铸造合金及其熔炼(铸铁)

1、铸铁及其熔炼铸铁是指碳的质量分数大于2.14%或者组织中具有共晶组织的铁碳合金。

工业上所用的铸铁，实际上都不是简单的铁-碳二元合金，而是以铁、碳、硅为主要元素的多元合金。

铸铁的成分范围大致为ω（C）=2.4%～4.0%，ω（Si）=0.6%～3.0%，ω（Mn）=0. 2%～1.2%，ω（P）=0.04%～1.2%，ω（S）=0.04%～0.20%。

有时还可加入各种合金元素，以便获得能满足各种性能要求的合金铸铁。

铸铁是近代工业生产中应用最为广泛的一种铸造金属材料。

在机械制造、冶金矿山、石油化工、交通运输和国防工业等各部门中，铸铁件约占整个机器重量的45%～90%。

因此，掌握铸铁的基本理论和生产技术，对于发展铸造生产，充分发挥铸铁件在国民经济各部门中的作用，是很有意义的。

相图是分析合金金相组织的有力工具。

铸铁是以铁元素为基的含有碳、硅、锰、磷、硫等元素的多元铁合金，但其中对铸铁的金相组织起决定作用的主要是铁、碳和硅，因此铁-碳相图和铁-碳-硅三元合金相图是分析铸铁的成分与组织的关系以及组织形成过程的基础。

2、铸铁的基础知识——铁-碳相图——铁—碳相图分析由于铸铁中的碳可能以渗碳体（Fe3C）或石墨两种独立的形式存在，因而铁、碳相图存在着Fe-G（石墨）和Fe-Fe3C两套体系，即铁-石墨系和铁-渗碳体系。

从热力学观点看，石墨比渗碳体更稳定，因此，铁-石墨系也称为稳定系，而铁-渗碳体系称为亚稳定系。

图2. 1-1所示为铁碳合金双重相图，即Fe-G（石墨）稳定系相图和Fe-Fe3C亚稳定系相图，分别以虚线和实线表示。

表2.1-1为相图中临界点的温度及含碳量。

铁-碳相图中各临界点的温度及含碳量Fe-G（石墨）相图和Fe-Fe3C相图的主要不同处在于：1）稳定系的平衡共晶点C'的成分和温度与C点不同体（两相组成莱氏体）2）稳定平衡的共析点S，的成分和温度与S点不同在Fe-C相图中稳定系的共晶温度和共析温度都比亚稳定系的高一些。

《铸造合金及其熔炼》总结前言：全书一共有三部分组成第一篇铸造及其熔炼主要讲的是几种铸铁和铸铁的熔炼重点在第一章，主要内容为铸铁的凝固剂组织形成的基本理论；熔炼部分重点为冲天炉熔炼。

第二篇铸钢及其熔炼，主要讲的是各种铸钢和铸钢的熔炼重点为铸造低合金钢、电弧刚及钢液的炉外精炼。

第三篇铸造非铁合金及其熔炼主要的内容是铝铜等其他非铁合金的性能及其熔炼方法，重点为铸造铝合金及其变质、精炼。

第一篇铸造及其熔炼合金相图是分析合金相组织的有用工具。

通过铁碳合金相图可以知道各种相得相变温度，合金成分含量，为热加工等工艺提供基础2。

铸铁的生产主要讲解了灰铸铁、强韧铸铁、以及其他特种性能铸铁（减摩铸铁，冷硬铸铁，抗磨铸铁，耐热的铸铁，耐腐蚀铸铁）的力学性能特点机械性能特点，金相组织的性能特点，以及铸铁的生产、分类和牌号。

（1）影响铸态组织的因素冷却速度的影响化学成分的影响铁液的过热和高温静止的影响孕育的影响炉料的影响3 铸铁的熔炼--- 冲天炉熔炼1 、冲天炉熔炼基本原理（1）底焦燃烧：冲天炉底焦燃烧可以划分为两个区带：A 、氧化带：从主排风口到自由氧基本耗尽，二氧化碳浓度达到最大值的区域。

B 、还原带：从氧化带顶面到炉气中[CO2]/[CO] 浓度基本不变的区域，从风口引入的风容易趋向炉壁，形成炉壁效应，形成一个下凹的氧化带和还原带，对熔化造成不利影响。

