铸造合金及熔炼铸造合金及熔炼

成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院曹凤红曹凤红

金属学基本知识金属学基本知识

金属学基本知识金属学基本知识11 、金属结晶的一般过程、金属结晶的一般过程

金属学基本知识金属学基本知识金属的结晶（ 1 ）纯金属的结晶：晶核长大的方向

—冷却速度最大的方向（ 2 ）合金的结晶：结晶过程—在一定

温度范围内进行

树枝状结晶树枝状结晶

金属的树枝晶

金属的树枝晶

金属的树枝晶

冰的树枝晶

珠光体

Q

Fe-C Fe-C 合金结晶合金结晶

标准法测试合金流动性的铸型合型图同心三螺旋流动性试样

测定合金自由线收缩试样简图

测量铸造应力试样

铸造应力动态测定仪示意

铸造合金热裂试验仪简图

铸铁的特点及分类铸铁的特点及分类 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。

铸铁曲轴

1 、铸铁的组织特点 钢的基体 + 石墨 ( 片状、球状、蠕虫状和团絮状 )

基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。

F+G F+P+GP+G

⑵ 耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。 ⑶ 消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。 ⑷ 铸造性能好。由于铸铁硅含量高 , 成分接近于共晶 .

⑸ 切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。

2 、铸铁的性能特点 ⑴ 力学性能低。由于

石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。 铸铁与铸钢的强度比较

3 、铸铁的分类与牌号表示方法 铸铁名称

石墨形态

基体组织 编 号 方 法 牌号实例

灰 铸 铁

片状

F HT + 一组数字数字表示最低抗拉强度值，单位 MPa 。“HT” 表示灰铸铁代号。

HT100

F+P HT150

P HT200

可

锻

铸

铁

团絮状

F KTH + 两组数字KTB + 两组数字KTZ + 两组数字

KTH300-06

表 F

心 PKTB350-04

P KTZ450-06

KTH 、 KTB 、 KTZ 分别为黑心、白心、珠光体可锻铸铁代号；第一组数字表示最低抗拉强度值， MPa ；第二组数字表示最低伸长率值， %

铸铁的分类与牌号表示方法（续）

铸铁名称

石墨形态

基体组织

编 号 方 法 牌号实例

球 墨 铸 铁

球

状

F QT + 两组数字 第一组数字表示最低抗拉强度值， MPa ；第二组数字表示最低伸长率值， % 。 “QT” 表示 球墨铸铁代号

QT400-15

F+P QT600-3

P QT700-2

蠕 墨铸 铁

蠕虫状

F RuT + 一组数字数字表示最低抗拉强度值 , MPa 。“RuT” 表示蠕墨铸铁代号

RuT260

F+P RuT300

P RuT420

铸铁的分类

工业铸铁的成分范围与组织

工业铸铁的成分范围

温度

快冷 中速冷却 中速冷却缓冷 缓冷

缓冷快冷

白口铸铁 珠光体灰铸铁 铁素体灰铸铁 铁素体球墨铸铁

珠光体球墨铸铁

珠光体可锻铸铁

铁素体可锻铸铁

石墨化退火

中速冷却 缓冷

珠光体蠕墨铸铁

铁素体蠕墨铸铁

Si/Mg/Ce

Si 对 Fe-C 相图的影响

碳当量和共晶度(1) 碳当量：为了定量分析如 Si 、 P 等元素对

Fe-C 状态图的影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，称之为碳当量，以 CE 表示。

CE ＜ 4.26% 亚共晶成分CE = 4.26% 共晶成分CE ＞ 4.26% 过共晶成分

(2) 共晶度 铸铁偏离共晶点的程度还可用铸铁的实际含

碳量和共晶点的实际含碳量的比值来表示，这个比值称为共晶度，以 Sc 表示。

Sc ＞ l 为过共晶成分Sc ＝ 1 为共晶成分Sc ＜ l 为亚共晶成分

常用铸铁常用铸铁一、灰铸铁 灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约

占铸铁总产量的 80% 以上。

灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的，其基体组织有 铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。

灰铸铁齿轮箱灰铸铁齿轮箱

灰 铸灰 铸铁 的铁 的显 微显 微

组 织组 织

铁素体灰铸铁

珠光体灰铸铁

铁素体加珠光体灰铸铁

石墨片的三维形貌

常对灰铸铁进行孕育处理，目的是消除白口、细化组织。 孕育处理是在铁水中加入少量材料，促使形成结晶核心以改

善金属组织和性能的方法 常用的孕育剂有硅铁（ FeSi75 ）和硅钙合金。

孕育处理前 孕育处理后

孕育剂加入时间应占出铁时间的 60% 以上，并在出铁接近 1/3 时加入；加入量与铁液成分、铸件壁厚、孕育剂种类和孕育方式有关，一般炉前孕育的加入量为铁液质量的 0.2%-0.5% ，瞬时孕育 0.08%-0.2%

