鑄造合金2100831課件

鑄造合金

CastingAlloys2010秋季學(xué)期周二1-2節(jié)正心樓32周四1-2節(jié)正心樓31任課教師：蘇彥慶，李新中11緒論2鑄鐵基礎(chǔ)知識(shí)3鑄鐵的熔煉及熔體處理4鑄造鈦合金5鑄造鎂合金6鑄造銅合金7鑄造鋁合金8鑄造高溫合金和金屬間化合物課程內(nèi)容22-1、鑄鐵的分類

工業(yè)上的鑄鐵是一種以Fe、Si、C為基礎(chǔ)的復(fù)雜的多元合金，其碳含量一般在2.0-4.5%，硅含量1-3%，同時(shí)含有Mn0.2-1.2%，P0.04-1.2%，S0.04-0.2%。為了提高鑄鐵的性能通常還要加入其他合金元素Cr、V、Co、Ni、Mn等。與鋼的差別：成分方面(C+Si)和組織方面(高碳相)。第2講鑄鐵基礎(chǔ)知識(shí)（1）3灰鑄鐵的發(fā)展是以強(qiáng)度的提高為驅(qū)動(dòng)力的，早期其強(qiáng)度只有60-80MPa，現(xiàn)在可以達(dá)到400MPa以上。從發(fā)展的途徑上看，早期著眼于孕育，但逐漸向合金化方向發(fā)展。為了改善鑄造性能，力求采用較高碳當(dāng)量的鑄鐵(基本無塑性)。早在1935年德國人發(fā)現(xiàn)了鑄鐵凝固過程中通過控制合金成分可以析出石墨球，進(jìn)而世界范圍內(nèi)開展球墨鑄鐵的研究。400-900MPa,塑性達(dá)到2-20%。蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度和塑性低于球墨鑄鐵，但高于灰鑄鐵?？慑戣T鐵強(qiáng)度300-700MPa,塑性2-12%。石墨的形態(tài)影響鑄鐵的力學(xué)性能和物理性能52-2、鐵碳相圖由于鑄鐵中的碳能以石墨或滲碳體兩種獨(dú)立的形式存在，因而Fe-C合金系中存在Fe-石墨、Fe-Fe3C雙重相圖，其中Fe-石墨是穩(wěn)定系，F(xiàn)e-Fe3C是非穩(wěn)定系（亞穩(wěn)系）。從動(dòng)力學(xué)角度分析，穩(wěn)定系發(fā)生在冷卻速度緩慢，亞穩(wěn)定系發(fā)生在冷卻速度較快的條件下。6存在的轉(zhuǎn)變（反應(yīng)）：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?chǔ)摹谩?，磁性轉(zhuǎn)變，包晶轉(zhuǎn)變，共晶轉(zhuǎn)變，共析轉(zhuǎn)變相區(qū)：L-液相，δ-高溫鐵素體bcc，γ-奧氏體fcc，α-鐵素體bcc，cm-滲碳體，gr-石墨可能的組織：萊氏體(γ+Fe3C共晶體)，珠光體(α+Fe3C共析體)索氏體(細(xì)的α+Fe3C共析體)托氏體(極細(xì)的α+Fe3C共析體)，上述共析組織中滲碳體為片狀，通過熱處理可以成粒狀。圖2-1Fe-Fe3C系和Fe-石墨系雙重相圖（虛線為Fe-石墨系，實(shí)線為Fe-Fe3C系）7圖2-2共晶部分的詳細(xì)圖形（1153/1147/1142oC）

