材料成型基础-金属液态成型

第2章金属液态成型我国有辉煌的传统冶铸历史，在殷商时期就有灿烂的青铜器铸造技术。熔模铸造的发展史可以追溯到4000年前，埃及、中国和印度是最早起源的国家。曾侯乙尊盘

(战国早期)铸造

长的发展历史

铸造

可制造任意复杂程度和尺寸的产品

永乐大钟铜钟通高6.75米，最厚处185毫米，最薄处94毫米，重约46吨，钟体内外遍铸经文，共22.7万字。2023/2/52023/2/5铸造

适用于几乎所有材料

将液态金属浇注到铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。用液态成型方法生产的金属件称为铸件。铸件主要用于机器零件的毛坯，精密铸件可直接用作机器的零件。铸造：概述1铸造的定义铸造的实质是：液态金属凝固成形

2铸造的特点铸造是制造复杂结构金属件的最灵活、最经济的成形方法。铸造在工业生产中得到广泛应用，是因为其具有如下优点：1）可以铸造出内腔和外形很复杂的金属件。2）适用性广，可用于各种合金；生产的铸件重量可由几克到数百吨；壁厚由0.5mm到1m左右；轮廓尺寸从几毫米到几十米。3）使用的原材料来源广泛，价格低廉，铸件成本较低。缺点：力学性能较低；工序多，铸件质量不稳定；工人劳动强度大，劳动条件差。3铸造技术的发展砂型铸造适应性强、生产准备简单，是目前最主要的铸造方法。特种铸造熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、消失模铸造、陶瓷型铸造等。我国的悠久铸造历史青铜器：三千多年前铸铁工具：二千五百年前泥型、金属型、失蜡型——我国创造的三大铸造技术我国铸造技术的发展型砂铸造方面：推广应用水玻璃砂、自硬砂、树脂砂机器造型技术不断发展，用湿型砂制造出高密度铸型铸造合金方面：发展了高强度、高韧性的球墨铸铁铸造设备方面：建立了机械化、自动化砂型造型生产线一、金属液态成型的工艺性能金属液态成型的工艺性能在生产中称为合金的铸造性能或称可铸性，用来衡量合金在铸造中获得合格铸件的难易程度。合金的铸造性能以合金的流动性、收缩性、吸气性和偏析等为综合衡量指标，其中流动性和收缩性对铸件的质量影响较大。1合金的流动性充型——液态合金填充铸型的过程。充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力。合金流动性：液态金属充满铸型的能力。流动性好的合金：容易充满型腔，能获得外形完整、轮廓清晰、尺寸精确、薄而复杂的铸件；有利于合金凝固收缩时得到补缩；有利于气体和非金属夹杂物上浮和排除，使铸件不易产生气孔和夹杂；能避免铸件产生冷隔和浇不足等缺陷。充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。出气口浇口杯合金流动性的测值方法2023/2/5

常用合金的流动性

（砂型，试样截面8mm×8mm）

常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。

（1）影响流动性的因素合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点合金种类：铸铁和有色金属的流动性比铸钢好。杂质：铸铁中的硅和磷可提高铁水的流动性，硫能使铁水的流动性降低。

a）在恒温下凝固b）在一定温度范围内凝固PbSb20406080204060800流动性（cm）100200300温度（℃）0浇注条件浇注温度：浇注温度越高，金属液的粘度越低，保持液态的时间长，合金流动性越好。但过高，液态合金收缩越大、吸气越多、氧化越严重，合金流动性反而降低。浇注速度：浇注速度越快，充型越快，流动性越好。充型力：液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强，流动性越好。

