金属工艺学02篇02章

1金属工艺学第二篇第二章常用合金铸件生产

第一节

铸铁件生产铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。碳在铁碳合金中的存在形式有渗碳体和石墨，是重要的铸造合金。实际生产中，由于铸铁材料具有优良的铸造性能，且资源丰富，冶炼方便，价格低廉，铸铁件占铸造中相当大的份额。Fe-C合金状态图中的铁叫做生铁（又叫白口铸铁），又硬又脆，不能直接使用，只能炼钢或者作为可锻铸铁的原材料。经过石墨化的铁叫铸铁，一般指灰口铸铁，根据石墨形式的不同，（灰口）铸铁可分为：1.灰铸铁：HT，片状石墨，机↓，成本↓2.球墨铸铁：QT，球状石墨，机↑，成本↑3.可锻铸铁：KT，团状石墨，机↑，成本↑4.蠕墨铸铁：RuT,蠕虫状石墨，机↑，成本↑碳在钢中存在的形式：化合态Fe3C固溶态游离态：石墨G石墨的晶体结构

一、一、灰铸铁

——指具有片状石墨的铸铁，是应用最广的铸铁,占80%以上。

1、灰铸铁的性能

显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）和片状石墨组成，相当于在纯铁或钢的基体上嵌入了大量石墨片。灰铸铁的显微组织

一、灰铸铁

（1）机械性能：由于石墨的存在,减少承载面积，有应力集中，抗拉强度和弹性模量低，塑性、韧性差，是脆性材料。铸铁组织=钢的基体+石墨↓多为三种基体：F，F+P，P石墨的性能：

石墨：σb﹤20MPa，δ≈0，HB=3——机械性能极差∴可将石墨看成：空穴、裂纹、夹杂铸铁：σb≈120~250MPa，αk≈0∴铸铁好比充满孔洞的钢

1、灰铸铁的性能

一、灰铸铁

（2）工艺性能：不能锻压和冲压；焊接性能差；铸造性良好；切削加工性好。

（3）优良的减震性：石墨对机械振动起缓冲作用，阻止振动能量的传播。

（4）耐磨性好：石墨本身是一种良好的润滑剂，而石墨剥落后又可使金属基体形成储存润滑油的凹坑。

（5）缺口敏感性小：由于石墨使金属基体形成了大量缺口，因此，外来缺口对灰铸铁的疲劳强度影响甚微。石墨片越圆整、越细小、分布越均匀,则对基体割裂作用越小。

1、灰铸铁的性能

2、影响铸铁组织和性能的因素铸铁的组织和性能与石墨化程度紧密相关。◆铸铁的基体通常有：铁素体灰口铸铁、铁素体—珠光体灰口铸铁、珠光体灰口铸铁。◆铸铁的石墨化：碳以石墨的形式析出的过程。通常是石墨化过程充分与否，会得到不同基体的铸铁组织。石墨化程度越高，石墨数量越多，基体中珠光体含量下降，因此，石墨化程度决定了铸铁的组织。◆C是形成石墨的元素，Si是促进形成石墨的元素。通常C%、和Si%越高，越容易石墨化。石墨化过程分为三个阶段第一阶段石墨化铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶铸铁）和在1154℃（E'C'F'线）通过共晶反应形成共晶石墨。

LC'

→AE'+G(共晶）

第二阶段石墨化在1154℃～738℃温度范围内奥氏体沿E'S'线析出二次石墨。第三阶段石墨化在738℃（P'S'K'线）通过共析反应析出共析石墨。

AE'→FP'+G(共析）

合金元素——化学成分促进石墨化的元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co等）阻碍石墨化的元素（Cr、W、Mo、V、Mn、S等）。

一般来说，碳化物形成元素阻碍石墨化，非碳化物形成元素促进石墨化，其中以碳和硅最强烈。生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。

实际生产中主要依靠调整Si元素含量。影响石墨化的主要因素（2）冷却速度石墨化是靠原子扩散进行的，需要温度和时间。减小冷却速度→可以促进石墨化，易得到粗大的石墨片和铁素体基体-灰口铸铁；增大冷却速度→则阻碍石墨化，此时只有部分碳以细石墨片析出，而另一部分碳则以渗碳体析出，得到白口铸铁，珠光体基体。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。冷却速度主要取决于铸型材料和壁厚。铸件的壁厚↑，冷却速度↓；铸型材料：导热能力↑，冷却速度↑（金属型大于砂型）影响石墨化的主要因素图三角试件不同冷却速度下的组织铸型材料导热能力影响冷却速度；壁厚影响冷却速度，壁越薄则冷却速度↑，越不利于石墨化。铸铁组织示意图

3.灰铁的孕育处理普通灰铸铁石墨呈粗大的片状，力学性能差。目的：提高力学性能，提高断面均匀性。方法：向铁水中加入孕育剂。

（含硅量为75%的硅铁合金）作用：细化石墨，避免铸件表层出现白口。◆灰铸铁的生产特点：灰铸铁通常是冲天炉内熔炼，不需进行炉前处理，直接浇注。灰铸铁的浇注温度较低（1200-1350℃），因而对型砂的要求比铸钢低，一般多采用湿型来铸造。不需要热处理。提高和改善灰口铸铁性能的途径改善基体组织改变石墨形态、数量、大小和分布

