1、第3章 铸造合金及熔炼 参考书目 铸造合金及其熔炼，机械工业出版社。 铸造工程基础，北京大学出版社。 现代铸铁学，冶金工业出版社。上图：渗碳体晶格结构右图：初生渗碳体板片状树枝晶讲课内容 简述铸铁、铸钢及非铁合金的化学成分、组织和性能，以及各种合金材料的熔炼方法的理论及生产工艺基础知识。 课程以传输原理、物理化学、工程材料学和材料成型原理与成形方法等课程为先修课。学习本课程要求学生 了解： 常用铸造合金牌号、成分和典型组织； 各种铸造合金成份、组织和性能之间的关系； 常用的铸造合金熔炼工艺；3.1 铸造合金的种类 铸造生产中很少采用纯金属，而是采用各种合金。其中有铸铁、铸钢、铸铜合金、铸铝合金
2、等，铸铁和铸钢是最重要的品种。 铸造有色合金通常市场上有配合好的合金供应，可直接购买熔化后浇铸。 铸铁是由铸造生铁（以片状石墨存在）为主材料加废钢、合金原素熔制而成。 铸钢依据熔练设备不同，可由炼钢生铁（C以Fe存在）或回用废钢单独或混合作主材料炼制。钢铁生产加工概略图铁-碳合金双重相图 铁-碳合金双重相图G-石墨；Fe3C -渗碳体两个共晶温度：虚线：1153oC实线：1147oC两个共析温度：虚线：736oC实线：727oC两条ES线铁碳合金双重相图中各组成相 纯铁碳二元系统相图的共晶点C4.26（或C4.30）是一个重要分界点，它决定了结晶时是先析出C相还是奥氏体相，当有其它合金元素加入
3、时，由于会出现相当于增加或减少了体系中的含C量的效果，就会使体系结晶时的状况发生变化，把体系中的实际C和合金元素的影响效能（折算为正负C）相叠加，即为碳当量-CE。 CE=（4.26+0.31 Si +0.27 P+0.4S+0.74Cu-0.312Cr- 0.027Mn） 合金元素增C效果的本质是，可以在晶体构造中占据本该由C元素占据的位置，因而起到了增加C同样的效果，结晶时，也促进C的析出。 合金元素减C效果的本质是，与C有较强的生成化合物的能力，相当于消耗了本该处于晶体构造中的C，因而起到了减少C同样的效果，结晶时，降低C的析出。 需要注意：合金元素对铁碳合金结晶的影响暨可看成是对合金液
4、中C量的增（减）带来的，也可看成是对相图共晶点含碳量的减（增）带来的，两者刚好相反。前一种表现在CE值与C4.26相比： CE4.26%时，过共晶成分 CE=4.26%时，共晶成分 CE4.26%时，亚共晶成分 后一种表现在共晶度Sc上：铸铁的实际含碳量与共晶点实际含碳量的比值。 ScC/C C=（4.260.31 Si 0.27 P0.4S0.74Cu0.312Cr0.027Mn） 此时实际体系的共晶点含C量=纯铁碳体系的C4.26与合金元素对共晶点的影响叠加后计算出来。Sc1、SC=1、Sc1分别表示过共晶、共晶、亚共晶成分。典型铁碳合金的平衡凝固 铸铁是指碳含量大于2.14%或者组织中具
5、有共晶组织的铁碳合金。 铸铁合金成分范围：C 2.4-4.0%, Si 0.6-3.0%, Mn 0.2-1.2%, P 0.04-1.2%, S 0.04-0.20%。过共晶白口铸铁含碳量4.3%-6.69%。 铸铁是近代工业生产中应用最为广泛的一种铸造金属材料。在一般机械制造、冶金矿山、石油化工、交通运输和国防工业中，铸铁件约占整个机器质量的45-90%。 铸铁种类很多。灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、抗磨铸铁、耐热铸铁和耐腐蚀铸铁等。 3.1.1 铸 铁铸铁分类及用途类别组织特征断口特征成分特征性能特征工程结构件用铸铁灰铸铁基体+片状石墨灰口仅含C,SiMn,P或少量合金元素150
