機械工程材料：第九章 鑄鐵

第九章

鑄鐵

9.１概論

鑄鐵－碳含量＞2.11%的鐵碳合金，還含有Si、Mn等元素。一、復(fù)線鐵碳相圖(鐵碳雙重狀態(tài)圖)一、復(fù)線鐵碳相圖(鐵碳雙重狀態(tài)圖)二、鑄鐵的石墨化石墨化－－鑄鐵中碳原子以石墨的形式析出的過程。

石墨既可以直接從液體和奧氏體中析出：灰口鑄鐵；

也可以通過滲碳體分解獲得：可鍛鑄鐵；石墨化過程：三階段：第一階段石墨化，析出共晶石墨；第二階段石墨化，析出二次石墨；第一階段石墨化，析出共析石墨。三、影響石墨化的主要因素（－）加熱溫度及冷卻速度在高溫保溫時間越長、冷速越慢，越有利于形成石墨；

（二）合金元素：

促進石墨化元素：C、Si、Al、Cu、Ni、Co

阻礙石墨化元素：Cr、W、Mo、V、Mn、S

(白口化元素)四、鑄鐵的組織和分類

根據(jù)石墨的形態(tài)分類：灰口鑄鐵：片狀石墨

可鍛鑄鐵：團絮狀石墨球墨鑄鐵：球狀石墨蠕墨鑄鐵：蠕蟲狀石墨五、鑄鐵性能的特點與石墨的形態(tài)有關(guān)：片狀石墨嚴重割裂基體，石墨相當于裂紋、空洞，減小有效截面，應(yīng)力集中。鑄鐵的特殊性能：a.優(yōu)良的切削加工性脆性切屑

b.良好的鑄造性能石墨膨脹

c.耐磨性好石墨有好潤滑作用,并能存油

d.減振性能優(yōu)良石墨削減振動的傳遞

e.對缺口不敏感大量石墨的割裂作用

９.2灰口鑄鐵

價格便宜，應(yīng)用廣泛，占鑄鐵總量的80%；一、牌號

HT

200包括：鐵素體灰口鑄鐵珠光體灰口鑄鐵鐵素體＋珠光體灰口鑄鐵最低抗拉強度MN/m2灰鐵二、影響組織和性能的因素化學(xué)成分

主要是控制C、Si含量，還有Mn、P、S；

控制Ｃ為2.5~4.0%、Si為1.0~3.0%：碳過低，易出現(xiàn)白口，使機械性能、鑄造性能較低；碳過高，石墨過多且粗大，降低鑄件的性能和質(zhì)量；冷卻速度

見P182圖9-6

鑄件壁厚越薄，冷速越快，越易形成白口鐵；三、孕育處理即變質(zhì)處理

孕育鑄鐵－－孕育處理后的灰口鑄鐵。

孕育劑：硅類合金，含75%Si的硅類合金；

碳類，如：石墨粉、電極粒等；

孕育處理的目的:

a.形成非自發(fā)晶核，細化石墨，細化組織，提高強度；

b.避免鑄件邊緣及薄斷面出現(xiàn)白口組織，提高組織的均勻性。四、灰口鑄鐵的熱處理用途：消除應(yīng)力和改善切削加工性能。人工時效（去應(yīng)力退火）：

規(guī)范：壁厚≤20mm時，500～550℃，保溫2h，慢冷到150～200℃，出爐空冷；

高溫退火：消除白口，降低硬度;

規(guī)范：加熱到850~900℃，保溫2~5h，爐冷至250~400℃后出爐空冷;

硬度可下降HB20~40；表面淬火：如高頻表面淬火、火焰表面淬火

提高表面硬度和耐磨性，表面硬度可達HRC50~55。

９.３球墨鑄鐵高強度鑄鐵，綜合機械性能接近鋼且鑄造性好，成本低廉；一、成分和球化處理

3.6---3.9%C2.0---2.8%Si0.6---0.8%Mn

<0.07%S<0.1%P比灰鐵碳當量高，為過共晶，利于石墨化；球化處理——在鑄鐵中加入球化劑，使石墨球化的工藝；

球化劑：Mg0.04～0.08%(白口化元素)，稀土鎂球化劑，與孕育處理同時進行。二、牌號、組織和性能牌號：QT

600－2性能特點：抗拉強度高，屈強比高，疲勞強度較好；組織：基體(F、F+P、P、B下)＋球狀石墨；應(yīng)用：可用球鐵代替鋼制造某些重要零件，如曲軸、連桿、凸輪軸等。延伸率最低抗拉強度球墨鑄鐵三、球鐵的熱處理與鋼大致相同（一）退火目的：獲得鐵素體基體；消除應(yīng)力。高溫退火：存在自由滲碳體時進行，

