织。 表面淬火 表面淬火使铸件表面获得回火马氏体的硬化层，从而提高灰 铸铁的表面强度、耐磨性和疲劳强度。 122 1.4 球墨铸铁 球墨铸铁的石墨呈球状，使其具有很高的强度，又有良好的 塑性和韧性。其综合机械性能接近于钢，因其铸造性能好，成 本低廉，生产方便，在工业
19、中得到了广泛的应用。 球状石墨的金相组织 球状石墨的立体形貌 123 1.4.1 球墨铸铁的组织及性能 球墨铸铁的国家标准 124 (1) 珠光体球墨铸铁 珠光体基体球墨铸铁是以珠光体基体为主，余量为铁素体的 球墨铸铁。 QT700-2, QT800-2 性能特点：强度和硬度较高，具有一定的韧性，与45#钢相比， 具有高的屈/强比、低的缺口敏感性、耐磨性。 125 珠光体基体球墨铸铁主要应用于承受重载荷及摩擦磨损零件。 典型零件： 曲轴曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、缸套、驱动桥壳、平衡轴支架、 差速器壳、轧辊 126 铁素体基体球墨铸铁是指基体以铁素体为主、余为珠光体的 球墨铸铁 QT350-22
20、，QT400-18，QT400-15，QT450-10 性能特点： 塑性、韧性高 强度较低 应 用：承受力较大、又承受震动和冲击的零件 典型零件：转向节、汽车底盘、后桥外壳、离心球铁管、阀体、 泵体 (2) 铁素体球墨铸铁 127 轿车转向节 性能要求: 延伸率高(10%)， 低温冲击韧性好。 本田 神龙 128 风电球铁QT400-18L，要求低温冲击韧性(-20或-40) 现在： 5258万kW 2015年：1亿kW 129 (3) 混合基体球墨铸铁 铁素体和珠光体混合基体的球墨铸铁，这种铸铁由于有较好 的强度和韧性的配合，多用于汽车、农业机械、冶金设备及柴 油机中一些部件，通过铸态控制或
21、热处理手段可调整和改善组 织中珠光体和铁素体的相对数量及形态与分布，从而可在一定 范围内改善和调整其强度和韧性的配合，以满足各类部件的要 求。 QT500-7, QT550-5, QT600-3 130 材质: QT600-3 重量：135t 长度：19.5 硬度：HB1945 北京第一机床厂铸造公司生产的 球铁机床铸件 131 1.4.2 球墨铸铁的生产 铁素体球铁 珠光体球铁 C 3.64.0% 3.43.8% Si 2.42.8% 2.22.6% Mn 0.30.4% 0.40.8% P 0.010.05 0.040.06% S 尽可能低(国外：S 0.02%) 球化元素稀土和镁使相图的
22、共晶点位置右移，共晶点的碳当 量CE为4.64.7%。 (1)化学成分的选定 132 (2) 球化处理 球化剂 与硫、氧亲和力大，生成稳定的反应生成物; 在铁水中的溶解度低,易上浮排除； 可用元素: Mg、Ce、La、Ca、Y 强 Li、Sr、Ba、Tu 中 Na、K、Zn、Cd、Sn、Al 弱 我国应用最广的球化剂成分： (4050)%Si，(3.09.0)%Mg，(0.358.0)%RE，(0.55.0)%Ca， (0.751.9)%A1， *(3.05.0)%Ba, 余Fe。 国外常用球化剂成分 Mg5%，RE2%，Si45%，余Fe 133 球化处理工艺 球化剂的加入量：1.12.0
23、镁的吸收率：4050% RE的吸收率：4050% i. 冲入法 处理现场 堤坝式凹坑式 处理时产生大量的镁光和烟雾 134 ii 盖包法 盖包法是利用加盖后包内铁液在一定气体压力和相对缺氧气 氛下进行球化处理的一种工艺方法。 处理现场 盖包处理包示意图 135 球化剂纯镁 步骤: 浇包内装入1/3的铁水，密封。 钟罩压入铁水内(镁块固定于钟罩) 停止沸腾后，浇包开封，补加12倍铁水。 镁的吸收率：5080% iii. 压力加镁 136 1967年，瑞士的George Fisher公司发明的 iv. 转动包法(GF包) 铁水S: 0.06， Mg的加入量: 0.140.20% 137 优点： 球