铸型条件和铸件结构铸型的导热能力：导热性越好，热量越容易散失，流动性越差。铸型为砂型时，若水分过多、排气不畅、透气性不好，产生大量气体，增加铸型阻力，则使合金流动性变差。浇注系统：系统越复杂，直浇道越低，内浇口截面越小、铸型内腔越粗糙，流动性越差。排气能力：铸型的透气性越好，充型能力越强，流动性越好。铸型温度：铸型温度越高、液态金属与铸型的温差越小，充型能力越高，流动性越好。铸件厚度过小，厚薄变化大，结构复杂，有大水平面结构时，充型能力较差。2合金的收缩性金属或合金在铸型中凝固时,可以分为液相区、固相区和液固两相区三个区域。金属或合金凝固分区示意图△X铸型固相区液固两相区液相区（1）铸件的凝固方式固液两相区较窄时－呈现强烈的逐层凝固特点；固液两相区较宽时－逐层凝固特征不明显，呈现糊状凝固特点。固液两相区宽度将对凝固时液相补缩的影响固液两相区宽度较窄固液两相区宽度较宽Cu600Al548T(℃）C1C2工业纯铝铸件断面的凝固动态曲线a)砂型铸造b)金属型铸造凝固方式一般由合金固液相线温度间隔和凝固件断面温度梯度两个因素决定。逐层凝固糊状凝固（2）合金的收缩铸件在冷却过程中体积缩小的现象叫收缩。收缩可分成三个阶段：液态收缩：从浇注温度到凝固开始的温度的时间间隔内发生的体积收缩；凝固收缩：合金在凝固阶段的体积收缩；固态收缩：固态合金因温度降低发生的体积收缩。液态收缩、凝固收缩是引起缩孔、缩松的主要原因，而固态收缩是产生铸造应力、变形和裂纹的主要原因。合金的收缩量用体收缩率和线收缩率来表示，其定义为：V0，V1－合金在温度为T0，T1时的体积；l0，l1－合金在温度为T0，T1时的长度；av，al－合金在T0-T1温度范围的体膨胀系数和线膨胀系数。液态收缩和凝固收缩导致了体收缩，固态收缩是导致线收缩的直接原因。体收缩率线收缩率影响合金收缩的因素：化学成分不同的铸造合金有不同的收缩率。在常用合金中，铸钢收缩率最大，灰口铸铁最小。硅元素促进收缩率减小，硫使收缩率增大。浇注条件浇注温度高，合金过热，液态收缩量增大。浇注速度慢或明冒口不断补浇高温合金液，使铸件液态和凝固收缩得到补偿。铸件结构和铸型条件铸型材料对铸件冷却速度影响很大。合金在铸型中不是自由收缩，而是受阻收缩。因此，铸件的实际线收缩率比合金的自由收缩率小。2023/2/5

常用合金的收缩率合金的体收缩导致在部件最后凝固部位会出现孔洞－“缩孔”（shrinkagecavities）。体积大而集中的孔洞称为缩孔；细小而分散的空洞称为缩松（porosity）。缩孔的形成过程示意图缩孔和缩松通常用画“凝固等温线”和画“内切圆”的方法来近似确定缩孔位置。热流方向热流方向x热流方向热流方向采用控制导热方向和加冒口的方法控制缩孔位置保温材料冒口对于简单形状的部件可通过经验较方便地确定缩孔位置并采用相应的方法消除。而对于形状复杂的部件则可通过计算机凝固模拟的方法确定部件任意剖面地等温线并确定缩孔位置内切圆法：铸件壁交接处的内切圆直径大于铸件壁厚，这些地方凝固较晚，缩孔可能在那里生成。缩松：缩松是铸件以糊状凝固方式凝固时，最后凝固的区域没能得到液态合金的补充造成的分散、细小的显微孔洞。根据分布形态，缩松分为宏观缩松和微观缩松两类。宏观缩松：指用肉眼或放大镜可以看到的细小孔洞，通常出现在缩孔的下方微缩缩松：是指分布在枝晶间的微小孔洞，在显微镜下才能看到。保温材料宏观缩松保温材料宏观缩孔

缩孔、缩松的存在都会使铸件受力的有效截面积减小，使铸件强度降低。在生产中应尽量防止或减少缩孔、缩松。

可以利用冒口、冷铁和补贴等工艺措施，并结合运用顺序凝固或同时凝固的工艺原则来实现。冒口冷铁顺序凝固同时凝固冷铁铸造应力铸件冷却时因各部分冷却速度不同，造成在同一时刻各部分的收缩量不同，彼此相互制约的结果就产生了应力。

铸造应力：铸件在凝固后继续冷却至室温产生固态收缩，当收缩受到阻碍而产生的内应力称为铸造应力。

铸造应力如果是暂时的，当产生应力的原因被消除以后，应力就自行消失，这种应力叫临时应力；如果原因消除后，应力依然存在，这种就称做残余应力（residualstress）。铸造应力是铸件产生变形和裂纹等缺陷的主要原因，铸造应力可分为机械应力和热应力。按应力形成原因分类：热应力–

