金屬工藝學(xué)02篇02章

1金屬工藝學(xué)第二篇第二章常用合金鑄件生產(chǎn)

第一節(jié)

鑄鐵件生產(chǎn)鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金。碳在鐵碳合金中的存在形式有滲碳體和石墨，是重要的鑄造合金。實(shí)際生產(chǎn)中，由于鑄鐵材料具有優(yōu)良的鑄造性能，且資源豐富，冶煉方便，價(jià)格低廉，鑄鐵件占鑄造中相當(dāng)大的份額。Fe-C合金狀態(tài)圖中的鐵叫做生鐵（又叫白口鑄鐵），又硬又脆，不能直接使用，只能煉鋼或者作為可鍛鑄鐵的原材料。經(jīng)過石墨化的鐵叫鑄鐵，一般指灰口鑄鐵，根據(jù)石墨形式的不同，（灰口）鑄鐵可分為：1.灰鑄鐵：HT，片狀石墨，機(jī)↓，成本↓2.球墨鑄鐵：QT，球狀石墨，機(jī)↑，成本↑3.可鍛鑄鐵：KT，團(tuán)狀石墨，機(jī)↑，成本↑4.蠕墨鑄鐵：RuT,蠕蟲狀石墨，機(jī)↑，成本↑碳在鋼中存在的形式：化合態(tài)Fe3C固溶態(tài)游離態(tài)：石墨G石墨的晶體結(jié)構(gòu)

一、一、灰鑄鐵

——指具有片狀石墨的鑄鐵，是應(yīng)用最廣的鑄鐵,占80%以上。

1、灰鑄鐵的性能

顯微組織由金屬基體（鐵素體和珠光體）和片狀石墨組成，相當(dāng)于在純鐵或鋼的基體上嵌入了大量石墨片?；诣T鐵的顯微組織

一、灰鑄鐵

（1）機(jī)械性能：由于石墨的存在,減少承載面積，有應(yīng)力集中，抗拉強(qiáng)度和彈性模量低，塑性、韌性差，是脆性材料。鑄鐵組織=鋼的基體+石墨↓多為三種基體：F，F(xiàn)+P，P石墨的性能：

石墨：σb﹤20MPa，δ≈0，HB=3——機(jī)械性能極差∴可將石墨看成：空穴、裂紋、夾雜鑄鐵：σb≈120~250MPa，αk≈0∴鑄鐵好比充滿孔洞的鋼

1、灰鑄鐵的性能

一、灰鑄鐵

（2）工藝性能：不能鍛壓和沖壓；焊接性能差；鑄造性良好；切削加工性好。

（3）優(yōu)良的減震性：石墨對(duì)機(jī)械振動(dòng)起緩沖作用，阻止振動(dòng)能量的傳播。

（4）耐磨性好：石墨本身是一種良好的潤滑劑，而石墨剝落后又可使金屬基體形成儲(chǔ)存潤滑油的凹坑。

（5）缺口敏感性?。河捎谑菇饘倩w形成了大量缺口，因此，外來缺口對(duì)灰鑄鐵的疲勞強(qiáng)度影響甚微。石墨片越圓整、越細(xì)小、分布越均勻,則對(duì)基體割裂作用越小。

1、灰鑄鐵的性能

2、影響鑄鐵組織和性能的因素鑄鐵的組織和性能與石墨化程度緊密相關(guān)?！翳T鐵的基體通常有：鐵素體灰口鑄鐵、鐵素體—珠光體灰口鑄鐵、珠光體灰口鑄鐵?！翳T鐵的石墨化：碳以石墨的形式析出的過程。通常是石墨化過程充分與否，會(huì)得到不同基體的鑄鐵組織。石墨化程度越高，石墨數(shù)量越多，基體中珠光體含量下降，因此，石墨化程度決定了鑄鐵的組織?！鬋是形成石墨的元素，Si是促進(jìn)形成石墨的元素。通常C%、和Si%越高，越容易石墨化。石墨化過程分為三個(gè)階段第一階段石墨化鑄鐵液體結(jié)晶出一次石墨（過共晶鑄鐵）和在1154℃（E'C'F'線）通過共晶反應(yīng)形成共晶石墨。

