机械工程材料：第九章 铸铁

第九章

铸铁

9.１概论

铸铁－碳含量＞2.11%的铁碳合金，还含有Si、Mn等元素。一、复线铁碳相图(铁碳双重状态图)一、复线铁碳相图(铁碳双重状态图)二、铸铁的石墨化石墨化－－铸铁中碳原子以石墨的形式析出的过程。

石墨既可以直接从液体和奥氏体中析出：灰口铸铁；

也可以通过渗碳体分解获得：可锻铸铁；石墨化过程：三阶段：第一阶段石墨化，析出共晶石墨；第二阶段石墨化，析出二次石墨；第一阶段石墨化，析出共析石墨。三、影响石墨化的主要因素（－）加热温度及冷却速度在高温保温时间越长、冷速越慢，越有利于形成石墨；

（二）合金元素：

促进石墨化元素：C、Si、Al、Cu、Ni、Co

阻碍石墨化元素：Cr、W、Mo、V、Mn、S

(白口化元素)四、铸铁的组织和分类

根据石墨的形态分类：灰口铸铁：片状石墨

可锻铸铁：团絮状石墨球墨铸铁：球状石墨蠕墨铸铁：蠕虫状石墨五、铸铁性能的特点与石墨的形态有关：片状石墨严重割裂基体，石墨相当于裂纹、空洞，减小有效截面，应力集中。铸铁的特殊性能：a.优良的切削加工性脆性切屑

b.良好的铸造性能石墨膨胀

c.耐磨性好石墨有好润滑作用,并能存油

d.减振性能优良石墨削减振动的传递

e.对缺口不敏感大量石墨的割裂作用

９.2灰口铸铁

价格便宜，应用广泛，占铸铁总量的80%；一、牌号

HT

200包括：铁素体灰口铸铁珠光体灰口铸铁铁素体＋珠光体灰口铸铁最低抗拉强度MN/m2灰铁二、影响组织和性能的因素化学成分

主要是控制C、Si含量，还有Mn、P、S；

控制Ｃ为2.5~4.0%、Si为1.0~3.0%：碳过低，易出现白口，使机械性能、铸造性能较低；碳过高，石墨过多且粗大，降低铸件的性能和质量；冷却速度

见P182图9-6

铸件壁厚越薄，冷速越快，越易形成白口铁；三、孕育处理即变质处理

孕育铸铁－－孕育处理后的灰口铸铁。

孕育剂：硅类合金，含75%Si的硅类合金；

碳类，如：石墨粉、电极粒等；

孕育处理的目的:

a.形成非自发晶核，细化石墨，细化组织，提高强度；

b.避免铸件边缘及薄断面出现白口组织，提高组织的均匀性。四、灰口铸铁的热处理用途：消除应力和改善切削加工性能。人工时效（去应力退火）：

规范：壁厚≤20mm时，500～550℃，保温2h，慢冷到150～200℃，出炉空冷；

高温退火：消除白口，降低硬度;

规范：加热到850~900℃，保温2~5h，炉冷至250~400℃后出炉空冷;

硬度可下降HB20~40；表面淬火：如高频表面淬火、火焰表面淬火

提高表面硬度和耐磨性，表面硬度可达HRC50~55。

９.３球墨铸铁高强度铸铁，综合机械性能接近钢且铸造性好，成本低廉；一、成分和球化处理

3.6---3.9%C2.0---2.8%Si0.6---0.8%Mn

<0.07%S<0.1%P比灰铁碳当量高，为过共晶，利于石墨化；球化处理——在铸铁中加入球化剂，使石墨球化的工艺；

球化剂：Mg0.04～0.08%(白口化元素)，稀土镁球化剂，与孕育处理同时进行。二、牌号、组织和性能牌号：QT

600－2性能特点：抗拉强度高，屈强比高，疲劳强度较好；组织：基体(F、F+P、P、B下)＋球状石墨；应用：可用球铁代替钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆、凸轮轴等。延伸率最低抗拉强度球墨铸铁三、球铁的热处理与钢大致相同（一）退火目的：获得铁素体基体；消除应力。高温退火：存在自由渗碳体时进行，

