材料成型基礎(chǔ)-金屬液態(tài)成型

第2章金屬液態(tài)成型我國有輝煌的傳統(tǒng)冶鑄歷史，在殷商時期就有燦爛的青銅器鑄造技術(shù)。熔模鑄造的發(fā)展史可以追溯到4000年前，埃及、中國和印度是最早起源的國家。曾侯乙尊盤

(戰(zhàn)國早期)鑄造

長的發(fā)展歷史

鑄造

可制造任意復(fù)雜程度和尺寸的產(chǎn)品

永樂大鐘銅鐘通高6.75米，最厚處185毫米，最薄處94毫米，重約46噸，鐘體內(nèi)外遍鑄經(jīng)文，共22.7萬字。2023/2/52023/2/5鑄造

適用于幾乎所有材料

將液態(tài)金屬澆注到鑄型型腔中，待其冷卻凝固后，獲得一定形狀的毛坯或零件的方法。用液態(tài)成型方法生產(chǎn)的金屬件稱為鑄件。鑄件主要用于機器零件的毛坯，精密鑄件可直接用作機器的零件。鑄造：概述1鑄造的定義鑄造的實質(zhì)是：液態(tài)金屬凝固成形

2鑄造的特點鑄造是制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬件的最靈活、最經(jīng)濟的成形方法。鑄造在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，是因為其具有如下優(yōu)點：1）可以鑄造出內(nèi)腔和外形很復(fù)雜的金屬件。2）適用性廣，可用于各種合金；生產(chǎn)的鑄件重量可由幾克到數(shù)百噸；壁厚由0.5mm到1m左右；輪廓尺寸從幾毫米到幾十米。3）使用的原材料來源廣泛，價格低廉，鑄件成本較低。缺點：力學(xué)性能較低；工序多，鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定；工人勞動強度大，勞動條件差。3鑄造技術(shù)的發(fā)展砂型鑄造適應(yīng)性強、生產(chǎn)準備簡單，是目前最主要的鑄造方法。特種鑄造熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造、消失模鑄造、陶瓷型鑄造等。我國的悠久鑄造歷史青銅器：三千多年前鑄鐵工具：二千五百年前泥型、金屬型、失蠟型——我國創(chuàng)造的三大鑄造技術(shù)我國鑄造技術(shù)的發(fā)展型砂鑄造方面：推廣應(yīng)用水玻璃砂、自硬砂、樹脂砂機器造型技術(shù)不斷發(fā)展，用濕型砂制造出高密度鑄型鑄造合金方面：發(fā)展了高強度、高韌性的球墨鑄鐵鑄造設(shè)備方面：建立了機械化、自動化砂型造型生產(chǎn)線一、金屬液態(tài)成型的工藝性能金屬液態(tài)成型的工藝性能在生產(chǎn)中稱為合金的鑄造性能或稱可鑄性，用來衡量合金在鑄造中獲得合格鑄件的難易程度。合金的鑄造性能以合金的流動性、收縮性、吸氣性和偏析等為綜合衡量指標，其中流動性和收縮性對鑄件的質(zhì)量影響較大。1合金的流動性充型——液態(tài)合金填充鑄型的過程。充型能力——液體金屬充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確、輪廓清晰的成形件的能力。合金流動性：液態(tài)金屬充滿鑄型的能力。流動性好的合金：容易充滿型腔，能獲得外形完整、輪廓清晰、尺寸精確、薄而復(fù)雜的鑄件；有利于合金凝固收縮時得到補縮；有利于氣體和非金屬夾雜物上浮和排除，使鑄件不易產(chǎn)生氣孔和夾雜；能避免鑄件產(chǎn)生冷隔和澆不足等缺陷。充型能力不足時，會產(chǎn)生澆不足、冷隔、夾渣、氣孔等缺陷。出氣口澆口杯合金流動性的測值方法2023/2/5

常用合金的流動性

（砂型，試樣截面8mm×8mm）

常用鑄造合金中，灰鑄鐵、硅黃銅的流動性最好，鑄鋼的流動性最差。

（1）影響流動性的因素合金流動性主要取決于合金化學(xué)成分所決定的結(jié)晶特點合金種類：鑄鐵和有色金屬的流動性比鑄鋼好。雜質(zhì)：鑄鐵中的硅和磷可提高鐵水的流動性，硫能使鐵水的流動性降低。

a）在恒溫下凝固b）在一定溫度范圍內(nèi)凝固PbSb20406080204060800流動性（cm）100200300溫度（℃）0澆注條件澆注溫度：澆注溫度越高，金屬液的粘度越低，保持液態(tài)的時間長，合金流動性越好。但過高，液態(tài)合金收縮越大、吸氣越多、氧化越嚴重，合金流動性反而降低。澆注速度：澆注速度越快，充型越快，流動性越好。充型力：液態(tài)金屬在流動方向上所受的壓力越大，充型能力越強，流動性越好。

