铸钢与铸铁
铸钢与铸铁
2. 铸铁的组织特征和分类 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。 铸铁经不同程度石墨化后所得的组织
名
称
石 墨 化 程 度 按 Fe-G 相图结晶、转变 Fe- 相图结晶、
显微组织 F+G F+P+G P+G Le' + P + G Le' + P + Fe3C
第七章 铸钢与铸铁
知识要点 熟悉常用铸钢的性能及应用 熟悉石墨化过程 熟悉常用的几种铸铁的组织和应用
1 铸钢 铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性 铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、 和韧性的零件，例如机车车辆 船舶、 机车车辆、 和韧性的零件，例如机车车辆、船舶、重型机械的齿 轮、轴，以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。 以及轧辊 机座、缸体、外壳、阀体等 轧辊、
灰口铸铁
较高 中等
麻口铸铁 白口铸铁
较低 按 Fe-Fe3C 相图结晶、转变 Fe相图结晶、
常用各类铸铁的组织是两部分组成的，一部分是石墨，另 常用各类铸铁的组织是两部分组成的，一部分是石墨， 一部分是基体。 一部分是基体。 基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，相当于 基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体， 铁或钢的组织。 铁或钢的组织。 所以，铸铁的组织可以看成是铁或钢的基体上分布着石 所以， 墨夹杂
二、铸钢的组织特征和热处理 由于铸钢的浇注温度很高，而且冷却较慢， 由于铸钢的浇注温度很高，而且冷却较慢，所以容 易得到粗大的奥氏体晶粒。在冷却过程中，铁素体首 易得到粗大的奥氏体晶粒。在冷却过程中， 先沿着奥氏体晶界呈网状析出，然后沿一定方向以片 先沿着奥氏体晶界呈网状析出， 状生长，形成“魏氏组织”。魏氏组织的特点是铁素 状生长，形成“魏氏组织” 体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内，使钢的塑性和 体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内， 韧性下降，不能直接使用。 韧性下降，不能直接使用。铸钢要经过退火或正火处 理，以细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力，改善机 以细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力， 械性能。退火或正火后的组织为晶粒比较细小的珠光 械性能。 体和铁素体。 体和铁素体。
铸铁和铸钢的组织结构
铸铁和铸钢的组织结构教学目的及其要求通过本章学习，使学生掌握铸铁牌号和应用范围，了解常用铸铁组织结构和热处理工艺。
主要内容1．铸铁的石墨化2．常用铸铁和铸钢的牌号与性能3．铸铁的热处理学时安排讲课1学时。
教学重点1．铸铁的石墨化2．常用铸铁和铸钢的牌号和性能特点教学难点铸铁的石墨化。
教学过程一、铸铁概述同钢一样，铸铁也是Fe、C元素为主的铁基材料。
它是含碳量大于2.11％的铁碳合金。
铸铁是历史上使用得较早的材料，价格便宜，具有很多优点。
在汽车发动机中，铸铁约占80%。
