铸铁、有色金属、硬质合金

1. 铸铁、有色金属、硬质合金

2. 1.6 铸铁 • 铸铁是wc＞2.11％并含有较多硅、锰、磷、硫等元素的铁碳合金。 • 1. 白口铸铁。指碳主要以游离碳化物形式出现的铸铁，断口呈白色，故称为白口铸铁。因为白口铸铁硬度高，脆性大，难切削，所以很少用来制造机械零件，工业中应用较少。 • 2. 麻口铸铁。碳部分以游离碳化物、部分以石墨形式出现的铸铁，断口呈灰白相间，故称麻口铸铁。因其硬度高，脆性大，工业中很少应用。 • 3. 灰口铸铁。指碳主要以石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色，故称为灰口铸铁。

3. 根据石墨形态不同，灰口铸铁又分为以下几类：根据石墨形态不同，灰口铸铁又分为以下几类： • 　　① 灰口铸铁：碳主要以片状石墨形式出现的铸铁。 • 　　② 可锻铸铁：碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁。 • 　　③ 球墨铸铁：碳主要以球状石墨形式出现的铸铁。 • 　　④ 蠕墨铸铁：碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。

4. 1.6.1 铸铁的石墨化 1. 铸铁的石墨化 铸铁中的碳原子析出并形成石墨的过程称为铸铁的石墨化。 铸铁中的石墨可由液体或奥氏体中析出，也可由渗碳体分解 得到。 渗碳体在高温下进行长时间加热时，可分解为铁和石墨(即Fe3C→3Fe＋G)，这说明渗碳体是一种亚稳定相，而石墨是一种稳定相.石墨的晶格类型为简单六方晶格，层面的碳原子间距为1.42×10-10 m，两层面之间的间距为3.40×10-10 m，其层面间距较大，结合力弱。因此，石墨受力时容易沿层面间滑动，故其强度、塑性和韧性都很低，接近于零，硬度只有3HBS，其结晶形态容易形成片状。

6. 2．影响铸铁石墨化的因素 （1）化学成分的影响：碳和硅是强烈促进石墨化的元素，碳和硅的质量分数越高，石墨化越易进行。磷对石墨化稍有促进作用。硫是强烈阻碍石墨化的元素，还会降低铁水的流动性，应限制其质量分数。锰虽阻碍石墨化，但能减轻硫的有害作用，可在铸铁中保持一定的质量分数。 （2） 冷却速度的影响：铸件的冷却速度对其石墨化的影响也很大。冷却速度越慢，原子扩散时间越充分，越有利于石墨化的进行。铸件的冷却速度与浇注速度、铸件壁厚和铸型材料的导热性

8. 1.6.2 灰口铸铁 1. 灰口铸铁的化学成分、组织和性能 （1）化学成分 　　灰口铸铁的化学成分一般为：wC＝2.5%～4.0%，wSi＝1.0%～2.5%，wMn＝0.5%～1.4%，wS≤0.15%，wP≤0.3%。 （2）组织 　 由于石墨化程度的不同，灰口铸铁的组织有三种类型：铁素体(F)＋片状石墨(G)，铁素体(F)－珠光体(P)＋片状石墨(G)，珠光体(P)＋片状石墨(G)。

9. 铁素体灰口铸铁显微组织

10. 　　（3） 性能 　　灰口铸铁的性能主要取决于基体的性能和石墨的数量、形状、大小及分布状况。当石墨的状态相同时，基体中的珠光体越多，灰口铸铁的强度越高。石墨对灰口铸铁的性能起着决定性作用，是导致灰铸铁抗拉强度低、塑性和韧性差的主要原因。由于石墨本身的强度、硬度和塑性都很低，因此灰口铸铁中存在的石墨就相当于在钢的基体上分布了大量的孔洞和裂缝，割裂了基体组织的连续性，减小了基体的有效承载面积。当基体组织相同时，灰口铸铁中片状石墨愈多，愈粗大，分布愈不均匀，则其强度、塑性和韧性就愈低。值得注意的是，铸件在承受压应力时，由于石墨的有害作用减小，故灰口铸铁的抗压强度与钢相近。

