第四章 常用合金铸件的生产

断口呈暗灰色，C大部分或全部以石墨形式存在。工
业中应用最多。 又分为普通灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁 等。 麻口铸铁 断口有黑白相间的麻点，既有Fe3C又有石墨。性能硬、 脆，实际中应用较少。
5
1.4.1铸铁件生产
铸铁分类
6
1.4.1铸铁件生产
铸铁的石墨化
铸铁中碳原子形成石墨的过程。
石墨化的影响因素：
成分：C 形成石墨（2.5~3.5%）；
•
• • •
Si 强烈促进石墨化（1.5~2.5%） ；
Mn 微弱阻碍石墨化，但可消除S的作用（0.6~1.2%）； S 强烈阻碍石墨化，热脆（0.1%以下）； P 影响不显著，冷脆（0.3%以下，耐磨铸铁0.5~0.7%）， P可以提高流动性，浇注薄壁铸件时可提高含量 。
可锻铸铁牌号：
KTH+代表最低抗拉强度的数字+代表最小
伸长率的数字（黑心可锻铸铁） 。
KTZ+代表最低抗拉强度的数字+代表最小
伸长率的数字（珠光体可锻铸铁） 。
25
1.4.1铸铁件生产
可锻铸铁生产要点
①获得完全白口化的白口铸铁，基体+ Fe3C ②高温长时间石墨化退火， Fe3C分解成团絮
36
1.4.2铸钢件生产
铸钢性能特点 铸钢强度、塑性和韧度高于各类铸铁。 焊接性能优良，可采用铸、焊联合工艺制造大
型零件。
铸造性能、减震性和缺口敏感性比铸铁差。 铸钢应用
适宜制造承受重载及冲击的形状复杂件，如火车轮、锻
锤机架和砧座、高压阀门、重型水压机横梁、大型轧机机 架与轧辊、齿轮等。
14
1.4.1铸铁件生产
铁素体灰口铸铁

•常用铸钢：碳素铸钢、低合金铸钢、高合金铸钢。
1、铸钢的铸造工艺特点
•铸钢的铸造性能差，铸造工艺复杂 ： •（1）对砂型性能如强度、耐火度和透气性要求更高。 •（2）工艺上大都采用定向凝固原则 •（3）必须严格掌握浇注温度
• 2、铸钢的热处理
• 为了细化晶粒，改善组织， 消除铸造内应力，提高性能，铸 钢件必须进行退火和正火处理。
• 球墨铸铁件多应用冒口和冷铁，采用定向凝固原则。 在铸型刚度很好的条件下，也可采用同时凝固原则不用冒 口或用小冒口。
（四）铸铁的熔炼
•冲天炉的熔炼过程
• 冲天炉的燃料为焦碳； 金属炉料有：铸造生铁锭、回 炉料、废钢、铁合金；熔剂为 石灰石和氟石。
• 在冲天炉熔炼过程中，高 炉炉气不断上升，炉料不断下 降：底焦燃烧；金属炉料被预 热、熔化和过热；冶金反应使 铁水发生变化。
2、影响石墨化的因素
•影响石墨化的主要因素是化学成分和冷却速度。
•（1）化学成分 • 碳和硅是强烈促进石墨化元素。碳是石墨的基础 ，硅促进石墨析出。（C : 2.7~3.6% , Si : 1.1~2.5%）
•如何提高铸件的强度？
• 碳和硅含量高时，石 墨量多、尺寸大、铁素体多 ，因此强度、硬度低。过低 时，则易形成白口组织。
二、铸钢件的生产
• 铸钢的应用仅次于铸铁，其产量占铸件总产量 的15%。铸钢的主要优点是力学性能高，特别是塑性 和韧性比铸铁高得多，焊接性能良好，适于铸焊联合 工艺制造重型机械。但铸造性能、减震性和缺口敏感 性都比铸铁差。
• 铸钢主要用于制造承受重载荷及冲击载荷的零件 ，如铁路车辆上的摇枕、侧架、车轮及车钩，重型水 压机横梁，大型轧钢机机架、齿轮等。
铁素体+珠光体 负荷大、受力复杂的零件。如汽车、拖拉机曲轴