粗大的片状石墨是普通灰口铸铁力学性能差的原因之一，晶粒粗大说明结晶时间太长，同时形成的晶核太少。因此，可以通过工艺手段使石墨片变得细小、均匀。

（1）限制石墨晶核过早生成---尽量降低原铁水含碳量，同时适当降低硅含量；此时易生成渗碳体，得到珠光体基体。但易形成白口或麻口;（2）因此在浇注前的铁水中加硅铁或硅钙合金，产生大量的人工晶核，促进石墨形核和结晶。方法思路孕育剂是含Si量为75%的硅铁，将熔炼出的铁水在浇铸前加入质量分数为0.2%～0.7%的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用显著提高，从而得到在细珠光体上均匀分布着细片状石墨的组织。◆选用碳、硅量低的铁水：原铁水含碳量越低，石墨越细小，铸铁的强度、硬度就越高。◆灰口铸铁的孕育处理是提高和改善灰口铸铁的性能的途径行之有效的方法。灰口铸铁的孕育处理方法：

孕育铸铁石墨仍为片状，塑形、韧性仍很低，本质仍属灰口铸铁。另外，含碳、硅量低，浇注温度高，收缩大，有时要冒口补缩，铸造性能比普通灰口铸铁差，工艺较复杂。4.灰铁的分类及牌号

分类牌号基体组织机械性能

HT100F低普通灰铁HT150√F+P中

HT200√P较高

HT250√P较高孕育铸铁HT300P高

HT350P高

铸铁的机械性能取决于：

1）基体的机械性能

2）石墨的数量、粗细、形状及是否均匀分布HT+三位数字-最低抗拉强度二、可锻铸铁KT

（玛铁、延性铸铁、展性铸铁，塑性较好，但仍不可锻）可锻铸铁是由白口铸铁通过石墨化退火处理得到的一种高强铸铁。碳原子聚集形成团絮状石墨。它有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可锻铸铁依靠石墨化退火获得。

◆种类：按退火方法不同黑心可锻铸铁(KTH，铁素体基体)-最常用珠光体可锻铸铁(KTZ)

白心可锻铸铁(KTB，很少用)。◆牌号：KTH300-06，

用KTH表示，后面用数字分别表示其

最抵抗拉强度和伸长率。

◆性能特征：石墨呈团絮状，对基体的割裂作用大大减轻，应力集中也明显降低。强度高σb=300-400MPa，塑性(δ≤12%)和韧性(αk≤30J/cm2)好。不再是脆性材料，但仍不可锻；石墨化退火周期长，40-70h；

铸件小，壁薄，铸件成本高。

硬度珠光体可锻铸铁较低。

课本表2-4为黑心可锻铸铁的牌号、性能及用途。

可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。这些零件用铸钢生产时，因铸造性不好，工艺上困难较大；而用灰口铸铁时，又存在性能不能满足要求的问题。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低、质量稳定、铁水处理简单、容易组织流水生产等优点。尤其对于薄壁件，若采用球墨铸铁易生成白口，需要进行高温退火，采用可锻铸铁更为适宜。

(2)可锻铸铁的用途(3)可锻铸铁的生产和热处理（了解）第一步，低碳、低硅的铁水，先铸造纯白口铸铁，不允许有石墨出现，否则在随后的退火中，碳在已有的石墨上沉淀，得不到团絮状石墨第二步，进行长时间的石墨化退火处理将白口铸铁加热到900℃～960℃，长时间保温，使共晶渗碳体分解为团絮状石墨，完成第一阶段的石墨化过程。随后以较快的速度（100℃/h）冷却通过共析转变温度区，得到珠光体基体的可锻铸铁。若第一阶段石墨化保温后慢冷，使奥氏体中的碳充分析出，完成第二阶段石墨化，并在冷至720℃～760℃后继续保温，使共析渗碳体充分分解，完成第三阶段石墨化，在650℃～700℃出炉冷却至室温，可以得到铁素体基体的可锻铸铁。石墨化退火过程三、球墨铸铁QT

球墨铸铁的显微组织是由球状石墨和钢的基体所组成。在铸态下，金属基体通常是铁素体-珠光体的混合组织，铁素体位于石墨球周围呈现“牛眼状”。通过热处理还可以得到铁素体基体、珠光体基体或下贝氏体基体的球铁。目前，人们已经通过各种工艺手段在铸态下直接获得铁素体或珠光体基体，使球墨铸铁的生产周期缩短，成本降低。

a）F球铁250xb)F+P球铁250xc)P球铁200xd)B下球铁500x

图

球墨铸铁的显微组织

由于球状石墨对基体的割裂作用小，从而使基体强度的利用率从灰铸铁的30%～50%提高到70%～90%，其力学性能远远超过灰铸铁，抗拉强度可与钢媲美，塑性、韧性明显提高，尤其是屈强比（σ0.2/σb）高，更增加了使用的可靠性。

