机械工程材料 铸铁及有色合金

1. 机械工程材料铸铁及有色合金 河北工业大学　材料学院

2. §1 铸铁 • 一.铸铁 ： Fe3C为亚稳相，加热易于分解为铁和石墨。即 Fe3C  3Fe ＋C（石墨）含碳量为100％C。石墨为稳定相，为特殊的简单六方晶格。 图1 石墨的晶体结构

3. 铁－石墨相图

4. 石墨化过程 • 第一阶段石墨化——在共晶温度及其温度（≥1154℃）范围内从液体结晶形成石墨，包括过共晶铸铁液体按匀晶转变方式形成一次石墨和在1154℃通过共晶反应形成共晶石墨,共晶反应式为　　　LC’→AE'+G共晶 • 第二阶段石墨化——在1154-738℃温度范围内,由奥氏体析出二次石墨。 • 第三阶段石墨化——在738℃(PSK线)通过共析反应析出共析石墨,其反应式为:As→F+G共析 • 在高温条件下，由于原子具有较高的扩散能力，第一阶段和第二阶段石墨化比较容易进行。但是在较低温度下进行的第三阶段石墨化，则常因铸铁的成分或冷却条件的不同可能全部或部分受到抑制，从而得到不同的基体组织，即F+G、F+P+G和P+G。

5. 二、分类 • 按照石墨化程度,铸铁可以分为灰口铸铁、麻口铸铁和白口铸铁三大类。 由于白口铸铁、麻口铸铁中均含有很脆的莱氏体组织，主要用作耐磨材料。 而灰口铸铁的组织由石墨和基体两部分组成，可以看成是钢基体上分布着石墨夹杂。由于具有较好的工艺性能和力学性能，所以灰口铸铁是使用较多的工程材料

6. 灰口铸铁分类:（按石墨存在形态划分） • 铸铁是C％>2.11％的Fe－C合金，除C外，铸铁含有较多的Si、Mn等元素， Si、C是强烈促进石墨化元素。 • 根据石墨的形态，灰口铸铁可以分为灰（口）铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。 • 灰口铸铁 － 石墨呈片狀 • 可锻铸铁 － 石墨呈团絮狀 • 球墨铸铁 － 石墨呈球狀 • 蠕墨铸铁－蠕虫状

8. 二、灰口铸铁 • 分类：孕育处理后的灰口铸铁叫做孕育铸铁。 未处理的为普通灰口铸铁。 孕育处理（变质处理） 目的：得到珠光体＋细片G，从而提高强度。 孕育剂（人工晶核）：硅合金；碳（石墨） 作用：细化组织晶粒，细化G，防止白口产生 • 成分： 2.5～4.0％C, 1.0～3.0％Si，0.5～1.4％Mn • 牌号： HT100 、HT150 、HT200、（普通灰口铸铁）‖HT250 、HT300 、HT350 、HT400（孕育铸铁） • “HT” 表示“灰铁”的拼音字头,后面的数字表示最低抗拉强度。如：HT100 :100表示b ≥ 100MPa 灰铸铁的性能 灰铸铁具有较高的强度和耐磨性，优良的减震性和良好的切削性能，但塑性较低。灰铸铁断面呈暗黑色。

9. （三）灰口铁的热处理：灰口铁的热处理不能改变石墨的形态和分布，对提高灰口铁整体机械性能作用不大，灰口铁的热处理主要消除铸件内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。（三）灰口铁的热处理：灰口铁的热处理不能改变石墨的形态和分布，对提高灰口铁整体机械性能作用不大，灰口铁的热处理主要消除铸件内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。 ●消除内应力退火（人工时效） 加热到500℃～550℃，保温后缓冷到150℃～250℃后 出炉空冷。 ●消除铸件白口，降低硬度，提高切削加工性能。 铸件表层和薄壁处易于产生白口铁组织难于加工，需要进行高温退火（共析温度以上，850-950 ℃)，使Fe3C分解成石墨，以降低硬度，以提高切削加工性能。 ●表面淬火 机床导轨，缸体内壁为了提高硬度可进行表面淬火 （四）用途 －灰口铁是价格便宜，应用最广泛的铸铁材料。用来制造机械性能要求较高的铸件，如机床床身、气缸、曲轴、凸轮等。 灰口铸铁的热处理

10. 图2 灰口铸铁的显微组织 根据基体的差异，灰口铸铁分为铁素体基体、珠光体基体和铁素体和珠光体混合基体三种铸铁

11. 三、可锻铸铁（不可锻，因有一定的δ %,故称为可锻铸铁） • 可锻铸铁中含有团絮状石墨，具有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代用碳钢。按退火方法不同，有黑心和白心两种类型。黑心可锻铸铁依靠白口铸铁的石墨化退火来获得；白心可锻铸铁利用氧化脱碳退火来制取。我国主要生产黑心可锻铸铁，后者已很少生产。 • 牌号： KT300-6、KT330-8、KT350-10、KT370-12 、KTZ450-5 、KTZ500-4 、KTZ600-3 、KTZ700-2 • 黑心可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体 。 “KT”表示F＋G(F基体) ,“KTZ”表示P+G（P基体） • 如：KT300-6：“300”表示b ≥300Mpa，“6”表示δ≥ 6％ • 成分特点：C％：2.2％～2.8％；Si％：1.2～2.0％，Mn％：0.4～1.2％ • 由于可锻铸铁中石墨呈团絮状，可锻铸铁可用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件。如汽车。拖拉机后轮壳、制动器等。