5
一、影响铸铁组织和性能的因素
2．冷却速度 1）铸型材料 2）铸件壁厚 铸件壁愈厚，冷却速度愈慢，则石墨化倾向愈大， 铸件壁愈厚，冷却速度愈慢，则石墨化倾向愈大，愈易 得到粗大的石墨片和铁素体基体。 得到粗大的石墨片和铁素体基体。 实际生产中，一般是根据铸件主要部位的壁厚， 实际生产中，一般是根据铸件主要部位的壁厚， 选择适当的化学成分（主要指碳、 ），以获 选择适当的化学成分（主要指碳、硅），以获 得所需要的组织。 得所需要的组织。
8
二、灰铸铁
（三）灰铸铁的孕育处理 — 孕育铸铁
浇注前向铁水中冲入细颗粒的孕育剂 孕育剂( 孕育处理 — 浇注前向铁水中冲入细颗粒的孕育剂(人工晶 形成大量的 弥散的难熔质点， 核如硅铁和硅钙合金 )，形成大量的、弥散的难熔质点， 成为石墨的结晶核心，促进石墨的形核， 成为石墨的结晶核心，促进石墨的形核，得到具有 细片状石墨的组织。 细片状石墨的组织。 ＊＊ ＊ σb= 250-400 Mpa，δ≈ 0 250Mpa， ＊＊ ＊ 孕育铸铁特点： 孕育铸铁特点： ＊ ＊ ＊ ＊ 强度和韧性优于普通灰铸铁。 ● 强度和韧性优于普通灰铸铁。 ＊ ＊ ＊ ＊ ● 孕育处理使不同壁厚铸件的 组织较均匀，性能基本一致。 组织较均匀，性能基本一致。 ● 用于制造力学性能要求较高而截面尺寸变化较大的 用于制造力学性能要求较高而截面尺寸变化较大的 大型铸件。如重型机床床身，汽缸体等。 大型铸件。如重型机床床身，汽缸体等。
11
床身导轨、车床、冲床等受力较大的床身、机座、 P细+G细片 床身导轨、车床、冲床等受力较大的床身、机座、
P细+G细片
三、可锻铸铁
白口铸铁通过退火处理使渗碳体分解 而得到团絮状石墨的一种高强度铸铁。 而得到团絮状石墨的一种高强度铸铁。 团絮状石墨的一种高强度铸铁 又叫展性铸铁或韧性铸铁

4 球铁的热处理 QT可以象钢一样进行各种热处理。
退火：得到F组织和消除内应力。
正火：得到P或P+F组织，细化晶粒，提高强度和耐磨性。
调质：得到良好的综合机械性能。
等温淬火：得到B下基体组织。
5 球墨铸铁的制取方法： a 严格控制化学成份：采用高碳低硅铁水（C=3.6～3.9% Si=1.0～1.8%）
低碳低硅：结晶温度范围大，流动性不好。 不结晶出石墨，收缩大。 易产生浇不足、冷隔、缩孔、裂纹等缺陷。 白口铸铁液态含气量较高，粘度大，易产生气孔。 工艺措施：定向凝固；
铁水出炉温度＞1360℃ 型砂含水量低，并有足够的透气性。
（四）球墨铸铁 1 QT的组织和成分 组织：金属基体+G（球状） 金属基体可以是：F、P、P+F、M或B下
壳等；另外各种阀体和水暖管件也广泛使用可锻铸铁。
2 可锻铸铁的制取方法
生产白口铸件； 成分特点：低碳低硅 C=2.4~2.8% Si=0.4~1.4% 白口铸件进行石墨化退火，Fe3C F+G (团絮状)；
℃
900～1000
710～730
20
20
时间
3 可锻铸铁的性能： 可锻铸铁的力学性能高于灰铸铁， σb= 300 ~700MPa δ= 2~12%。 耐腐蚀性能较强，铸造性能较灰铸铁差。
（二）灰铸铁 1 普通灰铸铁： 低强度铸铁。 牌号： HT100 HT150 HT200
碳硅含量较高（C=3.0～3.7%，Si=1.8～2.4%），石墨片粗大，机械性能差。 铸造性能好，常用于受力较小，形状复杂的铸件。
2 孕育铸铁： 高强度铸铁。 牌号：HT250 HT300 HT350
所谓孕育，即在浇注前向铁水中加入孕育剂（变质剂）进行处理。加入 的孕育剂成为石墨结晶的核心，从而细化石墨，提高铸铁的力学性能。