铸铁成型制成零件毛坯只能用铸造方法，不能用锻造或轧制方法。
（一）铸铁的分类1．按碳在铸铁中存在形式分为两大类白口铸铁：碳以渗碳体的形式存在，断口呈现银白色，硬而脆；作为零件工业上很少用（农业上制作犁铧）；可作为冶炼钢铁的原料。
灰口铸铁：碳以游离态石墨存在，断口呈现黑灰色，灰口铸铁在机械制造业有广泛的应用，在我国，铸铁与钢用量比约为0.46:1。
2．以石墨形态分类（灰口铸铁的分类）：灰铸铁（普通灰口铸铁）：石墨为片状；可锻铸铁：石墨为团絮状；球墨铸铁：石墨为球状；蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状。
（二）灰口铸铁的成分和性能特点1．成分Wc ：2.5—5.0%；Si、Mn、S、P 等元素。
铸铁种Si的含量较多，一般在1.0～2.8%之间。
所以，铸铁可以看成是Fe－Si －C 三元铁基合金。
2．性能特点：抗拉强度、塑性、韧性比钢低；抗压强度高，耐蚀性好；良好的铸造性能和切削加工性能；良好的减震性和耐磨性；成本低。
生产灰口铸铁的关键是让碳以石墨的形式结晶，此过程称为石墨化。
（三）铸铁的石墨化石墨化：铸铁中石墨的形成过程称为石墨化。
1．石墨化过程Fe-- Fe3C / Fe—G 双重相图。
石墨化的三个阶段：（1）第一阶段（高温）石墨化从液相中直接结晶出石墨：L →G I(Wc >4.26%)通过共晶反应形成的石墨：在11540C，Lc’ → A E’+ G共晶（2）第二阶段（中间）石墨化11540C ～7380C冷却过程中从A相中析出的石墨:，A →G II（3）低温石墨化阶段在7380C通过共析反应形成的石墨，As’→Fp + G共析2．铸铁石墨化过程对室温组织的影响三个阶段石墨化都进行彻底 F + G ；第三阶段石墨化不彻底 F + P + G ；第三个阶段石墨化未进行P + G 。
铸铁和铸钢的区别
铸铁和铸钢的区别
一、本质的区别：铸铁和铸钢所含碳、硅、锰、磷、硫等化学元素的百分比不同。
二、内部结构的区别：在铸造过程中，结晶后具有不同的组织结构，因而机械性能和工艺性能产生不同。
三、物理性能的区别：在铸造状态下，铸铁的延伸率、断面收缩率、冲击韧性都比铸钢低；但是铸铁的抗压强度和消震性能比铸钢好；
四、适用范围的区别：铸铁更适于铸造结构复杂的薄壁铸件；
五、力学性能区别：在弯曲试验时，铸铁为脆性断裂，铸钢为弯曲变形。
1铸铁与铸钢
概 述
• 铸铁是含碳量大于2.11%并含 有较多硅、锰、硫、磷等元素
的多元铁基合金。
• 铸铁具有许多优良的性能及生
产简便、成本低廉等优点，因
而是应用最广泛的材料之一。
• 例如，机床床身、内燃
机的汽缸体、缸套、活塞
环及轴瓦、曲轴等都可
内 燃 机 汽 缸
用铸铁制造。
铸铁曲轴
1 2 3 4 5 6 7
灰铸铁 蠕墨铸铁 球墨铸铁
球 墨 铸 铁
灰 铸 铁
蠕 墨 铸 铁
灰铸铁
蠕墨铸铁
球墨铸铁
蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。 RuT300、RuT420 蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃 机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。
（4） 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。 它有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。 组织：基体(F、P)＋团絮状G