24、化剂吸收率高，80%以上； 所得球墨铸铁的性能比普通冲入法的高； 克服了球化衰退和孕育衰退的问题 v.型内球化 缺点： 检验困难 138 vi 喂丝球化 139 包芯线球化剂： (30-32%)Mg-Si-Fe、 (2.5-4.5%)RE(Ce/La)-(28-30%)Mg-Si-Fe (2.5-4.5%)RE(Y)-(28-30%)Mg-Si-Fe 包芯机 包芯线10mm16mm 140 喂线球化处理站 Smart control 中信重机的喂线球化站 三台同时处理，250t 铁水的S量 计算包芯线长度， 并自动送丝 141 可根据原铁水的S量调整球化剂的加入量； 球化元素吸收率高，可减少镁
25、光和烟气； 球化剂的加入量可自动控制； 可防止处理过程中铁水温度降低； 对大断面球铁，可减少铁水增Si，并可根据浇注温度确定处 理温度，避免降温过程中的球化衰退。 喂丝球化的特点 142 球铁的孕育处理 孕育处理的目的：消除结晶过冷倾向、促进石墨球化、减 小晶间偏析 143 孕育的重要性大于灰铁 大剂量孕育及多次孕育 瞬时孕育 球墨铸铁的孕育 144 (3) 铸态球铁的生产 铸态铁素体球铁的生产 铸态(as-cast) 热处理态(heat-treated) QT350-22、QT400-18、QT400-15、QT450-10 QT350-22L、QT400-18L(要求低温韧性，用于风电球铁
26、) 145 国内外已在铸态高韧性铁素体球墨铸铁的生产方面取得了 不少经验。主要有： 严格选择化学成分，如选高的碳当量，限制锰、磷及硫的 含量(Mn0.4%、P0.08%)，防止在炉料中带入铬、钨、钼、 铜、锡、锑等合金元素； 限制球化剂中稀土元素的含量及防止球化元素过高； 加强孕育处理，细化石墨球等，并强调采用瞬时孕育处理 增加石墨球数是极为有利的措施。 146 铸态珠光体球铁的生产 i. 传统方法工艺方法合金化 化学成分(C3.64.0, Si1.72.2, Mn0.30.5, P, S ) 球化处理 孕育处理（石墨化孕育剂） 合金化(Cu、Cr、Ni、Sn、Mo、V) 提前开箱 147 促
27、进和稳定珠光体，强化铁素体，随Cu量增加，强度和硬 度提高。但是，含Cu量在0.2%以下时，强度增加缓慢，珠光 体量不大于70%。铸态珠光体球铁中常加入0.40.6%Cu，可使 25mm试棒珠光体量达90%。 东风汽车公司铸造一厂采用加Cu工艺生产140曲轴已近30 年。 Cu合金化 148 Cu合金化（Cu1.13%）铸态珠光体球铁曲轴 细片状珠光体基体（少量牛眼状铁素体，硬度293-294HV）， M.A. Neri, C. Carreno. Effect of copper content on the microstructure and mechanical properties o
28、f a modified nodular iron. Materials Characterization 51 (2003) 219 224 149 锑是强烈促进珠光体的元素，为Sn的10倍，Cu的100倍， 0.015%Sb可使铸态球铁珠光体量由60%增至90%，但锑易于偏析， 并在晶界富集，加入过多使铸件变脆，球墨变异，所以工艺控 制较难。 Sb合金化 Sn强烈促进珠光体形成，0.04%Sn铸态珠光体可达100%， 且可以细化石墨球。但Sn增加球铁的脆性。 Sn合金化 150 ii. 采用铸态球墨铸铁专用孕育剂 华中科技大学开发的铸态珠光体球铁专用孕育剂SPI孕育剂 151 1.4.3