LC'

→AE'+G(共晶）

第二階段石墨化在1154℃～738℃溫度范圍內(nèi)奧氏體沿E'S'線析出二次石墨。第三階段石墨化在738℃（P'S'K'線）通過共析反應(yīng)析出共析石墨。

AE'→FP'+G(共析）

合金元素——化學(xué)成分促進(jìn)石墨化的元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co等）阻礙石墨化的元素（Cr、W、Mo、V、Mn、S等）。

一般來說，碳化物形成元素阻礙石墨化，非碳化物形成元素促進(jìn)石墨化，其中以碳和硅最強(qiáng)烈。生產(chǎn)中，調(diào)整碳、硅含量，是控制鑄鐵組織和性能的基本措施。

實(shí)際生產(chǎn)中主要依靠調(diào)整Si元素含量。影響石墨化的主要因素（2）冷卻速度石墨化是靠原子擴(kuò)散進(jìn)行的，需要溫度和時(shí)間。減小冷卻速度→可以促進(jìn)石墨化，易得到粗大的石墨片和鐵素體基體-灰口鑄鐵；增大冷卻速度→則阻礙石墨化，此時(shí)只有部分碳以細(xì)石墨片析出，而另一部分碳則以滲碳體析出，得到白口鑄鐵，珠光體基體。相同化學(xué)成分的鑄鐵，若冷卻速度不同，其組織和性能也不同。冷卻速度主要取決于鑄型材料和壁厚。鑄件的壁厚↑，冷卻速度↓；鑄型材料：導(dǎo)熱能力↑，冷卻速度↑（金屬型大于砂型）影響石墨化的主要因素圖三角試件不同冷卻速度下的組織鑄型材料導(dǎo)熱能力影響冷卻速度；壁厚影響冷卻速度，壁越薄則冷卻速度↑，越不利于石墨化。鑄鐵組織示意圖

3.灰鐵的孕育處理普通灰鑄鐵石墨呈粗大的片狀，力學(xué)性能差。目的：提高力學(xué)性能，提高斷面均勻性。方法：向鐵水中加入孕育劑。

（含硅量為75%的硅鐵合金）作用：細(xì)化石墨，避免鑄件表層出現(xiàn)白口。◆灰鑄鐵的生產(chǎn)特點(diǎn)：灰鑄鐵通常是沖天爐內(nèi)熔煉，不需進(jìn)行爐前處理，直接澆注?；诣T鐵的澆注溫度較低（1200-1350℃），因而對(duì)型砂的要求比鑄鋼低，一般多采用濕型來鑄造。不需要熱處理。提高和改善灰口鑄鐵性能的途徑改善基體組織改變石墨形態(tài)、數(shù)量、大小和分布

粗大的片狀石墨是普通灰口鑄鐵力學(xué)性能差的原因之一，晶粒粗大說明結(jié)晶時(shí)間太長，同時(shí)形成的晶核太少。因此，可以通過工藝手段使石墨片變得細(xì)小、均勻。

（1）限制石墨晶核過早生成---盡量降低原鐵水含碳量，同時(shí)適當(dāng)降低硅含量；此時(shí)易生成滲碳體，得到珠光體基體。但易形成白口或麻口;（2）因此在澆注前的鐵水中加硅鐵或硅鈣合金，產(chǎn)生大量的人工晶核，促進(jìn)石墨形核和結(jié)晶。方法思路孕育劑是含Si量為75%的硅鐵，將熔煉出的鐵水在澆鑄前加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.7%的孕育劑，孕育劑在鐵水中形成大量彌散的石墨結(jié)晶核心，使石墨化作用顯著提高，從而得到在細(xì)珠光體上均勻分布著細(xì)片狀石墨的組織。◆選用碳、硅量低的鐵水：原鐵水含碳量越低，石墨越細(xì)小，鑄鐵的強(qiáng)度、硬度就越高?！艋铱阼T鐵的孕育處理是提高和改善灰口鑄鐵的性能的途徑行之有效的方法?；铱阼T鐵的孕育處理方法：