第二阶段 充分进行
第三阶段 充分进行
部分进行 未进行
铸铁的显微组织
铸铁类型
F+G
F+P+G P+G 灰口铸铁
充分进行
充分进行 充分进行
部分进行 未进行
部分进行 未进行
未进行 未进行
Le’+P+G Le’ +P+Fe3C
麻口铸铁 白口铸铁
影响石墨化的因素
⑴ 化学成分的影响
• 碳和硅是强烈促进石墨化的元素。
球墨铸铁的牌号是由球铁汉语拼音字首“QT”及其后的两组
数字组成。这两组数字分别表示该材料的最低抗拉强度（单 位为MPa）和最低伸长率。例如QT600-3表示Rm≥600MPa， A≥3%的球墨铸铁。
铸钢技术
铸钢技术对于强度、塑性和韧性要求更高的机器零件，需要采用铸钢件。
铸钢件的产量仅次于铸铁，约占铸件总产量的15%。
一、按照化学成分铸钢可分为碳素铸钢和合金铸钢两大类。
其中以碳素铸钢应用最广，占铸钢总产量的80%以上。
1、碳素铸钢一般的，低碳钢ZG15的熔点较高、铸造性能差，仅用于制造电机零件或渗碳零件；中碳钢ZG25～ZG45，具有高于各类铸铁的综合性能，即强度高、有优良的塑性和韧性，因此适于制造形状复杂、强度和韧性要求高的零件，如火车车轮、锻锤机架和砧座、轧辊和高压阀门等，是碳素铸钢中应用最多的一类；高碳钢ZG55的熔点低，其铸造性能较中碳钢的好，但其塑性和韧性较差，仅用于制造少数的耐磨件。
2、合金铸钢根据合金元素总量的多少，合金铸钢可分为两低合金钢和高合金钢大类。
1）低合金铸钢，我国主要应用锰系、锰硅系及铬系等。
如ZG40Mn、ZG30MnSi1、ZG30Cr1MnSi1等。
用来制造齿轮、水压机工作缸和水轮机转子等零件，而ZG40Cr1常用来制造高强度齿轮和高强度轴等重要受力零件。
2）高合金铸钢，具有耐磨、耐热或耐腐蚀等特殊性能。
如高锰钢ZGMn13，是一种抗磨钢，主要用于制造在干磨擦工作条件下使用的零件，如挖掘机的抓斗前壁和抓斗齿、拖拉机和坦克的履带等；铬镍不锈钢ZG1Cr18Ni9和铬不锈钢ZG1Cr13和ZGCr28等，对硝酸的耐腐蚀性很高，主要用于制造化工、石油、化纤和食品等设备上的零件。
二、铸钢的铸造工艺特点铸钢的机械性能比铸铁高，但其铸造性能却比铸铁差。
因为铸钢的熔点较高，钢液易氧化、钢水的流动性差、收缩大，其体收缩率为10～14%，线收缩为1.8～2.5%。
为防止铸钢件产生浇不足、冷隔、缩孔和缩松、裂纹及粘砂等缺陷，必须采取比铸铁复杂的工艺措施：1、由于钢液的流动性差，为防止铸钢件产生冷隔和浇不足，铸钢件的壁厚不能小于8mm；浇注系统的结构力求简单、且截面尺寸比铸铁的大；采用干铸型或热铸型；适当提高浇注温度，一般为1520°～1600℃，因为浇注温度高，钢水的过热度大、保持液态的时间长，流动性可得到改善。
第8章铸钢和铸铁2011.05
5. 淬火回火组织 铸钢件一般使用状态都是870℃淬火+420 ℃
中温回火，由于淬火温度下奥氏体不易均匀化， 故需要采用较高的淬火温度和较长的保温时间。
正常淬火组织为细针状马氏体+部分板条马 氏体。经回火后的组织为回火托氏体。
5. 由于存在这种成分和结构，所以精铸件较 脆，强韧性较差。精铸胚料内应力较高，基体 硬度偏低，容易变形，切削加工差。
其 四 几乎所有的常用钢种均可以铸钢来生产；与 钢一样也可进行热处理。
2. 铸钢材料的特点
a. 碳含量≤0.6%，绝大部分铸钢件是低、中碳钢 或合金钢。 铸钢件因没有经压力加工，故金相组
