第三节 常用合金的铸造

第三节常用合金的铸造常用合金：铸铁、铸钢和非铁合金中的铝、铜合金一、铸铁的铸造铸铁：含碳量大于2.11%（通常为2.4%-4.0%）的铁碳合金。组元wC

wSi

wMn

wP

wS

wFe

成分（%）2.4~4.00.6~3.00.4~1.2≤0.3≤0.15其余铸铁的常用成分范围

根据碳在铁中的存在形式的不同，铸铁可分为：白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁。1、白口铸铁：2、灰口铸铁：3、麻口铸铁：碳除极少量溶于铁素体外，都以渗碳体Fe3C的形式存在，断口呈银色，硬而脆，很难切削加工，很少直接用于制造各种铸铁零件。组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻点，故而得名。〔莱氏体是珠光体P（F+Fe3C）

+渗碳体Fe3C）〕碳大部或全部以石墨形式存在，断口呈暗灰色。4．蠕墨铸铁：其石墨呈蠕虫状。如图d所示。

abcd根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：1．普通灰铸铁：简称灰铸铁，其石墨呈片状。如图a所示。2．可锻铸铁：其石墨呈团絮状。如图b所示。3．球墨铸铁：其石墨呈球状。如图c所示。

灰口铸铁的基体因其石墨化程度的不同有：铁素体、铁素体+珠光体、珠光体三种基本组织。

灰口铸铁的基体组织与钢相近，其性能也相近。灰口铸铁的抗压强度、硬度、耐磨性主要取决于基体，因此与钢接近。但因石墨的强度、硬度、塑性和韧度近于零，对基体起有割裂作用，故灰口铸铁的抗拉强度、塑性和韧度较钢低，降低的程度主要取决于石墨的形态。

石墨的存在又使灰口铸铁具有较钢优异的其它性能，其价格较钢低廉，因此在工业上应用很广。（一）灰铸铁的铸造

（1）具有良好的铸造性能具有接近共晶的化学成分，熔点比钢低，流动性好，凝固过程中析出比容较大石墨，使铸铁收缩率小。

（2）铸造工艺简单主要用砂型铸造，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。

（3）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，只有厚壁铸件铸造时才采用定向凝固原则。工艺简单、成本最低、应用最广，占铸铁总产量的80%以上。1、灰铸铁的铸造特点

（1）显微组织：金属基体（F、F+P、P）与片状石墨（G）所组成。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2、灰铸铁片状石墨的析出与孕育处理（2）灰铸铁片状石墨的析出碳、硅含量过低，冷却速度过快，石墨化程度越小，易出现白口组织。①应保证灰铸铁的化学成分：WC=2.6%~3.6%，WSi=1.2%~3.0%。碳以石墨形式析出的现象称为石墨化。确保石墨化进行的条件：

②应具有适当缓慢的凝固冷却速度。

碳、硅含量越高，冷却速度越慢，析出的石墨片愈多、愈粗大，基体组织中铁素体量增多，珠光体量减少，铸铁的力学性能下降。铸铁中的碳可以以化合态渗碳体和游离态石墨两种形式存在。生产中可通过控制碳、硅含量与冷却速度得到不同组织与性能的灰铸铁。影响冷却速度的因素1）铸型材料2）铸件壁厚

铸件壁愈厚，冷却速度愈慢，则石墨化倾向愈大，愈易得到粗大的石墨片和铁素体基体。铸型材料导热能力不同。金属型冷却速度快，以致石墨化受到阻碍，铸件容易产生白口组织。砂型冷却速度缓慢，容易获得灰口组织，这也是砂型广泛用于铸铁件生产的重要原因之一。（3）灰铸铁的孕育处理

熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、低硅的高温铁水，向铁水中冲入细颗粒的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然提高，从而得到在细晶粒珠光体上均匀的分布着细片状石墨的组织。