规范：加热到900～950℃，保温2～5h，炉冷至600℃，出炉空冷。低温退火：铸态组织为铁素体+珠光体+石墨时进行；

规范：720～760℃，保温3～6h，炉冷至600℃后出炉空冷。（二）正火目的：获得珠光体基体，细化晶粒，提高强度和耐磨性；高温正火，完全奥氏体化正火：

规范：加热到880-920℃，保温3h，空冷；以提高P的含量；低温正火，不完全奥氏体化正火：

规范：加热到820-860℃，保温，空冷；

以得到珠光体+少量铁素体（三）调质用途：用于要求综合机械性能较高的球铁中，如连杆,曲轴；只适合小尺寸铸件；规范：淬火：850-900℃保温1-4h，油淬；回火；550-600℃保温4-6h，空冷；基体组织：回火索氏体；性能：强度高、塑性韧性比正火得到的Ｐ基体好。（四）等温淬火规范：加热到840～900℃，在300℃左右的等温盐浴中冷却并保温；基体组织：下贝氏体；性能：高的强度：1200---1450MN/m2

良好的塑性和韧性；用途：应用于小件受力复杂的齿轮、凸轮等。

９.4蠕墨铸铁性能：新型高强铸铁，强度接近于球铁，并有一定的韧性，较高的耐磨性，铸造性和导热性良好；石墨形态：蠕虫状；蠕化剂：镁钛合金、稀土镁钛合金、稀土镁钙合金。

９.5可锻铸铁可锻铸铁——是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。

黑心可锻铸铁：依靠石墨化退火来获得；

白心可锻铸铁：利用氧化脱碳退火来制取；很少用。一、可锻铸铁的牌号和用途铁素体可锻铸铁：KT350-10珠光体可锻铸铁：KTZ500-4用途：制造形状复杂，承受冲击和振动载荷的零件；如：汽车、拖拉机后桥外壳、管接头、低压阀门、连杆、曲轴；与球铁比其特点：成本低，质量稳定，铁水处理简单，容易组织流水生产等。二、可锻铸铁的生产和热处理生产:第一步,铸造纯白口铁；

第二步,进行长时间石墨化退火；成分特点：碳应低，为2.4～2.8%，以保证白口化；为了缩短退火周期，Mn不宜过高；严格限制阻碍渗碳体分解的元素，如Cr<0.08%。黑心可锻铸铁的退火过程：第一阶段石墨化：见图第二阶段石墨化：第三阶段石墨化

９.6特殊性能铸铁一、耐磨铸铁冷硬铸铁：表面－白口铸铁心部－灰口铸铁应用于轧辊、车轮二、耐热铸铁三、耐蚀铸铁

第十章有色金属及其合金10.1

铝及铝合金特性：

1>.比重小,比强度高

2>.有优良的物理、化学性能

导电性好(导热性好)3>.加工性好

塑性很好,可冷成形

切削性能好

铸造性好（铸造铝合金）一、纯铝

１、高纯铝99.93～99.99%，牌号：L01、L02、L0３、L04

编号越大，纯度越高；用途：科研、电容器２、工业高纯铝98.85～99.9%

牌号：L0、L00

用途：制作铝箔、包铝、冶炼铝合金的原材料３、工业纯铝98.0～99.0%

牌号：L1、L2、L3、...L5

编号越大，纯度越低；用途：电线、电缆、器皿、配制合金。二、铝合金分类：变形铝合金；相图Ｄ点以左的合金不可热处理强化的铝合金：<F点可热处理强化的铝合金：F～Ｄ点

铸造铝合金：D点以右的合金,因为有共晶反应，流动性好适于铸造１、铝合金的时效：时效（时效硬化）——在室温下放置或低温加热时，强度会明显升高的现象。

自然时效——室温下进行的时效。

人工时效——加热条件下进行的时效。时效的条件：能在高温形成固溶体，并且其中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。回归——自然时效后的铝合金，在230~250℃短时间加热后，快速水冷至室温时，可以重新变软。如再在室温下放置又能发生正常的自然时效。２、变形铝合金