织分不出纵向和横向，具有晶粒粗大、树枝晶组织 发达和较多魏氏组织的铸态组织特征。 b. 明显的成分偏析和组织不均匀。零件中铸造缺 陷多，严重影响使用性能。在零件实际使用中，如 有疏松和孔穴等工艺缺陷，允许补焊。 C.在枪械制造中，通常以感应电炉熔炼，采用熔模 铸造工艺，制造部分受轻载荷的零件。大部分枪械 铸件都在淬火+中温回火状态下使用。铸钢件脆性 较大，用于替代锻件时，回火温度应尽量采用上限。
炉中正火缺陷例
几何形状尺寸、外观（氧化皮等）检验、热酸试
验；和脱碳层检验。每批试样1-3件。随批提供外径
为∮18mm的拉、冲力学性能试料 （通常不看断口
形态）。毛胚硬度要求 179-220mm。
热处理工艺 网带炉 860 ~880 ℃保持75-80min，
入油；然后380 ~440 ℃回火80-100min，空冷。
3.铸钢的金相检测方法
3.1 一般工程用铸造碳钢件按GB5613规定分五种牌 号，如ZG200- 400, “ZG”表示铸钢； “200”表示 屈服强度（N）； “400” 表示抗拉强度。 3.2 铸钢按碳含量（ 0.2-0.6%C ）分类：根据性能要 求，≤ 0.3%C两种铸钢不需调质; ≥0.4%C两种铸钢应 调质。
铸钢铸铁件基本性能数据
铸钢铸铁件基本性能数据铸钢件冲击机构的工作压力是影响冲击能与冲击频率的决定性因素。
试验确认，铸钢件冲击工作压力的建立，应当以一定的工作流量为保证，流量不足以建立起某一工作压力时，增加流量可以提高工作压力，从而提高冲击能与冲击频率；当流量能满足冲击机构建立起某一工作压力时，增加流量不会提高冲击性能。
产品结构确定后，冲击活塞行程一定，冲击活塞的运动速度越高，冲击频率越高，因而冲击频率高低可直接反映铸钢件冲击能的高低，用铸钢件冲击机构的工作压力—冲击频率—工作流量的对应关系可以判断产品冲击性能是否符合要求。
1、铸钢件回转性能参数铸钢件的回转性能是重要性能，铸钢件与传统的气动机械配件相比，铸铁件提高的幅度大大超过了冲击能提高的幅度。
适于钻凿孔径φ30~60mm的铸钢件中，冲击能多在100~250j，比气动的独立回转式机械配件提高不多，但转矩达200~300n.m，提高1倍以上。
经试验研究，铸钢件凿岩效率高于气动机械配件，除因冲击功率增加外，铸铁件的提高起了明显的作用。
北京科技大学的研究人员提出了液压凿岩“冲击—扭切综合破岩作用”的观点；我们在大量凿岩试验研究中也发现，在冲击性能参数不变的情况下，调整铸钢件回转性能参数，凿孔速度往往可以提高20%~30%。
根据试验，钻凿φ55mm以下岩孔时，平均转矩为100~150n.m，但峰值常达150~250n.m，成为凿岩过程中的回转“超载”阻力，这是由岩石性质的规律性变化、岩层裂隙以及钻进推进系统的不平稳等因素造成的。
如采用性能良好的伺服推进系统，及时调整推进力大小，使铸钢件回转阻力及时下调，则回转机构的转矩可稍低一些。
在铸钢件回转性能中，转速是另一重要参数，它影响冲击破碎每次破岩量的大小，又影响“回转扭切”破岩量的大小，从而使凿速发生变化。
铸铁件的回转机构几乎都独立于冲击机构，它的性能参数对凿孔速度的影响，主要是因为可以使推进力变化。
我们总结的试验规律是：（1）冲击性能参数、回转转速一定时，推进力增大，回转转矩加大，在一定范围内，凿孔速度提高，但最佳推进力上升至某一最高点以后，推进力再增加会使凿孔速度下降。
第二篇金属材料常识第五节铸铁和铸钢
学习 内容
一 铸铁
二 铸钢
一、 铸铁
铸铁是碳的质量分数 ≥2%的铁碳合金,具有良好的
铸造性、耐磨性、减震性 和切削加工性等性能,价格
低,应用广泛.