①不易形成一个集中的高温区，不利于铁水过热；②加速了炉壁的侵蚀；③铁料熔化不均匀，铁液不易稳定下降, 影响化学成分。

解决方法：①采用较大焦炭块度，使风均匀送入；②采用插入式风嘴；③采用曲线炉膛；④采用中央送风系统；⑤熔炼过程中为使焦炭不易损耗，送风量要与焦炭损耗相适应。

根据炉气、炉料、铁水浓度和温度，炉身分为4 个区域：（1）预热区（2）熔化区（3）过热区4）炉缸区。

：冲天炉熔炼过程在熔化过程中底焦燃烧而消耗，为了保证整个熔炼过程连续正常进行就必须及时得补充底焦，以此来始终保持底焦的高度。

《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。

第一章1.铁碳相图的二重性从热力学观点上看，Fe-Fe3C相图只是介稳定的，Fe-C（石墨）相图才是稳定的。

从动力学观点看，在一定条件下，按Fe-Fe3C相图转变亦是可能的，因此就出现了二重性。

2.对比Fe-G和Fe-G-Si准二元相图，硅的作用有如下各点：1、共晶点和共析点含碳量随硅量的增加而减少。

2、硅的加入使相图上出现了共晶和共析转变的三相共存区。

（共晶区：液相、奥氏体加石墨；共析区：奥氏体、铁素体加石墨）3、共晶和共析温度范围改变了，硅对稳定系和介稳定系的共晶温度的影响是不同的。

4、硅量的增加，还缩小了相图上的奥氏体区。

实际意义：对分析铸铁的凝固过程、组织形成以及制定热处理工艺。

3.碳当量和共晶度的意义及表达式。

碳当量：CE=C+1/3(Si+P) 根据各个元素对共晶点的影响，将这些元素的量折算成碳量的增减。

共晶度：Sc=C铁/Cc=C铁/（4.26%-1/3（Si+P））C铁——铸铁实际含碳量（%）Cc——稳定态共晶点的含碳量（%）Si、P——铸铁中硅、磷含量（%）如Sc＞1为过共晶、Sc=1为共晶、Sc＜1为亚共晶成分铸铁。

4.初析石墨的结晶和初析奥氏体的结晶铸铁从液态转变成固态的一次结晶过程，包括初析和共晶凝固两个阶段初析石墨的结晶：当过共晶成分的铁液冷却时，先遇到液相线，在一定的过冷下便会析出初析石墨的晶核，并在铁液中逐渐长大。

初析奥氏体的结晶：当凝固在平衡条件下进行时，只有当化学成分为亚共晶时才会析出初析奥氏体。

非平衡条件下，铸铁中存在一个共生生长区，而且偏向石墨的一方，因而在实际情况下，往往共晶甚至过共晶成分的铸铁在凝固过程中也会析出初析奥氏体。

5.亚共晶灰铸铁共晶转变工程示意图（文字）看书6.球墨铸铁共晶转变示意图。

（文字）看书课后习题：分析讨论片状石墨、球状石墨的长大过程及形成条件。

第二章灰铸铁的金相组织特点：由金属基体和片状石墨组成，还有少量的非金属夹杂物。

灰铸铁的性能特点：1、强度性能较差（石墨的缩减作用、缺口作用）2、硬度的特点（布氏硬度和抗拉强度比值不恒定）3、较低的缺口敏感性4、良好的减震性5、良好的摩擦性缩减作用：由于石墨在铸铁中占有一定量的体积，使金属基体承受负荷的有效截面积减少。

铸造合金及其熔炼铸造合金是指由两种或两种以上的金属混合而成的材料，通常用于制造复杂形状的零件。

铸造合金具有较高的强度、韧性和耐磨性，同时还具有一定的耐腐蚀性和抗氧化性能。

它们通常用于制造高负荷运行的机械部件、汽车和航空航天零件、医疗设备和通信设备等领域。

铸造合金通常是通过熔炼过程制造的。

熔炼是将金属加热到其熔点以上，使其融化成为液态的过程。

在熔炼过程中，金属经历了一系列化学反应，例如氧化、还原、溶解和合金化等反应。

这些反应是产生所需铸造合金的关键。

在熔炼过程中，金属通常被加入到熔炉中。

熔炉是一种大容量的设备，用于加热和融化金属。

熔炉可以分为燃气熔炉、电弧炉和感应炉等几种类型。

其中，电弧炉是最常用的类型，它通过电极放电产生高温，将金属加热到液态。

熔炼时必须控制热量和化学成分，以产生所需的铸造合金。

在熔炼过程中，需要添加一些合金元素以改善铸造合金的性能。

例如，铝可以用于提高铸造合金的强度和耐腐蚀性，钛可以用于提高铸造合金的高温性能，铜可以用于提高铸造合金的导热性等。

这些合金元素通常以块状添加到熔炉中，随着金属的融化，它们逐渐溶解并与其他金属元素形成一种均匀的合金混合物。

一旦合金达到了所需的化学成分和温度，就可以进行铸造过程。

铸造是将液态合金倒入模具中，并使其冷却硬化的过程。

在铸造过程中，有两个关键的因素：一是铸造温度，二是冷却速度。

控制这两个因素可以获得所需的铸造合金性能。

铸造合金的性能取决于其化学成分、铸造温度和冷却速度等因素。

高强度和高耐磨性的合金通常需要较高的铸造温度和较快的冷却速度。

然而，在某些情况下，较慢的冷却速度可能会导致更优良的铸造合金性能，例如抗腐蚀性能和高温氧化性能等。

因此，在生产铸造合金时必须进行适当的试验和分析，以确保所产生的合金具有所需的性能。