机械制造基础第6章铸铁有色金属等

1 铸铁是一系列主要由铁 碳和硅组成的合金总称 具有良好的铸造性 耐磨性 减震性 切削加工性等 且制造容易 价格便宜 铸铁按碳的存在形式分为 1 白口铸铁 Fe3C2 灰口铸铁 G3 麻口铸铁 Fe3C G此外 为满足耐热 耐蚀 耐磨等特殊性能的需求 在铸铁中加入铬 钼 铜 铝 硅等合金元素就得到合金铸铁 第6章铸铁 6 1铸铁的石墨化及其影响因素 2 铸铁中碳原子以石墨 G 形式析出的过程称为石墨化 石墨是碳的一种结晶形式 具有六方晶格 强度 硬度 塑性和韧性极低 接近于零 硬度仅为3 5HBS 石墨的形状 数量 大小及分布对铸铁的组织和性能有重要影响 1铸铁的石墨化 3 1 化学成分的影响 2影响石墨化的因素 碳和硅是强烈促进石墨化的元素 铸铁中碳 硅的含量越高 越容易进行石墨化 得到灰口铸铁组织 硫是强烈阻止石墨化的元素 一般Ws 0 15 锰是阻止石墨化的元素 一般WMn 0 6 1 3 磷是微弱促进石墨化的元素 一般WP 0 3 2 冷却速度的影响 4 6 2灰铸铁 6 2 1灰铸铁的成分 组织与性能 成份 一般为Wc 2 5 3 6 Wsi 1 0 2 2 WMn 0 5 1 3 Ws 0 15 Wp 0 30 组织 碳钢的基体加片状石墨 分为三类 铁素体基体 铁素体 珠光体基体 珠光体基体灰铸铁 性能 取决于基体组织和石墨的形态 数量 大小和分布 灰铸铁的抗拉强度 塑性 韧性比钢低很多 具有优良的铸造性能 优良的切削加工性能 良好的减振性 减摩性和低的缺口敏感性 5 6 2灰铸铁 6 2 2灰铸铁的孕育处理 在浇注前向铁水中加入少量孕育剂 如硅铁 使大量高度弥散的难熔质点成为石墨的结晶核心 以获得细小均匀的石墨片和细片珠光体 通过孕育处理得到的铸铁称为孕育铸铁 孕育铸铁有较高的强度 且铸件各部位截面上的组织和性能比较均匀 6 2 3灰铸铁的牌号 性能及用途 牌号用 HT 数字 表示 HT是 灰铁 两字的汉语拼音字首 数字表示最低的抗拉强度值 MPa 例 HT150 灰铸铁的性能性能特点是生产简单 应用广泛 其产量占整个铸铁产量的80 以上 P90 6 6 2灰铸铁 6 2 4灰铸铁的热处理 灰铸铁热处理只能改变基体组织 不能改变石墨的形状 数量 大小和分布 热处理主要作用是消除应力 改善切削加工性 提高表面的硬度和耐磨性等 1 时效处理主要作用是消除内应力 分为自然时效和人工时效 去应力退火 去应力退火工艺为 加热至530 620 保温一段时间后 随炉冷至200 以下出炉空冷 2 石墨化退火主要作用是消除白口 降低硬度 铸件加热到850 900 保温2 5h 然后随炉冷却至250 400 出炉空冷 3 表面淬火主要作用是提高铸件的表面硬度和耐磨性 常用的有火焰淬火 感应淬火等 如机床导轨 7 6 3球墨铸铁 6 3 1球墨铸铁的成分 组织与性能 成份 球墨铸铁的化学成分一般为 Wc 3 6 4 0 Wsi 2 0 2 8 WMn 0 6 0 8 Ws 0 04 Wp 0 1 WMg 0 03 0 05 WRE 0 03 0 05 稀土 组织 分为铁素体球墨铸铁 铁素体 珠光体球墨铸铁 珠光体球墨铸铁 下贝氏体球墨铸铁四种 性能 力学性能比灰口铸铁高得多 强度与钢接近 屈强比达到0 7 0 8 比碳钢高 塑性和韧性比灰铸铁好 仍比钢差 具有良好的铸造性能 减震性 减摩性 低的缺口敏感性 切削加工性等 但存在收缩率较大 流动性稍差 白口倾向大等缺陷不宜制作薄壁 小型零件 8 6 3球墨铸铁 6 3 2球墨铸铁的牌号 性能及用途 牌号用 QT A组数字 B组数字 表示 QT是 球铁 两字的汉语拼音字首A组数字表示最低的抗拉强度值 MPa B组数字表示最低伸长率 例 QT600 3 广泛用于制作受力复杂 性能要求较高的重要零件 P92 9 6 3球墨铸铁 6 3 3球墨铸铁的热处理 热处理比钢的加热温度略高些 保温时间长些 加热速度和冷却速度要慢些 1 退火分为去应力退火 低温退火和高温退火 目的是消除铸造内应力 获得铁素体基体 提高塑性和韧性 2 正火分为高温正火和低温正火 目的是增加基体组织中的珠光体的数量 