铸造性能：良好

减震性、切削加工性能：良好

耐磨性好：优于表面淬火钢

铸造工艺比铸钢简便，比铸钢成本低。（1）性能特点

球墨铸铁的牌号、力学性能和用途见书中表2-5，其中“QT”表示“球铁”二字的汉语拼音字头，后面的两组数字分别表示最低抗拉强度和最小伸长率数值。（2）牌号

机械性能

牌号基体bMPa0.2MPa5%akkJ/m2HB应用举例QT400-17铁素体40025017600≤179

汽车、拖拉机床底盘零件；16-64大气压阀门的阀体、阀盖QT420-10铁素体42027010300≤207QT500-5铁素体+球光体5003505－147～241

机油泵齿轮QT600-2球光体6004202－2297～302

柴油机、汽油机曲轴；磨床、铣床、车床的主轴；空压机、冷冻机缸体、缸套QT700-2球光体7004902－2297～302QT800-2球光体8005602－2417～321QT1200-1下贝氏体12008401300≥38HRC

汽车、拖拉机传动齿轮球墨铸铁的牌号和机械性能（3）生产过程及特点铁水出炉→球化处理→孕育处理→浇注铸件→

热处理低S、P

稀土Mg合金硅铁粉钢的基体+G球进一步↑（优质铁水）→G球→细化G退火、正火、淬火等化学成分：高C（3.6～4.0%），低S、P温度：铁水出炉时温度要高，1400℃以上铸造工艺：流动性差，提高浇注温度；铸型刚度要大（石墨球膨胀），

采用冒口补缩；挡渣措施等。（4）应用

珠光体型球墨铸铁——柴油机的曲轴、连杆、齿轮；机床主轴、蜗轮、蜗杆；轧钢机的轧辊；水压机的工作缸、缸套、活塞等。

铁素体型球墨铸铁——受压阀门、机器底座、汽车后桥壳等。

蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形态，在光学显微镜下为互不相连的短片，与灰口铸铁的片状石墨类似。所不同的是，其石墨片的长厚比较小，端部较钝。四、蠕墨铸铁四、蠕墨铸铁牌号：

“RuT+数字”，其后的数字表示最低抗拉强度。

例如：RuT420、RuT340、RuT260等2.性能：介于灰铁与球铁之间，铸造工艺性能比球铁好3.生产：灰口铁水+蠕化剂+孕育剂——蠕墨铸铁4.应用：重型机床，大型柴油机机体，缸盖（厚度敏感性比灰铁低）

钢锭模、金属型等（导热性、耐热疲劳性高于球铁。）第二节

铸钢件生产

铸钢比铸铁强度高，韧性好，适于制造承受重载荷的重要零件，但铸造性能差、生产成本高，其应用不如铸铁广泛。近年来，炉外精炼技术可提高钢液的纯净度和钢的强度，控制铸钢的结晶过程，改善铸态组织。合金铸钢的应用日益增多，形成铸铁和铸钢在应用方面的互为补充。

铸造铸钢中约占铸钢总产量的80％以上。铸钢牌号中“ZG”表示铸钢，后面两组数字分别表示屈服点和抗拉强度值。表2-6为铸钢的牌号、化学成分、力学性能及用途。其中，中碳钢0.25%≤wc≤0.60%（ZG230～450至ZG310～570）应用最多。1.铸造碳钢

根据化学成分，铸钢可分为铸造碳钢（铸造非合金钢）、铸造合金钢（铸造低合金钢、铸造合金钢）。一、铸钢的类别和性能

铸造碳钢：新牌号：ZG230-450

旧牌号：ZG25←含C量表示机械性能→

σ0.2σb平均含C=0.25%

<0.25%低碳铸钢

C=0.2～0.6%0.25～0.45%中碳铸钢

0.5～0.6%高碳铸钢铸钢的性能特点1）机械性能高于各类铸铁，特别是塑韧性，形状复杂件；2）铸钢较球墨铸铁质量容易控制，大断面或薄壁铸件；

3）可焊性好，易实现铸-焊联合工艺，生产巨型铸件。

2.铸造合金钢

——为改善性能，在碳钢中添加合金元素的铸钢。牌号：ZG40Cr、ZG45Mn、ZGMn13、ZG1Cr18Ni9

目前，我国的低合金铸钢主要有锰系（ZG40Mn,ZG30MnSi）和铬系（ZG40Cr,ZG35CrMn）两大系列。牌号中“ZG”

后面的数字表示平均含碳量的万分数（平均wc＞1%时不标出，平均wc＜0.1%时，第一位数字为“0”），后面依次为主加元素及其质量分数。当主加元素的质量分数小于0.9%时不标。用于制造高强度齿轮、轴、水压机工作缸、水轮机转子等重要零件。1）铸造低合金钢（合金总量小于5%）

高锰耐磨钢是典型铸造合金钢。

高锰耐磨钢是指在强烈冲击力作用下发生硬化的钢。

具有越撞越硬、不撞不硬的特点，用于制造坦克履带、挖土机掘斗