提高抗蚀性,固溶强化１）防锈铝合金

成分：Mn提高抗蚀性能，固溶强化；

Mg固溶强化，降低比重。牌号：LF5、LF11、LF21铸造退火后是单相固溶体,抗蚀性能高,塑性好；不能时效硬化,属于不可热处理强化的铝合金；

可冷变形,利用加工硬化提高强度。２）硬铝合金

Al-Cu-Mg形成强化相

及S；

LY1,LY11,LY12

可进行时效强化,可热处理强化

亦可进行形变强化

硬铝的不足之处:抗蚀性差(特别在海水中)

包铝硬铝(即硬铝包一层高纯度铝)

固溶处理的加热温度范围很窄３）超硬铝合金合金系为Al-Mg-Zn-Cu；牌号：LC4,LC6；用途：飞机大梁,超落架

Zn,Cu,Mg与Al形成固溶体和多种复杂的第2相合金经固溶处理和人工时效后，可获得很高的强度和硬度，是强度最高的一类铝合金

抗蚀性较差,高温下软化快４）锻铝合金合金系为Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe牌号：LD5,LD7,LD10

有良好的热塑性,铸造性和锻造性

有较高的机械性能

主要用于承受重载荷的锻件和模锻件

.铸造铝合金

P196表１）Al-Si铸造铝合金(称硅铝明)ZL101,ZL104,...ZL110

铸造后几乎全部得到共晶体组织

具有优良的铸造性能,焊接性好

采用变质处理提高强度和塑性2)Al-Cu铸造铝合金ZL201

强度较高,耐热性好

但铸造性能不好,有热裂和疏松倾向

耐蚀性较差

3)Al-Mg铸造铝合金

ZL301、ZL302

强度高,比重小,有良好的耐蚀性

但铸造性能不好,耐热性低.

４）Al-Zn铸造铝合金

价格便宜,铸造性能优良

经变质处理和时效处理后强度较高

但抗蚀性差,热裂倾向大

10.2

铜及铜合金

特性：

1>.优异的物理、化学性能

2>.良好的加工性能

3>.某些特殊机械性能

4>.色泽美观一、纯铜(紫铜)用作电导体及配制合金牌号：一号铜

T199.95%Cu

二号铜T299.90%Cu

三号铜

T399.70%Cu

四号铜

T499.50%Cu二、铜合金１、黄铜特点：具有良好的变形加工性能；具有优良的铸造性能；耐蚀性较好；单相黄铜牌号：H80,H70,H68（80-平均含铜量）制作冷轧板材,冷拉线材,管材；双相黄铜牌号：H62,H59

制作热轧棒材,板材,也可铸造；复杂黄铜的牌号:

H+主加元素符号+铜含量+主加元素含量；如:Hpb60-11%pb铅黄铜（60-平均60%Cu）

加入Me以获得更高的强度,抗蚀性,良好的铸造性。

见P201表２、青铜原指铜锡合金但工业上习惯称含Al、Si、Pb、Be、Mn等的铜基合金为青铜；

锡青铜压力加工青铜

铝青铜铸造青铜

铍青铜硅青铜牌号：Q+主加元素符号+主加元素含量+其它元素含量

QSn4-34-4%Sn3-3%Zn３、白铜镍铜合金编号：B19（B-白铜19-镍的平均含量）分类：锌白铜、锰白铜、铁白铜B+其它元素符号+镍的平均含量+其它元素平均含量

