液态成形(常用合金铸造)

2023/12/311第一章金属液态成形§1.1金属液态成形工艺基础§1.2砂型铸造§1.3特种铸造§1.4常用合金的铸造及铸造方法选择

2023/12/312§4常用合金的铸件及铸造方法选择§1.4常用合金的铸件及铸造方法选择

（一）铸铁的铸造

（二）铸钢的铸造（三）铜、铝合金的铸造（四）常用铸造方法的选择2023/12/313§4常用合金的铸件及铸造方法选择常用合金：铸铁、铸钢和非铁合金中的铝、铜合金。一、铸铁的铸造铸铁——wc

2.11%的Fe-C合金。常用成分：wc=2.4～4.0。

其它元素：C，Si，Mn，S，P。按碳在铸铁中存在形式的不同分类：白口，灰口，麻口铸铁。灰口铸铁——灰铸铁；球墨、蠕墨、可锻铸铁。

铸铁的基体组织是铁素体（F）和珠光体（P）2023/12/314§4常用合金的铸件及铸造方法选择白口铸铁碳-碳化物（Fe3C）灰铸铁碳-片状石墨可锻铸铁碳-絮状石墨球墨铸铁碳-球状石墨2023/12/315§4常用合金的铸件及铸造方法选择2023/12/316§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（一）灰铸铁1．灰铸铁的铸造特点

基体（F、F+P、P）与片状石墨（G）所组成。性能特征：（力学性能）

灰铸铁的抗拉强度和弹性模量均比钢低得多，通常σb约为120～250MPa，抗压强度与钢接近，一般可达600～800MPa,塑性和韧度近于零。钢的抗拉强度？2023/12/317a）F灰铸铁b）F+P灰铸铁c）P灰铸铁图1-46灰铸铁的显微组织§4常用合金的铸件及铸造方法选择2023/12/318§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（一）灰铸铁的铸造1．灰铸铁的铸造特点接近共晶成分，熔点较钢低，流动性好，在凝固过程中析出片状石墨（比容大），收缩率低，铸造性能优良。铸造工艺简单，主要砂型铸造，浇注温度较低，对型砂要求不高，中小件采用湿型铸造，壁薄复杂可同时凝固，壁厚定向凝固。应用最广，占80%以上。2023/12/319§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（一）灰铸铁的铸造2．灰铸铁片状石墨的析出与孕育处理（1）灰铸铁片状石墨的析出：确保碳的石墨化，影响因素是化学成分和冷却速度。化学成分：

碳和硅

碳和硅是铸铁中最主要的元素，对铸铁的组织和性能起着决定性的影响。2023/12/3110§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（一）灰铸铁的铸造化学成分

碳形成石墨，也促进石墨化。含碳量高，析出的石墨就多、粗大，而基体中的铁素体含量增多，珠光体减少；反之，石墨减少且细化。

硅强烈促进石墨化。改善铸造性能，提高流动性、降低铸件的收缩率等。2023/12/3111§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（一）灰铸铁的铸造冷却速度

成分相同，若冷速不同，其组织和性能也不同。冷速很快的下部尖端处呈银白色，属于白口组织；其心部晶粒较为粗大，属于灰口组织；在灰口和白口交界处属麻口组织。这是由于缓慢冷却时，石墨得以顺利析出；反之，石墨的析出受到了抑制。2023/12/3112图1-47冷却速度对铸铁组织的影响为确保铸件的组织和性能，必须考虑冷却速度对铸铁组织和性能的影响。§4常用合金的铸件及铸造方法选择2023/12/3113§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（一）灰铸铁的铸造铸铁石墨化：影响因素是化学成分和冷却速度。冷却速度

利用激冷：不同部位采用不同铸型材料，铸件各部分的组织和性能不同。如冷硬轧辊采用局部金属型以激冷铸件上的耐磨表面，使其产生白口组织。壁厚的影响：壁厚不同冷速不同，组织和性能各异，须按照铸件的壁厚选定铸铁的牌号。2023/12/3114§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（一）灰铸铁的铸造3．灰铸铁的性能特点、牌号、应用和热处理

（1）灰铸铁的性能特点抗拉强度较钢低，塑性和韧度近于零；抗压强度、硬度、耐磨性与钢接近；具有良好的减磨性与切削加工性、良好的减振性制造机床、机座、导轨、衬套和活塞环等耐压、消振、减磨耐磨的零件2023/12/3115§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（一）灰铸铁的铸造（2）灰铸铁的牌号（中国）