規(guī)范：加熱到900～950℃，保溫2～5h，爐冷至600℃，出爐空冷。低溫退火：鑄態(tài)組織為鐵素體+珠光體+石墨時進行；

規(guī)范：720～760℃，保溫3～6h，爐冷至600℃后出爐空冷。（二）正火目的：獲得珠光體基體，細化晶粒，提高強度和耐磨性；高溫正火，完全奧氏體化正火：

規(guī)范：加熱到880-920℃，保溫3h，空冷；以提高P的含量；低溫正火，不完全奧氏體化正火：

規(guī)范：加熱到820-860℃，保溫，空冷；

以得到珠光體+少量鐵素體（三）調(diào)質(zhì)用途：用于要求綜合機械性能較高的球鐵中，如連桿,曲軸；只適合小尺寸鑄件；規(guī)范：淬火：850-900℃保溫1-4h，油淬；回火；550-600℃保溫4-6h，空冷；基體組織：回火索氏體；性能：強度高、塑性韌性比正火得到的Ｐ基體好。（四）等溫淬火規(guī)范：加熱到840～900℃，在300℃左右的等溫鹽浴中冷卻并保溫；基體組織：下貝氏體；性能：高的強度：1200---1450MN/m2

良好的塑性和韌性；用途：應(yīng)用于小件受力復(fù)雜的齒輪、凸輪等。

９.4蠕墨鑄鐵性能：新型高強鑄鐵，強度接近于球鐵，并有一定的韌性，較高的耐磨性，鑄造性和導(dǎo)熱性良好；石墨形態(tài)：蠕蟲狀；蠕化劑：鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金、稀土鎂鈣合金。

９.5可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵——是由白口鑄鐵通過退火處理得到的一種高強鑄鐵。

黑心可鍛鑄鐵：依靠石墨化退火來獲得；

白心可鍛鑄鐵：利用氧化脫碳退火來制取；很少用。一、可鍛鑄鐵的牌號和用途鐵素體可鍛鑄鐵：KT350-10珠光體可鍛鑄鐵：KTZ500-4用途：制造形狀復(fù)雜，承受沖擊和振動載荷的零件；如：汽車、拖拉機后橋外殼、管接頭、低壓閥門、連桿、曲軸；與球鐵比其特點：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。二、可鍛鑄鐵的生產(chǎn)和熱處理生產(chǎn):第一步,鑄造純白口鐵；

第二步,進行長時間石墨化退火；成分特點：碳應(yīng)低，為2.4～2.8%，以保證白口化；為了縮短退火周期，Mn不宜過高；嚴格限制阻礙滲碳體分解的元素，如Cr<0.08%。黑心可鍛鑄鐵的退火過程：第一階段石墨化：見圖第二階段石墨化：第三階段石墨化

９.6特殊性能鑄鐵一、耐磨鑄鐵冷硬鑄鐵：表面－白口鑄鐵心部－灰口鑄鐵應(yīng)用于軋輥、車輪二、耐熱鑄鐵三、耐蝕鑄鐵

第十章有色金屬及其合金10.1

鋁及鋁合金特性：

1>.比重小,比強度高

2>.有優(yōu)良的物理、化學(xué)性能

導(dǎo)電性好(導(dǎo)熱性好)3>.加工性好

塑性很好,可冷成形

切削性能好

鑄造性好（鑄造鋁合金）一、純鋁

１、高純鋁99.93～99.99%，牌號：L01、L02、L0３、L04

編號越大，純度越高；用途：科研、電容器２、工業(yè)高純鋁98.85～99.9%

牌號：L0、L00

用途：制作鋁箔、包鋁、冶煉鋁合金的原材料３、工業(yè)純鋁98.0～99.0%

牌號：L1、L2、L3、...L5

編號越大，純度越低；用途：電線、電纜、器皿、配制合金。二、鋁合金分類：變形鋁合金；相圖Ｄ點以左的合金不可熱處理強化的鋁合金：<F點可熱處理強化的鋁合金：F～Ｄ點

鑄造鋁合金：D點以右的合金,因為有共晶反應(yīng)，流動性好適于鑄造１、鋁合金的時效：時效（時效硬化）——在室溫下放置或低溫加熱時，強度會明顯升高的現(xiàn)象。