白口铸铁中,碳以 渗碳体（或Fe3C） 形式 存在,无实用价值,常作为 炼铁用原料。
灰铸铁中,碳以 片状 石墨形式存在 可锻铸铁中,碳以 团絮状 石墨存在 球墨铸铁中,碳以 球状 石墨形式存在
6.常用来制造滑动轴承轴瓦的材料是（ A ）。
A.ZSnSb8Cu4 B.HSi80-3C.45D.ZL301H
习 题 强 化
三、 滑动轴承合金钢
——滑动轴承合金是用于制造滑动轴承内衬或轴瓦的铸造合金，一般用于制造 高速、重载及冲击不大、负载稳定的重要轴承。
ZSnSb8Cu4 滑动轴承轴瓦
轴承合金
3.以下属于黄铜的是（ B ）。
A.ZL401 TB.HSi80-3C.20-0D.QS3-1TH
4.以下属于青铜的是（ C ）。
A.H70ATB.ZSnSb4Cu4 C.QBe2D.HT200 TA
5.常用来制造蜗轮的材料是（ B ）。A.HAI77-2B.QSi3-1C.ZL201
D.ZSnSb4Cu4
2
非合金钢
1
金属材料的 力学性能
第二篇
目录
金属材料常识
3
钢的热 处理
4
低合金钢 和合金钢
5
铸铁和 铸钢
6
非铁金 属简介
I am Baymax, your personal
healthcare companion.
5节 铸铁和铸钢
学习目标
1.了解灰铸铁、 球墨铸铁、可锻 铸铁牌号的含义
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变形铝合金的主要牌号、成分、机械性能及用途
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3、铸造铝合金
1）分类及牌号
2) 性能特点 •良好的铸造性能
•力学性能不如变形铝合金
•成本较低 3) 应用：适合于形状复杂的零构件、 箱体、壳体、活塞等
铝合金发动机缸体和缸盖
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Al-Si 铸造铝合金（硅铝明 ）
—— 铸造性好（熔点低、流动性好、收缩小） 变质处理 —— 显著提高力学性能。 组织 —— 变质前，共晶体（粗针状Si + α基体 ）+ 初晶Si 变质后，共晶体（细点状Si + α基体 ）+ 初晶α
(3)加工性能良好
铝(FCC,δ= 30~50 %,ψ=80%)及铝合金(退火状态)的 塑性很好，可以冷成型。切削性能也很好。
超高强铝合金成型后经热处理，可达到很高的强度。 铸造铝合金的铸造性能极好。
3
一、纯铝
分类:
高纯铝99.93~99.99%：L01~L05，数字越大，纯度越高
工业高纯铝99.85~99.9%：L0，L00，“0”个数增加，纯度降 低
9
2、变形铝合金
GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为:
防锈铝合金：LF+序号 硬铝合金： LY +序号
超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号
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（1）防锈铝合金
Al-Mn系 和Al-Mg系合金 Mg：固溶强化，降低密度，抗腐蚀 Mn：固溶强化，抗腐蚀 高的塑性，低中等强度，优良的抗腐蚀及焊接性能 不能进行热处理强化，退火/冷作硬化态使用。 LF21（ 3A21 ）(Al-Mn合金)用于焊接件、容器、管道， 或需用深延伸、弯曲等方法制造的低载荷零件、制品 以及铆钉等。 LF5（ 5A05 ）(Al-Mg合金)用于焊接容器、管道， 以及承受中等载荷的零件及制品，也可用作铆钉。
卫星天线 （LF21）
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（2）硬铝合金（Al-Cu-Mg系）
可时效强化，亦可形变强化 Cu、Mg强化相，Mn耐蚀性 强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。 ① 低合金硬铝 2A01(LY1) ： Mg、Cu含量较低, 塑性好, 强度低。时效强化。常称铆钉硬铝。 ② 标准硬铝 2A11(LY11)：合金元素中等，强度和塑性中等。 退火后变形加工性能良好，时效后切削加工性能也较好。主 要用于轧材、锻材、冲压件和螺旋浆叶片及大型铆钉等重要 零件。 ③ 高合金硬铝 2A12(LY12)：合金元素较多，强度和硬度较 高，塑性及变形加工性能较差。用于制作航空模锻件和重要 的销、轴等零件。