HT×××,其中“HT”表示“灰铁”二字的汉语拼音字首，后面的×××为最低抗拉强度值，单位为MPa。

灰铸铁牌号共六种，其中：

HT100、HT150、HT200为普通灰铸铁；

HT250、HT300、HT350为孕育铸铁。

2023/12/3116灰铸铁牌号和力学性能（摘自GB/T9439－1988）牌号抗拉强度σb/MPa抗压强度σbc/MPa显微组织≥基

体石

墨HT100HT150HT200HT250HT300HT350100150200250300350500650750100011001200F+P（少）F+PP细PS或TS或T粗

片较粗片中等片较细片细小片细小片§4常用合金的铸件及铸造方法选择2023/12/3117§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（一）灰铸铁的铸造灰铸铁的用途

HT100低负荷和不重要的零件，如防护罩、小手柄、盖板和重锤等；

HT150承受中等负荷的零件，如机座、支架、箱体、带轮、轴承座、法兰、泵体、阀体、飞轮和电动机座等；

HT200、HT250承受较大负荷的重要零件，如机座、床身、齿轮、汽缸、飞轮、齿轮箱、中等压力阀体、汽缸体等；

HT300、HT350承受高负荷、要求耐磨和高气密性重要零件，如重型机床床身、压力机床身、高压液压件、齿轮等。2023/12/3118§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（一）灰铸铁孕育处理

向铁液中冲入硅铁合金孕育剂，然后进行浇注。用此法制成的铸铁称为孕育铸铁。由于铁液中均匀地悬浮着外来弥散质点，增加了石墨的结晶核心，使石墨化作用骤然提高，因此石墨细小且分布均匀，并获得珠光体基体组织，使孕育铸铁的强度、硬度比普通灰铸铁显著提高。2023/12/3119§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（一）灰铸铁的铸造（3）灰铸铁的热处理

用砂型铸造一般的铸件，浇注温度较低，不需要进行热处理或仅需时效处理即可。对精度要求较高或大型复杂的灰铸铁件在切削加工以前进行消除内应力退火。表层或薄壁出现的白口组织进行消除白口退火（高温退火）。表面要求高硬度、高耐磨的部件，可进行表面淬火，使表层的基体成为细小的马氏体组织。2023/12/3120§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造[（二）球墨铸铁

]

1．球墨铸铁的铸造特点

铸造性能好，石墨析出呈球状，较灰铸铁的缩孔、缩松倾向大。2023/12/3121§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造[（二）球墨铸铁

]

2．球墨铸铁球状石墨的析出与孕育处理（1）球磨铸铁球状石墨的析出（球化处理）

球化剂为稀土镁合金，加入量为一般为铁水质量的1.0%～1.6%。镁的密度小，采用冲入法

2023/12/3122§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造[（二）球墨铸铁

]

2．球墨铸铁球状石墨的析出与孕育处理（2）球磨铸铁的孕育处理铁液

高含碳量，低硫、磷含量。高碳(3.6～4.0%)可改善铸造性能和球化效果，低的锰、磷可提高球墨铸铁的塑性与韧度。硫易与球化剂化合形成硫化物，使球化剂的消耗量增大，并使铸件易于产生皮下气孔等缺陷。

促进铸铁石墨化，防止球化元素造成的白口倾向，使石墨球圆整、细化，改善球铁的力学性能。2023/12/3123§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造[（二）球墨铸铁

]

2．球墨铸铁球状石墨的析出与孕育处理（2）球磨铸铁的孕育处理

常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水质量的0.4%～1.0%。由于球化元素有较强的白口倾向，故球墨铸铁不适合铸造薄壁小件。球化和孕育处理使铁水温度要降低50～100℃，出炉的铁水温度必须高达1400℃以上。2023/12/3124§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造[（二）球墨铸铁

]

2．球墨铸铁球状石墨的析出与孕育处理（2）球磨铸铁的孕育处理

FF+PP2023/12/3125§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造[（二）球墨铸铁

]