29、球墨铸铁的热处理 (1) 铸铁热处理的特点 铸铁是Fe-C-Si三元合金，其共析转变有一较宽的温度范围； 铸铁组织的最大特点是有高碳相，它在热处理过程中虽无相 变，但却会参与整体组织的变化过程； 铸铁中的杂质含量较钢的高，在一次结晶后共晶团的晶内和 晶界处成分往往会有较大差异，通常晶内硅量偏高，而晶界 处则锰、磷、硫含量偏高，此外，由于凝固过程的差异，即 使同样在共晶团晶界处，也会产生一些成分的差异。使热处 理后的组织在微观上会产生一些差异。 152 获得塑性好的铁素体基体，改善切削性能和消除铸造应力。 (2) 退火 铸态组织中渗碳体3%, 磷共 晶1%，出现三元或复合磷共晶 时亦应进行高温石
30、墨化退火。常 采用两段退火，高温阶段消除渗 碳体、三元或复合磷共晶，低温 阶段由奥氏体转变为铁素体，最 终获得以铁素体为主要基体组织， 153 也可在高温保温后随炉缓冷完成第二阶段退火。其工艺示于 下图。 铸态组织渗碳体3%，无三元或复合磷共晶，铁素体85% (QT450-10)或90%(QT400-18) 或低于图纸规定值时可进行低 温石墨化退火，以使珠光体分解，改善韧性。 154 增加基体中珠光体的数量，细化基体组织，提高强度和耐磨性。 完全奥氏体化，采用高温正火； 不完全奥氏体化，采用低温正火。 注：正火后要进行去应力退火。（正火后有较大内应力） (3) 正火 155 (3) 调质(淬火
31、 + 高温回火) 。 基体：回火索氏体 获得较高的综合力学性能承受交变载荷工件 156 (4) 等温淬火 157 ADI的金相组织 (375等温淬火) ADI基体组织的显微特征 (各温度处理时间3h) 158 很高的强度，良好的塑性和 韧性。 这种工艺适合于综合力学性 能要求高且外形又较为复杂、 热处理易变形与开裂的零件， 如：齿轮、凸轮轴。 159 蠕墨铸铁的石墨具有 介于片状和球状之间的 中间形态，在光学显微 镜下为互不相连的短片， 与灰口铸铁的片状石墨 类似。所不同的是，其 石墨片的长厚比较小， 端部较钝。 (1) 蠕铁的组织 1.5 蠕墨铸铁 1.5.1 蠕墨铸铁的组织和性能 160
32、材质基体 抗拉强 度(MPa) 屈服强 度(MPa) 疲劳强 度(MPa) 弹性模 量(GPa) 硬度HB 导热系数 (W/m-K) 灰铁P230-300114-21095-110105-115175-23045-52 蠕铁 F290-380200-260155-185130-145130-19040-50 P400-520280-350190-225140-155215-25031-42 球铁 F400-600285-315185-210155-165140-20032-38 P600-700375-480245-290160-170240-30024-32 表 不同铸铁材质的性能 抗拉强度
33、、屈服强度、疲劳强度低于球铁，但显著高于灰铸铁； 导热系数高于球铁，接近灰铸铁； 铸造性能接近灰铸铁； 具有与灰铸铁类似的减震、降噪性能； 切削加工性能优于球铁。 (2) 蠕铁的性能 161 1.5.2 蠕墨铸铁的生产 (1) 蠕墨铸铁的化学成分 蠕墨铸铁的化学成分与球墨铸铁的成分要求基本相似，即高 碳、低磷、低硫，一定的硅、锰含量，其成分范围一般为： 3.53.9%C、2.22.8%Si、0.40.8%Mn、0.1%P、0.1%S(最 好为0.06%以下)，CE = 4.34.6%。 生产珠光体蠕铁在必要时可加入：0.0080.01%Sb、 0.030.05%B、0.400.60%Mo或 0
34、.150.30%Cr)等。 162 REMgCaAlSiFe 稀土类2534-69-4045余 稀土镁锌类1315345124044, Zn34余 稀土镁钛类134635124550, Ti35余 我国研制和应用的几种蠕化剂成分(%) (2) 蠕化剂及蠕化处理 163 蠕化处理的难点：RE、Mg量的范围窄 164 孕育处理亦是蠕墨铸铁生产中的一个必要环节，其作用至少 有以下三方面：消除结晶过冷倾向，减少自由渗碳体；提供足 够的石墨晶核，增加共晶团数，使石墨呈细小均匀分布，提高 力学性能；延缓蠕化衰退。 蠕墨铸铁的孕育和球墨铸铁类似，通常采用含Si75%的硅铁， 也有用含Ba硅铁及其它孕育剂的，