6、-400MPa，基本无塑性球墨铸铁基体+球状石墨灰口（银白色断口）5元素或少量合金元素，Mg0.03%，RE 0.02%400-900MPa，2-20%蠕墨铸铁基体+蠕虫状石墨灰口（斑点状断口）同球墨铸铁，但Mg，RE可稍低介于球铁，灰铁之间可锻铸铁生坯：珠光体+莱氏体退火后：基体+团絮状石墨生坯：白口退火后：灰口低碳，低硅，铬0.06%300-700MPa，2-12%特殊用途铸铁抗磨铸铁基体+渗碳体白口5元素+低、中、高含量合金元素高抗磨性能，韧度较低耐热铸铁基体+片状或球状石墨灰口有Si，Al，Cr系高的耐热性及抗氧化性能，但强度较低，较脆耐腐蚀铸铁基体+片状或球状石墨灰口主要合金元素Si
7、，Ni含量高高的耐腐蚀性能 1）灰铸铁-石墨呈片状（75SiFe孕育） 根据化学成份、冷却速度、形核能力等条件不同，片状石墨可出现不同的分布及尺寸。一般形状分为6种，其形成条件参见教材P78。 灰铸铁抗拉强度可以因含碳量的变化在100-400MPa间，可满足一系列不同用途。 灰铸铁的的发展趋势是：选择性能良好的孕育剂，在高碳当量条件下得到性能优良的铸件。 2）球墨铸铁-石墨呈近似球状（稀土镁球化剂） 以球状石墨最理想，也可以有少量的非球状石墨，如团状、团絮状、蠕虫状等，与球化剂的质量和生铁中杂质的含量关系密切。球墨铸铁中石墨对基体的分割作用较灰铁大为削弱，所以强度大幅提高，几乎是从灰铁的最高值
8、到翻番（400-900）。 3）蠕墨铸铁-石墨形状介于片状和球状（少量球化剂） 从性能上看，具有灰铁和球铁的综合优点，抗拉强度、屈服强度、疲劳极限、冲击韧性优于灰铁，而热传导性、耐热疲劳性、切削加工性以及减振性又高于球铁。铸造性能接近灰铁，成本较低，成品率高。 4）可锻铸铁-石墨形状为团絮状（热处理） 可锻铸铁的生产有其特殊性，是将白口铸件毛坯，在密闭的中性炉内气氛条件下退火，使共晶渗碳体（Fe3C）在高温下分解为团絮状石墨，再通过不同的热处理工艺使基体组织成为铁素体或珠光体组织，得到黑心可锻铸铁。 或白口铸件在氧化性气氛下退火脱碳，得到表层为铁素体，心部为珠光体及退火团絮状石墨的白心可锻铸铁
9、。 两种称谓的可锻铸铁的性能特点是强度是球铁的中低水 平，但韧性相当接近。虽有被球铁取代的趋势，但因生产稳定性好，生产成本低，特别适合生产大批量复杂薄壁小件。 5）特殊性能铸铁 抗磨、耐热、耐蚀铸铁，基本上都是在上述四种铸铁基础上控制金相组织和加入Ni、Cr、Al、Si、Mo等合金元素获得特殊的性能。 6）铸铁的熔炼 冲天炉熔炼，感应电炉熔炼，冲天炉与感应电炉双联熔炼。冲天炉的基本结构冲天炉主要结构简图1-除尘器 2-烟囱 3-送风系统 4-前炉 5-出渣口 6-除铁口 7-支柱 8-炉底板 9-加料口1.颅底与炉基2.炉体与前炉3.烟囱与除尘装置4.送风系统5.热风装置6.风机3.1.2铸
10、钢 铸钢相对于铸铁而言，最明显的好处是韧性大大提高，具焊接性。铸钢的成本要远高于铸铁，因为熔炼、铸型成本高、铸件收得率和成品率低。铸钢件都是应用在较为重要的场合，其生产量显著少于铸铁件。 1）铸钢的种类 （1）铸造碳钢-应用最多的钢种 碳钢以C为主要强化原素，根据C含量不同分为： C0.25% 低碳钢 C0.25-0.6% 中碳钢 C0.6% 高碳钢 此外还含一定量的Si、Mn、P、S元素。 对于铸造碳钢中用得最多的结构钢，含碳量范围在0.12-0.60%间，属于亚共析钢，在此含C范围，随C量增高屈服强度和抗拉强度都稳定增高。 铸造碳钢的生产要点包括： 熔炼时的脱碳、脱硫脱磷脱氧，扒渣； 浇注