鑄型條件和鑄件結(jié)構(gòu)鑄型的導(dǎo)熱能力：導(dǎo)熱性越好，熱量越容易散失，流動性越差。鑄型為砂型時，若水分過多、排氣不暢、透氣性不好，產(chǎn)生大量氣體，增加鑄型阻力，則使合金流動性變差。澆注系統(tǒng)：系統(tǒng)越復(fù)雜，直澆道越低，內(nèi)澆口截面越小、鑄型內(nèi)腔越粗糙，流動性越差。排氣能力：鑄型的透氣性越好，充型能力越強，流動性越好。鑄型溫度：鑄型溫度越高、液態(tài)金屬與鑄型的溫差越小，充型能力越高，流動性越好。鑄件厚度過小，厚薄變化大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有大水平面結(jié)構(gòu)時，充型能力較差。2合金的收縮性金屬或合金在鑄型中凝固時,可以分為液相區(qū)、固相區(qū)和液固兩相區(qū)三個區(qū)域。金屬或合金凝固分區(qū)示意圖△X鑄型固相區(qū)液固兩相區(qū)液相區(qū)（1）鑄件的凝固方式固液兩相區(qū)較窄時－呈現(xiàn)強烈的逐層凝固特點；固液兩相區(qū)較寬時－逐層凝固特征不明顯，呈現(xiàn)糊狀凝固特點。固液兩相區(qū)寬度將對凝固時液相補縮的影響固液兩相區(qū)寬度較窄固液兩相區(qū)寬度較寬Cu600Al548T(℃）C1C2工業(yè)純鋁鑄件斷面的凝固動態(tài)曲線a)砂型鑄造b)金屬型鑄造凝固方式一般由合金固液相線溫度間隔和凝固件斷面溫度梯度兩個因素決定。逐層凝固糊狀凝固（2）合金的收縮鑄件在冷卻過程中體積縮小的現(xiàn)象叫收縮。收縮可分成三個階段：液態(tài)收縮：從澆注溫度到凝固開始的溫度的時間間隔內(nèi)發(fā)生的體積收縮；凝固收縮：合金在凝固階段的體積收縮；固態(tài)收縮：固態(tài)合金因溫度降低發(fā)生的體積收縮。液態(tài)收縮、凝固收縮是引起縮孔、縮松的主要原因，而固態(tài)收縮是產(chǎn)生鑄造應(yīng)力、變形和裂紋的主要原因。合金的收縮量用體收縮率和線收縮率來表示，其定義為：V0，V1－合金在溫度為T0，T1時的體積；l0，l1－合金在溫度為T0，T1時的長度；av，al－合金在T0-T1溫度范圍的體膨脹系數(shù)和線膨脹系數(shù)。液態(tài)收縮和凝固收縮導(dǎo)致了體收縮，固態(tài)收縮是導(dǎo)致線收縮的直接原因。體收縮率線收縮率影響合金收縮的因素：化學(xué)成分不同的鑄造合金有不同的收縮率。在常用合金中，鑄鋼收縮率最大，灰口鑄鐵最小。硅元素促進收縮率減小，硫使收縮率增大。澆注條件澆注溫度高，合金過熱，液態(tài)收縮量增大。澆注速度慢或明冒口不斷補澆高溫合金液，使鑄件液態(tài)和凝固收縮得到補償。鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型條件鑄型材料對鑄件冷卻速度影響很大。合金在鑄型中不是自由收縮，而是受阻收縮。因此，鑄件的實際線收縮率比合金的自由收縮率小。2023/2/5

常用合金的收縮率合金的體收縮導(dǎo)致在部件最后凝固部位會出現(xiàn)孔洞－“縮孔”（shrinkagecavities）。體積大而集中的孔洞稱為縮孔；細小而分散的空洞稱為縮松（porosity）。縮孔的形成過程示意圖縮孔和縮松通常用畫“凝固等溫線”和畫“內(nèi)切圓”的方法來近似確定縮孔位置。熱流方向熱流方向x熱流方向熱流方向采用控制導(dǎo)熱方向和加冒口的方法控制縮孔位置保溫材料冒口對于簡單形狀的部件可通過經(jīng)驗較方便地確定縮孔位置并采用相應(yīng)的方法消除。而對于形狀復(fù)雜的部件則可通過計算機凝固模擬的方法確定部件任意剖面地等溫線并確定縮孔位置內(nèi)切圓法：鑄件壁交接處的內(nèi)切圓直徑大于鑄件壁厚，這些地方凝固較晚，縮孔可能在那里生成。縮松：縮松是鑄件以糊狀凝固方式凝固時，最后凝固的區(qū)域沒能得到液態(tài)合金的補充造成的分散、細小的顯微孔洞。根據(jù)分布形態(tài)，縮松分為宏觀縮松和微觀縮松兩類。宏觀縮松：指用肉眼或放大鏡可以看到的細小孔洞，通常出現(xiàn)在縮孔的下方微縮縮松：是指分布在枝晶間的微小孔洞，在顯微鏡下才能看到。保溫材料宏觀縮松保溫材料宏觀縮孔

縮孔、縮松的存在都會使鑄件受力的有效截面積減小，使鑄件強度降低。在生產(chǎn)中應(yīng)盡量防止或減少縮孔、縮松。

可以利用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施，并結(jié)合運用順序凝固或同時凝固的工藝原則來實現(xiàn)。冒口冷鐵順序凝固同時凝固冷鐵鑄造應(yīng)力鑄件冷卻時因各部分冷卻速度不同，造成在同一時刻各部分的收縮量不同，彼此相互制約的結(jié)果就產(chǎn)生了應(yīng)力。

鑄造應(yīng)力：鑄件在凝固后繼續(xù)冷卻至室溫產(chǎn)生固態(tài)收縮，當(dāng)收縮受到阻礙而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為鑄造應(yīng)力。

鑄造應(yīng)力如果是暫時的，當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)力的原因被消除以后，應(yīng)力就自行消失，這種應(yīng)力叫臨時應(yīng)力；如果原因消除后，應(yīng)力依然存在，這種就稱做殘余應(yīng)力（residualstress）。鑄造應(yīng)力是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋等缺陷的主要原因，鑄造應(yīng)力可分為機械應(yīng)力和熱應(yīng)力。按應(yīng)力形成原因分類：熱應(yīng)力–

