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机械工程材料 铸铁及有色合金

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  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

  7. 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。

  8. (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

  9. 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

  10. 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。

  11. 可锻铸铁显微组织 珠光体可锻铸铁 铁素体可锻铸铁

  12. 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。

  13. 图3 球墨铸铁的显微组织

  14. 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。

  15. §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。

  16. 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

  17. 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。

  18. 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。

  19. 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

  20. 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。

  21. (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。

  22. (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%

  23. 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。