灰铸铁优越特性:①优良的减震性(石墨对机械运动缓冲 作用，灰铸铁是钢的5-10倍)；②较好的耐磨性
•能（石墨是一种良好的润滑剂，适用于制造导轨、轴 套等)；③较小的缺口敏感性 (石墨本身的存在使基体 形成了大量缺口，即使再多一个也影响甚微）；④铸造 切削性能好（灰铸铁的成分接近于共晶，流动性好，而 且石墨的存在抵消了铁液的收缩，铸造性能较好；石墨 的存在使灰铸铁切削时具有脆断性，容易加工)。 •2. 影响铸铁组织性能的因素 •(1)灰铸铁的分类：珠光体灰铸铁、珠光体-铁素体灰 铸铁、铁素体灰铸铁三种；强硬度依次降低。 •影响铸铁的关键因素是其石墨化程度，这与铸铁的化 学成分和冷却速度关系密切，所以影响铸铁组织性能的 因素有两个：①化学成分（碳、硅促进石墨化程度，锰 阻碍石墨的析出，增加白口倾向)(图片)；②冷却速度 (速
说明：要根据材料的性能要求选择正确的 热处理方法，如制取牌号QT900-2球墨铸铁要 经过退火、等温淬火等工艺才能获得。
四、蠕墨铸铁
¬ 蠕墨铸铁中石墨呈短片状，类似蠕虫，所 以取名为蠕墨铸铁（组织照片分析）。
¬ 1.蠕墨铸铁的制备：原铁液与球墨铸铁相似(含 碳、硅较高，含硫磷较低)，先向铁液中加入蠕 化剂（稀土硅铁合金、稀土硅钙合金等），加 入量为铁液总重量的1.0-2.0%，蠕化处理后再 进行孕育处理，最后得到蠕墨铸铁； 2.蠕墨铸铁的性能和应用：蠕墨铸铁组织中的 石墨形状介于片状和球状之间（蠕虫状），所
再见，see you again
PPT文档演模板
2020/11/12
常用合金铸件的生产4
•度快石墨的析出受到抑制），而冷却速度主要取决于 铸型材料（砂型、金属型等）和铸件的壁厚（厚的冷却 速度缓慢），化学成分相同的铸铁，采用不同的冷却速 度时得到的组织是不一样的，速度由慢到快，组织断口 由灰口→麻口→白口依次变化(白口和灰口铸铁图片)。 •3.灰铸铁的孕育处理：为了改善灰铸铁的性能（尤其 是抗拉强度），通常对铁液进行孕育处理，处理后材料 的强度、耐磨性、气密性得到提高。 •处理方法：在含碳2.8-3.2%、含硅1-2%的铁液中，加 入含硅75%的Si-Fe合金（粒度5-10mm）孕育剂，加入量 为铁液总重的0.2-0.7%，然后进行均匀搅拌。 •孕育处理的机制：①硅的加入增加了结晶核心，晶粒 得

