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1、1,铸 造 合 金 Casting Alloys,2010秋季学期 周二 1-2节 正心楼32 周四 1-2节 正心楼31任课教师：苏彦庆，李新中,2,1 绪论 2 铸铁基础知识 3 铸铁的熔炼及熔体处理 4 铸造钛合金 5 铸造镁合金 6 铸造铜合金 7 铸造铝合金 8 铸造高温合金和金属间化合物,课程内容,3,2-1、铸铁的分类工业上的铸铁是一种以Fe、Si、C为基础的复杂的多元合金， 其碳含量一般在2.0-4.5%，硅含量1-3%，同时含有Mn 0.2-1.2%，P 0.04-1.2%，S 0.04-0.2%。为了提高铸铁的性能通常还要加入其他合金元素Cr、V、Co、Ni、Mn等。与钢的
2、差别：成分方面(C+Si)和组织方面(高碳相)。,第2讲 铸铁基础知识（1）,4,按铸铁中是否有石墨存在，分为: 灰铸铁和白口铁(高碳相的存在形式不同) 按石墨存在形态，分为： 普通灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁 按铁合金中是否含有除常规元素之外的合金元素分为: 普通铸铁和合金铸铁 （由于其具有特殊的性能，如耐磨、耐热、耐腐蚀等， 又称为特殊铸铁） 铸铁以其应用特点可以分为两大类， 结构材料为主（发挥其力学性能，如灰铸铁、球墨铸铁、 蠕墨铸铁、可锻铸铁） 功能材料为主（发挥其特殊的性能，如耐磨铸铁、 耐热铸铁、耐腐蚀铸铁）,5,灰铸铁的发展是以强度的提高为驱动力的，早期其强度只有60-
3、80MPa，现在可以达到400MPa以上。从发展的途径上看，早期着眼于孕育，但逐渐向合金化方向发展。为了改善铸造性能，力求采用较高碳当量的铸铁(基本无塑性)。早在1935年德国人发现了铸铁凝固过程中通过控制合金成分可以析出石墨球，进而世界范围内开展球墨铸铁的研究。400-900MPa,塑性达到2-20%。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%。石墨的形态影响铸铁的力学性能和物理性能,6,2-2、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，F
4、e-Fe3C是非稳定系（亚稳系）。 从动力学角度分析，稳定系发生在冷却速度缓慢，亚稳定系发生在冷却速度较快的条件下。,7,存在的转变（反应）： 同素异构转变，磁性转变，包晶转变，共晶转变，共析转变,相区： L-液相， -高温铁素体bcc， -奥氏体fcc， -铁素体bcc， cm-渗碳体， gr-石墨,可能的组织： 莱氏体(+Fe3C共晶体)， 珠光体(+Fe3C共析体) 索氏体(细的+Fe3C共析体) 托氏体(极细的+Fe3C共析体)， 上述共析组织中渗碳体为片状，通过热处理可以成粒状。,图2-1 Fe-Fe3C系和Fe-石墨系双重相图 （虚线为Fe-石墨系，实线为Fe-Fe3C系）,8,T
5、he stable equilibrium phases of the Fe-C system at ambient pressure are (1) the gas, g; (2) the liquid, L; (3) bcc (d-Fe); (4) fcc (g-Fe), or austenite; (5) bcc (a-Fe), or ferrite; and (6) hexagonal (C), or graphite. Orthorhombic Fe3C, or cementite, is a metastable phase. Allotropic reaction (同素异构转变