自然時效——室溫下進行的時效。

人工時效——加熱條件下進行的時效。時效的條件：能在高溫形成固溶體，并且其中溶質(zhì)的溶解度必須隨溫度的降低而顯著降低?；貧w——自然時效后的鋁合金，在230~250℃短時間加熱后，快速水冷至室溫時，可以重新變軟。如再在室溫下放置又能發(fā)生正常的自然時效。２、變形鋁合金

提高抗蝕性,固溶強化１）防銹鋁合金

成分：Mn提高抗蝕性能，固溶強化；

Mg固溶強化，降低比重。牌號：LF5、LF11、LF21鑄造退火后是單相固溶體,抗蝕性能高,塑性好；不能時效硬化,屬于不可熱處理強化的鋁合金；

可冷變形,利用加工硬化提高強度。２）硬鋁合金

Al-Cu-Mg形成強化相

及S；

LY1,LY11,LY12

可進行時效強化,可熱處理強化

亦可進行形變強化

硬鋁的不足之處:抗蝕性差(特別在海水中)

包鋁硬鋁(即硬鋁包一層高純度鋁)

固溶處理的加熱溫度范圍很窄３）超硬鋁合金合金系為Al-Mg-Zn-Cu；牌號：LC4,LC6；用途：飛機大梁,超落架

Zn,Cu,Mg與Al形成固溶體和多種復(fù)雜的第2相合金經(jīng)固溶處理和人工時效后，可獲得很高的強度和硬度，是強度最高的一類鋁合金

抗蝕性較差,高溫下軟化快４）鍛鋁合金合金系為Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe牌號：LD5,LD7,LD10

有良好的熱塑性,鑄造性和鍛造性

有較高的機械性能

主要用于承受重載荷的鍛件和模鍛件

.鑄造鋁合金

P196表１）Al-Si鑄造鋁合金(稱硅鋁明)ZL101,ZL104,...ZL110

鑄造后幾乎全部得到共晶體組織

具有優(yōu)良的鑄造性能,焊接性好

采用變質(zhì)處理提高強度和塑性2)Al-Cu鑄造鋁合金ZL201

強度較高,耐熱性好

但鑄造性能不好,有熱裂和疏松傾向

耐蝕性較差

3)Al-Mg鑄造鋁合金

ZL301、ZL302

強度高,比重小,有良好的耐蝕性

但鑄造性能不好,耐熱性低.

４）Al-Zn鑄造鋁合金

價格便宜,鑄造性能優(yōu)良

經(jīng)變質(zhì)處理和時效處理后強度較高

但抗蝕性差,熱裂傾向大

10.2

銅及銅合金

特性：

1>.優(yōu)異的物理、化學(xué)性能

2>.良好的加工性能

3>.某些特殊機械性能

4>.色澤美觀一、純銅(紫銅)用作電導(dǎo)體及配制合金牌號：一號銅

T199.95%Cu

二號銅T299.90%Cu

三號銅

T399.70%Cu

四號銅

T499.50%Cu二、銅合金１、黃銅特點：具有良好的變形加工性能；具有優(yōu)良的鑄造性能；耐蝕性較好；單相黃銅牌號：H80,H70,H68（80-平均含銅量）制作冷軋板材,冷拉線材,管材；雙相黃銅牌號：H62,H59

制作熱軋棒材,板材,也可鑄造；復(fù)雜黃銅的牌號:

H+主加元素符號+銅含量+主加元素含量；如:Hpb60-11%pb鉛黃銅（60-平均60%Cu）

加入Me以獲得更高的強度,抗蝕性,良好的鑄造性。

見P201表２、青銅原指銅錫合金但工業(yè)上習慣稱含Al、Si、Pb、Be、Mn等的銅基合金為青銅；

錫青銅壓力加工青銅

鋁青銅鑄造青銅

鈹青銅硅青銅牌號：Q+主加元素符號+主加元素含量+其它元素含量

QSn4-34-4%Sn3-3%Zn３、白銅鎳銅合金編號：B19（B-白銅19-鎳的平均含量）分類：鋅白銅、錳白銅、鐵白銅B+其它元素符號+鎳的平均含量+其它元素平均含量