3．球墨铸铁的性能特点、牌号、应用与热处理

（1）球磨铸铁的性能特点

石墨呈球状，对基体的割裂作用很小，基体强度的利用率可达70～90%，比灰铸铁力学性能高得多，抗拉强度可以和钢媲美，塑性和韧度大大提高。

σb=400～900MPa，δ=2～18%，有良好的耐磨性和减震性，缺口敏感性小，切削加工性能好等。球墨铸铁的焊接性能和热处理性能都优于灰铸铁。2023/12/3126§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造[（二）球墨铸铁

]

3．球墨铸铁的性能特点、牌号、应用与热处理

（2）球磨铸铁的牌号与应用QT×××－××

“QT”表示“球铁”的拼音首字母，其后两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。2023/12/3127§4常用合金的铸件及铸造方法选择我国球墨铸铁的牌号和力学性能（摘自GB/T1348-1988）牌

号抗拉强度

σb/MPa屈服强度

σ0.2/MPa伸长率

δ(％)布氏硬度

HBS基体组织≥QT400-18QT400-15QT450-10QT500-07QT600-03QT700-02QT800-02QT900-0240040045050060070080090025025031032037042048060018151073222130～180130～180160～210170～230190～270225～305245～335280～360FFFF＋PP＋FPP或S回火B或M回火2023/12/3128§4常用合金的铸件及铸造方法选择表1-17

珠光体球墨铸铁和45号锻钢的力学性能比较性

能45号锻钢

（正火）珠光体球墨铸铁

（正火）

抗拉强度σb/MPa

屈服强度σ0.2/MPa

屈强比σ0.2/σb

伸长率δ（%）

疲劳强度（有缺口试样）σ-1/MPa

硬度/HBS6904100.5926150﹤2298156400.7853155229～3212023/12/3129§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造[（二）球墨铸铁

]

球墨铸铁的用途

特点：球墨铸铁具有较高的强度和塑性，尤其是屈强比（σ0.2/σb）优于锻钢，用途非常广泛。

用途：汽车、拖拉机底盘零件，阀体和阀盖，机油泵齿轮，柴油机和汽油机曲轴、缸体和缸套，汽车拖拉机传动齿轮等。目前，球墨铸铁在制造曲轴方面正在逐步取代锻钢。2023/12/3130§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造[（二）球墨铸铁

]

（3）球墨铸铁的热处理

铸态球墨铸铁的基体多为P＋F混合组织，形状复杂件还存在残余内应力。因此，多数球墨铸铁件要进行热处理，以保证应有的力学性能。

常用：退火和正火。

退火：获得铁素体基体，以提高球墨铸铁件的塑性和韧度；正火：获得珠光体基体，以提高材料的强度和硬度。2023/12/3131§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（三）可锻铸铁

可锻铸铁：

白口铸铁通过石墨化退火处理得到的一种高强韧铸铁。有较高的强度、塑性和冲击韧度，可以部分代替碳钢。

分类：F基体（黑心）可锻铸铁；P基体可锻铸铁2023/12/3132§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（三）可锻铸铁

1．可锻铸铁的铸造特点与团絮状石墨的析出[分两步]第一步：先铸出白口铸铁，随后退火使Fe3C分解得到团絮状石墨。成分wC=2.2～2.8%，wSi=1.2～2.0%，

wMn=0.4～1.2%，wP≤0.1%，

wS≤0.2%。第二步：进行长时间的石墨化退火处理，900～980℃，长时间保温。2023/12/3133图1-52可锻铸铁的石墨化退火工艺§4常用合金的铸件及铸造方法选择2023/12/3134图1-53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§4常用合金的铸件及铸造方法选择2023/12/3135§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（三）可锻铸铁

2．可锻铸铁的性能特点、牌号、应用

（1）可锻铸铁的性能特点由于团絮状石墨对基体的割裂作用较片状大大降低，因而可锻铸铁也是一种高强度铸铁，塑性和冲击韧度显著优于灰铸铁，但可锻铸铁并不可锻，其力学性能较球磨铸铁稍差。可锻铸铁的显著特点是适用于制造形状复杂、壁厚极薄而强韧性要求较高的小铸件。如1.7mm壁厚管件。2023/12/3136§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（三）可锻铸铁

（2）可锻铸铁的牌号与应用“KT”表示“可铁”，“H”和“Z”分别表示“黑”和“珠”；

黑心可锻铸铁因其断口为黑绒状而得名，以KTH表示，其基体为铁素体；

珠光体可锻铸铁以KTZ表示，基体为珠光体。后面第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低伸长率。2023/12/3137§4常用合金的铸件及铸造方法选择可锻铸铁（黑心KT和珠光体KT）牌号(GBT/9440-1988)牌

