金属学与热处理第三章 二元合金的相结构与结晶40
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金属学与热处理第三章 二元合金的相结构与结晶40
第三章二元合金的相结构与结晶；(一)填空题；1合金的定义是2．合金中的组元是指；3．固溶体的定义是；4．Cr、V在γ-Fe中将形成固溶体；5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要些；6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的；7．共晶反应的特征是，其反应式为；8．匀晶反应的特征是，其反应式为；9．共析反应的特征是，其反应式为10．合金固溶体；11．
第三章 二元合金的相结构与结晶 (一)填空题1 合金的定义是2．合金中的组元是指。3．固溶体的定义是4．Cr、V在γ-Fe中将形成固溶体。C、N则形成固溶体。5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要些。6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的组元。7．共晶反应的特征是，其反应式为8．匀晶反应的特征是，其反应式为9．共析反应的特征是，其反应式为10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为和11．合金的相结构有两种，前者具有较高的性能，适合于做相；后者有较高的
性能，适合于做
相12．看图4―1，请写出反应式和相区： ①
； 13．相的定义是 14．间隙固溶体的晶体结构与相同，而间隙相的晶体结构与15．根据图4―2填出：水平线反应式
无限固溶体液相线
、16．接近共晶成分的合金，其合金。17．共晶组织的一般形态是。 (二)判断题1．共晶反应和共析反应的反应相和产物都是相同的。
)2．铸造合金常选用共晶或接近共晶成分的合金，要进行塑性变形的合金常选用具有单相固溶体成分的合金。
)3．合金的强度与硬度不仅取决于相图类型，还与组织的细密程度有较密切的关系。 (
)4．置换固溶体可能形成无限固溶体，间隙固溶体只可能是有限固溶体。
)5．合金中的固溶体一般说塑性较好，而金属化合物的硬度较高。
)6．共晶反应和共析反应都是在一定浓度和温度下进行的。
)7．共晶点成分的合金冷却到室温下为单相组织。
)8．初生晶和次生晶的晶体结构是相同的。
)9．根据相图，我们不仅能够了解各种合金成分的合金在不同温度下所处的状态及相的相对量，而且还能知道相的大小及其相互配置的情况。
)10．亚共晶合金的共晶转变温度与共晶合金的共晶转变温度相同。
)11．过共晶合金发生共晶转变的液相成分与共晶合金成分是一致的。
)(三)选择题1．固溶体的晶体结构是
A．溶剂的晶型
B．溶质的晶型
D．其他晶型2 金属化合物的特点是
D．高强度3．当匀晶合金在较快的冷却条件下结晶时将产生
A．匀晶偏析
C．枝晶偏析
D．区域偏析4．当二元合金进行共晶反应时，其相组成是A．由单相组成
B 两相共存
C 三相共存
D．四相组成5．当共晶成分的合金在刚完成共晶反应后的组织组成物为A. α+β
B．(α＋L)
C．(α+β)
D．L＋α+β6．具有匀晶型相图的单相固溶体合金A．铸造性能好
B．锻压性能好
C 热处理性能好
D．切削性能好7．二元合金中，共晶成分的合金
A．铸造性能好
B 锻造性能好
焊接性能好
D．热处理性能好8．共析反应是指A．液相→固相Ⅰ+固相Ⅱ
B 固相→固相Ⅰ+固相ⅡC．从一个固相内析出另一个固相
D 从一个液相中析出另一个固相9．共晶反应是指A．液相→固相Ⅰ+固相Ⅱ
B 固相→固相Ⅰ+固相ⅡC．从一个固相内析出另一个固相
D 从一个液相中析出另一个固相10．固溶体和它的纯金属组元相比
A．强度高，塑性也高些
B 强度低，但塑性高些C
强度低，塑性也低些
D 强度高，但塑性低些(四)改错题1．合金是指两种以上金属元素组成的具有金属特性的物质。2．在均匀固溶体中，由于存在着晶界，所以此固溶体是由不同位向晶粒所构成的多相系。3．合金元素Cr、Mn、Si在a-Fe和γ―Fe中只能形成间隙式固溶体；而C、N在α―Fe和γ―Fe中则能形成代位式固溶体。4．置换原子的固溶强化效果比间隙原子的固溶强化效果大，因为置换原子的半径一般比间隙原子大。5．．杠杆定律只能在三相区内使用。6．合金在结晶过程中析出的初生相和次生相具有不同的晶型和组织形态。7．任何类型的固溶体的晶体结构为溶质的晶型。8．金属化合物的硬度较低。9．当共晶点成分的合金完成共晶反应后的组织组成物是α+β。 (五)问答题1．对比纯金属与固溶体结晶过程的异同，分析固溶体结晶过程的特点。2．试述固溶强化，加工强化和弥散强化的强化原理，并说明它们的区别。3．什么是固溶体和化合物?它们的特性如何?4．何谓相图?相图能说明哪些问题?实际生产中有何应用价值?5．何谓杠杆定律?它在二元合金系中可以解决什么问题?6．为什么固溶体合金结晶时成分间隔和温度间隔越大则流动性不好，分散缩孔大、偏析 严重以及热裂倾向大?7．试比较共晶反应与共析反应的异同点。8．有两个形状和尺寸都完全相同的Cu―Ni合金铸件，其中一个铸件的W(Ni)=90%、另一铸件的w(Ni)＝50％，铸造后哪一个偏析严重?为什么?9
请解释下列现象： (1)电阻丝大多用固溶体合金制造；(2)大多数铸造合金都选用共晶成分或接近共晶成分；(3)若室温下存在固溶体+化合物两相，不易进行冷变形，往往把它加热至单相固溶体态进行热变形；(4)若要提高具有共晶成分的铸件的性能，往往增加浇注时的过冷度； (5) 钢中若含硫量高会产生热脆性。 (七)计算题1．一个二元共晶反应如下：
L(W(B)＝75％)→α(W(B)＝15％)+β(W(B)=95％)(1)求w(B)＝50％的合金完全凝固时初晶α与共晶(α十β)的重量百分数，以及共晶体中α相与β相的重量百分数；(2)若已知显微组织中β初晶与(α+β)共晶各占一半，求该合金成分。2．在固态下互不溶解的某二元合金，从显微镜下观察得到初生组织W(A)=85％，已知共晶成分中W(A)=24％，求该合金的成分。3．有一种制造发动机汽缸的典型合金，其成分W(Si)＝16％―W(A1)＝84％。已知Al―Si相图如图4―4。试分析： (1)熔融的液体合金缓慢冷却时，在什么温度首先析出固相?冷却到什么温度该合金完全凝固?
