铸造合金及其熔炼(铸铁).讲义
铸铁及其熔炼1-5章
图1-3 亚共晶铸铁中析出初生 奥氏体时的自由能变化
2.
初生奥氏体枝晶的凝固过程
在液相线温度以上，铁液处于全液态。当铁液冷却到液相线温度以 下时，γ 枝晶便开始析出并长大，温度继续降低，当达到共晶温度，液体 中开始形成共晶团，此时初生γ 继续长大，数量也有所增加。
图1-5 过共晶铸铁中析出初生 石墨时的自由能变化
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2.
初生石墨的形态
石墨具有六方晶格结构，基面 （0001）上碳原子以共价键联结，结合 力较强，基面之间以极性键联结，结合 力较弱，导致沿不同晶面石墨的生长速 率不同，使其容易沿a向生长为片状。 初生石墨是在铁液中直接析出，铁 液中的碳原子从各个方向以相等的几率 扩散到石墨晶核处而使石墨晶体长大， 因此石墨晶体的长大方式以及石墨形态 完全受石墨晶体结构以及铁液与石墨之 间的界面能所决定。
总体来讲：稳定平衡的铁-碳相图中的共晶和共析转变温度比介稳定 平衡的高一些；在共晶温度时，和石墨平衡的奥氏体中含碳量比和渗碳 体平衡的奥氏体中的含碳量要低一些。 实际问题：成分相同的铁液，浇注不同壁厚的铸件或用冷速不同的铸 型，会得到灰口或白口断面的铸件。用铁-碳相图的二重性进行解释。
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② Si/C比值的影响 碳当量一定，Si/C↑→ 初生γ 数量↑；当碳当量 很高时，γ 枝晶细化。
③ 冷却速度的影响 冷速↑→ γ 枝晶数量↑，细化枝晶。这是由于冷速增加，使界面前沿 的热过冷增大，促使枝晶生长速率增加，枝晶臂间距缩小，因此，冷速会 改变γ 的分枝及细化程度。 热过冷：因纯金属的理论凝固温度是恒定的，凝固过程中过冷度完全 取决于实际温度分布，即过冷度的大小和过冷区的形态是由传热所控制， 这种过冷称为热过冷。
铸造合金及其熔炼课程重点
1．铁-碳相图的二重性： Fe-C合金中的碳有渗碳体Fe3C和石墨两种存在形式。
在通常情况下，碳以Fe3C的形式存在，即Fe-C 合金按Fe-Fe3C系转变。
但Fe3C是一亚稳相，在一定条件下分解为铁和石墨，所以石墨是碳存在的更稳定状态。
这样Fe-C相图就有Fe-Fe3C和Fe-G两种形式。
2．. Fe-C相图的应用①铸造工艺方面：根据相图确定合金的浇注温度，一般在液相线以上50-100 ℃。
共晶成分附近合金的流动性好，分散缩孔少，可获得致密铸件。
②热锻和热轧方面：钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏区进行。
一般始锻或始轧温度控制在固相线以下100-200 ℃。
③热处理方面：一些热处理工艺如退火，正火，淬火的加热温度都是依据相图确定的。
3．碳当量：根据各元素对共晶点实际碳量的影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，称之碳当量。
以CE表示，一般只考虑Si和P。
CE=C+1/3（Si+P）。
4．共晶度：铸铁的实际含碳量和共晶点实际含碳量的比值。
以Sc来表示。
S C=C铁/C c′。
5．热过冷：因纯金属的理论凝固温度是恒定的，凝固过程中过冷度完全取决于实际温度分布，即过冷度的大小和过冷区的形态是由传热所控制，这种过冷称为热过冷。
6．硅对相图的影响：①硅使共晶点和共析点左移，即减小共晶和共析含碳量，其中对共晶含碳量影响较显著。
②硅略微提高共晶和共析转变温度，并使转变在一个温度区间中进行，对共析转变温度范围的作用更为显著。