号试样直径d/mm抗拉强度σb/MPa屈服强度σ0.2/MPa伸长率

δ(％)硬度HBSAB不小于KTH300-06

12或15300－6≤150

KTH330-08330－8KTH350-10

35020010

KTH370-12370－12KTH450-06

4502706150～200KTZ550-04

5503404180～230KTZ650-02

6504302210～260KTZ700-02

7005302240～2902023/12/3138§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造

（三）可锻铸铁

用途：低动载荷及静载荷、要求气密性好的零件。如管道配件，中低压阀门，三通等；农机犁刀、车轮壳和机床用扳手等；较高的冲击、振动载荷下工作的零件。如汽车、拖拉机上的前后轮壳、制动器、减速器壳等；承受较高载荷、耐磨和要求有一定韧度的零件。如曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮等。

问题：周期长、工艺复杂，应用和发展受到一定限制，已逐渐被球墨铸铁所代替。2023/12/3139§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造（四）蠕墨铸铁1．蠕墨铸铁蠕虫状石墨的析出

蠕化处理：在铁液中加入适量的蠕化剂进行蠕化处理而成，从而使大部分石墨呈蠕虫状析出，少量为球状析出

蠕化剂：镁钛、稀土镁钛或稀土镁钙合金等。2023/12/3140§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造（四）蠕墨铸铁2．蠕墨铸铁的性能特点及应用

蠕墨铸铁中的石墨片

比灰铸铁中的石墨片的

长厚比要小，端部较钝、

较圆，介于片状和球状

之间的一种石墨形态。2023/12/3141§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造（四）蠕墨铸铁性能：

力学性能较高，介于相同基体组织的灰铸铁和球磨铸铁之间，具有一定的韧度，较高的耐磨性，同时又兼有灰铸铁良好的铸造性能和减振性。

应用：

生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模、轧辊模、玻璃瓶模和液压阀等铸件。2023/12/3142§4常用合金的铸件及铸造方法选择一、铸铁的铸造（四）蠕墨铸铁蠕墨铸铁的牌号

根据JB4403－87，蠕墨铸铁的牌号以RuT×××表示，“RuT”是“蠕铁”二字的拼音字首，所跟的数字表示最低抗拉强度。

2023/12/3143§4常用合金的铸件及铸造方法选择蠕墨铸铁的牌号（JB4403－87）F121～1973.0195260RuT260F+P140～2171.5240300RuT300P+F170～2491.0270340RuT340P193～2740.75300380RuT380P50200～2800.75335420RuT420不小于不小于基体蠕化率

V(％)硬度

HBS伸长率

δ(％)屈服强度σ0.2/MPa抗拉强度σb/MPa牌

号2023/12/3144§4常用合金的铸件及铸造方法选择二、铸钢的铸造

铸钢中C：0.15～0.6%，主要有碳素铸钢和低合金铸钢两大类，碳素铸钢应用最广，占80%以上。（一）铸钢的铸造特点：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。2023/12/3145§4常用合金的铸件及铸造方法选择二、铸钢的铸造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。采用颗粒大而均匀的高耐火度石英砂，铸型用干砂型或水玻璃砂快干型，砂中加入糖浆、木屑等，型腔表面涂刷一层耐火涂料。2.绝大多数铸钢件要配置大量补缩冒口与冷铁，实现定向凝固。冒口一般为铸件的25～50%，造型和切割冒口的工作量大。2023/12/3146图1-56铸钢ZG230-450齿圈的铸造工艺方案§4常用合金的铸件及铸造方法选择该齿圈壁厚较大(80mm)，热节处易形成缩孔和缩松，必须保证对心部的充分补缩。由于冒口的补缩距离有限，除采用三个冒口外，在各冒口间还须安放冷铁，使齿圈形成三个独立的补缩区。2023/12/3147§4常用合金的铸件及铸造方法选择二、铸钢的铸造3.严格掌握浇注温度