鑄件在冷卻過程中，由于各部分冷卻速度不一致，造成收縮量不一致，彼此制約的結(jié)果，所形成的應(yīng)力；相變應(yīng)力–

鑄件冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變的時間不一致，體積和長度變化的時間也不一致，彼此制約，形成的應(yīng)力；機械應(yīng)力–

鑄件冷卻收縮過程中，線收縮受到機械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。機械應(yīng)力（收縮應(yīng)力）合金的線收縮受到鑄型、型芯、澆冒系統(tǒng)的機械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力。機械應(yīng)力是暫時應(yīng)力。上型下型熱應(yīng)力由于形狀復(fù)雜，厚薄不均，各部分的冷卻速度不同，以至在同一時刻，鑄件各部位收縮不一致而引起的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力?？蛐舞T件熱應(yīng)力形成過程第一階段（t0～t1）：在高于彈塑性轉(zhuǎn)變階段，兩桿均處于塑性狀態(tài)，瞬時的應(yīng)力均可通過塑性變形釋放；第二階段（t1～t2）：冷卻較快的桿II已進入彈性狀態(tài)，而粗桿I仍處于塑性狀態(tài)，所以桿II收縮大于桿I，細桿II受拉伸，粗桿I受壓縮，形成臨時內(nèi)應(yīng)力；第三階段（t2～t3）：粗桿I溫度較高，還會有較大的收縮，細桿II溫度較低，收縮較小，所以粗桿I的收縮會受到桿II的強烈阻礙，細桿II受壓縮，粗桿I受拉伸，直到室溫，形成殘余應(yīng)力。

當(dāng)應(yīng)力超過金屬的屈服點后，鑄件就會發(fā)生變形，以釋放應(yīng)力。+-防止變形的方法：1）使鑄件壁厚盡可能均勻；2）采用同時凝固的原則；3）采用反變形法。鑄件變形后，仍存在一定的殘余應(yīng)力，因此在切削加工前應(yīng)對某些重要的易變形鑄件進行去應(yīng)力退火或自然時效來消除內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過金屬的抗拉強度時，鑄件就會產(chǎn)生裂紋。按裂紋形成的溫度范圍，可分為冷裂和熱裂兩種類型。

熱裂：在凝固末期的高溫下形成，裂紋短、縫隙寬，通常沿晶界擴展，走向曲折而不規(guī)則，表面呈氧化色；（機械應(yīng)力）熱裂的防止：①應(yīng)盡量選擇凝固溫度范圍小，熱裂傾向小的合金。②應(yīng)提高鑄型和型芯的退讓性，以減小機械應(yīng)力。③對于鑄鋼件和鑄鐵件，必須嚴格控制硫的含量，防止熱脆性。冷裂：在低溫時形成，裂紋細小，穿過晶粒擴展，較平直，表面具有金屬光澤。（熱應(yīng)力）減少凝固成形時部件溫度分布的不均勻性、減少鑄型對凝固收縮時的阻力是減少應(yīng)力導(dǎo)致部件產(chǎn)生裂紋的有效方法。冷裂的防止：1）使鑄件壁厚盡可能均勻；2）采用同時凝固的原則；3）對于鑄鋼件和鑄鐵件，必須嚴格控制磷的含量，防止冷脆性。合金吸氣性合金吸氣性：合金在熔煉和澆注時吸收氣體的能力。合金所吸收的氣體如不能逸出而停留在合金液內(nèi)，則使鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷。根據(jù)氣體來源不同，氣孔可分為侵入氣孔、析出氣孔和反應(yīng)氣孔。（a）侵入氣孔由于砂型或砂芯受熱而產(chǎn)生的氣體侵入金屬液內(nèi)部而形成。防止侵入氣孔的主要途徑是盡量降低型（芯）砂的發(fā)氣量和增加砂型（芯）的排氣能力，并正確設(shè)計澆冒口系統(tǒng)。（b）析出氣孔合金在熔煉和澆注過程中因接觸氣體而使氫、氧、氮等氣體而溶解在其中，且其溶解度隨溫度的升高而增大。當(dāng)合金凝固時，氣體溶解度下降并析出。防止析出氣孔，必須嚴格控制爐料質(zhì)量，爐料不能含水、氧化物和油污等；熔煉時加覆蓋劑，盡量縮短熔煉時間；合理設(shè)計澆注系統(tǒng)等。（c）反應(yīng)氣孔合金液與型砂中的水分、冷鐵、芯撐之間或合金內(nèi)部某些元素、化合物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氣體。防止反應(yīng)氣孔的主要途徑是：控制型砂的水分；盡量降低合金液的含氣量；保證冷鐵、芯撐干燥，無銹、無油污等。合金偏析性偏析：鑄件中出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。偏析程度用偏析比來表示：微觀偏析可造成材料本身的組織和性能的變化以及耐腐蝕性降低，通常發(fā)生在樹枝晶或胞狀晶心部與晶間成分的差異。微觀偏析有兩種情況：晶內(nèi)偏析：枝晶和胞晶內(nèi)部由于生長時固液界面溶質(zhì)含量的不同導(dǎo)致從枝晶的枝干內(nèi)部向外側(cè)溶質(zhì)濃度逐漸增加（K0＜1合金）

