材料成型技术

材料成型技术第一页，共三十六页，2022年，8月28日图2－1钢铁的生产过程第二页，共三十六页，2022年，8月28日宝钢的炼铁炉容积4000多立方米，一天产铁水10000吨第三页，共三十六页，2022年，8月28日

二、炼钢钢和生铁在化学成分上的主要区别是：钢的含碳量低（一般小于1.4％），含硅、锰、硫、磷等杂质低。因此，炼钢的主要任务是将生铁中多余的碳和其它杂质氧化成氧化物，并通过炉气和渣中去除。

1、炼钢的冶金反应2、钢的冶炼分类（1）碳、硅、锰的氧化（1）转炉炼钢（2）磷、硫的脱除（2）电弧炉炼钢（3）脱氧

3、镇静钢和沸腾钢

第四页，共三十六页，2022年，8月28日电弧炉炼钢：利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧高温(通常5000℃一6000℃)加热和熔化金属，金属熔化后加入铁矿石、熔剂等，并吹氧，以加速钢中的碳、硅、锰、磷等元素的氧化。当碳、磷含量合格时，扒去氧化性炉渣．再加入石灰、萤石、电石、硅铁等造渣剂和还原剂，形成高碱度还原渣，脱去钢中的氧和硫。第五页，共三十六页，2022年，8月28日转炉炼钢第六页，共三十六页，2022年，8月28日转炉炼钢一次炼200多吨第七页，共三十六页，2022年，8月28日浇注成钢锭第八页，共三十六页，2022年，8月28日第二节工业生产中常用铸造合金及其熔铸

用于生产铸件的金属材料称为铸造合金，常用的是铸铁、铸钢及铸造有色合金。本节介绍熔铸工艺原理及应用。

一、铸铁及其熔炼铸铁通常是指含C2.5~4％、Si1.0~2.5％接近共晶成分的铁碳合金。它具有良好的铸造性能，又易于切削加工，最适宜制造形状复杂的铸件，因此，铸铁是工业中应用较广的材料，铸铁占机器重量的50％以上。第九页，共三十六页，2022年，8月28日

用于制造机床的床身、床头箱,发动机的汽缸体、机器的底座等，是工程上最常用的金属材料之一。

箱体启动阀第十页，共三十六页，2022年，8月28日铸铁的分类根据碳在铸铁中存在形式不同，可分三大类：（1）白口铸铁（2）灰口铸铁（3）麻口铸铁C的存在形式：渗碳体(Fe3C)，断口为白色。

性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件（如轧辊、犁铧等）。C的存在形式：石墨，断口为灰黑色。

C的存在形式：石墨+渗碳体，断口为黑白色。灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。性能：脆性大，很少使用。第十一页，共三十六页，2022年，8月28日根据石墨（G）在铸铁中存在形态，可分为：普通灰铸铁：石墨呈片状可锻铸铁：石墨呈团絮状蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状球墨铸铁：石墨呈球状第十二页，共三十六页，2022年，8月28日石墨呈片状第十三页，共三十六页，2022年，8月28日石墨呈团絮状第十四页，共三十六页，2022年，8月28日石墨呈球状第十五页，共三十六页，2022年，8月28日

由于石墨片对钢基体产生的割裂作用，破坏了钢基体的连续性、完整性，减少了钢基体的有效面积，使其抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于脆性材料。灰铸铁具有非常优良的铸造性能、良好的吸震性、减磨性和对缺口敏感性低的优点，且切削加工。它常用于静载下的承压零件和滑动摩擦副的零件。