35、为防止孕育衰退，应尽量做 到迟后孕育，必要时亦可采用两次孕育的方法。孕育剂的加入 量通常可按铁液质量的0.40.6%计算，并应适当考虑壁厚条件， 薄壁件应适当加强孕育。 (3) 孕育处理 165 (4) 蠕墨铸铁生产的质量控制 1) 选择适当的原材料，控制较低及稳定的硫量，并使用低磷 原料。 2) 选择适当的碳硅含量，以保证所需的碳当量，并据基体组 织的要求控制珠光体形成元素的加入量。 3) 准确掌握处理铁液的质量及其含硫量，并根据处理工艺准 确确定蠕化剂的加入量保证蠕化元素在合适的含量范围内。 4) 采用合适的孕育处理方法，以保证孕育处理的效果。 5) 控制铁液的处理温度。 6) 使用高刚度
36、铸型及优质型芯。 7) 严格炉料管理。 合金材料及熔炼 材料成型及控制工程专业选修课 167 第一章 铸铁合金 1.6 特种铸铁 本节主要讨论特种铸铁的成分、组织、性能及应用之间的关系， 介绍几种工程上常用的特种铸铁。 特种铸铁一般指服役过程中除力学性能外,能满足特殊使用性 能的铸铁。主要包括：减摩铸铁、抗磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀 铸铁。 168 其特点是摩擦系数很小、加工性良好、在润滑条件下工作， 其特点是磨损量很小就工作失效，如机床导轨、汽缸套、活 塞环、轴承等。 考虑到综合性能(减震，散热，成本及加工性能等因素)， 一般采用灰铸铁。 定义 1.6.1 减摩铸铁 影响磨损性能的组织因素：石墨
37、和基体 169 减少石墨量和片墨长度(A型石墨，4-5级) 或 片状蠕虫状或球状（导热性降低） (1) 石墨对铸铁减摩性的影响 本身是固体润滑剂，吸附和保存润滑油，保持油膜的连续性。 有利作用： 不利影响： 石墨削弱基体强度 改进措施： 170 (2) 基体组织对铸铁减摩性的影响 基体应包括母相和硬质相 基体组织(%) 珠光体10090400 铁素体01060100 滑动磨损(g/cm3)2.2910-72.9910-72.0110-62.7310-5 相对磨损比1.01.38.8119.2 基体组织对铸铁磨损的影响 171 在磨损过程中，硬质相在基体中能起支撑和骨架作用，对 保持润滑剂、减少
38、磨损有利；硬质相若发生剥落，则作为磨 料参与磨损，反而起到有害作用。因此，在减摩铸铁中，要 求硬质相有较好的硬度并与基体结合牢靠，不易剥落。 铸铁基体中的硬质相的影响： 172 高磷铸铁 定义： 含P0.20.4%的普通灰口铸铁 磷在铸铁中的有利作用： 形成二元或三元磷共晶(-Fe + Fe3C + Fe3P)，并以断续网状分布， 显微硬度750800HV 提高耐磨性 改善流动性 (3) 典型减摩铸铁 173 174 P0.4%, 缩松倾向随P的增加增大。 P降低铸铁的导热性，且磷共晶与基体的热膨胀系数不同， 所以铸造应力也较大，铸件易于开裂。 铸件脆性增加，于强度也不利。 磷的不利影响 17
39、5 化学成分： (2.93.3)%C，(1.41.9)%Si，(0.50.9)%Mn， (0.40.6)%P，0.12%S 组 织：石墨为A型，大小46级，数量(610)%， 珠光体95% 磷共晶形态：网状或断续网状 显微硬度750 800HM，而普通灰铁显微硬度仅250500。 力学性能：HT250，170250HBS, 耐磨性比同牌号灰口铸铁高1倍左右。 汽车缸套用高磷铸铁 176 磷铜钛铸铁 定 义：是在P铸铁基础上发展起来的一种减墨铸铁。 化学成分： 在普通灰铸铁基础上增加了(0.40.6)%P， (0.61.0)%Cu，(0.090.15)%Ti。 组织特点: 加铜稳定和细化珠光体，