如：BZn15-20（15%Ni、20%Zn）特點：Cu與Ni在固態(tài)下無限互溶,所以白銅為單相固溶體

具有較好的強度和優(yōu)良的塑性,能進行冷,熱變形

冷變形能提高強度和硬度

抗蝕性很好,電阻率較高

用于:制造船舶儀器零件,化工機械零件,醫(yī)療器械

10.3軸承合金軸承合金——是制造滑動軸承中的瓦及內(nèi)襯的材料。應(yīng)具有以下性能：

1.足夠的強度和硬度

2.足夠的塑性和韌性,高的疲勞強度

3.良好的磨合能力

4.高的耐磨性

5.良好的耐蝕性、導(dǎo)熱性、較小的膨脹系數(shù)軸承合金應(yīng)既軟又硬組織特點：在軟基體上分布硬質(zhì)點

在硬基體上分布軟質(zhì)點.分類

錫基（巴氏合金）

鉛基（巴氏合金）

鋁基

銅基編號：ZChSnSb11-6

Z－鑄造

Ch－軸承

Sn－基本元素

Sb11－11%Sb主加元素符號+含量

6－6%Cu(輔加元素含量)第十一章粉末冶金、非金屬材料及復(fù)合材料

11.1粉末合金定義——以金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末的混合物為原料,經(jīng)過成形和燒結(jié)所制成的

金屬材料稱為粉末冶金。生產(chǎn)過程：

制取粉末：如機械粉碎,球磨機中粉碎；

成型：模壓成型,壓實成具有一定形狀,尺寸,孔隙度,強度的坯料；

燒結(jié):

把坯件放在具有保護氣體(如氫氣)的爐中,加熱到一定的溫度(低于坯件主要組分的熔點)保溫,使粉末的顆粒之間發(fā)生粘結(jié),粉末顆粒的聚集體變?yōu)榫Я５木劢Y(jié)體。分類:機械零件材料

A.粉末冶金結(jié)構(gòu)材料

B.粉末冶金減摩材料

C.粉末冶金摩擦材料

D.粉末冶金多孔材料.工具材料磁性及電工材料耐熱材料原子能工程材料1>.機械零件材料A.粉末冶金結(jié)構(gòu)材料特性：摩擦系數(shù)大,耐磨性好分類；粉末冶金鐵基結(jié)構(gòu)材料

粉末冶金有色金屬結(jié)構(gòu)材料用粉末冶金方法生產(chǎn)機械零件的主要特點：優(yōu)點：成本低，因為直接燒制成尺寸精確的零件節(jié)省了切削加工費用。

缺點：塑性、韌性達不到鍛件的水平，且零件尺寸小,形狀簡單。牌號：FTG10-10

抗拉強度

含碳量

結(jié)構(gòu)材料

鐵基

粉末冶金B(yǎng).粉末冶金減摩材料分類：軸瓦材料

含油滑動軸承材料(有許多孔隙,浸入了潤滑油)，摩擦系數(shù)小,耐磨性好C.粉末冶金摩擦材料

用途：制作剎車片、離合器片等起制動作用或傳遞扭矩作用的零件分類：銅基、鐵基特性：摩擦系數(shù)大、耐磨性好D.粉末冶金多孔材料含有許多微小通孔用途：用作各種過濾器的過濾零件2>工具材料A.硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金～由難熔金屬碳化物(硬質(zhì)相：WC、TiC)與純金屬或鋼(粘結(jié)相：Co鋼、Ni鋼、

Cr-Mo鋼等)所組成的粉末合金。特性：優(yōu)點：硬度高

HRC70～80

熱硬性及耐磨性優(yōu)于工具鋼

用作刀具，使用壽命比工具鋼高5～8倍

切削速度比工具鋼高10倍，并可切削淬硬鋼件缺點：脆性大，沖擊韌性低，強度也比較低。分類：碳化鎢硬質(zhì)合金～以鈷為粘結(jié)相，以碳化鎢為主要硬質(zhì)相。碳化鈦硬質(zhì)合金～以碳化鈦或碳化鎢為硬質(zhì)相,以合金鋼為粘結(jié)相。它兼有硬質(zhì)合金和鋼的優(yōu)點，具有高強度和高耐磨性，退火后可以切削加工。牌號：如

YG8C、YG15

表示特性：X--細顆粒、C--粗顆粒、

A--含少量碳化鉭、N--含少量碳化鈮

表示類別：G為鎢鈷類、T為鎢鈦鈷類

W為多用途(萬能)類、N為碳化鈦類

硬質(zhì)合金

11.2非金屬材料1>高分子材料

定義：由分子量很大(>1000)的有機化合物組成的材料。制取過程：

首先從石油或煤等