12. 可锻铸铁显微组织 珠光体可锻铸铁 铁素体可锻铸铁

13. 四、球墨铸铁 • 牌号：QT400-17、QT420-10、QT500-5、QT600-2、QT700-2 、QT800-2 、QT1200-1 • “QT”表示球墨铸铁，石墨呈球状分布于基体组织中。如： QT400-17－400表示b ≥400MPa， 17表示δ％≥17％，组 织为F + G 。 • 成分特点 ：成分要求严格，C％：3.6～3.9％，Si％：2.0～2.8％；Mn％；0.6～0.9％ • 应用 • 良好的铸造性能、减磨性、消震性和切削加工性能。可与某些钢媲美。 • 高强度、高耐磨的P+G球墨铸铁可作拖拉机曲轴、连杆、齿轮。 • 高韧性、高塑性的F+G球墨铸铁可作受压阀门、机器底座等。

14. 图3 球墨铸铁的显微组织

15. 球墨铸铁的热处理 • 与钢一样，球墨铸铁可以进行多种热处理以改善组织性能。但由于它的硅、碳、锰含量较高，热处理具有其特点，如共析转变温度较高, 淬透性比碳钢较好等。因此中、小铸件可采用油淬，并较易实现等温淬火工艺，获得下贝氏体基体。 • 对铸件综合机械性能要求较高时，应在保证完全奥氏体化的条件下，尽量采用较低的加热温度，以获得碳含量较低的马氏体基体组织。 • 球墨铸铁的热处理工艺主要有退火、正火、调质、等温淬火等。

16. §2 铜及铜合金 • 铜及其合金按其表面颜色，分为纯铜、黄铜、青铜和白铜，其中后三种均为铜合金。 • 一、工业纯铜 （含Cu为99.5～99.95％） • 工业纯铜分冶炼产品（铜锭）及加工产品（铜材）两种。铜锭按杂质含量分为一号铜（Cu-1）、二号铜（Cu-2）、三号铜（Cu-3）、四号铜（Cu-4）四个牌号，后面的数字越大，铜的纯度越低。加工产品有纯铜（牌号有T1、T2、T3，“T”为“铜”的汉语拼音字首）、无氧铜（牌号有TU1和TU2）、磷脱氧铜（牌号有TP1和TP2）和银铜（牌号为TAg0.1）四类。

17. 黄铜： Cu-Zn合金 • (一)普通黄铜: H68、H90、ZH68 • “H”表示黄铜，68表示含Cu％＝68％，其余为Zn ； • “Z” 或“ZH”表示铸造黄铜，用作奖章等,如ZH62 • （二）特殊黄铜: HPb59-1（铅黄铜） 、HSi80-3 （硅黄铜） 、HSn62-1（锡黄铜）、HMn58-2（锰黄铜） • 牌号表示方法是“H”＋除Zn以外的主加元素符号＋铜含量＋主加元素的含量 • 如铅黄铜 - HPb59-1表示含Cu％＝59％，Pb％＝1％，；良好的耐蚀性。 • 还有：铸造特殊黄铜–ZCuZn40Mn3Fe1、ZCuZn25Al6Fe3Mn3 • 如ZCuZn40Mn3Fe1表示含Zn％＝ 40％，3.0~4.0%Mn、0.5~1.5%Fe,余Cu

18. 青铜 • 青铜原指Cu-Sn合金。但工业上都习惯称含铝、硅、铅、铍、锰等的铜合金为青铜。或指除Zn和Ni以外的其它元素作为主加元素的铜合金。 • 根据添加的元素不同，青铜分为锡青铜、铝青铜、铍青铜等。 • 青铜的牌号是：“青”字的汉语拼音字首“Q”＋主加元素符号＋主加元素质量百分数＋其它元素质量百分数.如 • 锡青铜：QSn4-3 3.5～4.5％Sn,2.7-3.3%Zn,其余为Cu的锡青铜。 • 铝青铜：QAl7：6.0～8.0％Al,其余为Cu的铝青铜。 • 铍青铜：QBe2:1.9-2.2%Be, 0.2-0.5%Ni, 余为Cu的铍青铜。 • 硅青铜：QSi3-1: 2.75-3.5%Si, 1.0-1.5Mn，其余为Cu的硅青铜。