枝晶內(nèi)部成分的不均勻?qū)е戮?nèi)偏析隨枝晶生長，溶質(zhì)濃度沿固相線變化，如果擴散不充分則在枝晶的截面上將產(chǎn)生溶質(zhì)的不均勻分布。措施：孕育處理或緩慢冷卻共同生長的枝晶間由于表面張力存在，晶界處易出現(xiàn)凹槽，溶質(zhì)含量很高，造成偏析晶界偏析：由于晶界總是處于最后凝固的區(qū)域，因此晶界處的溶質(zhì)往往高于晶內(nèi)（K0＜1金），從而產(chǎn)生晶界偏析。兩晶粒相對生長時將溶質(zhì)排到剩余液相中產(chǎn)生偏析宏觀偏析區(qū)域偏析通常指整個鑄錠或鑄件在大于晶粒尺度的大范圍內(nèi)產(chǎn)生的成分不均勻的現(xiàn)象

1、正常偏析：對于<1的合金，先凝固區(qū)域的溶質(zhì)含量低于后凝固區(qū)域，與正常溶質(zhì)再分配規(guī)律一致。fsC熱流方向x熱流方向凝固方向k0C0溶質(zhì)含量穩(wěn)定生長區(qū)最后過渡區(qū)初始過渡區(qū)C02、逆偏析：對于<1的合金，外層的一定范圍內(nèi)溶質(zhì)含量分布由外向內(nèi)逐漸降低，造成與正常偏析相反的溶質(zhì)分布。合金特點：

寬凝固范圍的合金；凝固收縮大的合金；凝固參數(shù)：

凝固速度慢、固液界面溫度梯度小、樹枝晶粗大的凝固組織。熱流方向x正常偏析熱流方向x逆偏析上述特點造成凝固收縮時擠壓心部高溶質(zhì)含量的液體通過枝晶間未凝固的液體通道向外側(cè)遷移，從而造成外側(cè)溶質(zhì)含量升高。措施：快速冷卻或同時凝固比重偏析：由于重力作用產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。合金特點：初析相的密度與液體相差較大的合金；凝固參數(shù)：

凝固速度慢、固液界面溫度梯度小。上述特點造成凝固時先析出的晶體與液體有較大的比重差別，重的晶體下沉，輕的晶體上浮，從而造成上下溶質(zhì)含量的差別。熱流方向x密度偏析措施：加快冷卻或充分攪拌二、常用鑄造合金1鑄鐵鑄鐵是含碳量大于2.11%（通常為2.5%-4.0%）的鐵碳合金。根據(jù)碳在鑄鐵中存在形式的不同，鑄鐵可分為：白口鑄鐵：碳全部以Fe3C的形式存在，斷口呈銀色。簡稱為白口鐵，完全按照Fe-Fe3C相圖進行結(jié)晶而得到的鑄鐵。其中碳全部以滲碳體(Fe3C)形式存在，斷口呈銀白色。由于存在有大量硬而脆的Fe3C，硬度高，脆性大，很難切削加工。很少用來直接制造機器，主要用于煉鋼原料或制造可鍛鑄鐵的毛坯。由于白口鑄鐵具有良好的耐磨性，所以有時也用來制造一些耐磨件，如軋輥、粉碎機錘頭、襯板、球磨機磨球和犁鏵等?；诣T鐵碳主要結(jié)晶成游離狀態(tài)的石墨。其中碳主要以片狀石墨形狀存在，斷口為暗灰色，常見的鑄鐵件多數(shù)是灰鑄鐵。4．蠕墨鑄鐵：其石墨呈蠕蟲狀。如圖d所示。abcd1．普通灰鑄鐵：簡稱灰鑄鐵，其石墨呈片狀。如圖a所示。2．可鍛鑄鐵：其石墨呈團絮狀。如圖b所示。3．球墨鑄鐵：其石墨呈球狀。如圖c所示。5孕育鑄鐵：其石墨呈細片狀。如圖e所示。（1）影響鑄鐵組織和性能的因素

（a）化學(xué)成分

碳是形成石墨的元素，也是促進石墨化的素。含碳愈高，析出的石墨愈多、石墨片愈粗大。硅是強烈促進石墨化的元素，隨著含硅量的增加，石墨顯著增多。所以：當(dāng)鑄鐵中碳、硅含量均高時，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金屬基體中鐵素體增多，珠光體減少。鑄鐵中的碳可以以化合態(tài)滲碳體和游離態(tài)石墨兩種形式存在。碳以石墨形式析出的現(xiàn)象稱為石墨化。1）碳和硅3）錳所以：硫含量限制在0.1-0.15%以下，高強度鑄鐵則應(yīng)更低。

使鑄鐵鑄造性能惡化（如降低流動性，增大收率）。錳是弱阻礙石墨化元素，具有穩(wěn)定珠光體，提高鑄鐵強度和硬度的作用。MnS一般控制在0.6~1.2%之間4）磷磷對鑄鐵的石墨化影響不顯著。含磷過高將增加鑄鐵的冷脆性。限制在0.5%以下，高強度鑄鐵則限制在0.2~0.3%以下。2）硫硫是強烈阻礙石墨化元素。硫量高易促使碳以Fe3C

白口組織；硫量高熱脆性；（b）冷卻速度在實際生產(chǎn)中，一般是根據(jù)鑄件的壁厚（主要部位的壁厚），選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分（主要指碳、硅），以獲得所需要的組織。由此可知：隨著壁厚的增加，石墨片的數(shù)量和尺寸都增大，鑄鐵強度、硬度反而下降。這一現(xiàn)象稱為壁厚（對力學(xué)性能的）敏感性。1）鑄型材料2）鑄件壁厚

