铸铁和非铁合金.ppt
3.4 铸 铁 一.铸铁概述概念：C 2.11的Fe-C合金。碳存在形式：间隙固溶于Fe、渗碳体（亚稳相，分解为Fe、C）、游离态石墨（稳定相，铁液或奥氏体中析出）1、铸铁的石墨化过程 3个阶段：a、液态铸铁结晶出一次石墨（过共晶铸 铁）b、1154（ECF线）L奥氏体+石 墨 1154738 奥氏体 二次石墨（ES线）738奥氏体+石墨 共析反应，共析石 墨（PSK线）,铁碳合金中，C 可以几种方式存在：1）以固溶方式存在于、中-奥氏体与铁素体；2）以化合态的 Fe3C 形式存在；3）以游离态 G 存在。,Fe3C 晶体结构,G晶体结构,正交晶系硬度高脆性大塑性低,六方晶格强度低硬度低塑性低,铸铁分类：白口铸铁：C 主要以Fe3C形式存在；非白口铸铁：C 主要以 G(石墨)形式存在:,在不同条件下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图，即铁碳合金相图应该是复线相图：Fe-Fe3C相图和FeG相图。铁碳合金究竟按哪种相图变化，决定于加热、冷却条件或获得的平衡性质（亚稳平衡还是稳定平衡）。,1、以Fe-Fe3C相图结晶（白口铸铁）铸铁是 C 2.11%的铁碳铸造合金。碳绝大部分以Fe3C形式存在，断口呈银白色，硬度高，脆性大，称为白口铸铁 可用作耐磨铸件、冷硬铸铁轧辊或车轮，也可作为炼钢原料。根据碳的含量不同，可分为：#亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁,2、以Fe-G相图结晶碳的含量大于2.11的铁碳铸造合金，C全部或大部分以 G 形式存在，通常有较多的Si、Mn、S、P等元素 根据 G 形状的不同，非白口铸铁可分为 灰口铸铁（HT）：G呈片状 球墨铸铁（QT）：G呈球状 蠕墨铸铁（RUT)：G呈蠕虫状 可锻铸铁（KT）：G呈团絮状,可锻铸铁是由含碳硅不高的白口铸铁经石墨化退火处理得到,灰口铸铁的显微组织,F+G片,F+P+G片,P+G片,球墨铸铁的显微组织,球墨铸铁管道接口,蠕墨铸铁,可锻铸铁的显微组织,2、铸铁中的合金元素 促进石墨化的元素 C、Si、Al、Cu、Ni、Co（大多为非碳化物形成元素）阻碍石墨化的元素 Cr、W、Mo、V、Mn、P、S（大多为碳化物形成元素）3、铸铁性能特点 均是石墨化铸铁（HTKTRUTQT），性能为何相差很大呢？石墨的形态对其影响较大片状G灰口铸铁：G对基体严重割裂力学性能差蠕墨铸铁：端部钝化力学性能较好团絮状G铸铁：大大降低对基体的割裂力学性能明显改善球墨铸铁：对基体割裂作用最小,因G存在而产生的特殊性能切削加工性能铸造性能耐磨性减振性对缺口不敏感,二.灰口铸铁1、成分：C 2.5 4.0,Si 1.03.0,Mn,P,S等 碳当量C.E.：将铸铁中所含元素按促进石墨化能力折算成C时所相当的总碳量。C.E.=C+1/3 Si+1/3 P2、牌号：HT XXX XXX表示最低抗拉强度(MPa)如 HT100，HT150，HT200（普通灰口铸铁）HT250，HT300，HT350，HT400(孕育铸铁),3、影响灰口铸铁组织和性能的因素(1)化学成分：主要控制C、Si含量C、Si过高，石墨片过多、过大；过低，出现白 口组织(2)冷却速度：影响石墨化程度4、孕育处理定义：铸铁溶液浇铸前加入少量孕育剂，以改善灰口铸铁力学性能的技术目的：细小、均匀石墨片；避免白口组织,三.球墨铸铁高强度铸铁，综合力学性能好（与钢相近）1.成分：C、Si%比 HT 高，S%低 C 3.63.9%，Si 2.02.8，Mn0.60.8，S0.07,P0.1%。2.生产：熔化+球化处理+孕育处理+浇注 球化处理：加入球化剂；（Mg及其合金，稀土镁合金）孕育处理：75硅铁合金。,3.牌号：QT400-17，QT420-10（F+球G）QT500-5（F+P+球G）QT600-2，QT700-2，QT800-2（P+球G）QT1200-1（下B+球G）两组数字分别表示最低抗拉强度与伸长率4.组织：F，F+P，P，M，B+球G5.性能：力学性能好于HT，可以代替钢来生产某些零件如曲轴、连杆等6.热处理：可采用钢的普通热处理工艺。,四.蠕墨铸铁性能：强度接近于QT；耐热性较高 生产：一定成分的铁水进行蠕化处理。加入蠕化剂。蠕化剂目前主要采用镁钛合 金、稀土镁钛合金等；牌号：RUT260，300，340，380，420 组织：F+蠕G F+P+蠕G P+蠕G 用途：用于汽缸盖、汽缸套、液压阀等；,五.