根据钢号和铸件结构确定。一般为1500～1650℃。对低碳钢、薄壁小件或结构复杂容易浇不到的铸件，适当提高浇注温度；对高碳钢、后壁件则适当降低浇注温度。

2023/12/3148§4常用合金的铸件及铸造方法选择二、铸钢的铸造

（二）碳素铸钢的性能特点、牌号、应用与热处理

1.碳素铸钢的性能特点铸钢优点：力学性能高，特别是塑性和韧度高，σb=400～650N/mm2，δ=10～25%，αKU=20～60J/cm2。焊接性好，适于用铸、焊联合制造重型机械；铸造性、减震性和缺口敏感性比铸铁差。

铸钢用途：承受重载荷及冲击载荷的零件，如机车上的侧架、车轮及车钩，大型轧钢机架等。

2023/12/3149§4常用合金的铸件及铸造方法选择二、铸钢的铸造

（二）碳素铸钢的性能特点、牌号、应用与热处理

1.碳素铸钢的性能特点铸钢优点：力学性能高，特别是塑性和韧度高，σb=400～650N/mm2，δ=10～25%，αKU=20～60J/cm2。焊接性好，适于用铸、焊联合制造重型机械；铸造性、减震性和缺口敏感性比铸铁差。

铸钢用途：承受重载荷及冲击载荷的零件，如机车上的侧架、车轮及车钩，大型轧钢机架等。

2023/12/3150§4常用合金的铸件及铸造方法选择二、铸钢的铸造

（二）碳素铸钢的性能特点、牌号、应用与热处理

2.碳素铸钢的牌号与应用“ZG”-“铸钢”，其后两组数字分别表示最低屈服强度与最低抗拉强度。“H”-“焊”，表示焊接结构用碳素铸钢。2023/12/3151§4常用合金的铸件及铸造方法选择二、铸钢的铸造〔铸钢的牌号〕2023/12/3152§4常用合金的铸件及铸造方法选择二、铸钢的铸造3.铸钢的热处理

目的：细化晶粒、消除铸造应力、提高力学性能。

工艺：退火和正火。退火适于wC≥0.35%或结构复杂的铸件。因铸件塑性差，残留铸造应力大，易开裂；正火适用于wC<0.35%的铸件，因铸件塑性好，冷却时不易开裂。铸钢正火后的力学性能较高，生产效率也较高，但残留内应力较退火后的大。为进一步提高铸钢件的力学性能，还可采用正火加高温回火。铸钢件不宜淬火，淬火时铸件极易开裂。2023/12/3153§4常用合金的铸件及铸造方法选择三、铜、铝合金的铸造（一）铸造铜合金

铜的分类：紫铜（纯铜）、黄铜和青铜。

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。2023/12/3154§4常用合金的铸件及铸造方法选择三、铜、铝合金的铸造（一）铸造铜合金

铜的分类：紫铜（纯铜）、黄铜和青铜。

黄铜：铜和锌的合金，随着含锌量的增加，合金的强度、塑性显著提高。铸造黄铜有很高的力学性能，σb=250～450MPa,δ=7～30%，HBS=60～120。铸造黄铜的熔点低、结晶温度范围窄，流动性好、铸造性能较好。

用途：轴承、衬套、齿轮耐磨件和阀门等耐蚀件。2023/12/3155§4常用合金的铸件及铸造方法选择三、铜、铝合金的铸造（一）铸造铜合金

铜的分类：紫铜（纯铜）、黄铜和青铜。

青铜：铜与锌以外的元素构成的合金。其中，铜和锡构成的的合金称为锡青铜。锡青铜的力学性能较黄铜差，且因结晶温度范围宽、容易产生显微缩松缺陷；但线收缩率较低，不易产生缩孔，其耐磨、耐蚀性优于黄铜，适于致密性要求不高的耐磨、耐蚀件。2023/12/3156§4常用合金的铸件及铸造方法选择三、铜、铝合金的铸造（二）铸造铝合金

铝合金密度低，熔点低，导电性和耐蚀性优良。

铸造铝合金：包括铝硅、铝铜、铝镁及铝锌合金。

铝硅合金流动性好、线收缩率低、热裂倾向小、气密性好，强度高。适于形状复杂的薄壁件、气密性要求高的零件，如内燃机缸体、化油器、仪表外壳等。

铝铜合金的热裂倾向大、气密性和耐蚀性较差，但耐热性较好，主要用于制造活塞、汽缸头等。2023/12/3157三、铜、铝合金的铸造（三）铸造铜、铝合金的铸造特点铸造铜、铝合金在液态下均有易氧化