鑄件壁愈厚，冷卻速度愈慢，則石墨化傾向愈大，愈易得到粗大的石墨片和鐵素體基體。工業(yè)鑄鐵的成分范圍與組織工業(yè)鑄鐵的成分范圍溫度快冷中速冷卻中速冷卻緩冷緩冷緩冷快冷白口鑄鐵珠光體灰鑄鐵鐵素體灰鑄鐵鐵素體球墨鑄鐵珠光體球墨鑄鐵珠光體可鍛鑄鐵鐵素體可鍛鑄鐵石墨化退火中速冷卻緩冷珠光體蠕墨鑄鐵鐵素體蠕墨鑄鐵Si/Mg/Ce鑄鐵壁厚（mm）102030405060704.05.06.07.0（wC+wSi）%白口鑄鐵麻口鑄鐵灰口鑄鐵白口鑄鐵：灰口鑄鐵：麻口鑄鐵：珠光體灰口鑄鐵珠光體+鐵素體灰口鑄鐵鐵素體灰口鑄鐵P+Fe3C+LeP+Fe3C+G+Le珠光體灰口鑄鐵：鐵素體灰口鑄鐵：珠光體+鐵素體灰口鑄鐵：P+G片P+F+G片F(xiàn)+G片鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號方法牌號實例

灰鑄鐵片狀FHT+一組數(shù)字數(shù)字表示最低抗拉強度值，單位MPa。“HT”表示灰鑄鐵代號。

HT100F+PHT150PHT200

可鍛鑄鐵團絮狀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；第一組數(shù)字表示最低抗拉強度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低伸長率值，%（2）鑄鐵的分類與牌號表示方法鑄鐵的分類與牌號表示方法（續(xù)）鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號方法牌號實例球墨鑄鐵球狀FQT+兩組數(shù)字第一組數(shù)字表示最低抗拉強度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低伸長率值，%?！癚T”表示球墨鑄鐵代號QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨鑄鐵蠕蟲狀FRuT+一組數(shù)字數(shù)字表示最低抗拉強度值,MPa。“RuT”表示蠕墨鑄鐵代號

RuT260F+PRuT300PRuT420（3）鑄鐵的性能工業(yè)上使用的鑄鐵主要是灰口鑄鐵。a、鑄鐵的組織特點鋼的基體+G（石墨）基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種。F+GF+P+GP+G⑵減摩性能好。由于石墨本身有潤滑作用。⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振動能量。⑷鑄造性能好。由于鑄鐵硅含量高,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。b、鑄鐵的性能特點⑴力學(xué)性能低。由于石墨強度、塑性、韌性幾乎為零，相當(dāng)于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基體的連續(xù)性，且易導(dǎo)致應(yīng)力集中。鑄鐵與鑄鋼的強度比較鑄鐵的分類a、Fe-Fe3C和Fe-G(石墨)雙重相圖在鐵碳合金中，碳可以以三種形式存在，鐵碳合金究竟按哪種相圖變化，決定于加熱、冷卻條件或獲得的平衡性質(zhì)（亞穩(wěn)平衡還是穩(wěn)定平衡）。Fe3C是亞穩(wěn)相，在一定條件下將發(fā)生分解：

Fe3C→3Fe+G（石墨）共晶白口鑄鐵F基體球墨鑄鐵（4）鑄鐵的石墨化存在兩個鐵碳相圖：Fe-Fe3C和Fe-G雙重相圖L+GL+Fe3CFe-G相圖b、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分解得到。臺車式石墨化退火爐石墨化分三個階段：在E’C’F’線及

以上發(fā)生的石墨化稱為第一階段石墨化，包括結(jié)晶時一次石墨、共晶石墨的析出和加熱時一次滲碳體、及共晶滲碳體的分解。在P’S’K’線和E’C’F’之間發(fā)生的石墨化稱為第二階段石墨化，包括冷卻時二次石墨的析出和加熱時二次滲碳體的分解。在P’S’K’線以下發(fā)生的石墨化稱為第三階段石墨化。包括冷卻時共析石墨的析出和加熱時共析滲碳體的分解。石墨化程度不同，所得到的鑄鐵類型和組織也不同。鑄鐵的石墨化程度與其組織之間的關(guān)系

（以共晶鑄鐵為例）

名稱石墨化程度顯微組織第一階段第二階段第三階段灰鑄鐵充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行充分進行部分進行不進行F＋GF＋P＋GP＋G麻鑄鐵部分進行部分進行不進行Le’+P+G

白口鑄鐵不進行不進行不進行Le’+P+Fe3C（5）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。灰鑄鐵中的碳、硅質(zhì)量分數(shù)一般控制在以下范圍：2.5%～4.0%C;1.0%～2.0%Si。1）組織灰鑄鐵的組織是由液態(tài)鐵水緩慢冷卻時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?；诣T鐵齒輪箱灰鑄鐵的化學(xué)成分一般為：2.6~3.6%C，1.2~3.0%Si，0.4~1.2Mn，S≤0.15%，P≤0.3%。a)鐵素體灰鑄鐵（F+G片）：這種鑄鐵抗拉強度和硬度低，易加工，鑄造性能好。常用來制造性能要求不高的鑄件和一些薄壁件。b)鐵素體-珠光體灰鑄鐵（F+P+G片）：此種鑄鐵強度亦較低，但可滿足一般機件要求，且其鑄造性能、切削加工性能和減振性較好，因此應(yīng)用較廣。c)珠光體灰鑄鐵（P+G片）：這種鑄鐵強度和硬度較高，主要用來制造較為重要的機件?；诣T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石墨片的三維形貌常對灰鑄鐵進行孕育處理，以細化片狀石墨。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05015050100100150150表面表面中心160140170180硬度HB孕育處理—熔煉出相當(dāng)于白口或麻口組織的低碳、低硅的高溫鐵水，向鐵水中沖入細顆粒的孕育劑，孕育劑在鐵水中形成大量彌散的石墨結(jié)晶核心，使石墨化作用驟然提高，從而得到在細晶粒珠光體上均勻的分布著細片狀石墨的組織。孕育鑄鐵：P細+G細片σb=250-400Mpa，HB=170-270，δ≈0冷卻速度對其組織和性能的影響很小。常用的孕育劑為含硅75%的硅鐵，加入量為鐵水重量的0.25-0.6%。2）熱處理熱處理只改變基體組織，不改變石墨形態(tài)。灰鑄鐵強度只有碳鋼的30~50%，熱處理強化效果不大?；诣T鐵常用的熱處理有：①消除內(nèi)應(yīng)力退火(又稱人工時效):