铸件在冷却过程中，由于各部分冷却速度不一致，造成收缩量不一致，彼此制约的结果，所形成的应力；相变应力–

铸件冷却过程中发生固态相变的时间不一致，体积和长度变化的时间也不一致，彼此制约，形成的应力；机械应力–

铸件冷却收缩过程中，线收缩受到机械阻碍而产生的应力。机械应力（收缩应力）合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的机械阻碍而形成的内应力。机械应力是暂时应力。上型下型热应力由于形状复杂，厚薄不均，各部分的冷却速度不同，以至在同一时刻，铸件各部位收缩不一致而引起的内应力称为热应力。框形铸件热应力形成过程第一阶段（t0～t1）：在高于弹塑性转变阶段，两杆均处于塑性状态，瞬时的应力均可通过塑性变形释放；第二阶段（t1～t2）：冷却较快的杆II已进入弹性状态，而粗杆I仍处于塑性状态，所以杆II收缩大于杆I，细杆II受拉伸，粗杆I受压缩，形成临时内应力；第三阶段（t2～t3）：粗杆I温度较高，还会有较大的收缩，细杆II温度较低，收缩较小，所以粗杆I的收缩会受到杆II的强烈阻碍，细杆II受压缩，粗杆I受拉伸，直到室温，形成残余应力。

当应力超过金属的屈服点后，铸件就会发生变形，以释放应力。+-防止变形的方法：1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）采用反变形法。铸件变形后，仍存在一定的残余应力，因此在切削加工前应对某些重要的易变形铸件进行去应力退火或自然时效来消除内应力。当应力超过金属的抗拉强度时，铸件就会产生裂纹。按裂纹形成的温度范围，可分为冷裂和热裂两种类型。

热裂：在凝固末期的高温下形成，裂纹短、缝隙宽，通常沿晶界扩展，走向曲折而不规则，表面呈氧化色；（机械应力）热裂的防止：①应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。②应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。③对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。冷裂：在低温时形成，裂纹细小，穿过晶粒扩展，较平直，表面具有金属光泽。（热应力）减少凝固成形时部件温度分布的不均匀性、减少铸型对凝固收缩时的阻力是减少应力导致部件产生裂纹的有效方法。冷裂的防止：1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。合金吸气性合金吸气性：合金在熔炼和浇注时吸收气体的能力。合金所吸收的气体如不能逸出而停留在合金液内，则使铸件产生气孔缺陷。根据气体来源不同，气孔可分为侵入气孔、析出气孔和反应气孔。（a）侵入气孔由于砂型或砂芯受热而产生的气体侵入金属液内部而形成。防止侵入气孔的主要途径是尽量降低型（芯）砂的发气量和增加砂型（芯）的排气能力，并正确设计浇冒口系统。（b）析出气孔合金在熔炼和浇注过程中因接触气体而使氢、氧、氮等气体而溶解在其中，且其溶解度随温度的升高而增大。当合金凝固时，气体溶解度下降并析出。防止析出气孔，必须严格控制炉料质量，炉料不能含水、氧化物和油污等；熔炼时加覆盖剂，尽量缩短熔炼时间；合理设计浇注系统等。（c）反应气孔合金液与型砂中的水分、冷铁、芯撑之间或合金内部某些元素、化合物之间发生化学反应而产生气体。防止反应气孔的主要途径是：控制型砂的水分；尽量降低合金液的含气量；保证冷铁、芯撑干燥，无锈、无油污等。合金偏析性偏析：铸件中出现化学成分不均匀的现象。偏析程度用偏析比来表示：微观偏析可造成材料本身的组织和性能的变化以及耐腐蚀性降低，通常发生在树枝晶或胞状晶心部与晶间成分的差异。微观偏析有两种情况：晶内偏析：枝晶和胞晶内部由于生长时固液界面溶质含量的不同导致从枝晶的枝干内部向外侧溶质浓度逐渐增加（K0＜1合金）

枝晶内部成分的不均匀导致晶内偏析随枝晶生长，溶质浓度沿固相线变化，如果扩散不充分则在枝晶的截面上将产生溶质的不均匀分布。措施：孕育处理或缓慢冷却共同生长的枝晶间由于表面张力存在，晶界处易出现凹槽，溶质含量很高，造成偏析晶界偏析：由于晶界总是处于最后凝固的区域，因此晶界处的溶质往往高于晶内（K0＜1金），从而产生晶界偏析。两晶粒相对生长时将溶质排到剩余液相中产生偏析宏观偏析区域偏析通常指整个铸锭或铸件在大于晶粒尺度的大范围内产生的成分不均匀的现象

