常用铸造合金材料

第2章铸造成形2.3常用铸造合金材料1.铸铁2.铸钢3.非铁铸造合金2.3常用铸造合金材料2.3.1铸铁铸铁：是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金；铸铁生产工艺简单、成本低，是使用最早、应用最广泛的材料之一。铸铁的分类铸铁的石墨化铸铁的熔炼常用铸铁的特点及应用1.铸铁的分类白口铸铁：以Fe3C形式存在，无石墨，断口呈银白色；

硬而脆，少用；但可制作耐磨件或作为冶炼钢铁的原料灰口铸铁：主要以游离石墨的形式存在，断口暗灰色；

应用广泛，在我国铸铁与钢应用比例为0.46：1麻口铸铁：以Fe3C＋石墨形式存在，断口呈灰白色；

脆性大，少用按碳的存在形式普通铸铁合金铸铁（特殊性能铸铁）按化学成分

按石墨的形态(灰口铸铁分类)灰铸铁：石墨呈粗片状可锻铸铁：石墨呈团絮状球墨铸铁：石墨呈球状蠕墨铸铁：石墨蠕虫状白口灰口2.铸铁的石墨化铸铁中碳的存在形式少量固溶在F、A中化合态的渗碳体(Fe3C)游离态石墨（G）

石墨：碳的单质之一，强度、硬度很低，塑性几乎为零。

Fe3C：亚稳态，在高温下可分解：

Fe3C→3Fe+C（石墨G）石墨化：指铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程。可以在结晶过程中直接析出，也可以由渗碳体加热时分解得到。铁素体基体球墨铸铁FG共晶白口铸铁Ld′

影响铸铁的石墨化因素

促进石墨化元素：C、Si、Al、Cu、Ni、Co等阻碍石墨化元素：Mn、Cr、W、Mo、V、S等原因：WC↑、WSi↑，有利于石墨的形核和析出。

化学成分

冷却速度

铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散和聚集，有利于石墨化。冷却速度越慢，越有利于石墨化过程。

高温慢冷C→G；冷速较快时铁液L→Fe3C

影响铸件冷却速度的因素（1）铸型材料

金属铸型导热快，铸件的冷却速度快，不利于石墨化，易产生白口组织（Fe3C

）。砂型导热慢，铸件易获得灰口组织（G）。这也是砂型铸造仍然被广泛应用的重要原因。主要有两个铸型材料铸件壁厚

（2）铸件壁厚（图示）同一铸件，厚壁处冷却慢，有利于石墨化，易获得灰口组织；

薄壁处冷却快，不利于石墨化，易得到白口组织。铸件中白口组织的产生，使此处硬度较高，难以切削加工，应避免。

灰口铸铁的组织特点组织：钢的基体＋石墨（G）基体组织有三种：F、P和（P＋F）性能：P基体强度、硬度最高，F基体强度、硬度最低。铁素体基体（P＋F）基体珠光体基体3.铸铁的熔炼冲天炉的构造设备：冲天炉（图示）或感应电炉原料：焦炭、生铁、废钢、硅铁、锰铁等过程：

经底焦的燃烧，金属料预热、熔化和过热、冶金反应等过程获得所需铁液。铸铁的组织和性能通过调整硅量实现。炼铁2.3.2常用铸铁的特点及应用灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁常用铸铁的种类：灰口铸铁合金铸铁灰口铸铁的分类和牌号表示方法种类石墨形态基体组织编号方法牌号举例灰铸铁片状FHT100F+PHT150PHT200可锻铸铁团絮状FKTH×××—××KTZ×××—××KTH300-06PKTZ450-06球墨铸铁球状FQT400-15F+PQT600-03PQT700-02蠕墨铸铁蠕虫状FRuT260F+PRuT300PRuT420球墨铸铁代号QT×××—××最低抗拉强度值（MPa）最低断后伸长率（%）RuT×××最低抗拉强度值（MPa）蠕墨铸铁代号HT×××最低抗拉强度值（MPa）灰铸铁代号（数字含义同球铁）1.灰铸铁