硅铁硅钙

提高灰铸铁性能的途径： 合理选择化学成分 ( 提高 Si/C) ； 孕育处理 ( 孕育铸铁 ) ； 低合金化 (Ni, Cu, Mn, Cr, Mo, V) ； 合成铸铁。

用途：制造承受压力和震动的零件 ,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。

大型船用柴油机汽缸体 (HT-300)重型机床床身 (HT-250)

变速箱体

二、 球墨铸铁 石墨呈球形的灰口铸铁，由液态铁水 经石墨化得到。

1 、组织：基体（ F 、 F+P 、 P ） + 球状 G

球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。 球化剂为镁、稀土硅铁镁合金和

镁中间合金。

硅铁

硅钙

稀土镁

为避免白口，并使石墨细小均匀，在球化处理同时还进行孕育处理。

常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。

球墨铸铁的显微组织球墨铸铁的显微组织

铁素体加珠光体球墨铸铁

铁素体球墨铸铁

珠光体球墨铸铁

球墨铸铁中的石墨球

22 、化学成分的选择、化学成分的选择碳和碳当量：一般碳当量质量分数选在共晶点

附近（ 4.6~4.7% ），碳的质量分数一般为3.5~3.9% ；

硅：珠光体球铁 1.7~2.6%Si ，铁素体球铁 2.5 ~ 3.2%Si ；

锰、硫、磷：适当控制；镁和稀土：适当控制；合金元素： Ni 、 Cu 、 Cr 、 Mo 、 V 等。

3 、球化处理

制品(

轧辊与辊

环)

组织组织

贝氏体基球墨铸铁

影响球铁机悈性能的主要因素

用途：承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。

核燃料贮存运输容器 (QT350-22)

铸铁曲轴

三、蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是 20世纪 60年代发展起来的一种 新型铸铁 .

蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的 .

蠕化剂为稀土硅铁镁合金、

稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金等。 蠕墨铸铁的组织 ：

基体（ F 、 F+P 、 P ） + 蠕虫状 G

蠕墨铸铁中的石墨

蠕墨铸铁的显微组织

蠕墨铸铁中的石墨

珠光体基体

铁素体基体

蠕墨铸铁的强度、 塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。

灰铸铁

灰铸铁

蠕墨铸铁

蠕墨铸铁

球墨铸铁

球墨铸铁

灰铸

铁

蠕墨铸

铁

球墨铸

铁

蠕墨蠕墨铸铁铸铁炉前炉前检验检验方法方法

蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷 的零件和结构复杂、强度要求高的铸 件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。

玻璃模具 制动鼓

可锻铸铁石墨化退火工艺曲线

四、可锻铸铁四、可锻铸铁石墨呈团絮状的灰口

铸铁，是由白口铸铁

经石墨化退火获得的。组织：

基体 (F 、 P)＋团絮状 G

铁素体基体可锻铸铁又称黑心可锻铸铁。

可锻铸铁的显微组织

黑心可锻铸铁

珠光体可锻铸铁

可锻铸铁的石墨化 退火

性能：强度为碳钢的４ 0~７0% ，接近于铸钢；名为可锻，实不可锻。

用途：用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮 壳、管接头、低压阀门等。

可锻铸铁管件

铸铁熔炼工艺及设备铸铁熔炼工艺及设备 炉料准备

修炉和烘炉

点火与加焦

装料与开风

熔化与出渣

停风与打炉

铸钢及熔炼铸钢及熔炼

铸钢分类及表示方法铸钢分类及表示方法

分类：铸造碳钢、铸造合金钢

牌号表示方法 : (1) 强度法—— ZG( 后面加两组数字，第一组表示屈服强度，第二组表示抗拉强度。之间用“—”隔开，例如：

（ 2 ）以化学成分表示的铸钢牌号

（ 3 ）热处理状态表示

铸钢件常用热处理代号为： Z- 铸态； T-退火态； Q-去除应力退火态；J-均匀化退火； W-稳定化处理态； Zh-正火态； C-淬火态； H-回火态，

Ch-沉淀硬化态； G-固溶处理态。

铸钢熔炼设备及工艺

补炉装料

熔化期氧化期还原期

出钢

有色合金的处理技术有色合金的处理技术铸造铝合金

铸造镁合金

铸造铜合金

1 、铸造铝合金 包括： Al- Si系： 代号为 ZL1+ 两位数字顺序号 Al-Cu系：代号为 ZL2+ 两位数字顺序号 Al-Mg系：代号为 ZL3+ 两位数字顺序号 Al-Zn系： 代号为 ZL4+ 两位数字顺序号 ⑴ Al-Si系铸造铝合金 又称硅铝明。其中