500~550℃，防止機加工、使用時變形或開裂?；诣T鐵件汽缸套活塞環(huán)850~950℃,表面、薄壁等白口處Fe3C→G,硬度↓,切削性↑②消除白口組織退火③表面淬火有些鑄件如機床導(dǎo)軌、缸體內(nèi)壁等，因需要提高硬度和耐磨性，可進行表面淬火處理，如高頻表面淬火，火焰表面淬火和激光加熱表面淬火等。淬火后表面硬度可達50HRC～55HRC。3）灰鑄鐵的性能2）良好的減振性3）良好的耐磨性4）低的缺口敏感性5）鑄造性能好6）切削性能好1）力學(xué)性能：σb=120-250Mpa，僅為鋼件的20-30%，

δ≈04）用途制造承受壓力和震動的零件,如機床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體。大型船用柴油機汽缸體(HT-300)重型機床床身(HT-250)變速箱體5）生產(chǎn)特點主要在沖天爐內(nèi)熔化，高質(zhì)量的可用電爐熔煉。鑄造性能優(yōu)良，工藝簡單，便于制造出薄而復(fù)雜的鑄件，多采用同時凝固原則，不需要加補縮冒口和冷鐵；只有高牌號鑄鐵采用定向凝固原則。主要用砂型鑄造，澆注溫度較低，對型砂的要求較低，中小件大多采用經(jīng)濟簡便的濕型鑄造。一般不需要進行熱處理，或僅需時效處理即可?？慑戣T鐵石墨化退火工藝曲線

(二)可鍛鑄鐵石墨呈團絮狀的灰口鑄鐵，是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的。1）組織：基體(F、P)＋團絮狀G鐵素體基體可鍛鑄鐵又稱黑

心可鍛鑄鐵。2）性能：強度為碳鋼的４0~７0%，接近于鑄鋼。名為可鍛，實不可鍛

可鍛鑄鐵的顯微組織黑心可鍛鑄鐵珠光體可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵的石墨化退火3）用途用于制造形狀復(fù)雜且承受振動載荷的薄壁小型件，如汽車、拖拉機的前后輪殼、管接頭、低壓閥門等?？慑戣T鐵管件(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.球墨鑄鐵的成分要求比較嚴格，一般范圍是：3.6%～3.9%C,2.2%～2.8%Si,0.6%～0.8%Mn,<0.07%S,<0.1%P。

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。硅鐵硅鈣稀土鎂為避免白口，并使石墨細小均勻，在球化處理同時還進行孕育處理。常用孕育劑為硅鐵和硅鈣合金。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2）性能與熱處理強度是碳鋼的70~90%。球墨鑄鐵的突出特點是屈強比(0.2/b)高,約為0.7~0.8,而鋼一般只有0.3~0.5。球墨鑄鐵可進行各種熱處理,如退火、正火、淬火加回火、等溫淬火等。

退火——塑韌性、切削性↑低溫退火，720~760℃，P→G+F高溫退火，900~950℃，P+Fe3C→G+F

正火——P↑，細化組織，強度、耐磨性↑低溫正火，840~860℃，→P+F+G，塑韌性較好。

高溫正火，880~920℃，→P+G+少量F，強度較高。

調(diào)質(zhì)——850~900℃油淬+高溫回火→回火S+G

等溫淬火——840~900℃+300℃等溫→下B+G調(diào)質(zhì)、等溫淬火后綜合力學(xué)性能好。制品(軋輥與輥環(huán))組織貝氏體基球墨鑄鐵球墨鑄鐵的熱處理特點是：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)用途承受震動、載荷大的零件，如曲軸、傳動齒輪等。核燃料貯存運輸容器(QT350-22)鑄鐵曲軸4）生產(chǎn)特點a）鐵液要有足夠高的含碳量，低的硫、磷含量，有時還要求低的含錳量。球化和孕育處理使鐵水溫度要降低50~100℃，為防止?jié)沧囟冗^低，出爐的鐵水溫度必須高達1400℃以上。b）球化處理和孕育處理是制造球墨鑄鐵的關(guān)鍵，必須嚴格控制。球化處理：以沖入法最為普遍，球化處理后的鐵液應(yīng)及時澆注，以防孕育和球化作用的衰退。c）鑄型工藝凝固特性：球墨鑄鐵含碳量較高，近共晶成分，凝固收縮率低，但縮孔、縮松傾向較大。球狀石墨析出時的膨脹力卻很大，若鑄型的剛度不夠，鑄件的外殼將向外脹大，造成鑄件內(nèi)部金屬液的不足，在鑄件最后凝固的部位產(chǎn)生縮孔和縮松。防止措施：①在熱節(jié)處設(shè)置冒口、冷鐵，對鑄件收縮進行補償；②增加鑄型剛度，防止鑄件外形擴大：如增加型砂緊實度、采用干砂型或水玻璃快干砂型，保證砂型有足夠的剛度，并使上下型牢固夾緊。(四)蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是20世紀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.蠕化劑為稀土硅鐵鎂合金、