(2)试计算该合金在578℃与在570℃时Al在β相中的溶解度?
4．在Fe―Fe3C相图中，试比较E点与P点，S点与C点；ES线与PQ线、GS线与BC线之间含义上的异同。4．若要配制四个不同成分的Pb―Sn合金30g，其组织要求为(参阅Pb―Sn合金相图)；(1)α相92％和β相8％；(2)亚共晶合金中，要求共晶体占30％；(3)过共晶合金中，要求共晶体占70％；(4)共晶合金。问分别计算出需要Pb和Sn各多少克? (八)思考题1．试判断图4―5中所列相图的正确性，若有错误，请说明原因，并加以改正。 2．按照下面给出的条件，示意画出二元合金的相图，并填出各区域的相组成物和组织组成物。再根据相图画出合金的硬度与成分的关系曲线。 已知A、B组元在液态时无限互溶，在固态时能形成共晶，共晶成分为W(B)=35％。A组元在B组元中有限固溶，溶解度在共晶温度时为15％，在室温时为10％；B组元在A组元中不能溶解。B组元比A组元的硬度高。 包含各类专业文献、文学作品欣赏、生活休闲娱乐、中学教育、各类资格考试、幼儿教育、小学教育、金属学与热处理第三章 二元合金的相结构与结晶40等内容。
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为什么铸造合金选用共晶成分的合金？
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形成分散缩孔的倾向也愈大液固相线距离大→枝晶偏析倾向愈大，使铸造性能恶化，合金流动性也愈差
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共晶点是一个三相平衡点，可以熔铸出质量最佳的铸造产品，温度位于恒温线上在相图上，收缩的倾向最小，相同温度下金属的流动性最佳，该点熔铸的温度最低，不会造成枝晶偏析
铸造合金选共晶成分铸造性能好，但实际上绝大多数铸造合金不是共晶成分，合金成分的选择首先应满足工件力学性能的要求，生产时采用工艺措施，避免铸造缺欠的发生。如：采用各种冒口、补贴、覆盖剂、冷铁等措施，生产出合格的非共晶合金铸件。
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3秒自动关闭窗口常用合金铸件生产及铸造方法的选择
常用合金：铸铁、铸钢和非铁合金中的铝、铜合金，本节主要介绍这几种合金的性能、生产特点、应用以及如何选择铸造方法等。
铸铁件的生产
铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金，铸造合金中应用最广。在实际应用中，铸铁是以铁、碳和硅为主要元素的多元合金。铸铁的常用成分范围见表1-16。
铸铁的常用成分范围
分类：根据碳的存在形式的不同，铸铁可分为：白口铸铁、灰铸铁和麻口铸铁；根据铸铁中石墨形态的不同，灰铸铁又可分为：普通灰铸铁（简称灰铸铁）、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁；根据铸铁化学成分的不同，还可将铸铁分为：普通铸铁和合金铸铁。
（一）灰铸铁
1．灰铸铁的显微组织和性能特点&
金属基体（F、F+P、P）与片状石墨（G）所组成，如图1-46所示。
灰铸铁的显微组织
a）铁素体灰铸铁&
b）铁素体+珠光体灰铸铁&
c）珠光体灰铸铁
性能特征：灰铸铁的抗拉强度和弹性模量均比钢低得多，通常σb约为120～250MPa，抗压强度与钢接近，一般可达600～800MPa，塑性和韧度近于零，属于脆性材料，不能锻造和冲压；焊接时产生裂纹的倾向大，焊接区常出现白口组织，焊后难以切削加工，焊接性差；灰铸铁的铸造性能优良，铸件产生缺陷的倾向小；由于石墨的存在切削加工性能好，切削加工时呈崩碎切屑，通常不需加切削液；灰铸铁的减振能力为钢的5～10倍，是制造机床床身、机座的主要材料；灰铸铁的耐磨性好，适于制造润滑状态下工作的导轨、衬套和活塞环等。
影响性能的因素：基体组织和石墨的分布。珠光体越多，石墨分布越细小均匀，强度、硬度也越高，耐磨性越好。要想控制铸铁的组织和性能，必须控制铸铁的石墨化程度。
铸铁石墨化：主要影响因素是化学成分和冷却速度。
（1）化学成分&
灰铸铁除含碳元素外，还有硅、锰、硫和磷等元素，它们对铸铁石墨化的影响如下：
碳和硅& 碳和硅是铸铁中最主要的元素，对铸铁的组织和性能起着决定性的影响。
碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的元素。含碳量愈高，析出的石墨就愈多、愈粗大，而基体中的铁素体含量增多，珠光体减少；反之，石墨减少且细化。
硅是强烈促进石墨化的元素。实践证明，若铸铁中含硅量过少，即使含碳量很高，石墨也难以形成。硅除能促进石墨化外，还可改善铸造性能，如提高铸铁的流动性、降低铸件的收缩率等。
锰和硫& 锰和硫在铸铁中是密切相关的。
硫严重阻碍石墨化的元素。含硫量高时，铸铁有形成白口的倾向。硫在铸铁晶界上形成低熔点（985℃）的共晶体（FeS+Fe），使铸铁具有热脆性。此外，硫还使铸铁铸造性变坏（如降低铁液流动性、增大铸件收缩率等），通常限制在0.1%～0.15%以下，高强度铸铁则应更低。
锰能抵消硫的有害作用，故属于有益元素。因锰与硫的亲和力大，在铁液中会发生如下反应：
Mn+FeS=Fe+MnS
MnS的熔点约为1600℃，高于铁液温度，因它的比重较小，故上浮进入熔渣而被排出炉外，而残存于铸铁中的少量MnS呈颗粒状，对力学性能的影响很小。
铸铁中的锰除与硫发生作用外，其余还可溶入铁素体和渗碳体中，提高了基体的强度和硬度；但过多的锰则起阻碍石墨化的作用。铸铁中锰的含量一般为0.6%～1.2%。
磷& 磷的影响不显著，可降低铁液的粘度而提高铸铁的流动性。当铸铁中磷的含量超过0.3%时，则形成以Fe3P为主的共晶体，这种共晶体的熔点较低、硬度高（390～520HB），形成了分布在晶界处的硬质点，因而提高了铸铁的耐磨性。因磷共晶体呈网状分布，故含磷过高会增加铸铁的冷脆倾向。因此，对一般灰铸铁件来说，一般应限制在0.5%以下，高强度铸铁则应限制在0.2%～0.3%以下，只是某些薄壁件或耐磨件中的磷的含量可提高到0.5%～0.7%。
（2）冷却速度&
相同化学成分的铸铁，若冷却速度不同，其组织和性能也不同。从图1-47所示的三角形试样的断口处可以看出，冷却速度很快的下部尖端处呈银白色，属于白口组织；其心部晶粒较为粗大，属于灰口组织；在灰口和白口交界处属麻口组织。这是由于缓慢冷却时，石墨得以顺利析出；反之，石墨的析出受到了抑制。为了确保铸件的组织和性能，必须考虑冷却速度对铸铁组织和性能的影响。铸件的冷却速度主要取决于铸型材料的导热性和铸件的壁厚。
图1-47& 冷却速度对铸铁组织的影响
利用激冷：在同一铸件的不同部位采用不同的铸型材料，使铸件各部分的组织和性能不同。如冷硬铸造轧辊、车轮时，就是采用局部金属型（其余用砂型）以激冷铸件上的耐磨表面，使其产生耐磨的白口组织。
壁厚的影响：在铸型材料相同的条件下，壁厚不同的铸件因冷却速度的差异，铸铁的组织和性能也随之而变，因此，必须按照铸件的壁厚选定铸铁的化学成分和牌号。
2．灰铸铁的牌号&
我国灰铸铁的牌号为HT&&&,其中“HT”表示“灰铁”二字的汉语拼音字首，而后面的&&&为最低抗拉强度值，单位为MPa。灰铸铁牌号共六种，其中HT100、HT150、HT200为普通灰铸铁；HT250、HT300、HT350为孕育铸铁。
灰铸铁牌号和力学性能（摘自 GB/T
抗拉强度σb/MPa
抗压强度σbc/MPa
3．灰铸铁的用途&
根据牌号的不同而选用：HT100低负荷和不重要的零件，如防护罩、小手柄、盖板和重锤等；HT150承受中等负荷的零件，如机座、支架、箱体、带轮、轴承座、法兰、泵体、阀体、管路、飞轮和电动机座等；HT200、HT250承受较大负荷的重要零件，如机座、床身、齿轮、汽缸、飞轮、齿轮箱、中等压力阀体、汽缸体和汽缸套等；HT300、HT350承受高负荷、要求耐磨和高气密性的重要零件，如重型机床床身、压力机床身、高压液压件、活塞环、齿轮和凸轮等。
4．灰铸铁的孕育处理&
向铁液中冲入硅铁合金孕育剂，然后进行浇注的处理方法。用这种方法制成的铸铁称为孕育铸铁。由于铁液中均匀地悬浮着外来弥散质点，增加了石墨的结晶核心，使石墨化作用骤然提高，因此石墨细小且分布均匀，并获得珠光体基体组织，使孕育铸铁的强度、硬度比普通灰铸铁显著提高，含碳量愈少、石墨愈细小，铸铁的强度、硬度愈高。
孕育铸铁的另一优点是冷却速度对其组织和性能的影响甚小，因此铸件上厚大截面的性能较为均匀，如图1-48所示。
孕育处理对大截面（300&300）铸件硬度的影响
1-孕育铸铁&
2-普通灰铸铁
孕育铸铁的用途：静载荷下要求较高强度、高耐磨性或高气密性铸件以及厚大铸件。