11. 　　石墨虽然降低了灰口铸铁的力学性能，但却使灰口铸铁获得了许多钢所不及的优良性能，归纳起来有以下几个方面：　　石墨虽然降低了灰口铸铁的力学性能，但却使灰口铸铁获得了许多钢所不及的优良性能，归纳起来有以下几个方面： 　　①良好的铸造性能。灰口铸铁熔点较低、流动性好，铸件在凝固过程中析出比容较大的石墨，减小了收缩率，故灰口铸铁具有良好的铸造性能。 ②良好的减震性。由于石墨松软，能阻止震动的传播，因此灰口铸铁具有良好的减震性。灰口铸铁的减震能力约是钢的数倍，因此，灰口铸铁广泛用于制造机床床身、机器底座等。

12. ③较低的缺口敏感性。灰口铸铁中由于石墨的存在，就相当于零件上存在很多小的缺口，因而使加工形成的缺口作用降低，故灰口铸铁具有较低的缺口敏感性。③较低的缺口敏感性。灰口铸铁中由于石墨的存在，就相当于零件上存在很多小的缺口，因而使加工形成的缺口作用降低，故灰口铸铁具有较低的缺口敏感性。 ④良好的切削加工性。灰口铸铁在进行切削加工时，石墨起着减摩和断屑作用，刀具磨损小，故灰口铸铁切削加工性能好。 　　 ⑤良好的减摩性。由于石墨本身的润滑作用，以及它从铸铁表面脱落后留下的孔洞具有储存润滑油的能力，故灰口铸铁具有良好的减摩性。

13. 2. 灰口铸铁的孕育处理(变质处理) 　　为了提高灰口铸铁的力学性能，在铁液浇注之前，往铁液中加人少量的孕育剂(如硅铁或硅钙合金)，使铁液中同时生成大量均匀分布的石墨晶核，改变铁液的结晶条件，使灰口铸铁获得细晶粒的珠光体基体和细片状石墨组织，这种处理称为孕育处理。经过孕育处理的灰口铸铁称为孕育铸铁，也叫变质铸铁。孕育铸铁的强度有很大的提高，并且塑性和韧性也有所提高，常用来制造力学性能要求较高、截面尺寸变化较大的大型铸件。

14. 3. 灰口铸铁的牌号、性能及用途 　　灰口铸铁的牌号由“HT”及数字组成。其中“HT”是“灰”、“铁”两字汉语拼音的第一个字母，其后的数字表示最低的抗拉强度，如HT100表示灰口铸铁，最低抗拉强度是100 MPa。 　　灰口铸铁具有一定的强度，还具有优良的工艺性能，而且价格低廉，是应用最广泛的铸铁材料，常用来制造各种承受压力及要求有较好的减震性、减摩性和机构复杂的箱体、床身、导轨等。常用灰口铸铁的牌号、力学性能及用途见下表。

15. 灰口铸铁的牌号、力学性能及用途

16. 4. 灰口铸铁的热处理 　　热处理只能改变铸铁的基体组织，而不能改变石墨的形状、大小和分布情况。因此，灰口铸铁的热处理一般都用于消除铸件的内应力和白口组织，稳定铸件尺寸，改善切削加工性和提高铸件工作表面的硬度及耐磨性。由于石墨的导热性差，铸铁热处理的加热速度比非合金钢要稍慢些。

17. （1） 消除内应力退火(时效处理) 　　铸件在冷却过程中因各部位的冷却速度不同，往往会产生一定的内应力。铸造应力会引起铸件的变形甚至开裂，因此必须消除铸造应力。消除铸造应力的方法有消除内应力退火和自然时效。 　　消除内应力退火是将铸件缓慢加热到500～600℃，保温一定时间，然后随炉缓冷至300℃以下出炉空冷。这种退火方法也称为人工时效。 　　对大型铸件可采用自然时效，即将铸件在露天下放置一年以上，使铸造应力缓慢松弛。