细化组织 提高球墨铸铁的强度和耐磨性 3 调质处理目的是得到回火索氏体基体 以获得较高的综合力学性能 4 等温淬火目的是得到下贝氏体基体 使其具有高硬度 高强度和较好的韧性 10 6 4可锻铸铁 6 4 1可锻铸铁的成分 组织与性能 可锻铸铁的生产是先浇注成白口铸铁 然后再经高温长时间石墨化退火 1 可锻铸铁的成分 组织与性能成份 较低的碳 硅含量 一般Wc 2 2 2 8 Wsi 1 2 2 0 WMn 0 4 1 2 Wp 0 18 Ws 0 2 组织 分为铁素体可锻铸铁 又称黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁两种 性能 强度和韧性比灰铸铁提高很多 可锻铸铁并不可锻 6 4 2可锻铸铁的牌号 性能及用途牌号用 KT 表示类别的字母 A组数字 B组数字 表示 表示类别的字母有H Z 例 KTH370 12 用于制作形状复杂 要求强度 韧性较高的薄壁零件 P95 11 6 5蠕墨铸铁 6 5 1蠕墨铸铁的成分 组织与性能 通过在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂 再加孕育剂而生产制得的 1 蠕墨铸铁的成分 组织与性能成份 Wc 3 5 3 9 Wsi 2 2 2 8 WMn 0 4 0 8 Wp 0 1 Ws 0 2 组织 分为铁素体 铁素体 珠光体和珠光体三种基体 性能 力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间 减震性 铸造性能 导热性优于球墨铸铁 切削加工性比灰铸铁差 6 5 2蠕墨铸铁的牌号 性能及用途牌号用 RuT 一组数字 表示 RuT是 蠕铁 两字的汉语拼音字首 一组数字表示最低的抗拉强度值 MPa 例 RuT420 P96 12 第七章有色金属与粉末冶金材料 在工业生产中 通常把钢铁材料称为黑色金属 而把其它的金属材料称为有色金属 有色金属具有许多优良的特性 是现代工业中不可缺少的材料 例如 铝 镁 钛等具有相对密度小 比强度高的特点 因而广泛应用于航空 航天 汽车 船舶等行业 粉末冶金材料是通过将金属粉末或金属与非金属粉末压制成形并烧结而成 本章主要介绍工业上广泛使用的铝合金 铜合金等有色金属的性能特点 以及滑动轴承合金 粉末冶金 为合理选用材料打下基础 13 7 1铝合金7 1 1工业纯铝纯铝是一种银白色的轻金属 熔点为660 具有面心立方晶格 没有同素异构转变 密度小 只有2 72g cm3 导电性好 仅次于银 铜和金 导热性好 比铁几乎大三倍 纯铝在大气中极易与氧作用 在表面形成一层牢固致密的氧化膜 具有良好的抗蚀性 纯铝在低温下 甚至在超低温下都具有良好的塑性和韧性 在0 253 之间塑性和冲击韧性不降低 14 工业纯铝含有铁和硅等杂质 工业纯铝牌号L 顺序号 牌号有L1 L2 L3 L4 L5 L6 L1 L2可用于电器工业和热传导机械中 大部分纯铝用来配制铝合金 7 1 2铝合金的分类工程上常用的铝合金大都具有与图7 1类似的相图 根据铝合金的成分 组织和工艺特点 可以将其分为铸造铝合金与变形铝合金两大类 15 图7 1铝合金分类示意图 16 7 1 3铝合金的强化铝合金的强化方式主要有以下几种 1 固溶强化 2 时效强化 从过饱和的固溶体中析出均匀 弥散的强化相 3 细化组织强化7 1 4变形铝合金变形铝合金包括防锈铝合金 硬铝合金 超硬铝合金及锻铝合金等 变形铝合金的主要牌号 化学成分 机械性能及主要用途见表7 1 p99 17 表7 1变形铝合金的主要牌号 成分 机械性能及用途 18 7 1 5铸造铝合金铸造铝合金按照主要合金元素的不同 可分为四类 Al Si铸造铝合金 如ZL101 ZL105等 Al Cu铸造铝合金 如ZL201 ZL203等 Al Mg铸造铝合金 如ZL301 ZL302等 Al Zn铸造铝合金 如ZL401 ZL402等 各类铸造铝合金的牌号 机械性能及用途见表7 2 p100 19 20 7 2铜及铜合金铜及铜合金具有以下性能特点 1 有优异的物理化学性能 2 有良好的加工性能 