制造工艺：须熔炼出碳、硅含量均低的原始铁液（wC=2.7%～3.3%、wSi=1%～2%）。孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁液质量的0.25%～0.60%。孕育处理时，应将硅铁均匀地加入到出铁槽中，由出炉的铁液将其冲入浇包中。由于孕育处理过程中铁液温度要降低，故出炉的铁液温度必须高达℃。
5．灰铸铁的生产特点&
主要在冲天炉内熔化，一些高质量的灰铸铁可用电炉熔炼。灰铸铁的铸造性能优良，铸造工艺简单，便于制造出薄而复杂的铸件，生产中多采用同时凝固原则，铸型不需要加补缩冒口和冷铁，只有高牌号铸铁采用定向凝固原则。
灰铸铁件主要用砂型铸造，浇注温度较低，因而对型砂的要求也较低，中小件大多采用经济简便的湿型铸造。灰铸铁件一般不需要进行热处理，或仅需时效处理即可。
（二）球墨铸铁
1．球墨铸铁的牌号&
目前我国球墨铸铁牌号为QT&&&－&&，其中“QT”表示“球铁”的拼音首字母，其后两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。
我国球墨铸铁的牌号和力学性能（摘自GB/T）
抗拉强度σb/MPa
抗拉强度σ0.2/MPa
伸长率δ（％）
铁素体＋珠光体
珠光体＋铁素体
珠光体或回火组织
贝氏体或回火马氏体
&2．球墨铸铁的组织和性能特点&
随着化学成分、冷却速度和热处理方法的不同，球墨铸铁可得到不同的基体组织（F、F+P、P），如图1-49所示。
球墨铸铁的显微组织
a）铁素体球墨铸铁&
b）铁素体+珠光体球墨铸铁&
c）珠光体球墨铸铁
球墨铸铁的石墨呈球状，它对基体的割裂作用减至最低限度，基体强度的利用率可达70%～90%，因此球墨铸铁具有比灰铸铁高得多的力学性能，抗拉强度可以和钢媲美，塑性和韧度大大提高。通常σb=（400～900）MPa，δ=2%～18%，同时，仍保持灰铸铁某些优良性能，如良好的耐磨性和减震性，缺口敏感性小，切削加工性能好等。球墨铸铁的焊接性能和热处理性能都优于灰铸铁。珠光体球墨铸铁与45号锻钢的力学性能比较见表1-17。
珠光体球墨铸铁和45号锻钢的力学性能比较
性&&&&&&&&
45号锻钢（正火）
珠光体球墨铸铁（正火）
抗拉强度σb/MPa
屈服强度σ0.2/MPa
屈强比σ0.2/σb
伸长率δ（%）
疲劳强度（有缺口试样）σ-1/MPa
3．球墨铸铁的生产特点
（1）铁液&
要有足够高的含碳量，低的硫、磷含量，有时还要求低的含锰量。高碳（3.6%～4.0%）可改善铸造性能和球化效果，低的锰、磷可提高球墨铸铁的塑性与韧度。硫易与球化剂化合形成硫化物，使球化剂的消耗量增大，并使铸件易于产生皮下气孔等缺陷。
球化和孕育处理使铁水温度要降低50～100℃，为防止浇注温度过低，出炉的铁水温度必须高达1400℃以上。
（2）球化处理和孕育处理&
球化处理和孕育处理是制造球墨铸铁的关键，必须严格控制。
球化剂：广泛采用的球化剂是稀土镁合金。镁是重要的球化元素，但它密度小（1.73g/cm3）、沸点低（1120℃），若直接加入铁液，镁将浮于液面并立即沸腾，这不仅使镁的吸收率降低，也不够安全。稀土元素包括铈（Ce）、镧（La）、镱（Yb）和钇（Y）等十七种元素。稀土的沸点高于铁水温度，故加入铁水中没有沸腾现象，同时，稀土有着强烈的脱硫、去气能力，还能细化组织、改善铸造性能。但稀土的球化作用较镁弱，单纯用稀土作球化剂时，石墨球不够圆整。稀土镁合金（其中镁、稀土含量均小于10%，其余为硅和铁）综合了稀土和镁的优点，而且结合了我国的资源特点，用它作球化剂作用平稳、节约镁的用量，还能改善球铁的质量。球化剂的加入量一般为铁水质量的1.0%～1.6%。
孕育剂：促进铸铁石墨化，防止球化元素造成的白口倾向，使石墨球圆整、细化，改善球铁的力学性能。常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水质量的0.4%～1.0%。由于球化元素有较强的白口倾向，故球墨铸铁不适合铸造薄壁小件。
球化处理：以冲入法最为普遍，如图1-50所示。将球化剂放在铁液包的堤坝内，上面铺硅铁粉和稻草灰，以防球化剂上浮，并使其缓慢作用。开始时，先将铁液包容量2/3左右的铁液冲入包内，使球化剂与铁液充分反应。尔后，将孕育剂放在冲天炉出铁槽内，用剩余的1/3包铁液将其冲入包内，进行孕育。
球化处理后的铁液应及时浇注，以防孕育和球化作用的衰退。
图1-50& 冲入法球化示意图
（3）铸型工艺
