第五章金屬材料鑄鐵及有色金屬

第二節(jié)鑄鐵鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及生產簡便、成本低廉等優(yōu)點，因而是應用最廣泛的材料之一。5.2鑄鐵例如，機床床身、內燃機的汽缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等都是由鑄鐵制造的。鑄鐵曲軸5.2鑄鐵一、鑄鐵的石墨化過程1、Fe-Fe3C和Fe-G（石墨）雙重相圖鑄鐵中的碳除少量固溶于基體中外，主要以化合態(tài)的滲碳體（Fe3C）和游離態(tài)的石墨（G）兩種形式存在。共晶白口鑄鐵F基體球墨鑄鐵5.2鑄鐵石墨是碳的單質之一，其強度、塑性、韌性幾乎為零。Fe3C是亞穩(wěn)相，在一定條件下將發(fā)生分解：Fe3C→3Fe+C（石墨）5.2鑄鐵存在兩個鐵碳相圖：

Fe-Fe3C和Fe-G雙重相圖L+GL+Fe3C5.2鑄鐵2、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5.2鑄鐵3、影響石墨化的因素⑴化學成分的影響

碳和硅是強烈促進石墨化的元素。碳、硅含量過低，易出現白口組織，力學性能和鑄造性能變差。碳、硅含量過高，會使石墨數量多且粗大，基體內鐵素體量增多，降低鑄件的性能。5.2鑄鐵⑵冷卻速度的影響鑄件冷卻緩慢，有利于碳原子的充分擴散，結晶將按Fe-G相圖進行，因而促進石墨化。而快冷時由于過冷度大，結晶將按Fe-Fe3C相圖進行，不利于石墨化。鑄件壁厚和碳硅含量對鑄鐵組織的影響

WC+Wsi(%)5.2鑄鐵二、鑄鐵的特點及分類工業(yè)上使用的鑄鐵主要是灰口鑄鐵。1、鑄鐵的組織特點鋼的基體+G（石墨）基體組織有三種，即鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體。5.2鑄鐵2、鑄鐵的性能特點⑴力學性能低。由于石墨相當于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基體的連續(xù)性。⑵耐磨性能好。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。由于鑄鐵碳含量高，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。5.2鑄鐵3、鑄鐵的分類與牌號表示方法

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+一組數字數字表示最低抗拉強度值，單位MPa?！癏T”表示灰鑄鐵代號。

HT100F+PHT150PHT200可鍛鑄鐵團絮狀FKTH+兩組數字KTB+兩組數字KTZ+兩組數字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；第一組數字表示最低抗拉強度值，MPa；第二組數字表示最低延伸率值，%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+兩組數字第一組數字表示最低抗拉強度值，MPa；第二組數字表示最低延伸率值，%。“QT”表示球墨鑄鐵代號QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨鑄鐵蠕蟲狀FRuT+一組數字數字表示最低抗拉強度值,MPa。“RuT”表示蠕墨鑄鐵代號

RuT260F+PRuT300PRuT420三、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。其產量約占鑄鐵總產量的80%以上。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。5.2鑄鐵灰鑄鐵的顯微組織

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5.2鑄鐵2、熱處理熱處理只改變基體組織，不改變石墨形態(tài)?；诣T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消除內應力退火(又稱人工時效)②消除白口組織退火③表面淬火立式加工中心5.2鑄鐵3、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5.2鑄鐵可鍛鑄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。5.2鑄鐵

可鍛鑄鐵的顯微組織

黑心可鍛鑄鐵

珠光體可鍛鑄鐵

5.2鑄鐵3、用途用于制造形狀復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、低壓閥門等可鍛鑄鐵管件5.2鑄鐵（三）球墨鑄鐵石墨呈球形的灰口鑄鐵。由液態(tài)鐵水經石墨化得到。1、組織：基體（F、F+P、P）+球狀G球狀石墨是液態(tài)鐵水經球化處理得到的。球化劑為鎂、稀土和稀土鎂。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。硅鐵硅鈣稀土鎂5.2鑄鐵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5.2鑄鐵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0.3~0.5。球墨鑄鐵可進行各種熱處理，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奧氏體中碳含量可控熱處理有退火、正火、淬火加回火、等溫淬火等。

5.2鑄鐵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（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)鐵水經蠕化處理和孕育處理得到的。常用蠕化劑有稀土硅鐵鎂合金、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