成分：2.5～4.0%C；1.0～3.0%Si；少量Mn

、S、P等。

组织：F+片状G；F+P+片状G；P+片状G；

性能：抗压不抗拉，塑性差，铸造性能和切削加工性能好；耐磨减摩、减震性好，压力加工和焊接性能差。

用途：常利用灰铸铁的减震和抗压性能，制作机床底座、床身、

工作台、导轨、箱体等。F基体+片状G(F+P)基体+片状GP基体+片状G指石墨呈片状分布的灰口铸铁。

灰铸铁的孕育处理孕育处理：

浇注前，在铁水中加入孕育剂（硅铁或硅钙合金），增加晶核数量，提高形核率，从而获得细小且均匀分布的石墨片和珠光体组织，并降低产生白口倾向，这个过程称为孕育处理。目的：改善灰铸铁的组织，提高其力学性能。孕育处理后孕育处理前硅铁硅钙

孕育铸铁：经过孕育处理的灰铸铁，称为“孕育铸铁”

性能：强度、硬度比普通灰铸铁明显提高。（见表）

用途：制造力学性能要求较高的铸件。如受力较大的机座、卡盘、阀体、大型发动机的曲轴，尤其是截面尺寸变化较大的铸件。变速箱体重型机床床身(HT-250)大型船用柴油机汽缸体(HT-300)灰铸铁中，石墨为片状，对基体的割裂作用最强，抗拉强度只有碳钢的30～50%，热处理强化效果不大。灰铸铁的热处理热处理只改变铸铁的基体组织，不改变石墨形态。常用热处理工艺：①去应力退火：500~550℃

目的：防止机加工、使用时变形或开裂。

②高温退火：850~890℃

目的：使铸件表面、薄壁等白口处的Fe3C→G，消除白口组织，硬度↓切削加工性↑③表面淬火：提高导轨表面、汽缸体内壁等的耐磨性。2.可锻铸铁—玛钢牌号：如KTH300-06，表示抗拉强度≥300MPa，断后伸长率≥6％。

指石墨呈团絮状的灰口铸铁，由亚共晶白口铸铁经长时间石墨化退火（900～960℃）获得。性能：抗拉强度比灰铸铁高，为碳钢的40~70%，接近于铸钢；有一定塑性和韧性。但仍不可锻造。铁素体基体黑心可锻铸铁珠光体基体可锻铸铁断口心部呈黑色应用：形状复杂、承受冲击和振动载荷的小型薄壁零件，如汽车的后桥外壳、管接头、低压阀门、扳手等。2.可锻铸铁—玛钢2应用1生产3.球墨铸铁是石墨呈球状分布的灰口铸铁，简称球铁。组织：钢基体+球状G

基体组织有F、P、（P+F）3种类型F基体＋球状GP基体＋球状G(P＋F)基体＋球状G牌号：QT×××-××（如QT600-03）

性能特点：与其它灰口铸铁比较，石墨球对基体的割裂作用减小到最低程度，可充分发挥基体的性能。球墨铸铁中基体强度利用率可达70～90%，灰铸铁只有30～50%。

抗拉强度、弯曲疲劳强度、塑性、韧性都比灰铸铁有很大提高。其突出特点是屈强比高，可达0.7～0.8，而钢一般只有0.3~0.5。可“以铁代钢”热处理工艺性好。可热处理或合金化，提高其性能。3.球墨铸铁

（2）生产工艺：球化处理＋孕育处理②同时，加入硅铁或硅钙铁等孕育剂，增加石墨球数量，减少石墨球尺寸，防止白口出现。①浇注前，在铁水中加入球化剂（稀土镁合），使石墨呈球状析出。（1）铁液成分