凝固特性：球墨铸铁含碳量较高，近共晶成分，凝固收缩率低，但缩孔、缩松倾向较大，这是其凝固特性所决定的。球墨铸铁在浇注后的一个时期内，凝固的外壳强度较低，如图1-51a所示。而球状石墨析出时的膨胀力却很大，若铸型的刚度不够，铸件的外壳将向外胀大，造成铸件内部金属液的不足，于是在铸件最后凝固的部位产生缩孔和缩松，如图1-51b所示。为防止上述缺陷，可采取如下措施：在热节处设置冒口、冷铁，对铸件收缩进行补偿；增加铸型刚度，防止铸件外形扩大。如增加型砂紧实度，采用干砂型或水玻璃快干砂型，保证砂型有足够的刚度，并使上下型牢固夹紧。
图1-51& 球墨铸铁件缩孔、缩松的形成
存在问题：球墨铸铁件容易出现皮下气孔，皮下0.5～2mm处，直径1～2mm，它的产生是因铁液中过量的Mg或MgS与砂型表面水分发生如下化学反应生成气体而形成的。
防止皮下气孔的产生：降低铁液中含硫量和残余镁量，降低型砂含水量或采用干砂型，浇注系统应使铁液平稳地导入型腔，并有良好的挡渣效果，以防铸件内夹渣的产生。
4．球墨铸铁的用途&&
球墨铸铁具有较高的强度和塑性，尤其是屈强比（σ0.2/σb）优于锻钢，用途非常广泛，如汽车、拖拉机底盘零件，阀体和阀盖，机油泵齿轮，柴油机和汽油机曲轴、缸体和缸套，汽车拖拉机传动齿轮等。目前，球墨铸铁在制造曲轴方面正在逐步取代锻钢。
5．球墨铸铁的热处理&
铸态球墨铸铁的基体多为珠光体-铁素体混合组织，有时还有自由渗碳体，形状复杂件还存在残余内应力。因此，多数球墨铸铁件要进行热处理，以保证应有的力学性能。常用的热处理为退火和正火。退火的目的是获得铁素体基体，以提高球墨铸铁件的塑性和韧度。正火的目的是获得珠光体基体，以提高材料的强度和硬度。
（三）可锻铸铁
可锻铸铁：白口铸铁通过石墨化退火处理得到的一种高强韧铸铁。有较高的强度、塑性和冲击韧度，可以部分代替碳钢。可锻铸铁分为铁素体基体（黑心）可锻铸铁和珠光体基体可锻铸铁。
1．可锻铸铁的生产特点&
可锻铸铁的生产分两个步骤：
第一步：先铸造出白口铸铁，随后退火使Fe3C分解得到团絮状石墨。为保证在通常的冷却条件下铸件能得到合格的白口组织，其成分通常是
wC=2.2%～2.8%，wSi=1.2%～2.0%，
wMn=0.4%～1.2%，wP≤0.1%，
wS≤0.2%。
第二步：进行长时间的石墨化退火处理，900～980℃，长时间保温。其工艺如图1-52所示。
图1-52& 可锻铸铁的石墨化退火工艺
2．可锻铸铁的牌号
可锻铸铁分为黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁，黑心可锻铸铁因其断口为黑绒状而得名，以KTH表示，其基体为铁素体；珠光体可锻铸铁以KTZ表示，基体为珠光体。其中“KT”表示“可铁”的拼音字首，“H”和“Z”分别表示“黑”和“珠”的拼音字首，代号后的第一组数字表示最低抗拉强度值，第二组数字表示最低断后伸长率。
常用可锻铸铁（黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁）牌号(摘自GBT/)
试样直径d/mm
抗拉强度σb/MPa
屈服强度σ0.2/MPa
伸长率δ（％）
3．可锻铸铁的组织、性能及应用
显微组织：金属基体和团絮状石墨组成，如图1-53示。
可锻铸铁的显微组织
a）铁素体可锻铸铁&
b）珠光体可锻铸铁
性能：较高的冲击韧度和强度，适用于制造形状复杂、承受冲击载荷的薄壁小件，铸件壁厚一般不超过25mm。
用途：低动载荷及静载荷、要求气密性好的零件。如管道配件，中低压阀门，弯头，三通等；农机犁刀、车轮壳和机床用扳手等；较高的冲击、振动载荷下工作的零件。如汽车、拖拉机上的前后轮壳、制动器、减速器壳、船用电动机壳和机车附件等；承受较高载荷、耐磨和要求有一定韧度的零件。如曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、犁刀、耙片、闸、万向接头、棘轮扳手、传动链条和矿车轮等。
问题：生产周期长、工艺复杂，应用和发展受到一定限制，某些传统的可锻铸铁零件，已逐渐被球墨铸铁所代替。
（四）蠕墨铸铁
1．蠕墨铸铁的生产&
在一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂进行蠕化处理而成的。所谓蠕化处理是将蠕化剂放入经过预热的堤坝或铁液包内的一侧，从另一侧冲入铁液，利用高温铁液将蠕化剂熔化的过程。蠕化剂为镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。