③硅的加入，使相图出现了共晶和共析转变的三相共存区④随着硅含量的增加，相图上的奥氏体区逐渐缩小。
7.片状G的形成过程：①形成条件： a. 螺位错台阶：即沿a向，又沿c向生长，最后长成具有一定厚度的片状石墨。
b. 旋转晶界：取决于Va/Vc。
普通HT中G呈片状，这是由于O、S等活性元素在G棱面上的吸附，使这个原本光滑的界面变得粗糙，只需小的过冷即沿a向生长，使Va﹥Vc，长成片状石墨。
铸造合金及其熔炼---第1章 铸铁的结晶及组织的形成
第三节 铸铁的固态相变
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一、A中碳的析出
稳定系 A A+ G 亚稳定系 A A+ Fe3C
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二、铸铁的共析转变
1、形貌 片状Fe3C G （难存在） 2、形核 白口铁 先Fe3C、后F 灰口铁 先G 、后F 3、生长 过冷度大、片小、晶细
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三、过冷A的中低温转变
（以 C曲线介绍即可） A B下、 B上、 M、 A
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（四）影响A枝晶数量、粗细的因素
（骨架 对组织性能影响很大）
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1、合金元素的影响
Si/C比的影响（相同碳当量） 越大，初析 A 增多 图 1-5 C%增大，枝晶细化 图 1-6
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其它元素ห้องสมุดไป่ตู้ S的影响：增大，粗化 V、Ti促使A形成并细化 其它元素有待研究 2、冷却速度 越大，A越多，并细化 （五）初始A的显示方法（自己看）
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二、铁 -碳双重相图及分析
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1、共晶系：L----A+G L----A+Fe 3C 2、共析系：A----F+G A----F+Fe 3C 按那个转变与什么有关？ 3、应用： 应用：按那个转变与什么有关？ 冷却速度 化学成分 C Si
三、铁 -碳-硅准二元相图
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1、A和Fe3C以片状协同生长（莱氏体） 侧向蜂窝状结构
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2、板条状Fe3C+A（离异型共晶体） 过冷度大时易形成 3、加稀土元素变质处理细化 图1-21
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《铸造合金及其熔炼》河南科大版
3.
铸造有色合金 ① 铝合金：日常生活中。
② 铜合金：较好的力学性能和切削加工性，主要用于大型铜合金铸 件，如螺旋桨等；用于工艺美术品方面。 ③ 钛合金：高的比强度和好的耐蚀性，主要用于航空航天、船舶、 化工等领域。
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二.铸造合金材料的分类、特性及应用