•2.影响灰铸铁组织和性能的因素（Effect of Various Factors
on Structure and Properties of Gray Cast Iron )
•性能决定于组织，铸铁组织中对性能起决定性作用 的是石墨，包括石墨的形态，石墨的大小，还有它的 数量和分布等。因此影响灰铸铁组织的因素就是影响 石墨化的因素。
•KTH30006
常用合金铸件的生产
性能
(P可ro锻pe铸rti铁es的) 力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间。 这是团絮状石墨对基体的割裂作用介于片状石墨和球 状石墨之间。可锻铸铁的塑性、韧性比灰铸铁高的多。 其实它不能锻造。
用途
(A由p于pli可ca锻tio铸n)铁的强度比灰铸铁高，又有一定的塑性 和韧性，因此可锻铸铁应用于制造承受冲击、振动和 载荷比较大的零件，如汽车后桥壳、阀门、管件等。
❖ P：促进石墨化元素，还可以降低铁水的粘度，提高流动 性。但是P会使铸铁产生冷脆性，因此从整体说P也是一 种有害元素，应该限制它的含量。
PPT文档演模板
常用合金铸件的生产
冷却速度对石墨化的影响(Effect of cooling rate)
因为石墨的析出需要有一个C原子的迁移和聚集的过程， 所以冷却速度慢，析出石墨多而粗和铁素体的基体。 相反冷却速度比较快，吸收石墨比较少，这时比较容 易得到细小的石墨片和珠光体的基体。 但冷却速度太快，C原子来不及聚集和析出，就容易得 到白口组织。 与冷却速度直接有关的因素主要是铸件壁厚和铸型材 料。
PPT文档演模板
常用合金铸浇注前向铁水里加入少量促进石墨化的元素，人 为添加大量晶核，获得均匀分布的细小片状石墨和细 珠光体基体的一种处理工艺。
❖ 孕育处理的目的：为了获得均匀分布的细小片状石墨和 细珠光体基体组织。为了获得细珠光体基体组织就要适 当降低C和Si的含量。为了防止低C低Si造成白口组织， 就要进行孕育处理。

白口铸铁： P+Fe3C+Le 麻口铸铁： P+Fe3C+G+Le 灰口铸铁：
珠光体灰口铸铁： P+G片
珠光体+铁素体灰口铸铁：P+F+G片 铁素体灰口铸铁： F+G片
Ⅰ- 白口铸铁区 Ⅱa - 麻口铸铁区 Ⅱ- 珠光体灰口铸铁区 Ⅱb - 珠光体、铁素体灰口铸铁区 Ⅲ - 铁素体灰口铸铁区
2020/8/2
2020/8/2
武汉理工大学金工学部
2
灰口铸铁
可以看成是在钢的基体上分布着不同形态的石墨。而石墨 的形态、大小和分布直接影响着铸铁的性能。
根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁可以分为：
普通灰铸铁：石墨呈片状 球墨铸铁：石墨呈球状 可锻铸铁：石墨呈团絮状 蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状
2020/8/2
武汉理工大学金工学部
3
2.2.1.1 灰铸铁
A.灰铸铁的性能
铸铁之所以用得如此广泛,是因为石墨的存在，石墨的 存在，使铸铁具有铸钢所不具备的性能。
良好的铸造性能，如流动性好、收缩小
铸铁的优点
良好的切削加工性能； 高的耐磨性；
良好的吸震缓冲性能；
低的缺口敏感性能。
铸铁的缺点：
石墨极差的力学性能；对基体的割裂；石墨片尖端的应力集中成为裂纹源。
回顾
液态金属的凝固与收缩
凝固方式有：逐层凝固、糊状凝固、中间凝
合金的收缩：液态收缩、凝固收缩、固态收缩
影响收缩的因素：化学成分(c含量)、浇注温度、铸件结构、铸型条件
缩孔与缩松的形成
纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金
逐层凝固
缩孔
凝固区域较宽的合金
糊状凝固