2．蠕墨铸铁的性能及应用&
蠕墨铸铁中的石墨片比灰铸铁中的石墨片的长厚比要小，端部较钝、较圆，介于片状和球状之间的一种石墨形态，如图1-54所示。
图1-54& 蠕墨铸铁的显微组织
性能：力学性能较高，强度接近于球墨铸铁，具有一定的韧度，较高的耐磨性，同时又兼有良好的铸造性能和导热性。
应用：生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模、轧辊模、玻璃瓶模和液压阀等铸件。
3．蠕墨铸铁的牌号根据JB 4403－87，蠕墨铸铁的牌号以RuT表示，“RuT”是“蠕铁”二字的拼音字首，所跟的数字表示最低抗拉强度。
蠕墨铸铁的牌号（JB 4403－87）
抗拉强度σb/MPa
屈服强度σ0.2/MPa
伸长率δ（％）
蠕化率V（％）
（五）铸铁的熔炼
熔炼目的：高生产率、低成本地熔炼出预定成分和温度的铁液。
熔炼设备：冲天炉、电弧炉、工频炉等，其中以冲天炉的应用最为广泛。
冲天炉组成：包括炉底、炉缸、炉身和前炉四大部分，如图1-55所示。
图1-55& 冲天炉结构示意图
1．冲天炉的熔炼过程&
用于冲天炉的燃料为焦炭，金属炉料有：铸造生铁锭、回炉料（浇冒口、废机件）、废钢、铁合金（硅铁、锰铁）等，熔剂为石灰石和氟石。
熔炼过程中，高温炉气上升、炉料下降，在两者逆向运动中产生如下过程：底焦燃烧；金属炉料被预热、熔化和过热；冶金反应使铁液发生变化。因此，金属在冲天炉内并非简单的熔化，实质上是一种熔炼过程。
2．铁液化学成分的控制&
在熔化过程中铁料与炽热的焦炭和炉气直接接触，铁料的化学成分将发生某些变化。为了熔化出成分合格的铁液，在冲天炉配料时必须考虑化学成分的如下变化：
（1）硅和锰&
炉气氧化使铁液中的硅、锰产生熔炼损耗，通常的熔炼损耗为：硅10%～20%，锰15%～25%。
铁料中的碳，一方面可被炉气氧化熔炼损耗，使含碳量减少；另一方面，由于铁液与炽热焦炭直接接触吸收碳分，使含碳量增加。含碳量的最终变化是炉内渗碳与脱碳过程的综合结果。实践证明，铁液含碳量变化总是趋向于共晶含碳量（即饱和含碳量），当铁料含碳量低于3.6%时，将以增碳为主；高于3.6%时，则以脱碳为主。鉴于铁料的含碳量一般低于3.6%，故多为增碳。
铁料因吸收焦炭中的硫，使铸铁含硫量增加50%左右。
基本不变。
炉料配制：根据铁液化学成分要求和有关元素的熔炼损耗率折算出铁料应达到的平均化学成分、各种库存铁料的已知成分，确定每批炉料中生铁锭、各种回炉铁、废钢的比例。为了弥补铁料中硅、锰等元素的不足，可用硅铁、锰铁等铁合金补足。由于冲天炉内通常难以脱除硫和磷，因此，欲得到低硫、磷铁液，主要依靠采用优质焦炭和铁料来实现。
铸钢件的生产
铸钢优点：力学性能高，特别是塑性和韧度比铸铁高，如σb=400～650N/mm2，δ=10%～25%，αKU=20～60J/cm2。焊接性能优良，适于采用铸、焊联合工艺制造重型机械。但铸造性能、减震性和缺口敏感性都比铸铁差。
铸钢用途：承受重载荷及冲击载荷的零件，如铁路车辆上的摇枕、侧架、车轮及车钩，重型水压机横梁，大型轧钢机机架、齿轮等。
铸钢分类：碳素铸钢、低合金铸钢和高合金铸钢等。
（一）铸钢的铸造工艺特点
铸造性能差：熔点高，钢液易氧化；流动性差；收缩较大，体收缩约为灰铸铁的三倍，线收缩约为灰铸铁的两倍。因此铸钢较铸铁铸造困难，为保证铸件质量，避免出现缩孔、缩松、裂纹、气孔和夹渣等缺陷，必须采取更为复杂的工艺措施。
（1）型砂的强度、耐火度和透气性要高&
原砂要采用耐火度很高的人造石英砂。中、大件的铸型一般都采用强度较高的CO2硬化水玻璃砂型和粘土干砂型。为防止粘砂，铸型表面应涂刷一层耐火涂料。
（2）使用补缩冒口和冷铁，实现定向凝固&
补缩冒口一般为铸件质量的25%～50%，造型和切割冒口的工作量大。如图1-56所示为ZG230-450齿圈的铸造工艺方案。该齿圈尽管壁厚均匀，但因壁厚较大（80mm），心部的热节处（整圈）极易形成缩孔和缩松，铸造时必须保证对心部的充分补缩。由于冒口的补缩距离有限，为此，除采用三个冒口外，在各冒口间还须安放冷铁，使齿圈形成三个独立的补缩区。浇入的钢液首先在冷铁处凝固，形成朝着冒口方向的定向凝固，使齿圈上各部分的收缩都能得到金属液的补充。
图1-56& 铸钢齿圈的铸造工艺方案
&（3）严格掌握浇注温度，防止过高或过低&