18. （2） 消除白口组织的退火 　　将铸件加热到850～950℃，保持一定时间(一般为2～5 h)，然后随炉冷却至400～500℃出炉空冷，使渗碳体在高温和缓慢冷却中分解，用于消除白口，降低硬度，改善切削加工性。

19. （3） 表面淬火 　　表面淬火的目的是提高铸件表面硬度和耐磨性。常用的表面淬火有火焰加热表面淬火、高频与中频感应加热表面淬火和电接触加热表面淬火等。如对机床导轨进行中频感应加热表面淬火，使表面淬火层获得细马氏体基体＋石墨的组织，其耐磨性就会显著提高。

20. 1.6.3 球墨铸铁 • 1、球墨铸铁的获得 • 球墨铸铁是通过铁液的球化处理获得的。浇注前向铁液中加入球化剂，促使石墨呈球状析出，这种处理方法称为球化处理。目前常用的球化剂有镁、稀土元素和稀土镁合金三种，其中稀土镁合金球化剂由稀土、硅铁、镁组成，性能优于镁和稀土元素，应用最广泛。稀土镁合金球化剂多采用冲入法加入，即先将球化剂放在铁水包内，然后将铁液冲入，使球化剂逐渐熔化。 • 由于镁及稀土元素都强烈阻碍石墨化，因此，在进行球化处理的同时或随后，必须加入孕育剂进行孕育处理，其作用是削弱白口倾向，以免得到白口组织。同时孕育处理可以改善石墨的结晶条件，使石墨球径变小，数量增多，形状圆整，分布均匀，从而提高了铸铁的力学性能。

21. 2、球墨铸铁的化学成分、组织和性能 （1） 化学成分 　　球墨铸铁的化学成分是：wC＝3.6%～3.9%，wSi＝2.0%～3.2%，wMn＝0.6%～0.8%，wS＜0.04%，wP≤0.1%，wMg＝0.03%～0.05%，wRE＝0.03%～0.05%等。 （2） 组织 　　按基体组织的不同，球墨铸铁的组织可分为四种类型：铁素体(F)＋球状石墨(G)，铁素体(F)－珠光体(P)＋球状石墨(G)，珠光体(P)＋球状石墨(G)，下贝氏体(В下)＋球状石墨(G)。图6-5所示为铁素体球墨铸铁的显微组织

23. （3） 性能 　　球墨铸铁的力学性能与基体的类型以及球状石墨的大小、形状及分布状况有关。由于球状石墨对基体的割裂作用最小，又无应力集中作用，球墨铸铁基体的强度、塑性和韧性可以充分发挥，因此球墨铸铁与灰铸铁相比，具有高的强度和良好的塑性与韧性。它的某些性能可以与钢相媲美，如屈服点比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。同时，它还具有灰铸铁的减震性、减摩性和小的缺口敏感性等优良性能。球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好，球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的力学性能就越好。

24. 3、球墨铸铁的牌号及用途 　　球墨铸铁的牌号用“QT”符号及其后面两组数字表示。“QT”是“球铁”两字汉语拼音的第一个字母，两组数字分别代表其最低抗拉强度和最低断后伸长率。如QT700-2表示球墨铸铁，最低抗拉强度为700 MPa，最低断后伸长率为2%。

25. 球墨铸铁的牌号、力学性能及用途

26. 4、球墨铸铁的热处理 　　球墨铸铁通过各种热处理，可以明显地提高其力学性能。球墨铸铁的热处理工艺性能较好，凡是钢的热处理工艺，一般都适合于球墨铸铁。球墨铸铁常用的热处理工艺有： （1）退火。退火的主要目的是为了得到铁素体基体的球墨铸铁，提高其塑性和韧性，改善切削加工性能，消除内应力。 　　（2）正火。正火的目的是为了得到珠光体基体的球墨铸铁，提高其强度和耐磨性。