孕育铸铁：向铁液中冲入含硅75%硅铁或硅钙合金等孕育剂，然后再进行浇注，可使铸铁中的石墨片细小而分布均匀，并获得很细的珠光体基体组织，这种灰铸铁称为孕育铸铁。（加入量为铁水重量的0.25-0.6%。）孕育处理的实质：通过控制灰铸铁的化学成分和凝固冷却速度，只能获得粗片状石墨，这种灰铸铁称为普通灰铸铁。1、强度比普通灰铸铁显著提高。孕育铸铁的优点：2、铸铁组织和性能受冷却速度的影响较小，使厚壁铸件沿截面的性能较均匀，故适于制造厚大铸件。还可避免铸件表层与薄壁处出现白口组织。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：

孕育铸铁适用于静载荷下要求较高强度、高耐磨性或高气密性铸件，特别是厚大铸件。如重型机床床身，汽缸体、缸套及液压件等。①孕育铸铁原铁水的碳、硅含量不能太高；②原铁水出炉温度不应低于1400℃；③经孕育处理后的铁水必须尽快浇注，以防止孕育作用衰退。必须指出：（1）灰铸铁的性能特点：

①抗拉强度低，塑性、韧性≈0，抗压强度、硬度、耐磨性≈钢；

②减磨性与切削性好；③吸振、消振性好；3、灰铸铁的性能特点、牌号、应用和热处理

④低的缺口敏感性。（2）灰铸铁的牌号和应用牌号：用汉语拼音“HT”和三位数表示，数字表示其最低抗拉强度值σb

（Mpa）。灰铁牌号和应用见教材中P48表1—13。应用：灰铸铁常用于制造机床床身、机座、导轨、衬套和活塞环等要求耐压、消振、减磨耐磨的零件。HT100灰铁σb（3）灰铸铁的热处理①消除内应力退火：对精度要求较高或大型复杂的灰铸铁件，如床身、机架等，在切削加工以前应进行消除内应力退火。②消除白口退火：用于表层或薄壁处出现白口组织的灰铸铁件。③接触电阻加热表面淬火：对表面要求高硬度、高耐磨的导轨等灰铸铁件，可采用接触电阻加热方法进行表面淬火，使表层的基体组织成为细小马氏体组织。（二）球墨铸铁的铸造（1）具有良好的铸造性能，但缩孔、缩松倾向大。可增设冒口、冷铁实现定向凝固，以便于补缩。增加型砂紧实度，采用干砂型或水玻璃快干砂型，并使上下型牢固夹紧，以增加铸型刚度，防止型腔扩大。（3）球墨铸铁件易出现皮下气孔应严格控制球墨铸铁的杂质含量和型砂中的水分。（2）白口倾向较大，适宜制造壁厚较大铸件。1、球墨铸铁的铸造特点

2、球墨铸铁球状石墨的析出与孕育处理（1）显微组织：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），最常用的是珠光体基体和铁素体基体的球墨铸铁。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）珠光体球墨铸铁球化处理工艺有冲入法和型内球化法。（2）球化处理球化剂的作用是使石墨结晶时呈球状析出。

球化剂：稀土镁合金，加入量一般为铁水重量的1.0-1.6%。冲入法球化处理的方法：球化剂密度较小，故其加入以冲入法最为普遍，如图所示。它是将球化剂放在铁液包的堤坝内，上面铺以硅铁粉和稻草灰，以防球化剂上浮，并使其缓慢作用，然后将相当于铁液包容量2/3左右的铁液冲入包内，使球化剂与铁液充分反应。孕育剂的作用：促进铸铁石墨化，防止球化元素所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：含硅75%的硅铁或硅钙合金，加入量为铁水质量的0.4%~1.0%。（3）孕育处理（4）铁液：碳、硅含量较高：WC=3.6%~4.0%