1、正常偏析：对于<1的合金，先凝固区域的溶质含量低于后凝固区域，与正常溶质再分配规律一致。fsC热流方向x热流方向凝固方向k0C0溶质含量稳定生长区最后过渡区初始过渡区C02、逆偏析：对于<1的合金，外层的一定范围内溶质含量分布由外向内逐渐降低，造成与正常偏析相反的溶质分布。合金特点：

宽凝固范围的合金；凝固收缩大的合金；凝固参数：

凝固速度慢、固液界面温度梯度小、树枝晶粗大的凝固组织。热流方向x正常偏析热流方向x逆偏析上述特点造成凝固收缩时挤压心部高溶质含量的液体通过枝晶间未凝固的液体通道向外侧迁移，从而造成外侧溶质含量升高。措施：快速冷却或同时凝固比重偏析：由于重力作用产生的化学成分不均匀的现象。合金特点：初析相的密度与液体相差较大的合金；凝固参数：

凝固速度慢、固液界面温度梯度小。上述特点造成凝固时先析出的晶体与液体有较大的比重差别，重的晶体下沉，轻的晶体上浮，从而造成上下溶质含量的差别。热流方向x密度偏析措施：加快冷却或充分搅拌二、常用铸造合金1铸铁铸铁是含碳量大于2.11%（通常为2.5%-4.0%）的铁碳合金。根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为：白口铸铁：碳全部以Fe3C的形式存在，断口呈银色。简称为白口铁，完全按照Fe-Fe3C相图进行结晶而得到的铸铁。其中碳全部以渗碳体(Fe3C)形式存在，断口呈银白色。由于存在有大量硬而脆的Fe3C，硬度高，脆性大，很难切削加工。很少用来直接制造机器，主要用于炼钢原料或制造可锻铸铁的毛坯。由于白口铸铁具有良好的耐磨性，所以有时也用来制造一些耐磨件，如轧辊、粉碎机锤头、衬板、球磨机磨球和犁铧等。灰铸铁碳主要结晶成游离状态的石墨。其中碳主要以片状石墨形状存在，断口为暗灰色，常见的铸铁件多数是灰铸铁。4．蠕墨铸铁：其石墨呈蠕虫状。如图d所示。abcd1．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。5孕育铸铁：其石墨呈细片状。如图e所示。（1）影响铸铁组织和性能的因素

（a）化学成分

碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的素。含碳愈高，析出的石墨愈多、石墨片愈粗大。硅是强烈促进石墨化的元素，随着含硅量的增加，石墨显著增多。所以：当铸铁中碳、硅含量均高时，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金属基体中铁素体增多，珠光体减少。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。碳以石墨形式析出的现象称为石墨化。1）碳和硅3）锰所以：硫含量限制在0.1-0.15%以下，高强度铸铁则应更低。

使铸铁铸造性能恶化（如降低流动性，增大收率）。锰是弱阻碍石墨化元素，具有稳定珠光体，提高铸铁强度和硬度的作用。MnS一般控制在0.6~1.2%之间4）磷磷对铸铁的石墨化影响不显著。含磷过高将增加铸铁的冷脆性。限制在0.5%以下，高强度铸铁则限制在0.2~0.3%以下。2）硫硫是强烈阻碍石墨化元素。硫量高易促使碳以Fe3C

白口组织；硫量高热脆性；（b）冷却速度在实际生产中，一般是根据铸件的壁厚（主要部位的壁厚），选择适当的化学成分（主要指碳、硅），以获得所需要的组织。由此可知：随着壁厚的增加，石墨片的数量和尺寸都增大，铸铁强度、硬度反而下降。这一现象称为壁厚（对力学性能的）敏感性。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。工业铸铁的成分范围与组织工业铸铁的成分范围温度快冷中速冷却中速冷却缓冷缓冷缓冷快冷白口铸铁珠光体灰铸铁铁素体灰铸铁铁素体球墨铸铁珠光体球墨铸铁珠光体可锻铸铁铁素体可锻铸铁石墨化退火中速冷却缓冷珠光体蠕墨铸铁铁素体蠕墨铸铁Si/Mg/Ce铸铁壁厚（mm）102030405060704.05.06.07.0（wC+wSi）%白口铸铁麻口铸铁灰口铸铁白口铸铁：灰口铸铁：麻口铸铁：珠光体灰口铸铁珠光体+铁素体灰口铸铁铁素体灰口铸铁P+Fe3C+LeP+Fe3C+G+Le珠光体灰口铸铁：铁素体灰口铸铁：珠光体+铁素体灰口铸铁：P+G片P+F+G片F+G片铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例