3.6～3.9%C；2.0～2.8%Si；少量Mn，低S、P球墨铸铁的生产

球墨铸铁较灰铸铁易产生缩孔、缩松、气孔和夹渣等缺陷，需采取工艺措施，予以防止。

钢的热处理工艺都可用于球墨铸铁，如退火、正火、表面淬火、调质处理、等温淬火等，以获得不同组织，达到不同的性能要求。热处理后的基体组织：

可有P、S回、B下、M回等，满足不同使用性能要求。

球墨铸铁的热处理用途：用于受力复杂、负荷较大、要求耐磨的铸件.（F+G）：制作汽车、拖拉机底盘零件，阀体、阀盖。（F+P+G）：塑韧性较好，可制作机油泵齿轮。（P+G）：强度较高，可代替中碳钢制作柴油机或内燃机的曲轴、连杆、轧辊、凸轮轴等。M回+G或B下+G：用于制作汽车、拖拉机的传动齿轮。应用指大部分石墨呈蠕虫状分布的灰口铸铁。牌号：RuT×××成分：高C、Si，低Mn、P、S性能：力学性能介于基体相同的灰铸铁和球墨铸铁之间；气密性、耐磨性比灰铸铁好；减震性比球铁好，但不如灰铸铁；铸造工艺性与灰铸铁相近，切削加工性与球铁相近。组织：钢基体+蠕虫状G生产：蠕化处理→孕育处理用途：制造汽车的汽缸盖、活塞环和制动盘，电机壳，重型机床和大型柴油机的机体。4.蠕墨铸铁

5.合金铸铁耐蚀合金铸铁：加入Si、Al、Cr、Cu、Ni等，在铸铁表面形成致密的保护膜，减少各相间的电位差；制造化工管道、阀门等。

耐磨合金铸铁：加入Cr、V、Mo、Ti、Re等；制造大型球磨机衬板等。

其它：激冷铸铁、高磷铸铁、高铬耐磨铸铁等。高强度合金铸铁：加入Cr、Ni、Cu、Mo等，增加基体中珠光体数量并细化组织，从而显著提高铸铁强度；制造曲轴、连杆等。耐热合金铸铁：加入Si、Al、Cr等，使铸件表面形成致密的SiO2、

Al2O3、CrO3等氧化膜，制造加热炉的炉底板、烟道挡板等。

合金铸铁应用课堂练习一、填空灰口铸铁中碳主要以

形式存在，硬度低，塑性差。灰铸铁中石墨的形态为

，可制造

。可锻铸铁中石墨的形态为

，可制造

。球墨铸铁中石墨的形态为

，可制造

。蠕墨铸铁中石墨的形态为

，可制造

。影响石墨化的主要因素是

和

。球墨铸铁的强度、塑韧性均较灰铸铁高，是因为

。HT200牌号中“HT”表示

，“200”表示

。QT600-03牌号中“QT”表示

，“600”表示

，“03”表示

。二、判断1.灰口铸铁可以经过热处理改变基体组织和石墨形态。2.可锻铸铁在高温时可以进行锻造加工。3.可以通过球化退火使灰铸铁变成球墨铸铁。4.可通过调质处理或等温淬火提高球墨铸铁的力学性能。5.灰铸铁可通过表面淬火，提高其表面硬度和耐磨性。课堂练习2.3.3铸钢主要内容：铸钢的分类铸造碳钢铸造合金钢：低合金铸钢

高合金铸钢铸钢件的生产指在铸造工艺中使用的钢，碳的质量分数一般在0.15～0.60％。

2.3.3铸钢1.铸钢分类

1）铸造碳钢：性能特点：强度和塑性、韧性高于铸铁，但铸造工艺性差。（原因：熔点高，钢液易氧化，流动性差，收缩率大。）热处理：铸钢件必须经过退火或正火处理，改善组织和性能，消除铸造应力，才能使用，但不宜淬火处理。牌号：ZG+数字—数字例：ZG270-500铸钢代号屈服强度值抗拉强度值使用态组织：P＋F（主要牌号及应用见教材58页）铸造碳钢的应用

对于形状复杂、难以用锻造成形、用铸铁又不能满足其性能要求的零件，可采用铸钢件。例如：水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等。5000吨水压机横梁