40、提高硬度和强度；加钛 形成TiC、TiN、TiO2等高熔点化合物。从而使网状磷 共晶显维硬度HV700800，有效提高耐磨性。 力学性能：相当于HT250牌号，耐磨性比普通灰口铸铁HT300高 2倍以上，也优于普通磷铸铁。 应 用：适用于制造精密机床导轨。 177 178 定 义 ：利用国内钒钛生铁资源生产减摩铸铁 化学成分：(3.33.7)%C，(1.42.0)%Si，(0.61.1)%Mn， (0.180.35)%V, (0.050.15)%Ti, 0.3%P， 组织特征: 钒：形成VC、V4C3、(FeV)3C等高硬度碳化物质点， 钛：形成TiC、TiN、TiO2硬质点，化合物的显微硬度
41、 达到9601340HV，在共晶团边界上 还分布着复合磷共晶体 Fe2P+(FeV)3C+-Fe，其显微硬度5021206HV。其耐磨性比普通 铸铁高2倍以上。 性 能: 力学性能优于普通高磷铸铁，韧性提高，磨损大幅 度减少。 钒钛铸铁 179 V、Ti铸铁的应用： 主要用于机床导轨， 在V、Ti铸铁的基础上，再加入Cu或 B，制成Cu-V-Ti和B-V-Ti铸铁，可用于生产汽车或拖拉机活 塞环、缸套等零件。 铸铁种类钒钛铸铁含磷铸铁普通灰铸铁HT250 磨损量(mg)0.3541.0051.940 硬度(HBS)197-207229-241207-229 不同铸铁磨损量大小比较 180 定
42、义：含B0.040.08%的减摩合金铸铁 B在奥氏体中的固溶度极低（0.018%）,加B后组织中出现高硬 度相Fe3(BC)，Fe23(BC)6，显微硬度l000HV，大大提高耐磨性。 如在加B后，另加入0.2%P或钒钛合金，则可形成硼化物 + Fe3P + -Fe或钒 钛碳化物共晶体，硬度可达9001300HV，这 种含硼复合碳化物在共晶团边界，呈断续网状分布，是理想的 抗磨相。 硼铸铁 181 182 1.6.2 抗磨铸铁 特 征 ： 在硬质磨料作用下，工件承受干态摩擦，并承受大负 载和冲击。 定 义 ：无润滑条件的干摩擦下工作的铸铁 183 按照零件的损坏形式可分为三种： 凿削磨损 磨料
43、硬，刺入耐磨件表面，如颚式破碎机颚板 在破碎矿石(或合金)时的磨损。 碾碎磨损 也称高应力(或碾磨)磨损，如球磨机工作时 磨球与衬板间的磨损。 刮伤性磨损 也称低应力磨损，磨料在流动中与耐磨件相撞， 例如泥浆泵泵体与叶轮的磨损。 实际磨损过程可能是上述几种磨损情况的综合 (1) 磨料磨损的分类 184 Ha / Hm1.31.7 高磨损区，这个区域提高铸件硬度最为有效 (2) 铸铁组织与抗磨性的关系 相对耐磨抗力 定 义 磨料硬度与工件硬度之比的函数。 () a m H f H Ha磨料硬度； Hm磨件硬度 185 发展分三个阶段 白口铁镍硬铸铁高Cr铸铁 良好的抗磨铸铁是高的硬度与韧性的结合
44、 高硬度及形态良好的碳化物 Fe3C (FeM)3C (FeM)7C3 高强度的基体 PSTBM 无石墨或球状石墨 细晶粒 抗磨铸铁对组织的要求 186 我国最早采用普通白口铸铁作为抗磨材料，早在春秋时代，就 已制成抗磨性能良好的白口铸铁犁铧。直到目前仍广泛地应用普 通白口铸铁作为一般的抗磨零件。 (3) 白口铸铁 分为普通白口铁和低合金白口铁 187 成分特点：较高的碳(2.53.8C%)、低硅(0.61.2Si%) 组织特点：珠光体 + 渗碳体(共晶型Fe3C) 莱氏体莱氏体 性能特点：硬度高(HRC4555)，脆性大(ak0.6) 加 工：除了磨削加工外，一般不经受其他机械加工而直接 使
45、用。 提高白口铸铁性能途径： 强化基体和碳化物 向普通白口铸铁中加入少量的Cr、Mo、Cu、V、B等，构成 低合金白口铸铁; 用RE变质处理,改善碳化物形态均可有限地改 善机械性能和耐磨性能。 188 例 用于球磨机碾磨水泥的低合金白口铸铁磨球 C2.63.2%, Si0.8%, Mn1.01.5%, Cr1.5%，冲天炉熔炼， RE变质处理，80mm磨球取样 189 (4) 镍硬白口铸铁（Ni-hard） 1928年美国国际镍公司研制成功镍硬白口铸铁（Ni-Hard） 特点：加入Ni, Cr等合金元素，大大强化碳化物和基 体，硬度和韧性大幅度提高。 白口铸铁存在问题 碳化物硬度不高（合金总用