孕育鑄鐵石墨仍為片狀，塑形、韌性仍很低，本質(zhì)仍屬灰口鑄鐵。另外，含碳、硅量低，澆注溫度高，收縮大，有時(shí)要冒口補(bǔ)縮，鑄造性能比普通灰口鑄鐵差，工藝較復(fù)雜。4.灰鐵的分類及牌號(hào)

分類牌號(hào)基體組織機(jī)械性能

HT100F低普通灰鐵HT150√F+P中

HT200√P較高

HT250√P較高孕育鑄鐵HT300P高

HT350P高

鑄鐵的機(jī)械性能取決于：

1）基體的機(jī)械性能

2）石墨的數(shù)量、粗細(xì)、形狀及是否均勻分布HT+三位數(shù)字-最低抗拉強(qiáng)度二、可鍛鑄鐵KT

（瑪鐵、延性鑄鐵、展性鑄鐵，塑性較好，但仍不可鍛）可鍛鑄鐵是由白口鑄鐵通過石墨化退火處理得到的一種高強(qiáng)鑄鐵。碳原子聚集形成團(tuán)絮狀石墨。它有較高的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性，可以部分代替碳鋼。可鍛鑄鐵依靠石墨化退火獲得。

◆種類：按退火方法不同黑心可鍛鑄鐵(KTH，鐵素體基體)-最常用珠光體可鍛鑄鐵(KTZ)

白心可鍛鑄鐵(KTB，很少用)。◆牌號(hào)：KTH300-06，

用KTH表示，后面用數(shù)字分別表示其

最抵抗拉強(qiáng)度和伸長率。

◆性能特征：石墨呈團(tuán)絮狀，對(duì)基體的割裂作用大大減輕，應(yīng)力集中也明顯降低。強(qiáng)度高σb=300-400MPa，塑性(δ≤12%)和韌性(αk≤30J/cm2)好。不再是脆性材料，但仍不可鍛；石墨化退火周期長，40-70h；

鑄件小，壁薄，鑄件成本高。

硬度珠光體可鍛鑄鐵較低。

課本表2-4為黑心可鍛鑄鐵的牌號(hào)、性能及用途。

可鍛鑄鐵常用來制造形狀復(fù)雜、承受沖擊和振動(dòng)載荷的零件，如汽車拖拉機(jī)的后橋外殼、管接頭、低壓閥門等。這些零件用鑄鋼生產(chǎn)時(shí)，因鑄造性不好，工藝上困難較大；而用灰口鑄鐵時(shí)，又存在性能不能滿足要求的問題。與球墨鑄鐵相比，可鍛鑄鐵具有成本低、質(zhì)量穩(wěn)定、鐵水處理簡單、容易組織流水生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。尤其對(duì)于薄壁件，若采用球墨鑄鐵易生成白口，需要進(jìn)行高溫退火，采用可鍛鑄鐵更為適宜。

(2)可鍛鑄鐵的用途(3)可鍛鑄鐵的生產(chǎn)和熱處理（了解）第一步，低碳、低硅的鐵水，先鑄造純白口鑄鐵，不允許有石墨出現(xiàn)，否則在隨后的退火中，碳在已有的石墨上沉淀，得不到團(tuán)絮狀石墨第二步，進(jìn)行長時(shí)間的石墨化退火處理將白口鑄鐵加熱到900℃～960℃，長時(shí)間保溫，使共晶滲碳體分解為團(tuán)絮狀石墨，完成第一階段的石墨化過程。隨后以較快的速度（100℃/h）冷卻通過共析轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，得到珠光體基體的可鍛鑄鐵。若第一階段石墨化保溫后慢冷，使奧氏體中的碳充分析出，完成第二階段石墨化，并在冷至720℃～760℃后繼續(xù)保溫，使共析滲碳體充分分解，完成第三階段石墨化，在650℃～700℃出爐冷卻至室溫，可以得到鐵素體基體的可鍛鑄鐵。石墨化退火過程三、球墨鑄鐵QT