對(duì)于鑄造合金通常采用共晶成分點(diǎn)，提高鑄造性能（對(duì)提高流動(dòng)性有好處：熔點(diǎn)低、易于過熱(粘度低)、不形成大枝晶，兩相同時(shí)形成潛熱釋放集中）。Fe-C共晶部分的詳細(xì)圖形2-2，F(xiàn)e3C液相線與石墨液相線的交點(diǎn)是在石墨共晶溫度之下11K，這表明在激冷條件下熔體易于對(duì)滲碳體相過飽和析出。即過冷度小于11K時(shí)石墨的液相線高于滲碳體的液相線，而優(yōu)先析出石墨。當(dāng)過冷度大于11K后滲碳體的液相線高于石墨的液相線，將優(yōu)先析出滲碳體。同時(shí)要考慮成分的影響。（最高界面溫度判據(jù)）Fe-石墨系共晶條件4.26/1426K，F(xiàn)e-Fe3C系共晶條件4.30/1421K構(gòu)成鑄鐵的主要的相：石墨、滲碳體、奧氏體、α鐵素體、（珠光體）。石墨在鑄鐵中的形態(tài)：片狀石墨、共晶石墨、蠕蟲狀石墨、球狀石墨。92-3、鑄鐵的灰口或白口凝固鑄鐵依照其凝固方式的不同，而可能形成灰口組織或白口組織，在某些特殊的條件下也可能形成由灰口和白口構(gòu)成的混合組織，即麻口組織。灰口麻口白口10一、過冷溫度T(過冷度)的影響（熱力學(xué)影響）鑄鐵依照何種方式凝固，結(jié)晶成灰口或白口組織取決于石墨與滲碳體兩者相對(duì)的形核可能性以及生長(zhǎng)速率，這將取決于鐵液的化學(xué)成分和結(jié)晶條件。圖2-3是在溫度-生長(zhǎng)速率坐標(biāo)上繪出的灰口或白口鑄鐵組織存在的范圍(注意：沒有考慮成分的影響)。石墨共晶的平衡溫度為1153oC，而Fe3C的共晶平衡溫度為1147oC，在兩個(gè)平衡溫度之間，只有石墨共晶能夠形核長(zhǎng)大。2-3、鑄鐵的灰口或白口凝固圖2-3灰口和白口鑄鐵組織的存在范圍10-310-410-5*降溫曲線，在指定溫度保溫11該圖表明過冷度增加，生長(zhǎng)速度增加ΔTR非晶？