27. （3）调质。调质的目的是为了得到回火索氏体基体的球墨铸铁，从而获得高的综合力学性能。该工艺适应于受力复杂、要求综合力学性能高的球墨铸铁铸件，如连杆、曲轴等。（3）调质。调质的目的是为了得到回火索氏体基体的球墨铸铁，从而获得高的综合力学性能。该工艺适应于受力复杂、要求综合力学性能高的球墨铸铁铸件，如连杆、曲轴等。 　　（4） 贝氏体等温淬火。贝氏体等温淬火的目的是为了得到贝氏体基体的球墨铸铁，从而获得高强度、高硬度和高韧性的综合力学性能。该工艺适用于形状复杂、易变形或易开裂的球墨铸铁铸件，如齿轮、凸轮轴等。

28. 1.6.4 蠕墨铸铁 1、蠕墨铸铁的获得 蠕墨铸铁的获得方法与球墨铸铁相似，是通过铁液的蠕化处理获得的。浇注前向铁液中加入蠕化剂，促使石墨呈蠕虫状析出，就得到了蠕墨铸铁，这种处理方法称为蠕化处理。目前常用的蠕化剂有稀土镁钛合金、稀土硅铁合金、稀土钙硅铁合金等。 2、蠕墨铸铁的化学成分、组织和性能 （1） 化学成分 　　蠕墨铸铁碳硅含量较高，化学成分一般为：wC＝3.5%～3.9%，wSi＝2.2%～2.8%，wMn＝0.4%～0.8%，wS<＜0.1%，wP≤0.1%。

29. 　（2） 组织 　　蠕墨铸铁中的石墨呈短小的蠕虫状，其形状介于片状石墨和球状石墨之间。蠕墨铸铁的显微组织有三种类型：铁素体(F)+蠕虫状石墨(G)，珠光体(P)-铁素体(F)+蠕虫状石墨(G)，珠光体(P)+蠕虫状石墨(G)。铁素体蠕墨铸铁的显微组织如图5-6所示。 （3） 性能 　　蠕墨铸铁的力学性能优于基体相同的灰铸铁而低于球墨铸铁。蠕墨铸铁在铸造性能、减震性、耐热性能等方面比球墨铸铁好；切削加工性与球墨铸铁相似，比灰铸铁稍差。

30. 铁素体蠕墨铸铁的显微组织

31. 　　三、蠕墨铸铁的牌号及用途 　　蠕墨铸铁的牌号用“RuT”符号及其后面数字表示。“RuT”是“蠕”、“铁”两字汉语拼音的第一个字母，其后数字表示最低抗拉强度。如RuT300表示蠕墨铸铁，最低抗拉强度为300 MPa。常用的蠕墨铸铁的牌号与力学性能见表。

32. 蠕墨铸铁的牌号、力学性能

33. 1.6.5 可锻铸铁 • 1、可锻铸铁的获得 • 可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火而获得的。石墨化退火的工艺过程是：将白口铸铁加热到900～980℃，使铸铁组织转变为奥氏体加渗碳体，在此温度下长时间保温后，渗碳体分解为团絮状石墨，这时铸铁组织为奥氏体加石墨，此为第一阶段石墨化。在高温下完成这一阶段石墨化后缓慢冷却，铸铁的组织按F—G（石墨）状态图变化，先后析出二次石墨和共析石墨，这一过程称为第二阶段石墨化，最后获得以铁素体为基体的可锻铸铁

34. 2、 可锻铸铁的化学成分、组织和性能 　（1） 化学成 分 　　为了保证铸件在一般冷却条件下获得白口组织，又要在退火时容易使渗碳体分解为团絮状石墨，要求严格控制铁水的化学成 分。与灰口铸铁相比，可锻铸铁中碳、硅的质量分数低一些。可锻铸铁的化学成分是：wC＝2.2%～2.8%，wSi＝1.0%～1.8%，wMn＝0.3%～0.8%，wS≤0.2%，wP≤0.1%。