11、温度、凝固过程金属液的补缩、氮气孔防止； 凝固和冷却过程中热裂冷裂的预防； 铸件的热外理-正火、退火、正火+回火。 （2）铸造低合金钢 铸造碳钢有淬透性差、使用温度范围窄（-40-300）， 抗磨性及耐蚀性达不到某些场合的使用要求，如果在成分中添加5%以下的Mn、Cr、Mo、V、Nb、B等元素，即可使铸造碳钢的性能得到显著的改善，此类铸钢称作铸造低合金钢。用作要求更高的工程结构件。 （3）铸造高合金钢 通常合金元素加入总量超过10%时的铸钢称为铸造高合金钢。常见的品种有： a. 高锰钢：最大特点是高塑性、高韧性、高加工硬化能力，特别适合生产耐磨件，如矿产磨机的衬板，坦克履带等。 b.铸造不锈钢
12、 当钢中加入加入一定的Cr、或Cr+Ni、或Cr+Ni+Mo、或Cr+Ni+Mo+Ti、或在前述基础上加入Mn、Cu等可得到能不受气、液腐蚀的铸件。 不锈的含义是因为其中加入的元素Cr，当含量达到12%以上时，在钢的表面就能形成一层致密的FeO.Cr2O3尖晶石薄膜，此膜一方面对普通的酸碱有较高的化学稳定性，另一方面阻止氧进入内层，从而起到完美的保护作用。由于此膜可薄至1-10纳米，几呈透明状，所以肉眼所见宛如不锈。 铸造不锈钢生产技术要求高。 （4）铸造耐热钢 在中高温下能形成化学稳定性强、组织致密的氧化膜 ，在这个意义上仍然需要以Cr、Ni合金元素为基础，另外特殊用途时还需要金相组织的稳定
13、以保持足够的机械性能。如航空发动机中使用的铌-锡-铝合金。耐热钢最大的标志是，合金元素用量大，成本高。 2）铸钢的熔炼 主要采用感应炉和电狐炉炼钢。铸铁：用焦碳为燃料的冲天炉；铸钢：用电加热的电弧炉和感应炉；有色金属：多用反射炉或坩埚。电弧炉坩埚冲天炉铸造合金的熔炼设备思考题 为什么会有双重铁碳相图的存在？说明碳当量的含义，双重相图的存在对铸铁件生产有何实际意义？3.1.3 铸造非铁合金 居于精致美观、密度更小、节能减耗、物尽其用的目的，发展出的铸造非铁合金（或习惯上称有色合金）包括铝合金、铜合金、镁合金、锌合金、钛合金、锡基和铅基合金、镍基钴基高温合金、铌锡铝航空航天专用合金。其中用量最大的
14、是铝合金、铜合金、镁合金也有较好的应用前景。补充内容：黑色金属和有色金属 世界上有86种金属。通常人们把金属分成两大类，黑色金属和有色金属。 黑色金属只有三种：铁、锰与铬。而它们三个都不是黑色的！纯铁是银白色的；锰也是银白色的；铬是灰白色的。因为铁的表面常常生锈，盖着一层黑色的四氧化三铁与棕褐色的三氧化二铁的混合物，看去就是黑色的。因此称为“黑色金属”。常说的“黑色冶金工业”，主要是指钢铁工业。因为最常见的合金钢是锰钢与铬钢，这样，人们把锰与铬也算成是“黑色金属”了。 除了铁、锰、铬外，其它的金属都属有色金属。 在有色金属中，还有各种各样的分类方法。比如，按照比重来分，铝、镁、锂、钠、钾等的比
15、重小于5，叫做“轻金属”，而铜、锌、镍、汞、锡、铅等的比重大于5，叫做“重金属”。象金、银、铂、锇、铱等比较贵，叫做“贵金属”，镭、铀、钍、钋（音p)等具有放射性，叫做“放射性金属”，还有像铌、钽、锆、镥、金、镭、铪、 铀等 为“稀有金属”。 中国10种战略收储元素：镓Ga、锗Ge、铟In、锡Sn、锑Sb（音t）、钨W、钼Mo、钽Ta、锆Zr、稀土Re。 稀土元素是镧系元素系稀土类元素群的总称，包含钪Sc、钇Y（音y）及镧系中的镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu、钆Gd（音ga)、铽Tb(音te)、镝Dy(音di)、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb(音y）、镥Lu，共17个元