双进双出磨煤机大齿轮

2）铸造合金钢铸造碳钢+合金元素（如Mn、Si、Cr、Mo、V等）编号方法：在一般合金钢牌号前加“ZG”表示铸钢主要牌号及用途

低合金铸钢：ZG40Mn、ZG30MnSi、ZG30CrMnSi，制造齿轮、水压机工作缸、水轮机转子等；ZG40Cr常用于制造高强度齿轮、轴等重要受力零件。

高合金铸钢：合金元素的质量分数超过10%以上，属特殊性能钢。例如，ZGMn13耐磨钢主要用于制造挖掘机的斗齿、拖拉机和坦克的履带板、火车轮等；不锈钢主要用于化工、石油及医药设备的阀、泵及容器等。

2.铸钢件的生产1）铸钢的铸造性能2）铸钢的熔炼3）铸钢件的热处理1）铸钢的铸造性能

铸钢的铸造性能差。原因：与铸铁相比，熔点高，钢液易氧化和吸气，流动性差；收缩率较大；易产生浇不足、气孔、缩孔、热裂纹、粘砂等缺陷。生产铸钢件的工艺措施（1）提高对型砂性能的要求。（2）合理使用耐火涂料。铸型表面涂以耐火度高的涂料，防止粘砂。（3）采取合理的铸造工艺。

主要是合理安放冒口和冷铁，实现顺序凝固并达到补缩效果，防止缩孔和缩松产生。例：铸钢齿轮的铸型工艺。横浇道直浇道特点：冒口多，并且间隔安放冷铁，中间设计了一个大大的顶冒口，实现顺序凝固和补缩。2）铸钢件的热处理

铸钢件必须经过退火或正火处理才能使用；但不易淬火，易开裂。

原因：晶粒粗大，铸造应力大，且存在铸造缺陷，使铸钢件力学性能较差。退火或正火目的：细化晶粒，消除铸造应力，改善力学性能。电弧炉炼钢示意图2）铸钢的熔炼主要有两种：电弧炉炼钢和感应电炉炼钢

一般，大规模生产或浇注大型铸件采用电弧炉炼钢（图示），与常规钢材生产的冶金炼钢不同，所用已是钢料，这里“炼”只是对钢的化学成分进行微调。

电弧炉是以三个石墨电极与金属炉料之间引燃电弧产生的热量来熔炼金属，常用容量（每炉所炼钢液量）为5～10吨。电弧炉可倾斜将钢液倒入钢包。感应电炉练钢利用感应线圈产生感应电流通过钢料本身电阻，产生的电阻热来熔炼金属。感应电炉的容积偏小，多用于浇注中小铸钢件。2.3.4非铁铸造合金常用有铜合金铸件和铝合金铸件，具有良好的物理和化学性能。铜合金、铝合金铸造特点：熔化设备：坩埚炉。熔化时，金属料与燃料不直接接触，以减少金属的损耗，并保证金属的洁净。液态下易氧化；凝固收缩率比灰铸铁高，需安放冒口使其顺序凝固，以便补缩；砂型铸造时，应选用细砂造型，以保证铸件表面光洁。电阻坩埚炉铸造黄铜：除含锌外，还常含有硅、锰、铝、铅等。力学性能多比青铜高，而价格较青铜低。常用于一般用途的轴瓦、衬套、齿轮等耐磨件及阀门等耐蚀件。

常用牌号：ZCuZn38（38黄铜）、ZCuZn31Al2（31-2铝黄铜）1）铸造铜合金种类铸造青铜

锡青铜：线收缩率低，不易产生缩孔，耐磨性和耐蚀性优于黄铜，但流动性差易产生缩松，适用于致密性要求不高的耐磨、耐蚀件。

铝青铜：具有优良的力学性能和耐磨性、耐蚀性，但铸造性能较差，仅用于重要的耐磨、耐蚀件。

常用牌号：ZCuSn10Pb1（10-1锡青铜）、ZCuAl9Mn2（9-2铝青铜）1.铸造铜合金