46、量较少） 碳化物呈相互连接网状，冲击值低（46，k7J/mm2 镍硬铸铁的代用品中Mn球铁（马氏体） 198 中Mn球铁（马氏体） 199 其他几类中合金抗磨铸铁 马氏体中锰球墨铸铁等主要用于球磨机的磨球，耐磨性比锻 钢提高1.5倍左右。奥氏体中锰球墨铸铁可用作犁片、翻土板 等，耐磨性比65Mn钢提高23倍。 200 Cr量增加至1128形成复合碳化物 硬度大幅度上升，且连 续M3C 转变为孤立分布的M7C3； 基体合金化后成为高硬度马氏体 碳化物含量及Cr/C比 碳化物(%) = 12.33(%C) + 0.55(%Cr) 15.2 其中Cr增加碳化物的效果远比碳差，因此，工艺上常常采 用调
47、整C量来改变碳化物数量的目的。 Cr/C5, 碳化物为M7C3， Cr/C比增加，淬透性增加。 (5) 高铬铸铁 201 15-3 15-2-120-2-1 高碳 中碳低碳 C 3.203.602.803.202.402.802.803.502.602.90 Mn 0.701.000.600.900.500.800.600.900.600.90 Si 0.300.800.300.800.300.800.400.800.400.90 Cr 14.016.014.016.014.016.014.016.018.021.0 Mo 2.503.002.503.002.402.801.902.201.4
48、02.00 Cu 0.501.200.501.20 S 0.050.050.050.050.05 P 0.100.100.100.06200mm 硬度HRC 铸态 淬火 软化退火 5156 6267 4044 5054 6065 3742 4448 5363 3540 5055 6067 4044 5054 6067 3843 常用高铬-钼铸铁的成分（%） 202 组织 铸态组织：马氏体残余奥氏体碳化物； 热 处 理：9501060奥氏体化(过饱和，冷却时针状二次 M7C3从中析出) ， 油淬或空冷(大件)冷却； 回 火：200250/(48)h, 性 能：碳化物硬度HV12001600，铸件
49、整体硬度600HB, 冲击值7J/cm2,，性能优于镍硬铸铁。 203 广泛应用于冶金及矿山机械，可用作轧辊、锤头、泥浆泵、 磨球、衬板及大型离心泵体等 应用： 204 铸铁高温失效的主要原因： 氧化； 生长。 氧化：高温下，Fe(里层)FeO,(中层)Fe3O4,(最外层)Fe2O3 C 气体，铸铁发生脱碳 由于氧化铁膜不致密，故空气中的氧原子能穿过氧化膜而向 内部深处扩散，从而使铁由外向内逐步氧化。铸铁中的石墨在 长时间高温作用下被氧化而形成空洞，更加速了氧的传递过程。 1.6.3 耐热铸铁 (1) 铸铁的耐热性 205 1 Me MeO V V 金属氧化物体积 金属原子体积 MeO Me
50、 V V 致密氧化物的条件: 206 207 生长：铸铁经过长期高温工作或反复加热冷却造成永久性体积 增大引起零件变形的现象称为生长。 引起生长的原因： 珠光体内的共析渗碳体发生分解，即共析石墨化引起体积 增大，每1%化合碳变为石墨约使体积增大2.04%； 零件反复通过共析相变温度范围时，产生热应力和相变应 力，导致产生微裂纹； 氧化性气体浸入铸件表面，使石墨、Fe、Si等元素遭受氧 化引起体积增大； 在(350550)的CO气氛中，碳沉淀在片状石墨上也造成体 积增大。 208 防止铸铁氧化和生长有以下的途径： 在铸铁表面形成一层牢固的、致密而完整的氧化膜，使铸铁 的内部不再继续氧化； 提高铸
