合金及其熔炼(前四章)

1、孙玉福孙玉福邮箱：邮箱：电话：电话绪绪 论论一、本课程的主要内容一、本课程的主要内容1 1、合金：本课程重点阐述液态成型合金材料（铸造合金）成分、合金：本课程重点阐述液态成型合金材料（铸造合金）成分、工艺因素对其组织和性能的影响，从而正确把握和控制该类合金工艺因素对其组织和性能的影响，从而正确把握和控制该类合金材料的组织和性能。材料的组织和性能。 主要包括：铸铁、铸钢、铸造非铁合金主要包括：铸铁、铸钢、铸造非铁合金2 2、合金的熔炼：重点阐述各种铸造合金的熔炼原理、熔炼工艺，、合金的熔炼：重点阐述各种铸造合金的熔炼原理、熔炼工艺，从而正确制定合理的熔炼工艺，获得优质的

2、合金液。从而正确制定合理的熔炼工艺，获得优质的合金液。 主要包括：铸铁的熔炼、铸钢的熔炼、铸造非铁合金的熔炼。主要包括：铸铁的熔炼、铸钢的熔炼、铸造非铁合金的熔炼。材料的种类：材料的种类：物理化学属性分类金属材料复合材料有机高分子材料无机非金属材料其他分类结构材料功能材料其中金属材料：其中金属材料：1、压力加工成型材料：型、板、管、带、泊、坯、棒材等；、压力加工成型材料：型、板、管、带、泊、坯、棒材等；2、铸造成型材料：即是液态成型材料。、铸造成型材料：即是液态成型材料。二、本课程的前期课程二、本课程的前期课程 材料科学基础材料科学基础 物理化学物理化学 材料成型原理材料成型原理 热处理原理热

3、处理原理三、本课程的特点三、本课程的特点 1、紧密结合和应用前期课程的基本理论，理论性、规律性强；、紧密结合和应用前期课程的基本理论，理论性、规律性强； 2、综合性强；、综合性强； 3、应用性强；、应用性强； 4、内容丰富，涉及知识广泛；、内容丰富，涉及知识广泛； 5、是一门注重培养学生分析、解决问题能力的课程。、是一门注重培养学生分析、解决问题能力的课程。四、本课程的学习方法及要求四、本课程的学习方法及要求l注重课堂听讲，作好记录；注重课堂听讲，作好记录；l阅读相关参考书；阅读相关参考书；l开动脑筋、勤于思考，注意和基本理论的联系，勇于创新；开动脑筋、勤于思考，注意和基本理论的联系，勇于创新

4、；l按时完成作业。按时完成作业。第一篇第一篇 铸铁及其熔炼铸铁及其熔炼一、铸铁和钢一、铸铁和钢 1、铸铁、铸铁C含量大于含量大于2.14%组织中具有共晶组织组织中具有共晶组织2、钢：组织中无共晶组织、钢：组织中无共晶组织二、铸铁的发展史二、铸铁的发展史公元公元513年，晋国铸成铸刑鼎，比欧洲早年，晋国铸成铸刑鼎，比欧洲早1900多年多年春秋战国之交时的铁锛、铁铲，春秋战国之交时的铁锛、铁铲，300年后兴隆铁范的出现标志着年后兴隆铁范的出现标志着铸铁技术已达到高超水平。铸铁技术已达到高超水平。隋唐以后，锻、拔、大型铸件的铸造都有了进一步的提高隋唐以后，锻、拔、大型铸件的铸造都有了进一步的提高新中

5、国成立后，铸造生产技术有了新的突破和发展新中国成立后，铸造生产技术有了新的突破和发展三、铸铁分类三、铸铁分类（一）按铸铁组织中游离的高碳相存在形式分（一）按铸铁组织中游离的高碳相存在形式分 1、灰口铸铁、灰口铸铁 2、白口铸铁、白口铸铁 3、麻口铸铁、麻口铸铁机床床身变速箱壳体外球面轴承座联轴器（二）按铸铁组织中石墨的形态分（二）按铸铁组织中石墨的形态分1、灰铸铁（、灰铸铁（HT）：片状石墨）：片状石墨2、球墨铸铁（、球墨铸铁（QT）：球状石墨）：球状石墨转向器壳体自调式井盖离心铸造球铁铁管3、蠕墨铸铁（、蠕墨铸铁（RuT）：蠕虫状石墨）：蠕虫状石墨载重车制动鼓气缸盖活塞机床耐磨件排气歧管4、