6、) Peritectic reaction (包晶反应) Eutectic reaction (共晶反应) Eutectoid reaction (共析反应) Sublimation (升华) Melting (熔化),9,图2-2 共晶部分的详细图形 （1153/1147/1142oC）对于铸造合金通常采用共晶成分点，提高铸造性能（对提高流动性有好处：熔点低、易于过热(粘度低)、不形成大枝晶，两相同时形成潜热释放集中）。Fe-C共晶部分的详细图形2-2，Fe3C液相线与石墨液相线的交点是在石墨共晶温度之下11K，这表明在激冷条件下熔体易于对渗碳体相过饱和析出。 即过冷度小于11K时石墨的液相
7、线高于渗碳体的液相线，而优先析出石墨。当过冷度大于11K后渗碳体的液相线高于石墨的液相线，将优先析出渗碳体。同时要考虑成分的影响。（最高界面温度判据）Fe-石墨系共晶条件4.26/1426K，Fe-Fe3C系共晶条件4.30/1421K 构成铸铁的主要的相：石墨、渗碳体、奥氏体、铁素体、（珠光体）。 石墨在铸铁中的形态：片状石墨、共晶石墨、蠕虫状石墨、球状石墨。,10,2-3、铸铁的灰口或白口凝固铸铁依照其凝固方式的不同，而可能形成灰口组织或白口组织，在某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，即麻口组织。,灰口 麻口 白口,11,一、过冷温度T(过冷度)的影响（热力学影响）铸铁依
8、照何种方式凝固，结晶成灰口或白口组织取决于石墨与渗碳体两者相对的形核可能性以及生长速率，这将取决于铁液的化学成分和结晶条件。图2-3是在温度-生长速率坐标上绘出的灰口或白口铸铁组织存在的范围(注意：没有考虑成分的影响)。石墨共晶的平衡温度为1153oC，而Fe3C的共晶平衡温度为1147oC，在两个平衡温度之间，只有石墨共晶能够形核长大。,2-3、铸铁的灰口或白口凝固,图2-3 灰口和白口铸铁组织的存在范围,10-3 10-4 10-5,*降温曲线，在指定温度保温,12,2-3、铸铁的灰口或白口凝固,在1147oC以下，石墨共晶和渗碳体共晶都能形核、生长，但随着温度的降低，渗碳体的生长速率相对
9、于温度的变化率(dR/dT)明显大于石墨的。两者生长速率大小关系的转折点对应的温度是1142oC(T临界过冷度)，即，低于此温度时，渗碳体的生长速率大于石墨的生长速率，会发生白口组织凝固，结晶过冷度是决定铸铁凝固方式的基本因素。 分析图2-3时有两种途径：1）考察相同过冷度时不同相的生长速率的大小关系，生长速率大的将优先形成；2）考察相同的生长速率条件下，所需过冷温度的大小关系，过冷温度小的将优先形成。,图2-3 灰口和白口铸铁组织的存在范围,13,该图表明过冷度增加，生长速度增加TR非晶？注意：过冷度越大，形核率高、生长速度越大，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
10、，直至非晶的形成。,图2-3 灰口和白口铸铁组织的存在范围,14,二、冷却速率的影响（动力学影响） 冷却速度对铸铁结晶过程的影响主要在对相变过程中原子扩散迁移的影响。在共晶转变中，如果冷却速度小，则在该温度下有较长的转变时间，有条件进行充分的碳原子扩散，故使转变倾向有利于按照石墨共晶方式进行。因此，具有一定碳硅含量的铁液在共晶转变中，可因冷却速度的不同而生成白口铸铁或灰口铸铁。冷却速度还影响奥氏体的共析转变，而形成全珠光体或珠光体-铁素体混合基体。,图2-4冷却速度对铸铁凝固组织的影响示意图冷却速度非常缓慢时，将完全按稳定系共晶反应，增加冷却速度，发生部分按稳定系共晶、部分按非稳定系共晶，冷却