35. （2）组织 　　可锻铸铁的组织有两种类型：铁素体(F)+团絮状状石墨(G)，珠光体(P)+团絮状石墨(G)。将白口铸铁件加热到910～960℃，经长时间保温，使组织中的渗碳体分解为奥氏体和石墨(团絮状)，然后缓慢降温，奥氏体将在已形成的团絮状石墨上不断析出石墨。当冷却至共析转变温度范围(720～770℃)时，缓慢冷却，得到以铁素体为基体的黑心可锻铸铁(称为铁素体可锻铸铁)。如果在通过共析转变温度时的冷却速度较快，则得到以珠光体为基体的可锻铸铁(称为珠光体可锻铸铁)。可锻化退火工艺曲线如图5-7所示。黑心可锻铸铁的显微组织如图5-8所示。

36. 黑心可锻铸铁的显微组织

37. （3） 性能 　　由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小，因此它的力学性能比灰铸铁高，塑性和韧性好，但可锻铸铁并不能进行锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性。

38. 3、可锻铸铁的牌号及用途 　　可锻铸铁的牌号是由三个字母及两组数字组成。其中前两个字母“KT”是“可”、“铁”两字汉语拼音的第一个字母，第三个字母代表类别，其后的两组数字分别表示最低抗拉强度和最低断后伸长率。KTH300-06表示黑心可锻铸铁，最低抗拉强度为300 MPa，最低断后伸长率为6%；KTZ700-02表示珠光体可锻铸铁，最低抗拉强度为700 MPa，最低断后伸长率为2%。下表列出了可锻铸铁的牌号、力学性能及主要用途。

39. 表5-4 可锻铸铁的牌号、力学性能及用途

40. 　　可锻铸铁主要用于制造形状复杂、要求韧性好、承受冲击和震动、耐腐蚀的薄壁(小于25 mm)中小型铸件。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有铁液处理简单、质量稳定、容易组织流水线生产和低温韧性好等优点，广泛应用于汽车、拖拉机等机械制造行业。但其可锻化退火的时间太长(几十小时)，能源消耗大，生产率低，成本高，故其应用受到限制。近年来，不少可锻铸铁件已被球墨铸铁件代替。

41. 1.6.6 合金铸铁 1、 耐磨铸铁 　　耐磨铸铁是指不易磨损的铸铁。根据工作条件的不同，分为以下两类。 （1）抗磨铸铁。在干摩擦及抗磨料磨损条件下工作的零件，如轧辊、犁铧、抛丸机叶片、球磨机磨球等，应具有均匀的高硬度和必要的韧性。 （2） 减摩铸铁。在润滑条件下工作的零件，如机床导轨、汽缸套、活塞环、轴承等，其组织应为软基体上分布硬质点(强化相)。软基体磨损后形成沟槽，起储油和润滑作用，硬质点起支承作用。常用的减摩铸铁有普通高磷铸铁和合金高磷铸铁。

42. 2、 耐热铸铁 　 耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。“生长”是指由于氧化性气体沿石墨片边界和裂纹渗入铸铁内部造成的氧化，以及因Fe3C分解而发生的石墨化引起铸件体积膨胀。向铸铁中加入铝、硅、铬等元素，使铸件表面形成一层致密的Fe2SiO4、Al2O3、Cr2O3等氧化膜，能明显提高高温下的抗氧化能力，同时能够使铸铁的基体变为单相铁素体。此外，硅、铝可提高相变点，使其在工作温度下不发生固态相变，可减少由此而产生的体积变化和显微裂纹。铬可形成稳定的碳化物，提高铸铁的热稳定性。 　　常用的耐热铸铁有中硅铸铁、高铬铸铁、镍铬硅铸铁等，主要用于制造加热炉附件，如炉底板、送链构件、换热器等。

43. 3、耐蚀铸铁 　　耐蚀铸铁是指能耐化学、电化学腐蚀的铸铁。在铸铁中加入铬、硅、铝、钼、铜、镍等合金元素，可使铸件表面形成一层致密的保护膜，还可提高铁索体的电位，增加铸铁的耐蚀能力。耐蚀铸铁种类很多，应用较广的是高硅(wSi＝10%～18%)铸铁，其组织为：含硅铁素体＋石墨＋Fe3Si2。高硅铸铁广泛用于制造化工、石油、化纤、冶金等工业设备。