美F-117隐身战斗机
(所用材料大部分是铝合金)
5
1、铝合金的分类及强化机制
1)铝合金的分类 变形铝合金：D点以左，加 热时能形成单相固溶体组织， 塑性好，适于变形加工
Al-F不可热处理强化
F-D可热处理强化 铸造铝合金：D点以右，由 于冷却时有共晶反应发生,流动 性较好,适于铸造生产
6
2）铝合金的强化机制
8
回归
自然时效后的铝合金, 在230 ℃～250 ℃短时间(几秒至几 分钟)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, 则又能发生正常的自然时效。这种现象称为回 归。 一切能时效硬化的合金都有 回归现象。 自然时效后的铝合金在反复 回归处理和再时效时强度有 所降低。 应用：时效后的铝合金可在 回归处理后的软化状态进行 各种冷变形。利用这种现象， 可随时进行飞机的铆接和修 理等。
工业纯铝99.8~99.9%：L1~L7，数字越大，纯度越低
用途：
高纯铝主要用于科学研究及制作电容器; 工业高纯铝的主要用途是配制铝合金; 工业纯铝还可用来制造导线、包覆材料、耐蚀和生活器皿等。
4
二、铝合金
铝合金既具有高强度又保持纯铝的优良特性
铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等
第三章 金属材料
3.1 碳钢
3.2 合金钢
3.3 铸钢与铸铁
黑色金属
3.4 有色金属及其合金
3.4 有色金属及其合金
3.4.1 铝及铝合金
3.4.2 铜及铜合金 3.4.3 钛及钛合金 3.4.4 轴承合金
3.4.1 铝及铝合金
特性：
(1)密度小(2.7g/cm3) 、比强度高 (2)有优良的物理、化学性能 导电性好，抗大气腐蚀能力好(Al2O3)，磁化率极低, 良好的低温性能(纯铝-235℃塑性和冲击韧度也不降低)
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(4) 锻铝合金（Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-NiFe系）
牌号2A50(LD5)、2A70(LD7)、2A14(LD10) 合金的元素种类多但用量少，有良好的热塑性、 铸造性能和锻造性能，并有较高的机械性能。 固溶处理和人工时效。 这类合金主要用于3）超硬铝合金（Al-Mg-Zn-Cu系）
牌号有7A04(LC4)、7A09(LC9)等。 固溶处理和人工时效 强度最高的铝合金。抗蚀性较差，高温下软化快。用包铝 法可提高抗蚀性。 超硬铝合金多用于制造受力大的重要构件，例如飞机大梁、 起落架等。
飞 机 前 起 落 架
飞机用座椅轨道及航空零件
ZL102的铸态组织，未变质，×500
变质处理后，×100
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3.4.2 铜及铜合金
铜及铜合金有下列特性： (1)优异的物理、化学性能
导电性、导热性极佳；对大气和水的抗蚀能力很高；铜是抗磁性物质。
（1）固溶处理 将成分位于相图中D～F之间 的合金加热到固溶线以上，保温 获得单相α后迅速水冷，得到过饱 和的α 固溶体 （2）时效强化（第二相强化）
在室温下放置或低温加热时，强 度和硬度会明显升高。这种现象 称为时效或时效硬化。
时效的条件： 合金能在高温形成均匀的固溶体，并且固溶 体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。
7
CuAl2
Al-Cu合金相图
含4%Cu的Al-Cu合金的自然时效曲线
时效规律 ① 时效温度越高, 强度峰值越 低, 强化效果越小; ② 时效温度越高, 时效速度越 快, 强度峰值出现所需时间越 短; ③ 低温使固溶处理获得的过饱 和固溶体保持相对的稳定性, 抑制时效的进行。
含4%Cu的Al-Cu合金不同温度下的时效曲线