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蠕墨鑄鐵中的石墨蠕墨鑄鐵的顯微組織蠕墨鑄鐵中的石墨珠光體基體鐵素體基體蠕墨鑄鐵的強度、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。灰鑄鐵灰鑄鐵蠕墨蠕墨球墨球墨灰鑄鐵蠕墨鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵常用于制造承受熱循環(huán)載荷的零件和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強度要求高的鑄件。如鋼錠模、玻璃模具、柴油機汽缸、汽缸蓋、排氣閥、液壓閥的閥體、耐壓泵的泵體等。玻璃模具制動鼓(五)特殊性能鑄鐵

在鑄鐵中加入某些合金元素，得到一些具有各種特殊性能的合金鑄鐵。

1)耐磨鑄鐵在磨粒磨損條件下工作的鑄鐵應(yīng)具有高而均勻的硬度。白口鑄鐵就屬這類耐磨鑄鐵。但白口鑄鐵脆性較大，不能承受沖擊載荷，因此在生產(chǎn)中常采用激冷的辦法來獲得激冷鑄鐵。即用金屬型鑄造鑄件的耐磨表面，其它部位采用砂型。同時調(diào)整鐵水的化學(xué)成分，利用高碳低硅，保證白口層的深度，而心部為灰口鑄鐵組織，有一定的強度。用激冷方法制造的耐磨鑄鐵，已廣泛應(yīng)用于軋輥和車輪等的鑄造生產(chǎn)。

為了進一步改善珠光體灰口鑄鐵的耐磨性，常將鑄鐵的磷的質(zhì)量分數(shù)提高到0.4%～0.6%(高磷鑄鐵），生成磷共晶（F+Fe3P,P+Fe3P或F+P+Fe3P），呈斷續(xù)網(wǎng)狀的形態(tài)分布在珠光體基體上，磷共晶硬度高，有利于耐磨。在此基礎(chǔ)上，還可加入Cr、Mo、W、Cu等合金元素，改善組織，提高基體強度和韌性，從而使鑄鐵的耐磨性能等得到更大的提高，如高鉻耐磨鑄鐵、奧－貝球墨鑄鐵等都是近十幾年來發(fā)展起來的新型合金鑄鐵。2)耐熱鑄鐵

在高溫下工作的鑄鐵，如爐底板、換熱器、坩堝、熱處理爐內(nèi)的運輸鏈條等，必須使用耐熱鑄鐵。加入Al、Si、Cr等元素，一方面在鑄件表面形成致密的氧化膜，阻礙繼續(xù)氧化；另一方面提高鑄鐵的臨界溫度，使基體變?yōu)閱蜗噼F素體，不發(fā)生石墨化過程，從而改善鑄鐵的耐熱性。球墨鑄鐵中，石墨為孤立分布，互不相連，不形成氣體滲入通道，故其耐熱性更好。

3)耐蝕鑄鐵

耐蝕鑄鐵主要用于化工部件，如閥門、管道、泵、容器等。普通鑄鐵的耐蝕性差，因為組織中的石墨和滲碳體促進鐵素體腐蝕。加入Si、Cr、Al、Mo、Cu、Ni等合金元素形成保護膜，或使基體電極電位升高，可以提高鑄鐵的耐蝕性能。常用耐蝕鑄鐵有高硅、高硅鉬、高鋁、高鉻等耐蝕鑄鐵。2鑄鋼鑄鋼主要用于制造形狀復(fù)雜或大型，需要一定強度、塑性和韌性的零部件，例如機車車輛、船舶、重型機械齒輪、軸、軋輥、機座、缸體、外殼、閥體等。外殼軋輥重型機械齒輪其產(chǎn)量占鑄件總量的15％，僅次于灰鐵應(yīng)用廣泛①機械性能高于各類鑄鐵，σ，HB，δ，αk②某些合金鑄鐵具有特殊的性能，如耐磨性，耐熱性等③焊接性好，便于采用鑄—焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)鑄造復(fù)雜、巨大件分類：鑄造碳鋼和合金鑄鋼其中鑄造碳鋼應(yīng)用較廣，占鑄鋼件總產(chǎn)量的80％以上。鑄造碳鋼含碳量小于或等于0.6%并含有少量其它元素的鐵碳二元合金。鑄造碳鋼的牌號用ZG后加兩組數(shù)字表示。