1. 铸铁
① 白口铸铁：较高的硬度及脆性。不能承受冷加工，也不能承受热 加工，只能直接用于铸造状态。
② 灰口铸铁：具有良好的导热性、减震性、减摩性和低的缺口敏感 性，较易熔炼，因此在机械行业中应用广泛。 ③ 球墨铸铁：负荷较大的机器零件，如曲轴、连杆、齿轮、凸轮轴等。 根据基体不同又可分为： a. 铁素体球墨铸铁：韧性较高，变形能力较强，主要用于制造管类 零件； b. 珠光体球墨铸铁：高强度，用于齿轮的生产； c. 贝氏体球墨铸铁：高的强度、硬度和耐磨性，用于曲轴类零件的 生产；
⑤ 可锻铸铁：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 。 ⑥ 特种性能铸铁：服役过程中能满足特殊使用性能的铸铁。 a. 耐磨铸铁； b. 耐热铸铁； c. 耐腐蚀铸铁。
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d. 奥-贝球墨铸铁：高强度和韧性，适用于制造要求同时具备耐磨及 耐冲击疲劳性能的铸件，如汽车差速器的大伞齿轮。 ④ 蠕墨铸铁：较高的强度，良好的导热性及耐热疲劳性能。按基体 可分为珠光体蠕墨铸铁和铁素体蠕墨铸铁，主要用于生 产刹车鼓铸件及 发动机进排气管铸件。
铸造合金及其熔炼---教学大纲
《铸造合金及其熔炼》课程教学大纲课程代码：050141002课程英文名称：Casting Alloy and Smelting课程总学时：56讲课：48实验：8上机：0适用专业：材料成型及控制工程专业大纲编写(修订)时间：2017、7一、大纲使用说明(一)课程的地位及教学目标《铸造合金及其熔炼》课试材料加工及控制工程专业的骨干课之一，本课程的教学目的是使学生掌握常用铸铁的成分、组织、性能及其内在联系，掌握铸铁结晶凝固的基本原理及结晶凝固过程对组织形成的影响，掌握铸铁熔炼的基本原理，了解各种铸铁的生产方法及冲天炉的操作工艺，为获得合格的铸铁件奠定合金及熔炼方面的基础。
掌握铸造碳钢、低合金钢、高合金钢的化学成分、金相组织、力学性能的关系，掌握铸钢结晶凝固的基本原理及结晶凝固过程对组织形成的影响，掌握合金元素在铸钢中的作用，掌握炼钢工艺特点，了解炼钢设备的基本构造。
掌握常用的铸造铝合金、铸造铜合金的成分、组织、性能及应用的关系，掌握合金的铸造性能及熔炼工艺原理的基础知识，常用合金及其典型熔炼工艺。
了解铸造镁合金、钛合金的基本知识。
(二)知识、能力及技能方面的基本要求(1).掌握常用铸铁的成分、组织、性能及其内在联系的规律性，掌握铸铁结晶凝固的基本原理及结晶凝固过程对组织形成的影响，掌握常用合金元素的作用。
(2).了解孕育机理、球化机理及固态石墨化机理，了解各种铸铁的生产方法。
(3).掌握冲天炉熔炼的基本原理和获得高温优质铁水的途径。
(4).了解冲天炉的结构、操作工艺和熔炼过程的控制方法。
(5).全面、系统的讲授常用的铸造碳钢及铸造合金钢的牌号、化学成分、组织与性能，掌握铸铁结晶凝固的基本原理及结晶凝固过程对组织形成的影响，阐明铸态组织的形成机理和热处理方法。
(6).介绍国内外在铸钢材料方面的研究成果、发展方向及动态，以扩大思路，开阔眼界。
(7).讲授电弧炉炼钢及感应炉炼钢的工艺过程，阐明炼钢过程中各期主要的物理化学反应，对钢水质量和铸件质量的影响。
常用铸造合金及其熔炼77页PPT
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常用铸造合金及其熔炼
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