ZL102(ZAlSi12) 是含12%Si 的铝硅二元合金，称为 简单硅铝明。

577℃12.7%

在普通铸造条件下， ZL102ZL102 组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和 固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理 , 得到细小均匀的共晶体加一 次固溶体组织，以提高性能。

未变质处理 经变质处理

ZL102 的铸态组织

加入其他合金元素的 铝硅铸造合金称 复杂 ( 或特殊 ) 硅铝明。

Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐 蚀性、耐热性和焊接性能。

活塞 (裙部为铝硅合金 )

用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、

发动机活塞等。

⑵ Al-Cu系铸造铝合金这类合金的耐热性好，强度较高； 但密度大，铸

造性能、耐蚀性能差，强度低于 Al-Si系合金。

汽缸头

常用代号有 ZL201

(ZAlCu5Mn) 、 ZL203

(ZAlCu4) 等。主要用于制造在较高温度下工作的高强 零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。

⑶ Al-Mg系铸造铝合金这类合金的耐 蚀性好，强度高，密度小；但铸造性

能差 , 耐热性低。 常用代号为 ZL301(ZAlMg10) 、 ZL303(ZAlMg5Si1)

等。主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件 ,

如舰船配件、氨用泵体等。

鼓风机密封件等(ZL102 、 301)

2 、黄铜 以锌为主要合金元素的 铜合金称为 黄铜。黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。

黄铜铸件黄铜铸件 黄铜棒

（ 1 ）普通黄铜铜与锌的二元合金

称为普通黄铜。 加工普通黄铜的牌

号为： H (黄 ) +

表示铜平均百分含量的数字 ，如H68 。从铜锌合金相图可以 看出黄铜有 和 +’ 两种组织，分别称单相黄铜和两相黄铜。

普通黄铜的显微组织普通黄铜的显微组织

单相黄铜 两相黄铜

单相黄铜塑性好。 常用牌号有 H80 、 H70 、 H 68 。适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。

两相黄铜热塑性好 , 强度高 .

常用牌号有 H59 、 H62 。适于制造受力件，如垫圈、

弹簧、导管、散热器等。

冷凝器管

汽车机油泵衬套

（ 2 ）特殊黄铜 在普通黄铜的基 础上加入 Al 、

Fe 、 Si 、 Mn 、 Pb 、 Sn 、Ni 等元素形成特殊黄铜。

加工特殊黄铜的牌号为 ： H(黄 )+主加元素符号 (Zn 除外 )+铜平均百分含量 +主加元素平均百分含量 , 如HPb59-1.

特殊黄铜强度、耐蚀性比普通黄铜好，铸造性能改善。

黄铜制品

黄铜棒黄铜棒

常用牌号有 HPb63-3 、 HAl60-1-1 、 HSn62-1 、HFe59-1-1 、 ZCuZn38Mn2Pb2 、 ZCuZn16Si4

等 .

主要用于船舶及化工零件，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等。

3 、青铜 除黄铜和白铜外的其 他铜合金统称为青铜。

加工青铜的牌号为 ：Q +主加元素符号及其平均百分含量+ 其他元素平均百分含量

如QSn4-3( 含 4%Sn 、 3%Zn).

常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。

青铜制品

（ 1 ）锡青铜 是以锡为主加元素的铜合金，锡含量一般为 3~14% 。

锡青铜铸造流动性差，铸件密度低，易渗漏，但体积收缩率在有色金属中最 小 。

锡青铜耐蚀性良好，在大气、海水及无机盐溶液中的耐 蚀性比纯铜和黄铜好，但在硫酸、盐酸和氨水中的耐 蚀性较差。 锡青铜锭

Cu-Sn 相图

常用牌号有 QSn4-3 、QSn6.5-

0.4 、 ZCuSn10Pb1 等。

主要用于耐蚀承载件 ,

如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。 锡青铜管

船用青铜软管快速接头阀 (锡青铜阀体、阀盖 )

（ 2 ）铝青铜 以铝为主加元素

的铜合金， 铝含量为 5~11% 。

强度、硬度、耐 磨性、耐热性及耐蚀性高于黄铜和锡青铜，铸造

性能好，但焊接性能差。 常用牌号有 QAl5 、 QAl7 、 ZCuAl8Mn13Fe3Ni2

等。

主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨 、

耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。

大型水力发电设备中的抗磨 环

（ 3 ）铍青铜 以铍为主加元素的铜合金， 铍含量为 1.7~2.5% 。 具有高的强度、 弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好

的导 电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格

铍青铜制品 较贵。常用牌号有 QBe2 、

QBe1.7 、 QBe1.9 等 。 用于重要的弹性件、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件。

熔炼设备及铝合金熔炼工艺熔炼设备及铝合金熔炼工艺设备：坩埚炉、

反射炉、感应电炉

铝合金熔炼：准备 - 装料 - 熔化 -调整化学成分 - 精炼 - 变质处理 - 调整温度 - 浇注