16、素。 我国稀土资源占世界稀土资源的80%，以氧化物(REO)计达3600万吨，远景储量约1亿吨。 “稀土”一词是十八世纪沿用下来的名称，因为当时用于提取这类元素的矿物比较稀少，而且获得的氧化物难以熔化，也难以溶于水，也很难分离，其外观酷似“土壤”， 而称之为稀土。稀土元素分为“轻稀土元素”和“重稀土元素”： “轻稀土元素”指原子序数较小的钪Sc、钇Y和镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu。（产于北方） “重稀土元素”原子序数比较大的钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu。 （产于南方） 稀土用于显示器发光材料、磁性材料、贮氢材料、激光材料，精密陶瓷、催
17、化剂等高技术领域，铸造上也必不可少。 黑色金属矿产包括：铁矿、锰矿、铬矿、钒矿、钛矿，我国钛钒储藏量居世界第一, 占全世界70左右. 中国钛矿分布于10多个省区。我国锰矿资源较大，目前已探明的锰矿区有213处，保有储量达5.6亿吨，占世界第二位。铁矿全国已探明的铁矿区有1834处。总保有储量矿石463亿吨， 居世界第5位。我国铬矿资源紧缺，探明储量1309.5万吨，保有储量1095.1万吨，铬铁矿有56处产地，主要是新疆萨尔托海、西藏罗布莎、内蒙古贺根山、甘肃大道尔吉等铬矿。但富矿少,远不能满足需要. 需大量从澳州、南非进口。 有色金属矿产包括：铜矿、铅矿、锌矿、铝土矿、镍矿、钨矿、镁矿、钴矿
18、、锡矿、铋矿、钼矿、汞矿和锑矿；其中： 我国钨矿、镁矿、锡矿、铋矿、 锑矿储量均居世界第一。中国是世界上锑矿资源最为丰富的国家，总保有储量锑278万吨，居世界第1位。中国的锡产量占了全世界的30%以上，广西是铟锡矿资源最丰富的地区之一，保有储 量居全国第一，南丹大厂矿区保有金属储量70余万吨，是广西最大的锡矿床。 镁,我国储量第一, 保有贮量30余亿吨。菱镁矿为提炼金属镁的主要原料, 世界菱镁矿储量的2/3集中在中国，产量的1/2由我国提供。 我国铜矿储量也较大, 目前已探明铜矿产地913处,累计探明铜储量7372.52万吨，居智利和美国之后列第三位。 铝土矿有310处产地，主产地在山西、河南
19、、贵州，贮量27亿吨，居世界第7位。 镍矿和钴矿贮量均较少，前者总贮量约700万吨，后者只约140万吨，约一半以上的需求要进口。 （补充内容完） 1）铸造铝合金 纯铝熔点低，660，密度大约为铁的1/3即2.7,纯铝最大的特点是塑性好，但强度和硬度较低，所以必须添加合金元素进行性能改造，根据添加主要合金元素的不同分四类铸造铝合金： (1)铝硅系合金 有良好铸造性能和耐磨性能，热胀系数小，在铸造铝合金中品种最多，用量最大的合金，含硅量在4%13%。有时添加0.2%0.6%镁的硅铝合金，广泛用于结构件，如壳体、缸体、箱体和框架等。有时添加适量的铜和镁，能提高合金的力学性能和耐热性。此类合金广泛用于