如：BZn15-20（15%Ni、20%Zn）特点：Cu与Ni在固态下无限互溶,所以白铜为单相固溶体

具有较好的强度和优良的塑性,能进行冷,热变形

冷变形能提高强度和硬度

抗蚀性很好,电阻率较高

用于:制造船舶仪器零件,化工机械零件,医疗器械

10.3轴承合金轴承合金——是制造滑动轴承中的瓦及内衬的材料。应具有以下性能：

1.足够的强度和硬度

2.足够的塑性和韧性,高的疲劳强度

3.良好的磨合能力

4.高的耐磨性

5.良好的耐蚀性、导热性、较小的膨胀系数轴承合金应既软又硬组织特点：在软基体上分布硬质点

在硬基体上分布软质点.分类

锡基（巴氏合金）

铅基（巴氏合金）

铝基

铜基编号：ZChSnSb11-6

Z－铸造

Ch－轴承

Sn－基本元素

Sb11－11%Sb主加元素符号+含量

6－6%Cu(辅加元素含量)第十一章粉末冶金、非金属材料及复合材料

11.1粉末合金定义——以金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物为原料,经过成形和烧结所制成的

金属材料称为粉末冶金。生产过程：

制取粉末：如机械粉碎,球磨机中粉碎；

成型：模压成型,压实成具有一定形状,尺寸,孔隙度,强度的坯料；

烧结:

把坯件放在具有保护气体(如氢气)的炉中,加热到一定的温度(低于坯件主要组分的熔点)保温,使粉末的颗粒之间发生粘结,粉末颗粒的聚集体变为晶粒的聚结体。分类:机械零件材料

A.粉末冶金结构材料

B.粉末冶金减摩材料

C.粉末冶金摩擦材料

D.粉末冶金多孔材料.工具材料磁性及电工材料耐热材料原子能工程材料1>.机械零件材料A.粉末冶金结构材料特性：摩擦系数大,耐磨性好分类；粉末冶金铁基结构材料

粉末冶金有色金属结构材料用粉末冶金方法生产机械零件的主要特点：优点：成本低，因为直接烧制成尺寸精确的零件节省了切削加工费用。

缺点：塑性、韧性达不到锻件的水平，且零件尺寸小,形状简单。牌号：FTG10-10

抗拉强度

含碳量

结构材料

铁基

粉末冶金B.粉末冶金减摩材料分类：轴瓦材料

含油滑动轴承材料(有许多孔隙,浸入了润滑油)，摩擦系数小,耐磨性好C.粉末冶金摩擦材料

用途：制作刹车片、离合器片等起制动作用或传递扭矩作用的零件分类：铜基、铁基特性：摩擦系数大、耐磨性好D.粉末冶金多孔材料含有许多微小通孔用途：用作各种过滤器的过滤零件2>工具材料A.硬质合金硬质合金～由难熔金属碳化物(硬质相：WC、TiC)与纯金属或钢(粘结相：Co钢、Ni钢、

Cr-Mo钢等)所组成的粉末合金。特性：优点：硬度高

HRC70～80

热硬性及耐磨性优于工具钢

用作刀具，使用寿命比工具钢高5～8倍

切削速度比工具钢高10倍，并可切削淬硬钢件缺点：脆性大，冲击韧性低，强度也比较低。分类：碳化钨硬质合金～以钴为粘结相，以碳化钨为主要硬质相。碳化钛硬质合金～以碳化钛或碳化钨为硬质相,以合金钢为粘结相。它兼有硬质合金和钢的优点，具有高强度和高耐磨性，退火后可以切削加工。牌号：如

YG8C、YG15

表示特性：X--细颗粒、C--粗颗粒、

A--含少量碳化钽、N--含少量碳化铌

表示类别：G为钨钴类、T为钨钛钴类

W为多用途(万能)类、N为碳化钛类

硬质合金

11.2非金属材料1>高分子材料

定义：由分子量很大(>1000)的有机化合物组成的材料。制取过程：

首先从石油或煤等