6、可锻铸铁（、可锻铸铁（KT）：团絮状石墨）：团絮状石墨闸阀拖拉机配件（三）按用途分（三）按用途分1、工程结构件用铸铁、工程结构件用铸铁2、特殊用途铸铁、特殊用途铸铁普通灰铸铁（HT）球墨铸铁（QT）蠕墨铸铁（RuT）可锻铸铁（KT）抗磨铸铁耐热铸铁耐蚀铸铁强韧铸铁强韧铸铁减摩铸铁冷硬铸铁第一节第一节 铁铁碳双重相图碳双重相图一、铁碳双重相图一、铁碳双重相图（一）铁（一）铁碳状态图的形成碳状态图的形成第一章第一章 铸铁的结晶及组织的形成铸铁的结晶及组织的形成 热力学上，在一定的条件下高温时的渗碳体能自动分解为奥氏体热力学上，在一定的条件下高温时的渗碳体能自动分解为奥氏体+石墨。石墨。这表明渗碳体

7、的自由能较高，亦即在这个条件下一定成分的铸铁以奥氏体这表明渗碳体的自由能较高，亦即在这个条件下一定成分的铸铁以奥氏体+石石墨的状态存在时具有较低的能量，是出于稳定平衡的状态，说明了奥氏体墨的状态存在时具有较低的能量，是出于稳定平衡的状态，说明了奥氏体+渗渗碳体的组织，虽然亦是在某种条件下形成，在转变过程中也是平衡的，但不是碳体的组织，虽然亦是在某种条件下形成，在转变过程中也是平衡的，但不是最稳定的。最稳定的。 动力学上，从晶核的形成与长大过程的观点来说，以含动力学上，从晶核的形成与长大过程的观点来说，以含C4.3%的共晶成分的共晶成分液体在低于共晶温度的凝固为例：在液体中形成含液体在低于共晶温

8、度的凝固为例：在液体中形成含C 6.67%的渗碳体晶核要比的渗碳体晶核要比形成含形成含C 100%的石墨晶核容易，而且渗碳体是间隙型的金属间化合物，并不的石墨晶核容易，而且渗碳体是间隙型的金属间化合物，并不要求铁原子从晶核中扩散出去，因此，在某种条件下，奥氏体要求铁原子从晶核中扩散出去，因此，在某种条件下，奥氏体+石墨的共晶转石墨的共晶转变的进行还不如莱氏体共晶转变顺利。变的进行还不如莱氏体共晶转变顺利。 由此可见，从热力学观点上看，由此可见，从热力学观点上看，FeFe3C相图只是介稳定的，相图只是介稳定的，FeC（石（石墨）相图才是稳定的。从动力学观点看，在一定条件下，按墨）相图才是稳定的。

9、从动力学观点看，在一定条件下，按FeFe3C相图转变相图转变亦是可能的，因此就出现了二重性。亦是可能的，因此就出现了二重性。（二）铁（二）铁碳双重相图及分析碳双重相图及分析 石墨是稳定相，而渗碳体却有分解成石墨和铁素体的倾向。温度愈石墨是稳定相，而渗碳体却有分解成石墨和铁素体的倾向。温度愈高，分解愈快。前者为稳定系统，后者为准稳定系统，在铁碳合金中，高，分解愈快。前者为稳定系统，后者为准稳定系统，在铁碳合金中，是依条件的不同而引成这两种不同的系统。是依条件的不同而引成这两种不同的系统。 为了研究和使用方便，常将上述两种状态图绘制在一个座标系中。为了研究和使用方便，常将上述两种状态图绘制在一个座

10、标系中。虚线都位于相应的点线的左上方，表明同一成分的铁碳合金石墨的析出虚线都位于相应的点线的左上方，表明同一成分的铁碳合金石墨的析出温度比渗碳体高，同时还表明同一温度下，铁温度比渗碳体高，同时还表明同一温度下，铁石墨系统中碳在固溶体石墨系统中碳在固溶体中的饱和溶解度比铁中的饱和溶解度比铁渗碳体中为小。渗碳体中为小。 热力学条件占优势，系统将按稳定系凝固，获得热力学条件占优势，系统将按稳定系凝固，获得Lc +G（含（含 C量量100%） 动力学条件占优势，系统将按介稳定系统凝固，获得动力学条件占优势，系统将按介稳定系统凝固，获得Lc +Fe3C（含（含C量量6.69%）（三）几个重要的概念（三）