11、速度再增加，将完全按非稳定系共晶。,2-3、铸铁的灰口或白口凝固,15,三、成分的影响总体而言，铸铁中的合金元素对其相变过程有重要的影响，其影响主要表现在以下几方面： 1）促进铸铁的灰口结晶或白口结晶，即在共晶过程中促进或阻碍石墨化； 2）在初生相结晶及共晶转变中，影响结晶相的形核过程和结晶方式，从而影响灰口铸铁中石墨（或白口铸铁中碳化物）的形态、尺寸及分布特性，以及亚共晶铸铁中初生奥氏体树枝晶体的生长过程； 3）在奥氏体内碳的脱溶过程中，促进二次高碳相以石墨或渗碳体形式析出； 4）在共析转变过程中，影响过冷奥氏体的稳定性，从而使共析转变按不同的方式进行； 5）影响共晶含碳量和共析含碳量。可见
12、，对相图中的相变过程都有影响。,2-3、铸铁的灰口或白口凝固,16,（一）基本元素的影响 在非合金化的普通铸铁中，主要的存在元素为碳、硅、锰、磷和硫，对石墨的结晶起重要作用的是碳和硅。碳本身是形成石墨的元素，同时，铁液中碳的高低又决定着石墨的形核和长大，从结晶动力学角度看，铁液中碳的浓度高时，比较容易形成石墨核心，一旦形成核心后，由于铁液中碳原子浓度高，扩散和聚集的过程也比较容易实现，因此，铁液含碳量高时，在共晶转变中倾向于按照稳定系结晶。同时，含碳量高的铁液经共晶转变后形成的组织中石墨的数量较多，这又为共析转变中石墨的析出提供了更多的形核衬底，因此碳是促进石墨化的重要的元素。,2-3、铸铁的
13、灰口或白口凝固,17,硅是强烈促进铸铁中碳石墨化的元素，它提高铁液中碳的活度（相当于增加碳含量），扩大共晶温度范围，增大形成白口的临界过冷度，促进灰口组织形成。在共析转变方面，硅也促进奥氏体按照稳定系平衡进行转变。由于硅的这种作用，硅常用来作为调整和控制铸铁组织的元素。,2-3、铸铁的灰口或白口凝固,图1-5铸铁组织与碳硅含量的关系（Si有促进石墨析出的作用） 没有Si，即使碳含量高过4.3%，也不能保证形成灰口。,18,锰在铸铁的共晶转变中具有较弱的阻碍石墨化的作用，但锰能中和硫的有害作用。,2-3、铸铁的灰口或白口凝固,硫在高含量时，有阻碍石墨化的作用，同时还使初生奥氏体和共晶奥氏体的枝晶
14、粗化。当硫含量高时，还会形成硫共晶，降低铸铁的性能，故在铸铁中应限制硫含量。但少量的硫化物对石墨形核有利，故铸铁中含硫量亦非越少越好。,磷具有促进共晶石墨化的作用，但由于它具有严重的结晶偏析倾向，在铸铁中磷含量不高时就形成磷共晶，使铸铁变脆。,19,（二）合金元素的总体影响按照促进灰口或白口凝固的方向和作用的强弱可将合金元素按以下顺序排列： 灰口凝固 Si，Al，Ni，Co，CuMn，Mo，Sn，Cr，V，Sb，Te白口凝固合金元素的影响主要归结为三个方面 1）对碳在铁液中溶解度的影响 某种合金元素使铁液中碳的溶解度降低，即使碳的活度增大，促使碳以稳定系结晶（析出石墨）。如每1%Si使碳的溶解
15、度降低0.29-0.31%，其促使碳以石墨形式析出；1%Cr使碳的溶解度升高0.06-0.063%，其促使碳以渗碳体形式析出 假设合金熔体中原有C1的碳含量，当加入某元素，使合金熔体中碳的理论含量改变为C2，若C2C1，促进渗碳体形成；C2C1，促进石墨形成；C1=C2，对碳的析出从某方面说没有影响(形成过饱和或欠饱和),由于合金元素的存在，使得铸铁的共晶含碳量发生变化，其中Si、P、S使共晶含碳量减少（Fe-C相图上共晶点左移），而Mn使共晶含碳量增加（共晶点右移） 可以用碳当量与共晶含碳量比较4.26 碳当量：根据不同元素对共晶点实际碳含量的影响，将这些元素折算成碳量的增减，以CE%表示，CE%=C%+1/3(Si+P)%。将CE%与共晶点（4.26%）相比，CE%4.26%，为过共晶，CE%4.26%，为亚共晶。,20,2）对共晶温度范围的影响 共晶温度范围TE(参看图2-3)对于共晶转变的石墨化倾向有重要的影响。TE大时，铸铁倾向于形成石墨共晶。铸铁中每种合金元素均会使稳定系共晶温度TE和亚稳系共晶温度TE发生改变，从而使TE增大或减小。某些元素（Si,Ni）增大TE值，起促进石墨化作用，另一些元素（Cr）减小TE值，起阻碍石墨化作用。合金元素在改变TE方面的作用还与其在铁液中的含量有关，如图2-6。,图2-6 合金元素对共晶温度范围的影响,