注意：過冷度越大，形核率高、生長(zhǎng)速度越大，固相分?jǐn)?shù)增加快，不絕對(duì)，過大的過冷度會(huì)使凝固速度降低，形成細(xì)晶，直至非晶的形成。ΔTR非晶？圖2-3灰口和白口鑄鐵組織的存在范圍13二、冷卻速率的影響（動(dòng)力學(xué)影響）冷卻速度對(duì)鑄鐵結(jié)晶過程的影響主要在對(duì)相變過程中原子擴(kuò)散遷移的影響。在共晶轉(zhuǎn)變中，如果冷卻速度小，則在該溫度下有較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變時(shí)間，有條件進(jìn)行充分的碳原子擴(kuò)散，故使轉(zhuǎn)變傾向有利于按照石墨共晶方式進(jìn)行。因此，具有一定碳硅含量的鐵液在共晶轉(zhuǎn)變中，可因冷卻速度的不同而生成白口鑄鐵或灰口鑄鐵。冷卻速度還影響奧氏體的共析轉(zhuǎn)變，而形成全珠光體或珠光體-鐵素體混合基體。圖2-4冷卻速度對(duì)鑄鐵凝固組織的影響示意圖冷卻速度非常緩慢時(shí)，將完全按穩(wěn)定系共晶反應(yīng)，增加冷卻速度，發(fā)生部分按穩(wěn)定系共晶、部分按非穩(wěn)定系共晶，冷卻速度再增加，將完全按非穩(wěn)定系共晶。2-3、鑄鐵的灰口或白口凝固14三、成分的影響總體而言，鑄鐵中的合金元素對(duì)其相變過程有重要的影響，其影響主要表現(xiàn)在以下幾方面：1）促進(jìn)鑄鐵的灰口結(jié)晶或白口結(jié)晶，即在共晶過程中促進(jìn)或阻礙石墨化；2）在初生相結(jié)晶及共晶轉(zhuǎn)變中，影響結(jié)晶相的形核過程和結(jié)晶方式，從而影響灰口鑄鐵中石墨（或白口鑄鐵中碳化物）的形態(tài)、尺寸及分布特性，以及亞共晶鑄鐵中初生奧氏體樹枝晶體的生長(zhǎng)過程；3）在奧氏體內(nèi)碳的脫溶過程中，促進(jìn)二次高碳相以石墨或滲碳體形式析出；4）在共析轉(zhuǎn)變過程中，影響過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而使共析轉(zhuǎn)變按不同的方式進(jìn)行；5）影響共晶含碳量和共析含碳量?？梢姡瑢?duì)相圖中的相變過程都有影響。2-3、鑄鐵的灰口或白口凝固15硅是強(qiáng)烈促進(jìn)鑄鐵中碳石墨化的元素，它提高鐵液中碳的活度（相當(dāng)于增加碳含量），擴(kuò)大共晶溫度范圍，增大形成白口的臨界過冷度，促進(jìn)灰口組織形成。在共析轉(zhuǎn)變方面，硅也促進(jìn)奧氏體按照穩(wěn)定系平衡進(jìn)行轉(zhuǎn)變。由于硅的這種作用，硅常用來作為調(diào)整和控制鑄鐵組織的元素。2-3、鑄鐵的灰口或白口凝固圖1-5鑄鐵組織與碳硅含量的關(guān)系（Si有促進(jìn)石墨析出的作用）沒有Si，即使碳含量高過4.3%，也不能保證形成灰口。17錳在鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變中具有較弱的阻礙石墨化的作用，但錳能中和硫的有害作用。2-3、鑄鐵的灰口或白口凝固硫在高含量時(shí)，有阻礙石墨化的作用，同時(shí)還使初生奧氏體和共晶奧氏體的枝晶粗化。當(dāng)硫含量高時(shí)，還會(huì)形成硫共晶，降低鑄鐵的性能，故在鑄鐵中應(yīng)限制硫含量。但少量的硫化物對(duì)石墨形核有利，故鑄鐵中含硫量亦非越少越好。磷具有促進(jìn)共晶石墨化的作用，但由于它具有嚴(yán)重的結(jié)晶偏析傾向，在鑄鐵中磷含量不高時(shí)就形成磷共晶，使鑄鐵變脆。18（二）合金元素的總體影響按照促進(jìn)灰口或白口凝固的方向和作用的強(qiáng)弱可將合金元素按以下順序排列：灰口凝固Si，Al，Ni，Co，Cu←→Mn，Mo，Sn，Cr，V，Sb，Te白口凝固合金元素的影響主要?dú)w結(jié)為三個(gè)方面1）對(duì)碳在鐵液中溶解度的影響某種合金元素使鐵液中碳的溶解度降低，即使碳的活度增大，促使碳以穩(wěn)定系結(jié)晶（析出石墨）。如每1%Si使碳的溶解度降低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%，其促使碳以滲碳體形式析出假設(shè)合金熔體中原有C1的碳含量，當(dāng)加入某元素，使合金熔體中碳的理論含量改變?yōu)镃2，若C2>C1，促進(jìn)滲碳體形成；C2<C1，促進(jìn)石墨形成；C1=C2，對(duì)碳的析出從某方面說沒有影響(形成過飽和或欠飽和)由于合金元素的存在，使得鑄鐵的共晶含碳量發(fā)生變化，其中Si、P、S使共晶含碳量減少（Fe-C相圖上共晶點(diǎn)左移），而Mn使共晶含碳量增加（共晶點(diǎn)右移）可以用碳當(dāng)量與共晶含碳量比較~4.26碳當(dāng)量：根據(jù)不同元素對(duì)共晶點(diǎn)實(shí)際碳含量的影響，將這些元素折算成碳量的增減，以CE%表示，CE%=C%+1/3(Si+P)%。將CE%與共晶點(diǎn)（4.26%）相比，CE%〉4.26%，為過共晶，CE%〈4.26%，為亞共晶。193）對(duì)臨界過冷度的影響鑄鐵共晶結(jié)晶過程的臨界過冷度ΔT’(參看圖2-3)是使鑄鐵進(jìn)行灰口凝固所能承受的最大的結(jié)晶過冷度，由于合金元素對(duì)石墨共晶和滲碳體共晶的生長(zhǎng)速率產(chǎn)生不同的影響，因而會(huì)使臨界過冷度ΔT’增大或減小。根據(jù)晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方面的研究，鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變的臨界過冷度ΔT’與共晶溫度范圍ΔTE以及石墨共晶與滲碳體共晶的生長(zhǎng)速率比之間有一定的函數(shù)關(guān)系：式中KG、KC分別與石墨共晶、滲碳體共晶生長(zhǎng)速率有關(guān)的常數(shù)，而0<KG/KC<1。KG/KC與合金元素在滲碳體、奧氏體兩相中的分配比成反比例關(guān)系。因此，某一合金元素在滲碳體、奧氏體兩相中的分配比越小，KG/KC越大、接近于1，ΔT’越大，越有利于石墨共晶的形成。常見合金元素在滲碳體、奧氏體兩相中的分配比值：Si-0.03；Co-0.21；Ni-0.34；Mo-7.5；Cr-28。2-3、鑄鐵的灰口或白口凝固21四、爐料的影響鑄鐵的組織一定程度上受爐料的影響。當(dāng)由一種爐料換成另一種爐料時(shí)，雖然鐵液的基本成分未改變，但鑄鐵的組織，包括石墨化程度，白口傾向以及石墨形態(tài)和基體組成等有可能發(fā)生變化。這種變化的原因來自爐料，即所謂的遺傳。生鐵中石墨的遺傳：由于生鐵中石墨含量高，其組織中往往含有粗大的初生石墨。當(dāng)這樣的生鐵作為爐料在沖天爐中進(jìn)行重熔時(shí)，由于石墨的熔點(diǎn)高，鐵液在沖天爐中停留時(shí)間短