铜及某些铜合金塑性很好 容易冷 热成型 铸造铜合金有很好的铸造性能 3 有某些特殊的机械性能 例如优良的减摩性和耐磨性 如青铜及部分黄铜 4 色泽美观 铜及铜合金在电气工业 仪表工业 造船工业及机械制造工业部门中获得了广泛的应用 21 7 2 1纯铜 紫铜 纯铜是玫瑰红色金属 表面形成氧化铜膜后 外观呈紫红色 故常称为紫铜 密度为8 96g cm3 熔点为1083 具有面心立方晶格 纯铜主要用于制作电工导体以及配制各种铜合金 工业纯铜中含有锡 铋 氧 硫 磷等杂质 根据杂质的含量 工业纯铜可分为四种 T1 T2 T3 T4 T 为铜的汉语拼音字头 编号越大 纯度越低 22 7 2 2黄铜铜锌合金或以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜 黄铜具有良好的塑性和耐腐蚀性 良好的变形加工性能和铸造性能 在工业中有很强的应用价值 按化学成分的不同 黄铜可分为普通黄铜 特殊黄铜和铸造黄铜三类 表7 3是常用黄铜的牌号 成分 性能和用途 p103 23 1 普通黄铜普通黄铜分为单相黄铜 单相黄铜和双相黄铜三种类型 从变形特征来看 前者适宜于冷加工 而两者只能热加工 常用的黄铜牌号有H70 H62 H59等 H 为黄铜的汉语拼音字首 数字表示平均含铜量 2 特殊黄铜为了获得更高的强度 耐热性 抗蚀性和良好的加工性能 在铜锌合金中加入铝 铅 硅 锰 镍等元素 形成各种特殊黄铜 24 特殊黄铜的编号方法 H 主加元素符号 铜含量 主加元素含量 例如 HPb59 1表示平均成分为59 Cu 1 Pb 余为Zn的铅黄铜 铸造黄铜编号 在编号前加 Z 例如 ZCuZn31Al2表示平均成分为31 Zn 2 Al 余为Cu的铝黄铜 25 26 7 2 3青铜青铜原指铜锡合金 但是 工业上习惯把铜基合金中不含锡而含有铝 镍 锰 硅 铍 铅等特殊元素组成的合金也叫青铜 青铜实际上包含锡青铜 铝青铜 铍青铜等 青铜可分为压力加工青铜 以青铜加工产品供应 和铸造青铜两类 青铜的编号规则是 Q 主加元素符号 主加元素含量 其它元素含量 Q 表示青的汉语拼音字头 如QSn4 3表示成分为4 Sn 3 Zn 其余为铜的锡青铜 铸造青铜的编号前加 Z 表7 4是各种青铜的牌号 成分 性能和主要用途 P107 27 1 锡青铜锡青铜是我国历史上使用得最早的有色合金 也是最常用的有色合金之一 主要用以制造轴承 轴套等耐磨零件和弹簧等弹性元件以及抗蚀 抗磁零件等 工业上用的锡青铜的含锡量一般为3 14 Sn 5 的锡青铜适宜于冷加工使用 含锡5 7 的锡青铜适宜于热加工 大于10 Sn的锡青铜适合铸造 2 铝青铜以铝为主要合金元素的铜合金称为铝青铜 铝青铜的强度和抗蚀性比黄铜和锡青铜还高 它是锡青铜的代用品 常用来制造弹簧 船舶零件等 铝青铜与上述介绍的铜合金有明显不同的是可通过热处理进行强化 28 3 铍青铜以铍为主要合金化元素的铜合金称为铍青铜 它是极其珍贵的金属材料 热处理强化后的抗拉强度可高达1250 1500MPa HB可达350 400 远远超过任何铜合金 可与高强度合金钢媲美 是唯一可以固溶时效强化的铜合金 经过固溶处理和人工时效后 可以得到很高的强度和硬度 铍青铜常用来制造各种重要弹性元件 耐磨零件 钟表齿轮 高温 高压 高速下的轴承 及防爆工具等 但铍是稀有金属 价格昂贵 在使用上受到限制 29 7 3滑动轴承合金简介 1 滑动轴承合金的性能和组织特点 轴承支承轴进行工作 会与轴颈产生摩擦 为减少轴承对轴颈的磨损 对轴承合金有如下要求 较高的抗压强度和疲劳强度 摩擦系数小 表面能储存润滑油 耐磨性好 良好的抗蚀性 热导性和较小的膨胀系数 良好的磨合性 加工性能好 原料来源广 价格便宜 组织特点 软基体上分布硬质点或硬基体上分布软质点 30 2 常用轴承合金简介牌号 ZCh 基本元素 主加元素 主加元素含量 辅加元素含量如 ZChSnSb11 6表示含锑11 和含铜6 的锡基轴承合金 P107表7 5 锡基轴承合金 锡基巴氏合金 铅基轴承合金 铅基巴氏合金 铜基轴承合金 31 7 4粉末冶金材料简介 1 粉末冶金