铸造合金材料及其熔炼知识全部在这里了
铸造合金材料及其熔炼知识全部在这里了铸造合金是高温合金合金化程度较高，不易变形而采用精密铸造成型的合金，属于高温合金中高温强度最高的一种；也是适于熔融状态下充填铸型获得一定形状和尺寸铸件毛坯的合金。
在有色金属合金中，铜合金、铝合金、镁合金、锌合金等都可用于铸造。
有色金属铸件广泛使用于机器制造、航空、汽车、建筑等工业中。
铸钢件在钢铁材料的使用中所占份额甚少，钢铁厂大多以钢材形式供货，因之冶炼厂大多和加工厂设于一地。
有色金属铸件在有色金属材料的使用中所占份额很大(有时几近半数)，形成庞大复杂的铸造合金系列。
1 灰铸铁灰铸铁通常是指具有片状石墨的灰口铸铁，这中铸铁具有一定的机械性能、良好的铸造性能以及其它多方面的优良性能，因而在机械制造中业获得最广泛的应用。
表2为灰铸铁的新的国家标准。
该标准是以灰铸铁的抗拉强度作为分级依据的。
由于灰铸铁对冷却速率的敏感性（壁厚效应），同一种牌号铸铁在不同铸件壁厚条件下的实际强度有很大的差别（薄壁与厚壁之间在强度上的差别达50-80MPa）。
表2 灰铸铁分级2 球墨铸铁及蠕墨铸铁球墨铸铁和蠕墨铸铁一般是用稀土镁合金对铁液进行处理，以改善石墨形态，从而得到比灰铸铁有更高机械性能的铸铁。
球墨铸铁依照其基体和性能特点而分为六种：即铁素体（高韧性）球墨铸铁，珠光体（高强度）球墨铸铁，贝氏体（耐磨）球墨铸铁，奥氏体一贝氏体（耐磨）球墨铸铁，马氏体一奥氏体（抗磨）球墨铸铁及奥氏体（耐热、耐蚀）球墨铸铁。
蠕墨铸铁具有不同比例的珠光体—铁素体基体组织。
铸铁性能与其石墨的蠕化程度（蠕化率）及基体有关。
在石墨蠕化良好条件下，珠光体蠕墨铸铁的强度和硬度较高，耐磨性强。
适于制造耐磨零件，如汽车的刹车鼓等。
而铁素体蠕墨铸铁的导热性较好，在高温作用下，不存在珠光体分解问题，组织较稳定，适用于制造在高温下工作、需要有良好的抗热疲劳能力、导热性的零件，如内燃机汽缸盖、进排气岐管等。
3 可锻铸铁可锻铸铁是将白口铸铁通过固态石墨化热处理（包括有或无脱碳过程）得到的具有团絮状石墨的铁碳合金。
铸造合金铸铁部分课件PPT
最初采用的孕育处理方法是冲浇法,即将孕育剂放置在铁包底部,靠铁液液流将孕育剂冲熔的方法.
铸铁依该照图其凝表固明方式过的冷不同度，增而可加能，形成生灰长口组速织度或白增口加组织Δ，T在R某非些特殊的条件下也可能形成由灰口和白口构成的混合组织，即麻 口如组果织 铸晶。型？刚度差，在石墨化膨胀压力作用下，造成型壁向外迁移，铸件尺寸增加，最终使铸铁件内缩孔容积增加。0 绪论一、铸 Nhomakorabea技术的发展
人类社会生产的历史，以其使用的材料的性质来划分，经历了 石器时代、青铜器时代、铁器时代，人工合成新材料的新时代。 是以铸造技术水平的提高为前提的。 铸造是集熔炼与凝固、成形为一体的科学技术。
铸造包括熔炼方法、浇注方法、造型方法、热处理方法，每种 方法都得到了快速发展。
铸造工艺发展：传统的范型工艺到现在的多种类的铸造技术， Near Net Shape精密铸造 铸造加工的对象：
蠕墨铸铁的强度和塑性低于球墨铸铁，但高于灰铸铁。
可锻铸铁强度300-700MPa,塑性2-12%。
2-2、铁碳相图
由于铸铁中的碳能以 石墨或渗碳体两种独 立的形式存在，因而 Fe-C合金系中存在Fe石墨、Fe-Fe3C双重相 图，其中Fe-石墨是稳 定系，Fe-Fe3C是非稳 定系。 从动力学角度分析， 稳定系发生在冷却速 度缓慢，非稳定系发 生在冷却速度较快的 条件下。