低碳钢（流动性较差）、薄壁小件或结构复杂不容易浇满的铸件，应取较高的浇注温度；高碳钢（流动性较好）、大铸件、厚壁铸件及容易产生热裂的铸件，应取较低的浇注温度。一般为℃。
（二）铸钢的热处理
在铸件内部存在很多缺陷（缩孔、缩松、裂纹、气孔等）以及金相组织缺点，如晶粒粗大和魏氏组织（铁素体成长条形状分布在晶粒内部），使塑性大大降低，力学性能比锻钢件差，特别是冲击韧度低。此外铸钢件内存在较大的铸造应力。
目的：细化晶粒、消除魏氏组织、消除铸造应力、提高力学性能。
工艺：退火和正火处理。退火适于wC≥0.35%或结构特别复杂的铸钢件。因这类铸件塑性较差，残留铸造应力较大，铸件易开裂；正火适用于wC&0.35%的铸钢件，因这类铸件塑性较好，冷却时不易开裂。铸钢正火后的力学性能较高，生产效率也较高，但残留内应力较退火后的大。为进一步提高铸钢件的力学性能，还可采用正火加高温回火。铸钢件不宜淬火，淬火时铸件极易开裂。
（三）铸钢的熔炼
熔炼是铸钢生产中的重要环节，钢液的质量直接关系到铸钢件的质量。
冶炼设备：电弧炉、平炉和感应电炉等。电弧炉用得最多，平炉仅用于重型铸钢件，感应电炉主要用于合金钢中、小型铸件的生产。
1．电弧炉炼钢&
利用电极与金属炉料间电弧产生的热量来熔炼金属，如图1-57所示。炉子容量从1～15吨。钢液质量较高，熔炼速度快，一般为2～3小时一炉，温度容易控制。炼钢的金属材料主要是废钢、生铁和铁合金等。其它材料有造渣材料、氧化剂、还原剂和增碳剂等。
三相电弧炉示意图
2．感应电炉炼钢&
在精密铸造和高合金钢铸造中应用最普遍。感应电炉的构造如图1-58所示。利用感应线圈中交流电的感应作用，使坩埚内的金属炉料及钢液产生感应电流发出热量使炉料熔化的。
优点：加热速度较快，热量散失少，热效率较高，氧化熔炼损耗较小，吸收气体较少；
缺点：炉渣温度较低，化学性质不活泼，不能充分发挥炉渣在冶炼过程中的作用，基本上是炉料的重熔过程。
图1-58& 感应电炉炉体构造图
感应电炉类型：高频感应电炉，频率1000Hz以上，容量在100kg以下；中频感应电炉，频率500～300Hz之间，容量一般是60～1000kg；工频感应电炉，工业频率50Hz，容量一般是100～10000kg。
非铁合金铸件的生产
（一）铸造铜合金
铜的分类：紫铜（纯铜）、黄铜和青铜。
紫铜熔点为1083℃，导电性、导热性、耐腐蚀性及塑性良好；强度、硬度低且价格较贵，极少用它来制造机械零件，广泛使用的是铜合金。
黄铜是铜和锌的合金，锌在铜中有较高的溶解度，随着含锌量的增加，合金的强度、塑性显著提高，但含锌量超过47%后黄铜的力学性能将显著下降，故黄铜的含锌量小于47%。铸造黄铜除含锌外，还常含有硅、锰、铝和铅等合金元素。铸造黄铜有相当高的力学性能，如σb=250～450MPa,δ=7%～30%，HBS=60～120，而价格却较青铜低。铸造黄铜的熔点低、结晶温度范围窄，流动性好、铸造性能较好。铸造黄铜常用于一般用途的轴承、衬套、齿轮等耐磨件和阀门等耐蚀件。
青铜是铜与锌以外的元素构成的合金。其中，铜和锡构成的的合金称为锡青铜。锡青铜的力学性能较黄铜差，且因结晶温度范围宽、容易产生显微缩松缺陷；但线收缩率较低，不易产生缩孔，其耐磨、耐蚀性优于黄铜，适于致密性要求不高的耐磨、耐蚀件。此外，还有铝青铜、铅青铜等，其中，铝青铜有着优良的力学性能和耐磨、耐蚀性，但铸造性较差，故仅用于重要用途的耐磨、耐蚀件。
（二）铸造铝合金
铝合金密度低，熔点低，导电性和耐蚀性优良，因此也常用来制造铸件。
铸造铝合金：包括铝硅、铝铜、铝镁及铝锌合金。铝硅合金又称硅铝明，其流动性好、线收缩率低、热裂倾向小、气密性好，又有足够的强度，所以应用最广，约占铸造铝合金总产量的50%以上。铝硅合金适用于形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的零件，如内燃机汽缸体、化油器、仪表外壳等。铝铜合金的铸造性能较差，如热裂倾向大、气密性和耐蚀性较差，但耐热性较好，主要用于制造活塞、汽缸头等。
（三）铜、铝合金铸件的生产特点
熔化特点：金属炉料不与燃料直接接触，可减少金属的损耗、保持金属液的纯净。在一般铸造车间里，铜、铝合金多采用以焦炭为燃料或以电为能源的坩锅炉来熔化。如图1-59和图1-60所示。
图1-59& 焦炭坩埚炉
图1-60& 电阻坩埚炉
1．铜合金的熔炼&