11、几个重要的概念1 1、铁、铁碳碳硅准二元相图在表达硅元素对铸铁结晶过程影响的硅准二元相图在表达硅元素对铸铁结晶过程影响的作用。作用。（1 1）共晶点和共析点含碳量随硅量的增加而减少。）共晶点和共析点含碳量随硅量的增加而减少。（2 2）硅的加入使相图上出现共晶，共析转变的三相共存区。）硅的加入使相图上出现共晶，共析转变的三相共存区。（3 3）随硅量的增加，稳定系和介稳定系共晶和共析的转变温度范围的差别）随硅量的增加，稳定系和介稳定系共晶和共析的转变温度范围的差别加大；加大；（4 4）硅量的增加，还缩小了相图上的奥氏体区。硅量）硅量的增加，还缩小了相图上的奥氏体区。硅量10%10%以后，奥氏体区以

12、后，奥氏体区消失。消失。2、碳当量和共晶度、碳当量和共晶度 CE = C+1/3 (SiP) Sc = C铁铁/Cc = C铁铁/ 4.26%1/3(SiP) C铁铁铸铁实际含碳量；铸铁实际含碳量；Cc稳定态共晶点含硅量稳定态共晶点含硅量（%）CE4.26%为过共晶成分，为过共晶成分，CE=4.26%为共晶成分，为共晶成分，CE1为过共晶，为过共晶，Sc=1为共晶，为共晶，Sc1时，金属氧化膜具有保护性的必要条件，当1时,所生成的氧化膜疏松、多孔，不可能完全覆盖整个金属表面。合金元素的影响 合金元素选择原则： 合金元素氧化物PB比大于1，且具有低的导电率 合金元素对氧的亲和力大于铁，即具有先于

13、主金属氧化或能还原主金属氧化物的条件 合金元素的氧化物与主金属铁的氧化物互不溶解，即合金元素的氧化物能单独存在 防止最有效的氧化的元素：Al、Si、Gr基体及石墨特征的影响 石墨越粗大、越连续、数量越多，氧化气氛沿石墨侵入金属基体内部就越严重，氧化过程更加迅速。 球状石墨比片状石墨抗氧化性好，蠕虫状石墨抗氧化性介于球状石墨和片状石墨中间。二、铸铁在高温下的生长二、铸铁在高温下的生长（一）低于相变（一）低于相变( )温度时的生长温度时的生长 低温生长发生在400600范围内，生长机理是珠光体分解为铁素体和石墨。铸铁的低温生长与珠光体的分解密切相关，温度越高，越接近相变温度，铸铁的生长量越大；珠光

14、体稳定性越差，珠光体分解量越多，铸铁的生长量越大。防止铸铁低温生长措施： 使铸铁在使用温度下全部为铁素体基体，可采用提高硅含量使铸铁得到完全铁素体基体，或采用低温石墨化退火处理来获得全部铁素体基体； 加入增加珠光体稳定性的合金元素或降低硅含量，阻止受热时珠光体的分解，可加入铬，锡等元素。（二）（二） 在相变温度范围时的生长在相变温度范围时的生长 防止铸铁在相变温度范围内灾难性生长措施：防止铸铁在相变温度范围内灾难性生长措施：提高铸铁相变温度，使零件的工作点温度低于铸铁的相变温度；在允许条件下，调整工作温度，使铸铁在工作温度范围处于单相组织状态，可以加入铝、硅、铬等合金元素以提高相变点温度并使其成为单相组织。（三）（三） 高于相变温度时的生长高于相变温度时的生长三、常用的耐热铸铁三、常用的耐热铸铁（一）中硅耐热铸铁（一）中硅耐热铸铁 应用范围：应用范围：不受冲击和温度低于800950 的锅炉炉栅、横梁、换热器、节气阀等零件上。 成分选择：成分选择：5%6%的硅，2.2%2.6%的碳，过高的碳量将产生过多的初生石