44. 1.7 有色金属 工业上常把铁及其合金（主要指钢铁材料）称为黑色金属，而把除钢铁材料以外的其他金属及其合金统称为有色金属材料（也称非铁金属）。有色金属材料的种类很多，例如铝、铜、锡、铅及其合金等。虽然有色金属材料与黑色金属材料相比产量低、价格高，但由于其具有某些特殊性能，在机械制造、化工、电器、航空、航天、冶金以及国防等领域得到广泛应用。

45. 1.7.1 铝及铝合金 1. 工业纯铝 纯铝呈银白色，密度较小(约2.7 g/cm3)，熔点为660℃，具有面心立方晶格，无同素异晶转变。纯铝的导电性、导热性仅次于银、铜、金，在金属中列第四位，在室温下，铝的导电能力为铜的62%，但按单位质量导电能力计算，则铝的导电能力约为铜的200%。 　　纯铝的强度很低(σb仅80～100 MPa)，但塑性很高（δ=50%、Ψ=80%） ，适合各种冷热加工，特别是塑性加工。纯铝不能热处理强化，但可以通过冷变形强化。 铝在大气中极易和氧结合生成致密的氧化膜，阻止铝的进一步氧化，故铝在大气中具有良好的耐蚀性。但铝不能耐酸、碱、盐的腐蚀。

46. 工业纯铝的代号为L1、L2、…L6，数字表示编号，编号越大，纯度越低。工业纯铝的代号为L1、L2、…L6，数字表示编号，编号越大，纯度越低。 • 纯铝的用途主要是：代替贵重的铜合金，制作导线；配制各种铝合金以及制作要求质轻、导热或耐大气腐蚀但强度要求不高的器具。

47. 2. 变形铝合金 (1)变形铝合金的分类、代号和牌号表示 根据主要性能特点和用途，变形铝合金又可分为防锈铝合金LF、硬铝合金LY、超硬铝合金LC和锻铝合金LD等，其中后三类是可以热处理强化的铝合金。 变形铝合金的代号 用“铝”和“合金类别”的汉语拼音字首表示；后面的数字则表示该类别中的合金序号。例如LF21表示序号为21的防锈铝合金，LY11表示序号为11的硬铝合金。

48. 变形铝及铝合金的牌号 • 我国铝及其合金的牌号表示方法正逐步向国际标准化组织规定的材料命名方法靠拢。按（GB/T16474—1996）《变形铝及铝合金牌号表示方法》的规定，我国变形铝及铝合金牌号采用国际四位数字体系和四位字符体系表示。凡按照化学成分在国际牌号注册组织注册命名的铝及铝合金，直接采用四位数字体系（即采用四位阿拉伯数字表示）；未在国际牌号注册组织注册的，则按照四位字符体系表示（采用阿拉伯数字和英文大写字母表示）。

49. 第一位数字表示铝及其合金的组别。有1×××、2×××、3×××，……9×××共9组。若第一位数字为1时，表示纯铝（wAl>99.00%），为2、3、4……9时，依次表示以铜、锰、硅、镁、镁和硅、锌、其他合金元素为主要合金元素的铝合金及备用组。第一位数字表示铝及其合金的组别。有1×××、2×××、3×××，……9×××共9组。若第一位数字为1时，表示纯铝（wAl>99.00%），为2、3、4……9时，依次表示以铜、锰、硅、镁、镁和硅、锌、其他合金元素为主要合金元素的铝合金及备用组。 • 第二位数字表示原始纯铝或铝合金的改型情况。当数字为0或字母A时，表示原始纯铝和原始合金；数字为1~9或B~Y表示改型情况，即该合金在原始合金的基础上允许有一定的偏差。 • 第三、第四位数字表示同一组中的不同铝合金，纯铝则表示铝的最低质量分数中小数点后面的两位数字。 • 以上两种牌号表示方法仅第二位不同：四位数字体系表示时第二位用数字0~9;四位字符体系表示时第二位用字母A~Y。例如：牌号1070表示纯度为99.70%的变形工业纯铝；2A11表示主要合金元素为铜的11号原始变形铝合金。