可锻铸铁 完全白口铸铁，经长时间石墨化退火（900 980）形成：由白口铸铁经石墨化退火处理得到；Fe3C 团絮状G+Fe成分:组织：F 或 P+团絮状G；牌号：KT 300-6,330-8,350-10,370-12(F+团G)KTZ450-5,500-4,600-3,700-2(P+团G)性能：强度、塑性和冲击韧性都较高,六.合金铸铁抗磨铸铁与减摩铸铁耐热铸铁耐蚀铸铁,3-5 非铁金属及其合金（掌握）,除钢铁以外所有其它金属材料，其中比重小于4.5的非铁合金称为轻金属（如铝、镁、钛等）。种类与应用 Al,Mg,Ti及合金 比重小 航空、航天、航海 Cu,Al,Ag及合金 导电性好 电力电工电子超导 Ni,Mo,Nb,Co 耐高温 火箭、发动机 Cu,Ti及其合金 耐蚀性好 石油化工、航海军舰 Ra,U,Th 原子能发电与核燃料,一、铝及其合金 1、基本特性密度低、比强度高；导电性好；抗大气腐蚀；加工性能好：成型性好；可热处理、铸造2、纯铝 1）物理性能 熔点660，密度2.7g/cm3,具有良好的导电性（相当于铜的60%）和导热性。在大气中抗蚀性较高。2）力学性能 强度硬度低（b=80100MPa、20HBS）、塑性较高、冷变形后强度增加不多，但塑性却急剧下降，因此铝不易作受力的结构材料。,按杂质（Fe,Si,Zn）含量不同，可分为：高纯铝；99.93%99.99%工业高纯铝：98.85%99.9%；L00，L0 工业纯铝：98.0%99.0%L1-L5,3、铝合金 通过加入硅、铜、镁、锌、锰等合金元素，使铝得到固溶强化、沉淀强化及组织强化，从而得到高强度的铝合金。合金化+冷变形(+，或)热处理提高强度合金化：+Mn,Mg,Cu,Zn,Si 等，形成不同合金冷变形：变形铝合金热处理：固溶处理+时效,（1）铝合金的固溶处理和时效铝合金相图固溶处理：将成分位于相图中D与F 之间的合金加热到相区，经保温获得单相固 溶体后迅速水冷，可在室温得到过饱和的固溶 体的热处理过程。时效（时效硬化）：在室温下放置或低温加热固溶体 时，其强度和硬度会明显升高的现象。,（2）铝合金的分类按成分及制造工艺：形变铝合金（成分低于 D，单相固溶体组织，塑性好）；铸造铝合金,变形铝合金特征:含合金元素含量较少,用压力加工成型 制造,有的可热处理强化(固溶处理+时效)可分为 防锈铝合金：Al-Mg,Al-Mn系，LF5，LF21等，耐蚀性好 硬铝合金：Al-Cu-Mg系合金，LY1，LY11等，强度高 超硬铝合金：Al-Mg-Zn-Cu系合金 LC4，LC6等：强度最高 锻铝合金：Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金 LD5,LD7,LD10，高强度与可锻性好,铸造铝合金铸造铝合金是指直接用来浇注各种形状机械零件的铝合金。其合金元素含量一般高于形变铝合金。特征:合金元素含量较高,合金流动性好，塑性差，经变质处理和热处理后可提高力学性能。用铸造方法生产。Al-Si合金：ZL101,ZL l02,等 铸造性能好，但强度和塑性较差Al-Cu合金：ZL201、ZL202、ZL203 强度较高,耐热性好Al-Mg合金:ZL301、ZL302 强度高，密度低，耐蚀性好Al-Zn合金:ZL401、ZL402 铸态下强度高,二、铜及其合金总体性能:优异的物理（高强度）、化学性能（耐蚀）良好的加工性能 特殊力学性能：减摩、耐摩，高的弹性极限，疲劳 极限 色泽美观2工业纯铜(紫铜)纯铜又称紫铜，熔点1083，密度8.9g/cm3，呈面心立方晶格。主要制作电导体及配制合金工业纯铜：T1 T2 T3 T4（纯度依次降低）无氧铜（氧含量低）：用于制作电真空器件及高导电性导线 纯铜强度低，不宜用作结构材料3.铜合金 分为黄铜、青铜和白铜三大类,1)黄铜（Cu-Zn-M）以锌为主加合金元素的铜基合金称为黄铜。黄铜是重有色金属中应用最为广泛的金属材料。当黄铜中还含有除锌以外的其它合金元素（Pb、Sn、Mn等）时属于复杂黄铜。普通(简单)黄铜 Cu-Zn二元合金 H80、H70，H68（组织:单相）H62、H59（组织:+）复杂(多元)黄铜 在Cu-Zn基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Ni等 可提高性能（强度、耐蚀性、耐磨性等）编号：H+主加元素符号+Cu%+辅加元素%。