WSi

=2.0%~3.2%低硫、磷：硫会影响球化效果，并使铸件产生皮下气孔；低磷可以改善铸铁的塑性与韧度。较高的铁水温度:出炉的铁水温度必须高达1400℃以上。球化孕育处理后的铁液应及时浇注，以防止孕育和球化作用衰退。解释（3）球墨铸铁孕育处理的方法：

球墨铸铁的球化处理必须伴随孕育处理，常用的孕育剂为75%的硅铁或硅钙合金，加入量为铁水质量的0.4%~1.0%。在铁液包内的球化剂与铁液充分反应后，将孕育剂放在炼铁炉出铁槽内，用相当于1/3铁液包容量的铁液将其冲入包内，进行孕育。解释（4）球墨铸铁的铁液：1、碳、硅含量高由于球化剂阻碍石墨化，使铸铁白口倾向加大，因此球墨铸铁的硅、碳含量较灰铸铁高。由于球化剂使白口倾向加大，球墨铸铁适宜制造厚壁铸件，不宜制造薄壁件。2、低硫、磷由于硫会与镁形成MgS而增球化剂损耗，严重影响球化质量，且MgS又会与型砂中的水分作用，使铸件产生皮下气孔，因此应严格控制硫含量。此外还应低磷，以改善球墨铸铁的塑性与韧度。（1）球墨铸铁的性能特点：

3、球墨铸铁的性能特点、牌号、应用与热处理

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%。①抗拉强度、塑性和韧度较灰铸铁显著提高。屈强比高，疲劳强度可与钢媲美。②良好的耐磨性和减磨性，缺口敏感性小，切削加工性能好，减振性低于灰铸铁但优于钢。在制造曲轴、凸轮轴等受载较大、承受振动和一定冲击、要求耐磨损的铸件方面正在逐步取代锻钢。（2）球墨铸铁的牌号和应用牌号：用汉语拼音“QT”和两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度σb

（Mpa）和最低伸长率δ

（%）。球铁牌号和应用见教材中P50表1—15。QT500-07球铁σbδ（3）球墨铸铁的热处理①获得F，提高塑、韧性的退火。②获得P，提高强、硬度的正火。退火、正火、调质、等温淬火、表面淬火等。③获得回S，提高综合力学性能的调质。④等温淬火、表面淬火等。（三）可锻铸铁的铸造

可锻铸铁是由一定化学成分的铁水先铸成白口铸铁，再经石墨化退火获得。（1）铸出白口坯料

1）碳、硅含量要低。通常为2.2~2.8%C，1.0~1.8%Si。2）冷却速度要快。适宜制造薄壁小型铸件，不宜制造大型铸件。1、可锻铸铁的铸造特点与团絮状石墨的析出（2）石墨化退火

（3）显微组织：金属基体和团絮状石墨组成。可锻铸铁的显微组织a)铁素体可锻铸铁b）珠光体可锻铸铁生产周期长、工艺复杂、生产率低、能耗大、成本高，某些传统可锻铸铁零件已逐渐被球墨铸铁所代替。（1）可锻铸铁的性能特点：

2、可锻铸铁的性能特点、牌号、应用

团絮状石墨对基体的割裂作用较片状大大降低。①高强度灰铸铁，塑性和冲击韧度显著优于灰铸铁，力学性能稍低于球墨铸铁。②可锻铸铁不可锻。③适于制造形状复杂、壁厚极薄和强韧性要求较高的小铸件，如壁厚1.7mm的三通管件。可锻铸铁的牌号用汉语拼音和两组数字表示，第一组数字表示其最低抗拉强度σb

（Mpa），第二组数字表示其最低伸长率δ（%）。KTH300—06

KTZ450—06

可铁黑可铁珠σbδσbδ（2）可锻铸铁的牌号和应用“H”表示黑心可锻铸铁，基体为铁素体。“Z”表示珠光体可锻铸铁，基体为珠光体。牌号和应用见教材中P52表1—16。（四）蠕墨铸铁的铸造1、蠕墨铸铁蠕虫状石墨的析出