灰铸铁片状FHT+一组数字数字表示最低抗拉强度值，单位MPa。“HT”表示灰铸铁代号。

HT100F+PHT150PHT200

可锻铸铁团絮状FKTH+两组数字KTB+两组数字KTZ+两组数字KTH300-06表F心PKTB350-04PKTZ450-06KTH、KTB、KTZ分别为黑心、白心、珠光体可锻铸铁代号；第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，%（2）铸铁的分类与牌号表示方法铸铁的分类与牌号表示方法（续）铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例球墨铸铁球状FQT+两组数字第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，%。“QT”表示球墨铸铁代号QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨铸铁蠕虫状FRuT+一组数字数字表示最低抗拉强度值,MPa。“RuT”表示蠕墨铸铁代号

RuT260F+PRuT300PRuT420（3）铸铁的性能工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。a、铸铁的组织特点钢的基体+G（石墨）基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。F+GF+P+GP+G⑵减摩性能好。由于石墨本身有润滑作用。⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。⑷铸造性能好。由于铸铁硅含量高,成分接近于共晶.⑸切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。b、铸铁的性能特点⑴力学性能低。由于石墨强度、塑性、韧性几乎为零，相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。铸铁与铸钢的强度比较铸铁的分类a、Fe-Fe3C和Fe-G(石墨)双重相图在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在，铁碳合金究竟按哪种相图变化，决定于加热、冷却条件或获得的平衡性质（亚稳平衡还是稳定平衡）。Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：

Fe3C→3Fe+G（石墨）共晶白口铸铁F基体球墨铸铁（4）铸铁的石墨化存在两个铁碳相图：Fe-Fe3C和Fe-G双重相图L+GL+Fe3CFe-G相图b、铸铁的石墨化过程铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。铸铁中的石墨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。台车式石墨化退火炉石墨化分三个阶段：在E’C’F’线及

以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化，包括结晶时一次石墨、共晶石墨的析出和加热时一次渗碳体、及共晶渗碳体的分解。在P’S’K’线和E’C’F’之间发生的石墨化称为第二阶段石墨化，包括冷却时二次石墨的析出和加热时二次渗碳体的分解。在P’S’K’线以下发生的石墨化称为第三阶段石墨化。包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系

（以共晶铸铁为例）

名称石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段灰铸铁充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行部分进行不进行F＋GF＋P＋GP＋G麻铸铁部分进行部分进行不进行Le’+P+G

白口铸铁不进行不进行不进行Le’+P+Fe3C（5）常用铸铁(一)灰铸铁灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以下范围：2.5%～4.0%C;1.0%～2.0%Si。1）组织灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的，其基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。灰铸铁齿轮箱灰铸铁的化学成分一般为：2.6~3.6%C，1.2~3.0%Si，0.4~1.2Mn，S≤0.15%，P≤0.3%。a)铁素体灰铸铁（F+G片）：这种铸铁抗拉强度和硬度低，易加工，铸造性能好。常用来制造性能要求不高的铸件和一些薄壁件。b)铁素体-珠光体灰铸铁（F+P+G片）：此种铸铁强度亦较低，但可满足一般机件要求，且其铸造性能、切削加工性能和减振性较好，因此应用较广。c)珠光体灰铸铁（P+G片）：这种铸铁强度和硬度较高，主要用来制造较为重要的机件。灰铸铁的显微组织铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁石墨片的三维形貌常对灰铸铁进行孕育处理，以细化片状石墨。常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。

孕育处理前孕育处理后硅铁硅钙05015050100100150150表面表面中心160140170180硬度HB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：P细+G细片σb=250-400Mpa，HB=170-270，δ≈0冷却速度对其组织和性能的影响很小。常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水重量的0.25-0.6%。2）热处理热处理只改变基体组织，不改变石墨形态。灰铸铁强度只有碳钢的30~50%，热处理强化效果不大。灰铸铁常用的热处理有：①消除内应力退火(又称人工时效):