20、制造活塞等部件。 (2)铝铜合金 含铜4.5%5.3%合金强化效果最佳，适当加入锰和钛能 显著提高室温、高温强度和铸造性能。主要用于制作承受大的动、静载荷和形状不复杂的砂型铸件。 (3)铝镁合金 是密度最小（2.55）、强度最高（350Mpa)的铸造铝合金，含镁12%，强化效果最佳。合金在大气和海水中的抗腐蚀性能好，室温下有良好的综合力学性能和可切削性，可用于作雷达底座、飞机的发动机机匣、螺旋桨、起落架等零件，也可作装饰材料。 (4)铝锌系合金 价格最便宜的一种，为改善性能常加入硅、镁元素。在铸造条件下，该合金有淬火作用，即“自行淬火”。不经热处理就可使用，变质热处理后，铸件有较高的强度。经稳
21、定化处理后，尺寸稳定，常用于制作模型、型板及设备支架等。缺点是耐蚀性较差。 铸造铝合金具有与变形铝合金相同的合金体系，具有与变形铝合金相同的强化机理除应变强化外，他们主要的差别在于：铸造铝合金中合金化元素硅的最大含量超过多数变形铝合金中的硅含量。铸造铝合金除含有强化元素之外，还必须含有足够量的共晶型元素通常是硅，以使合金有相当的流动性，易与填充铸造时铸件的收缩缝。所以目前也可把铸造铝合金细分为以下6类： Al-Si合金 Al-Cu合金 Al-Mg合金 Al-Cu-Si合金 Al-Zn-Si-Mg合金 Al-Sn合金。 铸造铝合金的关键点有： 熔炼过程中的除气除渣，变质处理，铸件热处理等。 2）
22、铸造铜合金 （1）黄铜 以锌作主要添加元素的铜合金，具有美观的黄色，统称黄铜。铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。为了改善普通黄铜的性能，常添加其他元素，如铝、镍、锰、锡、硅、铅等。铝能提高黄铜的强度、硬度和耐蚀性，但使塑性降低，适合作海轮冷凝管及其他耐蚀零件。锡能提高黄铜的强度和对海水的耐腐性，故称海军黄铜，用作船舶热工设备和螺旋桨等。铅能改善黄铜的切削性能，这种易切削黄铜常用作钟表零件。黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等。 （2）青铜 原指铜锡合金，后除黄铜、白铜以外的铜合金均称青铜，并常在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名。锡青铜的铸造性能、减摩性能
23、好和机械性能好，适合於制造轴承、蜗轮、齿轮等。铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料。铝青铜强度高，耐磨性和耐蚀性好，用於铸造高载荷的齿轮、轴套、船用螺旋桨等。铍青铜和磷青铜的弹性极限高，导电性好，适於制造精密弹簧和电接触元件，铍青铜还用来制造煤矿、油库等使用的无火花工具。 （3）白铜 指以镍为主要添加元素的铜合金俗称白铜，又叫镍青铜。铜镍二元合金称普通白铜；加有锰、铁、锌、铝等元素的白铜合金称复杂白铜。工业用白铜分为结构白铜和电工白铜两大类。结构白铜的特点是机械性能和耐蚀性好，色 泽美观。这种白铜广泛用於制造精密机械、化工机械和船舶构件。电工白铜一般有良好的热电性能。锰铜、康铜、考铜是含
24、锰量不同的锰白铜，是制造精密电工仪器、变阻器、精密电阻、应变片、热电偶等用的材料。 铸造铜合金的关键点有： 熔炼（一次、二次熔炼）工艺、炉内气氛控制、保护覆盖、浇注工艺（快速熔炼，及时浇注）等。 4）铸造镁合金 镁合金是以金属镁为基体，通过添加一些其它的元素而形成的合金，镁合金中添加的合金元素主要有Al、Zn、 Mn、Si、Zr、Ca、Li以及部分稀土族元素等，根据镁合金的强化效果，其合金的元素可以分为三类： 同时提高强度和韧性的合金元素，按作用效果顺序为： 强度标准：Al、Mn、Ag、Ce（铈）、Ga（镓）、Ni、Cu、Th（钍） 韧性标准：Th、Ga、Zn、Ag、Ce、Ca、Al、Ni、C