铜合金极易氧化，形成的氧化物（Cu2O）而使合金的力学性能下降。为防止铜的氧化，熔化青铜时应加熔剂（如玻璃、硼砂等）以覆盖铜液。为去除已形成的Cu2O，最好在出炉前向铜液中加入0.3%～0.6%的磷铜（Cu3P）来脱氧。由于黄铜中的锌本身就是良好的脱氧剂，所以熔化黄铜时，不需另加熔剂和脱氧剂。
2．铝合金的熔炼&
铝合金的氧化物Al2O3的熔点高达2050℃，比重稍大于铝，所以熔化搅拌时容易进入铝液，呈非金属夹渣。铝液还极易吸收氢气，使铸件产生针孔缺陷。
防止氧化和吸气：向坩埚炉内加入KCl、NaCl等作为熔剂，将铝液与炉气隔离。为驱除铝液中已吸入的氢气、防止针孔的产生，在铝液出炉之前应进行驱氢精炼。驱氢精炼较为简便的方法是用钟罩向铝液中压入氯化锌（ZnCl2）、六氯乙烷(C2Cl6)等氯盐或氯化物，发生如下反应：
反应生成的AlCl3沸点仅为183℃，故形成气泡，而氢在AlCl3气泡中的分压力等于零，所以铝液中的氢向气泡中扩散，被上浮的气泡带出液面。与此同时，上浮的气泡还将Al2O3夹杂一并带出。
3．铸造工艺&
为减少机械加工余量，应选用粒度较小的细砂来造型。特别是铜合金铸件，由于合金的比重大、流动性好，若采用粗砂，铜液容易渗入砂粒间隙，产生机械粘砂，使铸件清理的工作量加大。
铜、铝合金的凝固收缩率大，除锡青铜外一般多需加冒口使铸件实现定向凝固，以便补缩。
为防止铜液和铝液的氧化，浇注时勿断流，浇注系统应能防止金属液的飞溅，以便将金属液平稳地导入型腔。
常用铸造方法的选择
各种铸造方法都有其优缺点，分别适用于一定范围。选择铸造方法时，应从技术、经济、生产条件以及环境保护等方面综合分析比较，以确定哪种成形方法较为合理，即选用较低成本，在现有或可能的生产条件下制造出合乎质量要求的铸
件。几种常用铸造方法基本特点的比较见表1-18。
几种铸造方法的比较
金属型铸造
不限，以铸钢为主
不限，以非铁合金为主
以非铁合金为主
铸钢、铸铁、铜合金
适用铸件大小
几十克至几十公斤
中、小铸件
中、小件，几克至几十公斤
中、小件，有时达数百公斤
零点几公斤至十多吨
铸件最小壁厚/mm
孔ф0.5～2.0
优于同类铸型的常压铸造
铸件加工余量
小或不加工
小或不加工
外表面小，内表面较大
表面粗糙度Ra/μm
决定于铸型材料
铸件尺寸公差/mm
决定于铸型材料
工艺出品率*（%）
毛坯利用率**（%）
投产的最小批量（件）
（一般机械化程度）
床身、箱体、支座、轴承盖、曲轴、缸体、缸盖、等
刀具、叶片、自行车零件、刀杆、风动工具等
铝活塞、水暖器材、水轮机叶片、一般非铁合金铸件等
汽车化油器、缸体、仪表和照相机的壳体和支架等
发动机缸体、缸盖、壳体、箱体、船用螺旋桨、纺织机零件等
&各种铸铁管、套筒、环叶轮、滑动轴承等
注：*；**。
合金种类：取决于铸型的耐热状况。砂型铸造所用硅砂耐火度达1700℃，比碳钢的浇注温度还高100～200℃，因此砂型铸造可用于铸钢、铸铁、非铁合金等各种材料。熔模铸造的型壳是由耐火度更高的纯石英粉和石英砂制成，因此它还可用于生产熔点更高的合金钢铸件。金属型铸造、压力铸造和低压铸造一般都是使用金属铸型和金属型芯，即使表面刷上耐火涂料，铸型寿命也不高，因此一般只用于非铁合金铸件。
铸件大小：主要与铸型尺寸、金属熔炉、起重设备的能力等条件有关。砂型铸造限制较小，可铸造小、中、大件。熔模铸造由于难以用蜡料做出较大模样以及型壳强度和刚度所限，一般只宜于生产小件。对于金属型铸造、压力铸造和低压铸造，由于制造大型金属铸型和金属型芯较困难及设备吨位的限制，一般用来生产中、小型铸件。
尺寸精度和表面粗糙度：铸型的精度与表面粗糙度有关。砂型铸件的尺寸精度最差，表面粗糙度Ra值最大。熔模铸造因压型加工的很精确、光洁，故蜡模也很精确，而且型壳是个无分型面的铸型，所以熔模铸件的尺寸精度很高，表面粗糙度Ra值很小。压力铸造由于压铸型加工的较准确，且在高压、高速下成形，故压铸件的尺寸精度也很高，表面粗糙度Ra值很小。金属型铸造和低压铸造的金属铸型（型芯）不如压铸型精确、光洁，且是重力或低压下成形，铸件的尺寸精度和表面粗糙度都不如压铸件，但优于砂型铸件。
凡是采用砂型和砂芯生产铸件，可以做出形状很复杂的铸件。但是压力铸造采用结构复杂的压铸型也能生产出复杂形状的铸件，这只有在大量生产时才是经济的。因为压铸件节省大量切削加工工时，综合计算零件成本还是经济的。离心铸造较适用于管、套等这一类特定形状的铸件。
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