在一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂，从而使大部分石墨呈蠕虫状析出，少量为球状析出。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。蠕墨铸铁的显微组织（1）性能特点：

2、蠕墨铸铁的性能特点及应用

蠕虫状石墨对基体的割裂作用介于片状和球状之间，故力学性能也介于相同基体组织的灰铸铁和球墨铸铁之间。具有较高的强度、一定的韧度和较高的耐磨性，同时又兼有灰铸铁的良好铸造性能和减振性。

蠕墨铸铁用于制造气缸盖、气缸套、钢锭模、轧辊模、玻璃瓶模和液压阀等铸件。（2）应用：

铸铁的分类石墨的析出铸造特点铸铁组织铸铁性能铸铁牌号铸铁的应用铸铁的热处理1．碳素钢（碳素铸钢）2．合金钢1）低碳钢2）中碳钢3）高碳钢C<0.25%C=0.25~0.45%C=0.50~0.60%1）低合金钢2）中合金钢Me≤5%5%＜Me＜10%铸造性能差、应用较少。铸造性能较好、应用广泛。铸造性能差、应用较少。二、铸钢的铸造分类：碳素铸钢的应用最广，占总产量的80%以上。3）高合金钢Me≥10%（一）铸钢的铸造特点

铸钢的熔点高（约1500℃），流动性差、收缩率大，铸造性能差，熔炼过程中易氧化、吸气，铸件易产生粘砂、浇不到、冷隔、缩孔、缩松、变形、裂纹、气孔和夹渣等缺陷。为保证铸件质量，工艺上常采取以下措施：（1）铸钢用型（芯）砂应具有高耐火性，良好的透气性、强度和退让性，低发气性。采用干砂型或水玻璃砂快干型高耐火度石英砂砂中加入糖浆、木屑等型腔表面涂刷一层耐火涂料（2）配置大量补缩冒口和冷铁，实现定向凝固。

（3）严格掌握浇注温度，防止过高或过低。浇注温度根据钢号和铸件结构来定，一般为1500~1650℃。

低碳钢、薄壁小件或结构复杂容易浇不足的铸件，可适当提高浇注温度。

高碳钢、厚壁大件及容易产生热裂的铸件，可适当降低浇注温度。（二）碳素铸钢的性能特点、牌号、应用与热处理

最适宜制造承受重载荷及冲击载荷的形状复杂的零件，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。1、性能特点：（1）铸钢强度、塑性和韧度高于各类铸铁。（2）焊接性能优良，可采用铸、焊联合工艺制造大型零件。（3）铸造性能、减震性和缺口敏感性都比铸铁差。2、牌号与应用：牌号：牌号中“ZG”为“铸钢”，其后的两组数字分别表示最低屈服强度与最低抗拉强度（MPa），“H”为“焊”字的汉语拼音字首，表示焊接结构用碳素铸钢。ZG200—400

ZG200—400H

铸钢最低屈服强度最低抗拉强度铸钢最低抗拉强度最低屈服强度焊接结构用碳素铸钢牌号和应用见教材中P54表1—17。3、铸钢的热处理退火：退火件应力较正火件小，用于形状复杂、容易产生裂纹或正火易硬化的铸钢件。正火：正火件力学性能高于退火件，且成本低，应尽量采用。铸钢件的晶粒粗大，组织不均匀，且常存在残余内应力，会降低铸钢件的强度，特别是塑性和冲击韧度，必须对其进行退火、正火热处理。三、铜、铝合金的铸造铸造黄铜有相当高的力学性能，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，有良好的铸造性能。1、铸造黄铜（Cu-Zn）

（一）铸造铜合金铸造黄铜常用于生产重载低速下或一般用途下的轴承、衬套、齿轮等耐磨件和阀门及大型螺旋桨等耐蚀件等。2、铸造青铜是以锌与镍以外的元素为主要合金元素的铜合金。如锡青铜、铝青铜、铅青铜等。

锡青铜是最普通的青铜，其