19. 白铜 • 白铜是以镍为主加元素的铜合金。 • 白铜也分为简单白铜和特殊白铜，Cu-Ni二元合金称为简单白铜（如B30，B19，B5），在简单白铜的基础上再添加其它合金元素的Cu-Ni基合金称为特殊白铜，如锌白铜（BZn15-20）、锰白铜（BMn30-12、BMn40-1.5）等。 • 在固态下，Cu与Ni无限互溶，因此简单白铜的组织为单相固溶体，具有较高的耐蚀性和抗腐蚀疲劳性能，冷、热加工性能优良，主要用于制造蒸汽和海水环境中工作的精密仪器、仪表零件、冷凝器和热交换器。 • 特殊白铜中锰白铜的电阻率高，电阻温度系数小，是制造低温热电偶、热电偶补偿导线及电阻器的理想材料。

20. 一．工业纯铝 (含98.0％～99.0％Al) 工业纯铝分冶炼产品（铝锭）和加工产品（铝材）两种。铝锭一般用于冶炼铝合金或轧制成铝材。 铝锭的牌号是用“铝”的汉语拼音字首“L”加顺序号数字表示，牌号有：特一号铝（L00）、特二号铝（L0）、一号铝（Ll）、二号铝（L2）、三号铝（L3）、四号铝（L4）、五号铝（L5）、六号铝（L6），数字越大，表示杂质含量越高。 高纯铝的牌号有LG1、LG2、LG3、LG4、LG5，“G”是“高”字的汉语拼音字首，后面的数字越大，纯度越高，它们的含铝量在99.85~99.99%之间。高纯铝主要用于科学研究及制作电容器等。 §3 铝及铝合金

21. 二、铝合金－“L”代表Al合金 • 根据铝合金的成分和生产加工方法的不同，可以把铝合金分为变形（或形变）铝合金和铸造铝合金两类。 • 位于D点以左的合金可得到单相固溶体，塑性变形能力好，适宜于压力加工，称为变形铝合金。 • 位于D点以右的合金，有共晶组织存在，铸造性能好，称为铸造铝合金。 • 合金元素对铝的强化作用主要表现为固溶强化、时效强化和细化组织强化。

22. (一)变形铝合金 • 1.防锈铝合金：代号为“LF”，“铝、防”的汉语拼音字首。主要有Al-Mn系和Al-Mg系两种合金。 “ LF ” 有LF2 、LF21 、LF5、LF6 、LF11等，可作油箱等； • 2.硬铝合金：代号为“LY”，是“铝、硬”的汉语拼音字首。为AL-Cu-Mg系合金。根据硬铝合金的特性和用途，可将其分为低强度硬铝（LY1、LY10）、中强度硬铝（LY11）、高强度硬铝（LY12、LY6）、耐热硬铝（LY2）等。可制作可作铆钉，飞机大梁等。 • 3.超硬铝合金：代号为“LC”，是“铝、超”的汉语拼音字首。属Al-Zn-Mg-Cu系合金，可形成CuAl2、CuMgAl2、MgZn2和Al2Mg3Zn3等多种强化相。有LC4、LC6…等制作飞机大型结构件。 • 4.锻铝合金 ：为AL-Mg-Si-Cu系合金,用“ LD ”表示。加入的合金元素种类多，含量少，具有良好的热塑性，适于锻造。有LD2、LD5、LD10…等制作飞机，形状复杂强度高的零件。

23. （二）铸造铝合金 －“ZL”表示铸造铝合金 • 根据主加合金元素的不同，铸造铝合金一般分为四大类，即Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系; • 牌号用“铸、铝”二字的汉语拼音字首“ZL”＋三位数字表示，第一位数字代表合金系（1为Al-Si系，2为Al-Cu系，3为Al-Mg系，4为Al-Zn系），后两位为顺序号。 • AL-Si铸造合金 • Al-Si系铸造铝合金俗称硅铝明，是一种应用最广的铸造铝合金。具有优良的铸造工艺性能，收缩率较小，强度中等，并可以焊接，适于铸造在常温下工作、形状复杂的零件，如可制作形状复杂的飞机零件 . • 牌号：ZL101(ZAlSi7Mg) 、ZL102(ZAlSi12) 、ZL105(ZAlSi2Cu1Mg)、ZL108(ZAlSi5Cu2Mg1) • 成分特点：含Si％＝10～13％

24. 2.AL-Cu铸造合金:ZL201(ZAlCu5Mn) 、ZL202(ZAlCu10) …等 “2”表示AL-Cu系。强度高，耐热性好，但铸造性能不好，耐蚀性差。多用于砂型铸造低于175~300℃工作的零件，如支臂、挂架梁、内燃机气缸盖、活塞；及形状简单、对表面粗糙度要求较高的中等承载零件 。 • 3.AL-Mg铸造合金: ZL301(ZAlMg10) 、ZL302(ZAlMg5) …等，“3”表示AL-Mg系。强度高，良好的耐蚀性，耐热性差，铸造性能不好。多用于制造冲击载荷、在腐蚀介质中工作的、外形不复杂的零件。 • 4、Al-Zn系铸造铝合金： ZL401(ZAlZn11Si7) • 特点是具有良好的铸造性能和固溶时效强化能力，在铸态下有较高的机械强度，缺点是耐蚀性差。