缺口作用系数
β= σw/ σ’w 1.0 1.5
17
σb(Mpa)
270 440
115 155
《热加工工艺基础》第四章 17/58
2、灰口铸铁的性能特点
5)铸造性能和切削加工性能好。 6)其他工艺性差 焊接性差;热处理性能差;不 能锻造和冲压。
《热加工工艺基础》第四章 18/58
18
四、常用铸铁的性能及生产
《热加工工艺基础》第四章 34/58
34
5、蠕墨铸铁
1) 组织特征: 金属基体+蠕虫状G。 2) 性能特点:
机械性能比灰口铸铁高。 壁厚敏感性比灰口铸铁小。 导热性、减震性和耐热疲劳性 比球墨铸铁高。 工艺性能良好。
《热加工工艺基础》第四章 35/58
35
两种铸铁抗拉强度对壁厚的敏感性 比 较
《热加工工艺基础》第四章 26/58
26
3、可锻铸铁( 韧性铸铁、玛钢 ) 4 ) 牌号 KT 300 – 06
延伸率δ 6% 抗拉强度 σb 300Mpa 可锻铸铁
《热加工工艺基础》第四章 27/58
27
4、球墨铸铁
1 )工艺特点: 铁水需经过球化 处理和孕育处理 。
2 ) 球化处理: 往铁水中加入球 化剂 , 球化剂是 稀土镁合金。
38
一、铸钢的分类
1. 碳素铸钢: ZG15～ZG55 等。
2. 低合金铸钢: ZG40Mn、ZG40Cr、 ZG30CrMnSi 等。
3. 高合金铸钢: ZGMn13、ZG1Cr13、 ZG1Cr18Ni9 等。
《热加工工艺基础》第四章 39/58
39
二、铸钢的铸造工艺特点
铸钢的铸造性能 生产铸钢件的工艺措施 铸钢件的热处理 铸钢的熔炼

球墨铸铁件 生产中应注意的问题
较高的铁液温度，以防止球化处理、孕育 处理后铁液温度过低，产生浇不足等缺陷 球化处理、孕育处理。
5/30/2016 12:57 PM
球墨铸铁的牌号、性能及用途
5/30/2016 12:57 PM
6.1.3 蠕墨铸铁的生产
蠕墨铸铁的制造过程和球墨铸铁相同。 性能在孕育铸铁和球墨铸铁之间 (2)蠕化处理和孕育处理 采用冲入法把蠕化剂加入铁水中。 蠕化剂为镁合金或稀土合金，改变石墨 形状后，和球墨铸铁一样要进行孕育处理。 主要问题：生产中难以控制：蠕化剂少了， 石墨不变形，仍保持片状，由于含碳、硅 量高，铸铁强度很低，铁水只能报废；蠕 化剂多了，石墨又变成球状，原设计的铸 型浇、冒口工艺不适合，也会导致铸件报 废。
化学成分：C是形成石墨的元素，Si是促进形成石墨 的元素，通常C%、 Si%越高，越容易石墨化。
5/30/2016 12:57 PM
3.影响石墨化的因素—冷却速度
冷却பைடு நூலகம்度：
减小冷却速度可以促进石墨化， 易得到粗大的石墨片和铁素体 基体；
增大冷却速度则阻碍石墨化， 此时只有部分碳以细石墨片析 出，而另一部分碳则以渗碳体 析出， 得到珠光体基体。
5/30/2016 12:57 PM
3.影响石墨化的因素—壁厚
5/30/2016 12:57 PM
铸铁件的生产
普通灰铸铁件
基体：F、P、F+P 生产：铁水熔炼好后直接浇铸 牌号：HTXXX HT: 表示灰铸铁中文拼音的代号 XXX: 三位数字表示最抵抗拉强度(MPa) 石墨形态：粗片 状
问题
提高灰铸铁的性能
灰铸铁的孕育处理方法
将熔炼出的铁水在 浇铸前加入质 量分数为 0.25%~0.60%的孕育剂， 孕育剂在铁水中形成大量弥散的石 墨结晶核心，使石墨化作用显著提 高，从而得到在细珠光体上均匀分 布着细片状石墨的组织。