500~550℃，防止机加工、使用时变形或开裂。灰铸铁件汽缸套活塞环850~950℃,表面、薄壁等白口处Fe3C→G,硬度↓,切削性↑②消除白口组织退火③表面淬火有些铸件如机床导轨、缸体内壁等，因需要提高硬度和耐磨性，可进行表面淬火处理，如高频表面淬火，火焰表面淬火和激光加热表面淬火等。淬火后表面硬度可达50HRC～55HRC。3）灰铸铁的性能2）良好的减振性3）良好的耐磨性4）低的缺口敏感性5）铸造性能好6）切削性能好1）力学性能：σb=120-250Mpa，仅为钢件的20-30%，

δ≈04）用途制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身(HT-250)变速箱体5）生产特点主要在冲天炉内熔化，高质量的可用电炉熔炼。铸造性能优良，工艺简单，便于制造出薄而复杂的铸件，多采用同时凝固原则，不需要加补缩冒口和冷铁；只有高牌号铸铁采用定向凝固原则。主要用砂型铸造，浇注温度较低，对型砂的要求较低，中小件大多采用经济简便的湿型铸造。一般不需要进行热处理，或仅需时效处理即可。可锻铸铁石墨化退火工艺曲线

(二)可锻铸铁石墨呈团絮状的灰口铸铁，是由白口铸铁经石墨化退火获得的。1）组织：基体(F、P)＋团絮状G铁素体基体可锻铸铁又称黑

心可锻铸铁。2）性能：强度为碳钢的４0~７0%，接近于铸钢。名为可锻，实不可锻

可锻铸铁的显微组织黑心可锻铸铁珠光体可锻铸铁可锻铸铁的石墨化退火3）用途用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。可锻铸铁管件(三)球墨铸铁石墨呈球形的灰口铸铁。由液态铁水经石墨化得到.球墨铸铁的成分要求比较严格，一般范围是：3.6%～3.9%C,2.2%～2.8%Si,0.6%～0.8%Mn,<0.07%S,<0.1%P。

1）组织：基体（F、F+P、P）+球状G球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。球化剂为镁、稀土和稀土镁。硅铁硅钙稀土镁为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行孕育处理。常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。球墨铸铁的显微组织铁素体加珠光体球墨铸铁铁素体球墨铸铁珠光体球墨铸铁球墨铸铁中的石墨球2）性能与热处理强度是碳钢的70~90%。球墨铸铁的突出特点是屈强比(0.2/b)高,约为0.7~0.8,而钢一般只有0.3~0.5。球墨铸铁可进行各种热处理,如退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。

退火——塑韧性、切削性↑低温退火，720~760℃，P→G+F高温退火，900~950℃，P+Fe3C→G+F

正火——P↑，细化组织，强度、耐磨性↑低温正火，840~860℃，→P+F+G，塑韧性较好。

高温正火，880~920℃，→P+G+少量F，强度较高。

调质——850~900℃油淬+高温回火→回火S+G

等温淬火——840~900℃+300℃等温→下B+G调质、等温淬火后综合力学性能好。制品(轧辊与辊环)组织贝氏体基球墨铸铁球墨铸铁的热处理特点是：①奥氏体化温度比碳钢高，由于硅含量高;②淬透性比碳钢高;3)用途承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。核燃料贮存运输容器(QT350-22)铸铁曲轴4）生产特点a）铁液要有足够高的含碳量，低的硫、磷含量，有时还要求低的含锰量。球化和孕育处理使铁水温度要降低50~100℃，为防止浇注温度过低，出炉的铁水温度必须高达1400℃以上。b）球化处理和孕育处理是制造球墨铸铁的关键，必须严格控制。球化处理：以冲入法最为普遍，球化处理后的铁液应及时浇注，以防孕育和球化作用的衰退。c）铸型工艺凝固特性：球墨铸铁含碳量较高，近共晶成分，凝固收缩率低，但缩孔、缩松倾向较大。球状石墨析出时的膨胀力却很大，若铸型的刚度不够，铸件的外壳将向外胀大，造成铸件内部金属液的不足，在铸件最后凝固的部位产生缩孔和缩松。防止措施：①在热节处设置冒口、冷铁，对铸件收缩进行补偿；②增加铸型刚度，防止铸件外形扩大：如增加型砂紧实度、采用干砂型或水玻璃快干砂型，保证砂型有足够的刚度，并使上下型牢固夹紧。(四)蠕墨铸铁蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型铸铁.蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的.蠕化剂为稀土硅铁镁合金、

稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金

等。蠕墨铸铁的组织：基体（F、F+P、P）+蠕虫状G蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁的显微组织蠕墨铸铁中的石墨珠光体基体铁素体基体蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。灰铸铁灰铸铁蠕墨蠕墨球墨球墨灰铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。玻璃模具制动鼓(五)特殊性能铸铁

在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合金铸铁。

1)耐磨铸铁在磨粒磨损条件下工作的铸铁应具有高而均匀的硬度。白口铸铁就属这类耐磨铸铁。但白口铸铁脆性较大，不能承受冲击载荷，因此在生产中常采用激冷的办法来获得激冷铸铁。即用金属型铸造铸件的耐磨表面，其它部位采用砂型。同时调整铁水的化学成分，利用高碳低硅，保证白口层的深度，而心部为灰口铸铁组织，有一定的强度。用激冷方法制造的耐磨铸铁，已广泛应用于轧辊和车轮等的铸造生产。

为了进一步改善珠光体灰口铸铁的耐磨性，常将铸铁的磷的质量分数提高到0.4%～0.6%(高磷铸铁），生成磷共晶（F+Fe3P,P+Fe3P或F+P+Fe3P），呈断续网状的形态分布在珠光体基体上，磷共晶硬度高，有利于耐磨。在此基础上，还可加入Cr、Mo、W、Cu等合金元素，改善组织，提高基体强度和韧性，从而使铸铁的耐磨性能等得到更大的提高，如高铬耐磨铸铁、奥－贝球墨铸铁等都是近十几年来发展起来的新型合金铸铁。2)耐热铸铁

在高温下工作的铸铁，如炉底板、换热器、坩埚、热处理炉内的运输链条等，必须使用耐热铸铁。加入Al、Si、Cr等元素，一方面在铸件表面形成致密的氧化膜，阻碍继续氧化；另一方面提高铸铁的临界温度，使基体变为单相铁素体，不发生石墨化过程，从而改善铸铁的耐热性。球墨铸铁中，石墨为孤立分布，互不相连，不形成气体渗入通道，故其耐热性更好。

3)耐蚀铸铁

耐蚀铸铁主要用于化工部件，如阀门、管道、泵、容器等。普通铸铁的耐蚀性差，因为组织中的石墨和渗碳体促进铁素体腐蚀。加入Si、Cr、Al、Mo、Cu、Ni等合金元素形成保护膜，或使基体电极电位升高，可以提高铸铁的耐蚀性能。常用耐蚀铸铁有高硅、高硅钼、高铝、高铬等耐蚀铸铁。2铸钢铸钢主要用于制造形状复杂或大型，需要一定强度、塑性和韧性的零部件，例如机车车辆、船舶、重型机械齿轮、轴、轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。外壳轧辊重型机械齿轮其产量占铸件总量的15％，仅次于灰铁应用广泛①机械性能高于各类铸铁，σ，HB，δ，αk②某些合金铸铁具有特殊的性能，如耐磨性，耐热性等③焊接性好，便于采用铸—焊联合结构铸造复杂、巨大件分类：铸造碳钢和合金铸钢其中铸造碳钢应用较广，占铸钢件总产量的80％以上。铸造碳钢含碳量小于或等于0.6%并含有少量其它元素的铁碳二元合金。铸造碳钢的牌号用ZG后加两组数字表示。