核经心过说 高注：温意认处为理：作的过为铁晶液冷核在度物较质低越的温大晶度格下，结静形构置是相核决当率定时石间高墨后、形，状过生的热长条效件果速。会度消失，即过热处理图在具2范有-3可围逆灰性口。 和白口铸铁组织的存 越大，固相分数增加快，不绝对，过大的
过冷度会使凝固速度降低，形成细晶，直
至非晶的形成。
铸造工程学-铸造合金及熔炼
在铸造过程中，由于合金的收缩特性以及模具结构设计不当等原因，容易导致铸件出现缩孔与缩松缺 陷。这些缺陷会导致铸件局部强度和致密度下降，影响其机械性能和耐腐蚀性。
裂纹与变形
总结词
裂纹与变形是铸造合金冷却和加工过程中常见的问题，会导致铸件报废。
详细描述
在铸造过程中，由于冷却速度过快、模具设计不合理、浇注系统不当等因素，容易导致 铸件出现裂纹与变形缺陷。裂纹会导致铸件强度下降，变形则会使铸件无法满足精度要
熔炼的基本原理
熔炼是指将金属材料加热至熔点以上，使其成为液态，并加入所需的合金元素，通 过搅拌和化学反应等手段，使合金成分均匀混合的过程。
熔炼过程中，金属材料的熔点、密度、粘度等物理性质和化学性质都会发生变化， 这些变化对熔炼过程和产品质量产生重要影响。
熔炼过程中需要控制温度、压力、气氛等工艺参数，以确保合金成分的准确性和均 匀性，以及避免金属氧化、吸气等不良现象。
熔炼温度控制
严格控制熔炼温度，以保 证合金成分的均匀性和避 免烧损。
合金的熔炼与搅拌
通过搅拌和合金化处理， 确保合金成分均匀分布， 提高合金性能。
精炼与除渣
精炼
通过除气、去除非金属夹杂物等手段，提高合金的纯净度。
除渣
去除熔融金属中的熔渣和杂质，以保证铸件的质量和性能。
浇注与冷却
浇注
将熔融金属浇注入铸型中，形成符合要求的铸件。
熔炼技术的创新与改进
真空熔炼技术
利用真空技术进行合金熔炼，可 去除有害气体和杂质，提高合金
的纯净度和质量。
电渣重熔技术
通过电流作用下的熔渣进行二次熔 炼，使金属更加纯净和致密，提高 材料的机械性能。
定向凝固技术
使合金在凝固过程中保持一定的结 晶方向，提高材料的定向性能和机 械强度。
铸造工程学铸造合金及熔炼
• 两种称谓的可锻铸铁的性能特点是强度是球铁的中低水
• 平，但韧性相当接近。虽有被球铁取代的趋势，但因生产 稳定性好，生产成本低，特别适合生产大批量复杂薄壁小 件。
• 5）特殊性能铸铁 • 抗磨、耐热、耐蚀铸铁，基本上都是在上述四种铸铁基
础上控制金相组织和加入Ni、Cr、Al、Si、Mo等合金元 素获得特殊的性能。 • 6）铸铁的熔炼 • 冲天炉熔炼，感应电炉熔炼，冲天炉与感应电炉双联熔炼 。
冲天炉的基本结构
冲天炉主要结构简图 1-除尘器 2-烟囱 3-送风系统 4-前炉 5-出渣口 6-除铁口 7-
支柱 8-炉底板 9-加料口
1. 颅底与炉基 2. 炉体与前炉 3. 烟囱与除尘装置 4. 送风系统 5. 热风装置 6. 风机
• 从性能上看，具有灰铁和球铁的综合优点，抗拉强度、 屈服强度、疲劳极限、冲击韧性优于灰铁，而热传导性、 耐热疲劳性、切削加工性以及减振性又高于球铁。铸造性 能接近灰铁，成本较低，成品率高。
• 4）可锻铸铁--石墨形状为团絮状（热处理）
• 可锻铸铁的生产有其特殊性，是将白口铸件毛坯，在密 闭的中性炉内气氛条件下退火，使共晶渗碳体（Fe3C） 在高温下分解为团絮状石墨，再通过不同的热处理工艺使 基体组织成为铁素体或珠光体组织，得到黑心可锻铸铁。
•
C＜0.25% 低碳钢
•
C0.25--0.6% 中碳钢
•
C＞0.6% 高碳钢
• 此外还含一定量的Si、Mn、P、S元素。
• 对于铸造碳钢中用得最多的结构钢，含碳量范围在0.12-0.60%间，属于亚共析钢，在此含C范围，随C量增高屈服 强度和抗拉强度都稳定增高。