球墨鑄鐵的顯微組織是由球狀石墨和鋼的基體所組成。在鑄態(tài)下，金屬基體通常是鐵素體-珠光體的混合組織，鐵素體位于石墨球周圍呈現(xiàn)“牛眼狀”。通過熱處理還可以得到鐵素體基體、珠光體基體或下貝氏體基體的球鐵。目前，人們已經(jīng)通過各種工藝手段在鑄態(tài)下直接獲得鐵素體或珠光體基體，使球墨鑄鐵的生產(chǎn)周期縮短，成本降低。

a）F球鐵250xb)F+P球鐵250xc)P球鐵200xd)B下球鐵500x

圖

球墨鑄鐵的顯微組織

由于球狀石墨對(duì)基體的割裂作用小，從而使基體強(qiáng)度的利用率從灰鑄鐵的30%～50%提高到70%～90%，其力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過灰鑄鐵，抗拉強(qiáng)度可與鋼媲美，塑性、韌性明顯提高，尤其是屈強(qiáng)比（σ0.2/σb）高，更增加了使用的可靠性。

鑄造性能：良好

減震性、切削加工性能：良好

耐磨性好：優(yōu)于表面淬火鋼

鑄造工藝比鑄鋼簡便，比鑄鋼成本低。（1）性能特點(diǎn)

球墨鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能和用途見書中表2-5，其中“QT”表示“球鐵”二字的漢語拼音字頭，后面的兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和最小伸長率數(shù)值。（2）牌號(hào)

機(jī)械性能

牌號(hào)基體bMPa0.2MPa5%akkJ/m2HB應(yīng)用舉例QT400-17鐵素體40025017600≤179

汽車、拖拉機(jī)床底盤零件；16-64大氣壓閥門的閥體、閥蓋QT420-10鐵素體42027010300≤207QT500-5鐵素體+球光體5003505－147～241

機(jī)油泵齒輪QT600-2球光體6004202－2297～302

柴油機(jī)、汽油機(jī)曲軸；磨床、銑床、車床的主軸；空壓機(jī)、冷凍機(jī)缸體、缸套QT700-2球光體7004902－2297～302QT800-2球光體8005602－2417～321QT1200-1下貝氏體12008401300≥38HRC

汽車、拖拉機(jī)傳動(dòng)齒輪球墨鑄鐵的牌號(hào)和機(jī)械性能（3）生產(chǎn)過程及特點(diǎn)鐵水出爐→球化處理→孕育處理→澆注鑄件→

熱處理低S、P

稀土Mg合金硅鐵粉鋼的基體+G球進(jìn)一步↑（優(yōu)質(zhì)鐵水）→G球→細(xì)化G退火、正火、淬火等化學(xué)成分：高C（3.6～4.0%），低S、P溫度：鐵水出爐時(shí)溫度要高，1400℃以上鑄造工藝：流動(dòng)性差，提高澆注溫度；鑄型剛度要大（石墨球膨脹），

采用冒口補(bǔ)縮；擋渣措施等。（4）應(yīng)用

珠光體型球墨鑄鐵——柴油機(jī)的曲軸、連桿、齒輪；機(jī)床主軸、蝸輪、蝸桿；軋鋼機(jī)的軋輥；水壓機(jī)的工作缸、缸套、活塞等。

鐵素體型球墨鑄鐵——受壓閥門、機(jī)器底座、汽車后橋殼等。

蠕墨鑄鐵是一種新型高強(qiáng)鑄鐵材料。它的強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，并且有一定的韌性、較高的耐磨性；同時(shí)又有和灰口鑄鐵一樣的良好的鑄造性能和導(dǎo)熱性。蠕墨鑄鐵的石墨具有介于片狀和球狀之間的中間形態(tài)，在光學(xué)顯微鏡下為互不相連的短片，與灰口鑄鐵的片狀石墨類似。所不同的是，其石墨片的長厚比較小，端部較鈍。四、蠕墨鑄鐵四、蠕墨鑄鐵牌號(hào)：