一、灰铸铁的性能与应用

但其抗压强度与钢相近，因此普通灰铸铁广泛用于作承受压力载荷的零件和结构，如机座、机床床身、轴承等。叶轮

发动机飞轮

第十六页，共三十六页，2022年，8月28日

铸铁中的碳以石墨析出的过程称为石墨化。铸铁的性能在很大程度上，取决于石墨的数量、大小、形状及分布。影响石墨化程度的主要因素是化学成分和冷却速度。①化学成分

a)碳和硅。第十七页，共三十六页，2022年，8月28日

硫和锰。硫是强烈反石墨化元素，含硫量高易促使铸铁形成白口组织，同时硫还形成低熔点共晶体造成铸铁热脆，是有害元素。

锰虽也阻碍石墨化，但具有稳定珠光体的作用，能提高铸铁的强度和硬度，并能降低硫的有害作用，故是有益元素。

磷。磷对铸铁的石墨化影响不显著，但当含磷量超过0.3％时，有利于提高铸铁的耐磨性，同时也增加了铸铁的冷脆性，因此磷是有害元素。高强度铸铁则限制在0.2~0.3％以下。第十八页，共三十六页，2022年，8月28日

2）冷却速度铸铁中碳的石墨化是碳原子在铸铁中析出和聚集的过程。冷却速度很慢，形成粗大石墨片；冷却速度快，碳原子以细石墨片析出，另一部分碳原子以渗碳体析出，使铸铁基体中出现珠光体；冷却速度很快，碳原子全部以渗碳体析出，而产生白口组织。

铸铁的冷却速度主要受铸型的冷却条件及铸件壁厚的影响，不同铸型材料的导热能力不同。如金属型比砂型导热快，冷却速度大，使石墨化受到严重阻碍，易获得白口组织；而砂型冷却慢，易获得不同组织。如耐磨铸件局部采用金属型而获得白口组织。第十九页，共三十六页，2022年，8月28日

当铸型材料相同时，铸件的壁厚不同，其组织和性能也不同。壁厚处易形成粗大石墨片，机械性能较差；而壁薄处冷速快，易形成白口或麻口组织。生产中一般根据铸件壁厚（重要铸件是指重要部位的厚度，一般铸件则取其平均壁厚），选择恰当的铁水化学成分（主要指碳、硅），以满足所需铸铁组织。如图所示为砂型铸造和铸件壁厚和碳、硅含量对铸铁组织的影响。第二十页，共三十六页，2022年，8月28日

（2）灰铸铁的孕育处理孕育处理是提高灰铸铁性能的有效方法，其原理是：先熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、硅含量(C2.7~3.3％,Si1.0~2.0％)的高温铁水（1400~1450℃），然后向铁水中冲入少量细颗粒状或粉末状孕育剂。孕育剂占铁水重量0.25~0.6％，其材质一般为含Si75％的硅铁(也可用硅钙合金)，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，从而得到细晶粒珠光体和分布均匀的细片状石墨组织，经处理后孕育铸铁，它的强度、硬度显著提高。第二十一页，共三十六页，2022年，8月28日

孕育铸铁的另一优点是冷却速度对其组织和性能的影响很小，因此，铸件上厚大截面的性能较均匀。孕育铸铁适用于静载下，要求较高强度，耐磨或气密性的铸件，特别是厚大铸件。

必须指出，孕育前铁水的碳、硅含量不能太高，铁水温度不能太低。第二十二页，共三十六页，2022年，8月28日

2.可锻铸铁可锻铸铁又称为玛钢或玛铁。它是将白口铸铁在退火炉中经长时间高温石墨化退火，使白口组织中渗碳体分解，而获得铁素体或珠光体基体加团絮状石墨的铸铁。

（1）可锻铸铁的生产特点必须采用碳、硅含量很低的铁水，通常为C2.4~2.8％、Si0.4~1.4％，以获得完全的白口组织；铸件的壁厚应比较薄(6mm以下)，铸件尺寸也不宜太大。因为进行石墨化退火时，要将白口铁装入退火炉中的退火箱，受箱子和炉子尺寸的制约。同时白口铁的流动性差，收缩大，铸造时应提高浇注温度，采用冒口、冷铁及防裂肋等。第二十三页，共三十六页，2022年，8月28日

(2)可锻铸铁性能牌号及选用由于可锻铸铁的石墨呈团絮状，大大减轻了对基体的割裂作用，故可锻铸铁的机械性能显著提高，一般σb＝300~400MPa，最高可达700MPa。尤为可贵的是这种铸铁已具有一定的塑性和韧性，因此而得名，但它并不真正可锻。