5.2鑄鐵蠕墨鑄鐵的顯微組織（鐵素體基體）

蠕墨鑄鐵中的石墨5.2鑄鐵蠕墨鑄鐵的強度、塑性和抗疲勞性能優(yōu)于灰鑄鐵，其力學性能介于灰鑄鐵與球墨鑄鐵之間。常用于制造承受熱循環(huán)載荷的零件和結構復雜、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。玻璃模具制動盤閥芯5.2鑄鐵第三節(jié)有色金屬及其合金

在工業(yè)生產中，通常把鐵及其合金稱為黑色金屬，把其他非鐵金屬及其合金稱為有色金屬。

5.3有色金屬及其合金

有色金屬的產量和用量不如黑色金屬多，但由于其具有許多優(yōu)良的特性，如特殊的電、磁、熱性能，耐蝕性能及高的比強度（強度與密度之比）等，已成為現代工業(yè)中不可缺少的金屬材料。5.3有色金屬及其合金一、鋁及鋁合金

（一）鋁及鋁合金的性能特點

純鋁具有銀白色金屬光澤，密度?。?.72），熔點低（660.4℃），導電、導熱性能優(yōu)良?？勾髿飧g性能好，易于加工成形。具有面心立方晶格，無同素異構轉變，無磁性。5.3有色金屬及其合金鋁合金既具有高強度又保持純鋁的優(yōu)良特性。鋁合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外還有Cr、Ni、Ti、Zr等輔加元素。

鋁合金型材鋁鑄件5.3有色金屬及其合金（二）鋁合金的分類根據鋁合金的成分和生產加工方法可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。鋁合金分類示意圖變形鋁合金又分為可熱處理強化和不可熱處理強化兩類。5.3有色金屬及其合金（三）變形鋁合金1.變形鋁合金牌號表示方法防銹鋁合金：LF+序號硬鋁合金：LY+序號

超硬鋁合金：LC+序號鍛鋁合金：LD+序號鋁合金波紋管鋁合金制品2.常用變形鋁合金①防銹鋁合金主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。Mn和Mg的主要作用是提高抗蝕能力和塑性，并起固溶強化作用。防銹鋁合金鍛造退火后組織為單相固溶體，抗蝕性、焊接性能好，易于變形加工，但切削性能差。不能進行熱處理強化，常利用加工硬化提高其強度。衛(wèi)星天線（LF2）5.3有色金屬及其合金汽化器（熱交換管為LF21）常用的Al-Mn系合金有LF21（3A21），其抗蝕性和強度高于純鋁，用于制造油罐、油箱、管道、鉚釘等需要彎曲、沖壓加工的零件。常用的Al-Mg系合金有LF5（5A05），其密度比純鋁小，強度比Al-Mn合金高，在航空工業(yè)中得到廣泛應用，如制造管道、容器、鉚釘及承受中等載荷的零件。5.3有色金屬及其合金②硬鋁合金主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn?？蛇M行時效強化，也可進行變形強化。強度、硬度高，加工性能好，耐蝕性低于防銹鋁。

常用硬鋁合金如LY11(2A11)、LY12(2A12)等，用于制造沖壓件、模鍛件和鉚接件，如螺旋槳、梁、鉚釘等。

飛機翼梁(腹板為硬鋁合金)5.3有色金屬及其合金③超硬鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量Cr和Mn。時效強化效果超過硬鋁合金。熱態(tài)塑性好，但耐蝕性差。飛機主起落架常用合金有LC4(7A04)、LC9(7A09)等，主要用于工作溫度較低、受力較大的結構件，如飛機的大梁、起落架等。5.3有色金屬及其合金④鍛造鋁合金

Al-Cu-Mg-Si系合金

可鍛性好，力學性能高；用于形狀復雜的鍛件和模鍛件，如噴氣發(fā)動機壓氣機葉輪、導風輪等。Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金常用牌號有LD7（2A70）、LD8（2A80）、LD9（2A90）等。用于制造150~225℃下工作的零件，如壓氣機葉片、超音速飛機蒙皮等。壓氣機葉片5.3有色金屬及其合金葉導輪美F-117隱身戰(zhàn)斗機

（所用材料大部分是鋁合金）5.3有色金屬及其合金（四）鑄造鋁合金包括：Al-Si系：代號為ZL1+兩位數字順序號Al-Cu系：代號為ZL2+兩位數字順序號Al-Mg系：代號為ZL3+兩位數字順序號Al-Zn系：代號為ZL4+兩位數字順序號1.Al-Si系鑄造鋁合金