25、u 强化能力较低，提高韧性的元素：Cd（镉），Ti和Li 强化效果较好，但使韧性降低的元素：Sn、Pb、Bi和Sb（锑）。 按照化学成份可把镁合金分为 ：Mg-Mn、Mg-Al、Mg-RE、Mg-Th、Mg-Li 和 Mg-Ag 等合金系列。 按合金中是否含Zr（锆），镁合金可划分为含Zr和不含Zr两大类： 最常见的含Zr镁合金系列为：Mg-Zn-Zr、Mg-RE-Zr、Mg-Th-Zr、Mg-Ag-Zr 系列。 不含Zr镁合金有：Mg-Zn、Mg-Mn和Mg-Al系列。 目前应用最多的是不含Zr压铸镁合金 （Mg-Al ）系列。含Zr和不含Zr镁合金中均既包含着变形镁合金，又包含着铸造镁合金
26、。Zr在镁合金中的主要作用就是细化镁合金晶粒，从而具有优良的室温性能和高温性能。 Zr不能用于所有的工业合金中，对于 Mg-Al 和 Mg-Mn 合金，由于冶炼时Zr与Al及Mn形成稳定的化合物，并沉入坩埚底部，无法起到细化晶粒的作用。 铸造镁合金是指适合采用铸造的方式进行制备和生产出铸件直接使用的镁合金。 变形镁合金是指可用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法加工的镁合金。变形镁合金和铸造镁合金在成分、组织和性能上存在着很大的差异。目前，铸造镁合金比变形镁合金的应用要广泛，但与铸造工艺相比，镁合金热变形后合金的组织得到细化，铸造缺陷消除，产品的综合机械性能大大提高，比铸造镁合金材料具有更高的
27、强度、更好的延展性及更多样化的力学性能。因此，变形镁合金具有更大的应用前景。 镁合金铸件生产关键点： 保护气体熔炼、精炼、热处理。 4）铸造锌合金 锌是一种具有金属光泽的银白色金属。其熔点为419.5，沸点为907。在未合金化时，它是一种较软的金属，其强度和硬度值要比锡和铅大，但比铝和铜要小。 锌合金按成分可分为四类: Zn一Al系、Zn一Cu系、Zn一Pb系、Zn一Pb一Al系。 Zn一Al系合金一般含有少量的Cu、Mg以提高强度和改善耐蚀性。 Zn一Cu合金一般还含有Ti，也称Zn一Cu一Ti系合金，该合金是抗蠕变合金，有时为进一步改善抗蠕变性能也加入少量Cr。 Zn一Pb系合金一般用做冲
28、制电池壳用，并可制成各种小五金及体育运动器材等。 Zn一Pb一Al系合金用于镀锌行业。 铸造锌合金的优缺点 ： 优点： 铸造锌合金，适用于压力铸造或重力铸造，压铸件表面光洁、尺寸精度高，表面美化处理容易，耐磨性好，宜用来浇注汽车、机电部门的各种仪表壳体类铸件或浇注各种起重设备、机床、水泵等的轴承，并且近些年来又发展了高铝的高强度高耐磨性的铸造锌合金。 缺点：铸造锌合金的缺点是密度大，高温强度，室温塑性均较低，耐蚀性差，在长期使用过程中，易发生老化现象，使铸件变脆，性能急剧下降。同时因热膨胀系数大，铸件易发生变形、膨胀，严重时可发生开裂。锌合金的这种现象通常认为主要是晶间腐蚀所引起的。锌合金的老化，大大阻碍了这类合金的广泛应用，因此提高锌合金的抗老化能力，防止和推迟锌合金的老化具有重要意义。 5）其它铸造非铁合金 （1）铸造轴承合金: 锡基或铅基合金，通称为巴氏合金。 （2）铸造钛合金： 中密度、高室温强度及热强度、高耐蚀性、高熔点。 （3）铸造高温合金： Cr、Ni、Mo、W、Co、Ta（钽）、Nb（铌）、V、Hf（铪）、Zr等添加元素。思考题 铸造铝合金有哪些品种？各品种的特性和用途是什么？