按退火方式不同，可锻铸铁可分为黑心、珠光体及白心可锻铸铁，其牌号为“KTH”、KTZ”、KTB”，其应用见表2－3。第二十四页，共三十六页，2022年，8月28日

（3）可锻铸铁的使用性能

1）耐磨性珠光体可锻铸铁的耐磨性优于碳钢

2）耐热性石墨呈团絮状，氧化不易沿石墨侵入，耐热优于铸铁和碳钢

3）耐蚀性。各种水管接头，高压输电线路中大小金具。

（4）铸造性能

1）流动性较差，宜适当增大浇道，提高浇注温度。

2）收缩大，铸件易开裂，故应增强型腔退让性，采用冒口补缩。第二十五页，共三十六页，2022年，8月28日3.球墨铸铁球墨铸铁(简称球铁)是20世纪40年代末发展起来的一种新型铸造合金。它是向铁液中加入一定量的球化剂和孕育剂、直接得到球状石墨的铸铁。

(1)球铁对原铁液的要求及制备①铁液成分。与一般灰铸铁相同，但成分控制较严，其中S、P对球铁的危害很大，其含量越低越好。②铁液温度出炉温度应高于1400°C③球化和孕育处理，是制造球墨铸铁的关键，必须严格控制。第二十六页，共三十六页，2022年，8月28日

(2)球铁的铸造工艺①增加铸型刚度。②安放冒口、冷铁、对铸件进行补缩。

(3)球铁的牌号、性能及应用第二十七页，共三十六页，2022年，8月28日

铸铁的熔炼

铸铁的熔炼的主要目的是：高效低成本地获得化学成分及温度满足要求的铁水。熔炼铸铁的设备以冲天炉应用最广泛。

（1）冲天炉的熔炼过程冲天炉的每批炉料包括：燃料(焦炭)；金属料(铸造生铁、回炉铁)、废钢及铁合金等；熔剂(石灰石、氟(萤)石等)。

第二十八页，共三十六页，2022年，8月28日

冲天炉熔炼过程中，高温炉气不断上升与炉料不断下降的逆向运动中产生如下过程：底焦燃烧；金属炉料被预热、熔化和过热；冶金反应使铁水成分发生变化。故金属在冲天炉内并非简单熔化，实质上是一熔炼过程。见图2－7。第二十九页，共三十六页，2022年，8月28日

冲天炉熔炼过程中，高温炉气不断上升与炉料不断下降的逆向运动中产生如下过程：底焦燃烧；金属炉料被预热、熔化和过热；冶金反应使铁水成分发生变化。故金属在冲天炉内并非简单熔化，实质上是一熔炼过程。见图2－7。

石灰石－－造渣材料，这种碱性氧化物与被侵蚀的炉衬酸性氧化物结合成熔点较低，密度小的液态熔渣浮在铁水面上。

焦炭－－铸造焦炭（含硫、磷量很低）

废钢－－调节铁水的含碳量

铁合金－－增加铁水的合金含量

氟石－－调节熔渣的粘度第三十页，共三十六页，2022年，8月28日

二、铸钢及其熔炼

1、铸钢的分类、性能及应用按化学成分，铸钢可分为铸造碳钢和铸造合金钢两大类。其中碳钢应用较广约占铸钢总产量的80％以上，见表2－6。

铸钢的综合机械性能高于各类铸铁，它不仅强度高，且具有铸铁不可比的优良塑性和韧性，最适宜制造承受大能量冲击负荷下的高强度、高韧性复杂铸件，如火车轮、锻锤机架、高压阀门和轧辊等。铸钢的焊接性能好，便于采用铸焊联合结构制造形状复杂的大型铸件，因此，铸钢在重型机械制造中甚为重要。第三十一页，共三十六页，2022年，8月28日

常用的铸造碳钢主要是0.20~0.50％(ZG200－ZG570)的中碳钢。

如要使钢件具有耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能，则需加入更多的合金元素（＞10％），炼成高合金钢。例如高锰钢(ZGMn13)为铸造耐磨钢，如坦克、拖拉机、推土机的履带板、铁轨道叉、破碎机颚板。球磨机衬板等。如ZG1Cr18N