“RuT+數(shù)字”，其后的數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。

例如：RuT420、RuT340、RuT260等2.性能：介于灰鐵與球鐵之間，鑄造工藝性能比球鐵好3.生產(chǎn)：灰口鐵水+蠕化劑+孕育劑——蠕墨鑄鐵4.應(yīng)用：重型機(jī)床，大型柴油機(jī)機(jī)體，缸蓋（厚度敏感性比灰鐵低）

鋼錠模、金屬型等（導(dǎo)熱性、耐熱疲勞性高于球鐵。）第二節(jié)

鑄鋼件生產(chǎn)

鑄鋼比鑄鐵強(qiáng)度高，韌性好，適于制造承受重載荷的重要零件，但鑄造性能差、生產(chǎn)成本高，其應(yīng)用不如鑄鐵廣泛。近年來，爐外精煉技術(shù)可提高鋼液的純凈度和鋼的強(qiáng)度，控制鑄鋼的結(jié)晶過程，改善鑄態(tài)組織。合金鑄鋼的應(yīng)用日益增多，形成鑄鐵和鑄鋼在應(yīng)用方面的互為補(bǔ)充。

鑄造鑄鋼中約占鑄鋼總產(chǎn)量的80％以上。鑄鋼牌號(hào)中“ZG”表示鑄鋼，后面兩組數(shù)字分別表示屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度值。表2-6為鑄鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途。其中，中碳鋼0.25%≤wc≤0.60%（ZG230～450至ZG310～570）應(yīng)用最多。1.鑄造碳鋼

根據(jù)化學(xué)成分，鑄鋼可分為鑄造碳鋼（鑄造非合金鋼）、鑄造合金鋼（鑄造低合金鋼、鑄造合金鋼）。一、鑄鋼的類別和性能

鑄造碳鋼：新牌號(hào)：ZG230-450

舊牌號(hào)：ZG25←含C量表示機(jī)械性能→

σ0.2σb平均含C=0.25%

<0.25%低碳鑄鋼

C=0.2～0.6%0.25～0.45%中碳鑄鋼

0.5～0.6%高碳鑄鋼鑄鋼的性能特點(diǎn)1）機(jī)械性能高于各類鑄鐵，特別是塑韌性，形狀復(fù)雜件；2）鑄鋼較球墨鑄鐵質(zhì)量容易控制，大斷面或薄壁鑄件；

3）可焊性好，易實(shí)現(xiàn)鑄-焊聯(lián)合工藝，生產(chǎn)巨型鑄件。

2.鑄造合金鋼

——為改善性能，在碳鋼中添加合金元素的鑄鋼。牌號(hào)：ZG40Cr、ZG45Mn、ZGMn13、ZG1Cr18Ni9

目前，我國的低合金鑄鋼主要有錳系（ZG40Mn,ZG30MnSi）和鉻系（ZG40Cr,ZG35CrMn）兩大系列。牌號(hào)中“ZG”

后面的數(shù)字表示平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)（平均wc＞1%時(shí)不標(biāo)出，平均wc＜0.1%時(shí)，第一位數(shù)字為“0”），后面依次為主加元素及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)主加元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.9%時(shí)不標(biāo)。用于制造高強(qiáng)度齒輪、軸、水壓機(jī)工作缸、水輪機(jī)轉(zhuǎn)子等重要零件。1）鑄造低合金鋼（合金總量小于5%）

高錳耐磨鋼是典型鑄造合金鋼。

高錳耐磨鋼是指在強(qiáng)烈沖擊力作用下發(fā)生硬化的鋼。

具有越撞越硬、不撞不硬的特點(diǎn)，用于制造坦克履帶、挖土機(jī)掘斗