ZG×××—×××ZG：铸造碳钢前一数字：屈服强度后一数字：抗拉强度其中，中碳铸钢ZG230-450～ZG310-570具有良好的性能，应用最多。铸造合金钢为改善性能在铸造碳钢中添加合金元素的铸钢为铸造合金钢。其牌号是在优质合金钢牌号前加ZG两字母表示铸钢。a）低合金钢含合金元素总量小于或等于5％的铸钢。加入少量合金元素，如Mn，Si,Mo,V等，使铸造碳钢的强度、耐磨性和耐热性明显提高，因而减轻铸件质量，节约钢材，提高铸件的使用寿命。b）高合金钢含合金元素总量大于10％的铸造合金钢。大量合金元素的加入使钢的组织发生根本的变化，因而使其具有特殊性能。其中高锰钢是一种耐磨铸钢，用于制造拖拉机和坦克的履带板、挖掘机的抓斗齿等高冲击、干摩擦下工作的零件。铸造不锈钢为耐蚀钢，主要用于化工、石油、化纤、食品及医药设备中的阀、泵及容器等耐蚀零件。另有耐热钢。铸钢的工艺特点铸造性能差：熔点高，钢液易氧化；流动性差；收缩较大，体收缩和线收缩约为灰铸铁的3倍和2倍。铸造工艺复杂：为保证铸件质量，避免出现缩孔、缩松、裂纹、气孔和夹渣等缺陷，必须采取更为复杂的工艺措施：①型砂的强度、耐火度和透气性要高。②使用补缩冒口和冷铁实现顺序凝固。③防止浇注温度过高或过低。低碳钢：流动性较差、薄壁小件或结构复杂不容易浇满的铸件，应取较高的浇注温度；高碳钢：流动性较好、大铸件、厚壁铸件及容易产生热裂的铸件，应取较低的浇注温度。一般为1500~1650℃。铸钢的热处理1、目的：细化晶粒、消除魏氏组织、消除铸造应力、提高力学性能。2、工艺：退火和正火处理。铸钢正火后的力学性能较高，生产效率也较高，但残留内应力较大。可采用正火加高温回火。铸钢件不宜淬火，淬火时极易开裂。铸钢的熔炼冶炼设备：电弧炉、平炉和感应电炉等；电弧炉用得最多；平炉仅用于重型铸钢件；感应电炉主要用于合金钢中、小型铸件的生产。电弧炉炼钢

利用电极与金属炉料间电弧产生的热量来熔炼金属。

炼钢金属材料：废钢、生铁和铁合金等。其它：造渣材料、氧化剂、还原剂和增碳剂等。

感应电炉炼钢在精密铸造和高合金钢铸造中应用最普遍。利用感应线圈中交流电的感应作用，使坩埚内的金属炉料及钢液产生感应电流发出热量使炉料熔化的。优点：加热速度较快，热量散失少，热效率较高，氧化熔炼损耗较小，吸收气体较少；缺点：炉渣温度较低，化学性质不活泼，不能充分发挥炉渣在冶炼过程中的作用，基本上是炉料的重熔过程。感应电炉炉体构造图类型：高频感应电炉中频感应电炉工频感应电炉

3非铁合金铸件的生产

（一）铸造铜合金分类：紫铜（纯铜）、黄铜和青铜。a紫铜：熔点为1083℃，导电性、导热性、耐腐蚀性及塑性良好；强度、硬度低且价格较贵，极少用它来制造机械零件，广泛使用的是铜合金。b黄铜：铜和锌的合金。

铸造黄铜有相当高的力学性能：σb=250~450MPa,δ=7%~30%，HBS=60~120，而价格却较青铜低。c青铜除黄铜与白铜外的铜合金。1）锡青铜：铜和锡构成的的合金。适于致密性要求不高的耐磨、耐蚀件。2）铝青铜：有着优良的力学性能和耐磨、耐蚀性，但铸造性较差，故仅用于重要用途的耐磨、耐蚀件。（二）铸造铝合金铝合金：密度低，熔点低，导电性和耐蚀性优良，因此也用来制造铸件。铸造铝合金：包括铝硅、铝铜、铝镁及铝锌合金。代号：ZL（铸铝）+序号（1××-硅系；2××-铜系；3××-镁系；4××-锌系）例，ZL109：表示铸造铝硅合金。常用铸造铝合金牌号、性能和应用铝铸件代号性能应用ZL109硅铝明硅系铸造性好、力学性能低бb=140MPa、δ=4%。形状复杂的零件：仪表、气缸体、水（油）泵壳体等。ZL201铜系具有较高的耐热强度。内燃机气缸盖、活塞等高温（300℃以下）工作的构件。ZL301镁系具有较好的耐蚀性能、高强度，但铸造性和耐热性差。泵体、船舰配件等大气或海水中工作的构件。ZL401锌系具有较高的强度、铸造性好、价格便宜，但耐热性差。汽车、飞机上形状复杂的构件。（三）铜、铝合金铸件的生产特点熔化特点：金属炉料不与燃料直接接触，可减少金属的损耗、保持金属液的纯净。铜、铝合金多采用以焦炭为燃料或以电为能源的坩锅炉来熔化。焦炭