如 HPb60-1：Cu60%、Pb1%，余为Zn HSn70-1:,3)青铜青铜指除Zn,Ni外的其它铜合金,Cu与Sn、A1、Si、Pb、Be、Mn等的铜基合金分别为锡青铜、铝青铜，硅青铜。等 编号 Q+主加元素及含量+其他元素含量 如,QAl7 铝青铜,含 Al 2%,余为Cu QBe2 铍青铜 QSn4-3:Sn4%,Zn3%,余为Cu,锡青铜强度与耐蚀性排序：白铜黄铜 白铜 锡青铜 铝青铜 铍青铜应用：a）高级精密弹性零件及特殊要求的耐磨零件。b）高速、高温、高压零件。c）防爆合金，如炼油厂常用的防爆工具。,2)白铜(Cu-Ni-(M)以镍为主要合金元素的铜基合金称为白铜。再加入其它合金元素（如Zn、Mn、Fe等）时称为复杂白铜。普通白铜：Cu-Ni二元合金，Cu与Ni无限固溶 编号：B+Ni%。例如，B19：Ni19特殊白铜：加入Zn、Mn、Fe等 如 BZn15-20:Ni15%、Zn20%的锌白铜组织:均为单相固溶体()性能：具有很高的耐蚀性，优良的冷、热加工性。应用：广泛用于制造精密仪器、仪表、化工机械及 医疗器械中的关键零件。,三、钛及钛合金1、纯钛 密度低（4.5g/cm3），熔点高(1660)，线膨胀系数小，导热性差，塑性好，强度低，易加工成形。优良的耐蚀性、抗氧化能力。工业纯钛：TA1 TA2 TA3（纯度逐渐降低）2、钛合金型钛合金(TA，合金元素溶入-Ti中)型钛合金(TB，合金元素溶入-Ti中)+型钛合金(TC)钛合金按其退火后的组织可分为三个类型，即型、型和+型。,1）型钛合金 牌号：TA 型钛合金所含的合金元素主要为铝和锡，单相。性能：室温强度不高，但温度在400以下时的性能较好，组织稳定，焊接性能好，焊缝韧性高，抗氧化、蠕变性好。热处理：固溶强化，退火（消除应力，消除加工硬化）。应用：通常用于制造350以下经冲压或焊接成型的零件。典型牌号：TA7(Ti-5A-2.5Sn),2）型钛合金 型钛合金能热处理强化，焊接性及压力加工性均好，但性能不稳定，冶炼工艺也较复杂，所以目前不常用。3）+型钛合金+型钛合金的力学性能变化范围宽，可适应各种不同的用途。可进行热处理强化。性能：与型钛合金相比，工艺性较好，便于压力成型，但焊接性差。高温下具有较大的热强度。应用：TC4（Ti-6Al-4V）用途最广，用量占现有钛合金的一半。常用来制造400下长期工作的零件。,四、镁及镁合金1、纯镁最轻的工程金属，易燃，力学性能低（不能用作结构材料）密排六方结构2、镁合金性能：密度低，比强度高，比刚度高 承受冲击载荷的能力较大（大于铝合金）优良的可切削加工性和可抛光性,分类：,镁合金中合金元素的作用：铝：提高室温强度，改善铸造性，时效强化锌：提高强度，改善耐蚀性、塑性锰：和有害杂质化合，消除对抗蚀性的影响锆：细化晶粒，减小热裂倾向，提高力学性能 稀土元素：提高耐热性，改善铸造性、焊接性锂：Mg-Li合金密度低（最轻，超轻合金），另外提高塑性，改善焊接性能,五、轴承合金性能：足够的强度、硬度 足够的塑性、韧度，高的疲劳强度 良好的磨合能力 高的耐磨性，与轴的摩擦系数小，保持润滑油 耐蚀性好，导热性好，膨胀系数小组织特点：软基体上分布硬颗粒或硬基体上分布软颗粒,分类：编号：ZCh+基体元素符号+主加元素质量分数+辅加元素质量分数，如：ZChSnSb11-6,1、锡基轴承合金软基体硬颗粒型常用牌号：ZChSnSb11-6性能、用途：2、铅基轴承合金软基体硬颗粒型常用牌号：ZChPbSb16-6-2性能、用途：,3、铜基轴承合金硬基体软颗粒型种类有铅青铜、锡青铜；典型牌号：ZQPb30，ZQSn10-1性能、用途因强度低，承受压力小，所以在钢轴瓦上形成内衬，成为双金属轴承4、铝基轴承合金：新型减摩材料,1.应满足零件的工作要求 例如：受力状态，工作温度，环境介质等2.应能满足工艺性能要求金属材料的基本加工方法有铸造，锻造，冲压，焊接，切削加工和热处理，各种加工工艺对材料均有其工艺性能要求。例如焊接选用低碳钢或低碳合金钢，冲压件选用低碳沸腾钢，冲模选用淬透性优良的合金工具钢。,零件选材的一般原则,3.必须重视材料的经济性一般说，优先选用价格低的材料，例如优先选用碳素钢或灰铸铁，难以满足要求时，选用合金钢，球墨铸铁，铸钢或其它材料。16Mn比Q235成本略高，但强度高46，可减少用量材料的牌号应符核国家标准，品种少而集中。,