又稱硅鋁明。其中ZL102（ZAlSi12）是含12%Si的鋁硅二元合金，稱為簡單硅鋁明。5.3有色金屬及其合金Al-Si系鑄造鋁合金的鑄造性能好，具有優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性和焊接性能。用于制造飛機、儀表、電動機殼體、汽缸體、風機葉片、發(fā)動機活塞等?；钊?裙部為鋁硅合金)5.3有色金屬及其合金2.Al-Cu系鑄造鋁合金這類合金的耐熱性好，強度較高；但密度大，鑄造性能、耐蝕性能差，強度低于Al-Si系合金。常用代號有ZL201(ZAlCu5Mn)、ZL203(ZAlCu4)等。主要用于制造在較高溫度下工作的高強零件，如內燃機汽缸頭、汽車活塞等。汽缸頭5.3有色金屬及其合金3.Al-Mg系鑄造鋁合金這類合金的耐蝕性好，強度高，密度?。坏T造性能差，耐熱性低。常用代號為ZL301(ZAlMg10)、ZL303(ZAlMg5Si1)等。主要用于制造外形簡單、承受沖擊載荷、在腐蝕性介質下工作的零件，如艦船配件、氨用泵體等。鼓風機用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301)5.3有色金屬及其合金4.Al-Zn系鑄造鋁合金這類合金的鑄造性能好，強度較高，可自然時效強化；但密度大，耐蝕性較差。大型空壓機活塞(ZL401)常用代號為ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等。主要用于制造形狀復雜受力較小的汽車、飛機、儀器零件。5.3有色金屬及其合金二、銅及銅合金

（一）銅及銅合金的性能特點純銅呈紫紅色，故又稱紫銅，具有面心立方晶格，無同素異構轉變，無磁性。純銅具有優(yōu)良的導電性和導熱性，在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性，塑性好。5.3有色金屬及其合金銅合金常加元素為Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr、Cr等，既提高了強度，又保持了純銅特性。銅合金分為黃銅、青銅、白銅三大類。銅管銅冷卻器5.3有色金屬及其合金（二）黃銅以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。黃銅按化學成分可分為普通黃銅和特殊黃銅。按工藝可分為加工黃銅和鑄造黃銅。法蘭閥閘閥5.3有色金屬及其合金普通黃銅的顯微組織

單相黃銅

兩相黃銅

5.3有色金屬及其合金1、普通黃銅

銅與鋅的二元合金稱為普通黃銅。加工普通黃銅的牌號為：H（黃）+表示銅平均百分含量的數字，如H68。單相黃銅塑性好。常用牌號有H80、H70、H68。適于制造冷變形零件，如彈殼、冷凝器管等。兩相黃銅熱塑性好，強度高。常用牌號有H59、H62。適于制造受力件，如墊圈、彈簧、導管、散熱器等。冷凝器管汽車機油泵襯套5.3有色金屬及其合金2、特殊黃銅在普通黃銅的基礎上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素形成特殊黃銅。加工特殊黃銅的牌號為：H（黃）+主加元素符號（Zn除外）+銅平均百分含量+主加元素平均百分含量，如HPb59-1。

特殊黃銅強度、耐蝕性比普通黃銅好，鑄造性能改善。黃銅制品5.3有色金屬及其合金常用牌號有HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe95-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齒輪、螺旋槳、軸承、襯套及閥體等。5.3有色金屬及其合金（三）青銅除黃銅和白銅外的其他銅合金統(tǒng)稱為青銅。加工青銅的牌號為：Q+主加元素符號及其平均百分含量+其他元素平均百分含量如QSn4-3（含4%Sn、3%Zn)。常用青銅有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅、硅青銅、鉛青銅等。

青銅制品5.3有色金屬及其合金1、錫青銅

是以錫為主加元素的銅合金，錫含量一般為3~14%。

錫青銅鑄造流動性差，鑄件密度低，易滲漏，但體積收縮率在有色金屬中最小。錫青銅具有良好的耐蝕性，在大氣、海水及無機鹽溶液中的耐蝕性比純銅和黃銅好，但在硫酸、鹽酸和氨水中的耐蝕性較差。5.3有色金屬及其合金常用牌號有QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。主要用于耐蝕承載件，如彈簧、軸承、齒輪軸、蝸輪、