ZG×××—×××ZG：鑄造碳鋼前一數(shù)字：屈服強度后一數(shù)字：抗拉強度其中，中碳鑄鋼ZG230-450～ZG310-570具有良好的性能，應(yīng)用最多。鑄造合金鋼為改善性能在鑄造碳鋼中添加合金元素的鑄鋼為鑄造合金鋼。其牌號是在優(yōu)質(zhì)合金鋼牌號前加ZG兩字母表示鑄鋼。a）低合金鋼含合金元素總量小于或等于5％的鑄鋼。加入少量合金元素，如Mn，Si,Mo,V等，使鑄造碳鋼的強度、耐磨性和耐熱性明顯提高，因而減輕鑄件質(zhì)量，節(jié)約鋼材，提高鑄件的使用壽命。b）高合金鋼含合金元素總量大于10％的鑄造合金鋼。大量合金元素的加入使鋼的組織發(fā)生根本的變化，因而使其具有特殊性能。其中高錳鋼是一種耐磨鑄鋼，用于制造拖拉機和坦克的履帶板、挖掘機的抓斗齒等高沖擊、干摩擦下工作的零件。鑄造不銹鋼為耐蝕鋼，主要用于化工、石油、化纖、食品及醫(yī)藥設(shè)備中的閥、泵及容器等耐蝕零件。另有耐熱鋼。鑄鋼的工藝特點鑄造性能差：熔點高，鋼液易氧化；流動性差；收縮較大，體收縮和線收縮約為灰鑄鐵的3倍和2倍。鑄造工藝復(fù)雜：為保證鑄件質(zhì)量，避免出現(xiàn)縮孔、縮松、裂紋、氣孔和夾渣等缺陷，必須采取更為復(fù)雜的工藝措施：①型砂的強度、耐火度和透氣性要高。②使用補縮冒口和冷鐵實現(xiàn)順序凝固。③防止?jié)沧囟冗^高或過低。低碳鋼：流動性較差、薄壁小件或結(jié)構(gòu)復(fù)雜不容易澆滿的鑄件，應(yīng)取較高的澆注溫度；高碳鋼：流動性較好、大鑄件、厚壁鑄件及容易產(chǎn)生熱裂的鑄件，應(yīng)取較低的澆注溫度。一般為1500~1650℃。鑄鋼的熱處理1、目的：細化晶粒、消除魏氏組織、消除鑄造應(yīng)力、提高力學(xué)性能。2、工藝：退火和正火處理。鑄鋼正火后的力學(xué)性能較高，生產(chǎn)效率也較高，但殘留內(nèi)應(yīng)力較大?？刹捎谜鸺痈邷鼗鼗?。鑄鋼件不宜淬火，淬火時極易開裂。鑄鋼的熔煉冶煉設(shè)備：電弧爐、平爐和感應(yīng)電爐等；電弧爐用得最多；平爐僅用于重型鑄鋼件；感應(yīng)電爐主要用于合金鋼中、小型鑄件的生產(chǎn)。電弧爐煉鋼

利用電極與金屬爐料間電弧產(chǎn)生的熱量來熔煉金屬。

煉鋼金屬材料：廢鋼、生鐵和鐵合金等。其它：造渣材料、氧化劑、還原劑和增碳劑等。

感應(yīng)電爐煉鋼在精密鑄造和高合金鋼鑄造中應(yīng)用最普遍。利用感應(yīng)線圈中交流電的感應(yīng)作用，使坩堝內(nèi)的金屬爐料及鋼液產(chǎn)生感應(yīng)電流發(fā)出熱量使爐料熔化的。優(yōu)點：加熱速度較快，熱量散失少，熱效率較高，氧化熔煉損耗較小，吸收氣體較少；缺點：爐渣溫度較低，化學(xué)性質(zhì)不活潑，不能充分發(fā)揮爐渣在冶煉過程中的作用，基本上是爐料的重熔過程。感應(yīng)電爐爐體構(gòu)造圖類型：高頻感應(yīng)電爐中頻感應(yīng)電爐工頻感應(yīng)電爐

3非鐵合金鑄件的生產(chǎn)

（一）鑄造銅合金分類：紫銅（純銅）、黃銅和青銅。a紫銅：熔點為1083℃，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性及塑性良好；強度、硬度低且價格較貴，極少用它來制造機械零件，廣泛使用的是銅合金。b黃銅：銅和鋅的合金。

鑄造黃銅有相當(dāng)高的力學(xué)性能：σb=250~450MPa,δ=7%~30%，HBS=60~120，而價格卻較青銅低。c青銅除黃銅與白銅外的銅合金。1）錫青銅：銅和錫構(gòu)成的的合金。適于致密性要求不高的耐磨、耐蝕件。2）鋁青銅：有著優(yōu)良的力學(xué)性能和耐磨、耐蝕性，但鑄造性較差，故僅用于重要用途的耐磨、耐蝕件。（二）鑄造鋁合金鋁合金：密度低，熔點低，導(dǎo)電性和耐蝕性優(yōu)良，因此也用來制造鑄件。鑄造鋁合金：包括鋁硅、鋁銅、鋁鎂及鋁鋅合金。代號：ZL（鑄鋁）+序號（1××-硅系；2××-銅系；3××-鎂系；4××-鋅系）例，ZL109：表示鑄造鋁硅合金。常用鑄造鋁合金牌號、性能和應(yīng)用鋁鑄件代號性能應(yīng)用ZL109硅鋁明硅系鑄造性好、力學(xué)性能低бb=140MPa、δ=4%。形狀復(fù)雜的零件：儀表、氣缸體、水（油）泵殼體等。ZL201銅系具有較高的耐熱強度。內(nèi)燃機氣缸蓋、活塞等高溫（300℃以下）工作的構(gòu)件。ZL301鎂系具有較好的耐蝕性能、高強度，但鑄造性和耐熱性差。泵體、船艦配件等大氣或海水中工作的構(gòu)件。ZL401鋅系具有較高的強度、鑄造性好、價格便宜，但耐熱性差。汽車、飛機上形狀復(fù)雜的構(gòu)件。（三）銅、鋁合金鑄件的生產(chǎn)特點熔化特點：金屬爐料不與燃料直接接觸，可減少金屬的損耗、保持金屬液的純凈。銅、鋁合金多采用以焦炭為燃料或以電為能源的坩鍋爐來熔化。焦炭