工程材料及成形技术 - 电子教材0

课程名称 ：工程材料及成形技术基础 总学时 ： 64/48学时 (理论学时56/40)

适用专业：机械设计制造及其自动化、机械电子工程/汽车服务工程

一、课程的性质与任务

《工程材料及成型技术基础》是研究机械零件的材料、性能及成形方法的综合性课程，是高等工科师范院校机械工程专业必修的专业基础课，其内容包括工程材料和成形技术基础两部分。

本课程是在修完高等数学、大学物理（含实验）和机械制图等课程的基础上开设的。其任务是使学生掌握工程材料及成形技术的基本知识，为后继学习机械设计、模具制造工艺、先进制造技术和毕业设计等课程，培养专业核心能力；为今后从事职业学校机械类专业相关课程的教学，奠定必要的专业基础。

本课程教学开设了实验教学。通过实验教学，在巩固和验证课程的基本理论知识的同时，拓展学生的创新思维，着重培养学生实践动手能力和创新能力。

二、课程教学基本要求

1、获得有关材料学的基本理论与工程材料的一般知识，掌握常用工程材料的成分、热加工工艺与组织、性能及应用之间的相互关系，熟悉常用工程材料的种类、牌号与特点，使学生具备合理选用工程材料、热处理方法、妥善安排热处理工艺路线的基本能力。

2、初步掌握工程材料主要成形方法的基本原理与工艺特点，获得具有初步选择常用工程材料、成形方法的能力和进行工艺分析的能力。

3、具有综合运用工艺知识，初步分析零件结构工艺性的能力。 4、初步了解新材料、新技术、新工艺的特点和应用。

四、本课程的教学内容

绪 论

一、材料科学的发展与地位：材料科学的发展通常是和人类文明联系在一起的。

古代文明：人类的发展史上，最先使用的工具是石器 ；新石器时代(公元前6000年～公元前5000年)烧制成陶器；东汉时期发明了瓷器；到了西汉时期, 炼铁技术又有了很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，这要比欧洲早1700多年。在河南巩县汉代冶铁遗址中，发掘出20

多座冶铁炉和锻炉。炉型庞大，结构复杂，并有鼓风装置和铸造坑。可见当年生产规模之壮观。

三次产业革命：

产业经济迅猛发展是以新材料的发现为依托的。如：半导体材料等。

知识经济时代：

进入21世纪，被称为现代科学技术四大支柱领域的材料、信息、能源和生物工程得到了前所未有的重视和发展。材料作为人类生产和社会发展的物质基础，占有十分重要的地位。

我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得重大成果：航空、航天事业迅速崛起，带动航空、航天材料的发展。

北京奥运会主会场“鸟巢”结构设计奇特新颖，钢结构最大跨度达到343米。如果使用普通钢材，厚度至少要达到220毫米。这样一来，“鸟巢”钢材重量将超过8万吨。从工程的实际需求出发，Q460是最好的选择。需要的大约是4.3万吨高质量钢材 －－低合金高强

卫星 度钢 。二、材料分类： 运载火箭

本课程主要涉及的是机械工程材料

飞船

歼10战斗机

材料按工业工程来分类：机械工程材料，土建工程材料，电子材料等等；

三、金属材料及其学习方法金属材料的性能均其化学成分、显微组织及加工工艺之间的

关系． 四、这门课的主要内容：

工程材料：金属材料（主要）、非金属材料（次要） 主线：性能与化学成分、组织和热处理工艺之间关系 成型技术：铸、锻、焊；非金属材料 实验： 性能测试、材料热处理

第一章 工程材料结构与性能 1.1 材料原子(或分子)的相互作用

各种工程材料是由各种不同的元素组成，由不同的原子、离子或分子结合而成。原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。一般可把结合键分为离子键、共价健、金属键和分子键四种。

一、离子键

当周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时，前者失去最外层价电子变成带正电荷的正离子，后者获得电子变成带负电荷的满壳层负离子。正离子和负离子由

静电引力相互吸引；同时当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。NaCl、CaO、Al2O3等由离子键组成。

离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系统小，都是良好的绝缘体。在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是无色透明的。

二、共价键

处于周期表中间位置的三、四、五价元素，原子既可能获得电子变为负离子，也可能丢失电子变为正离子。当这些元素原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时，以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由共用价电子对产生的结合键叫共价键。

最具有代表性的共价晶体为金刚石。金刚石由碳原子组成，每个碳原子贡献出4个价电子与周围的4个碳原子共有，形成4个共价键，构成正四面体：一个碳原子在中心，与它共价的另外4个碳原子在4个顶角上。硅、锗、锡等元素也可构成共价晶体。属于共价晶体的还有SiC、Si3N4、BN等化合物。

三、金属键

周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子在满壳层外有一个或几个价电子。原子很容易丢失其价电子而成为正离子。被丢失的价电子不为某个或某两个原子所专有或共有，而是为全体原子所公有。这些公有化的电子叫做自由电子，它们在正离子之间自由运动，形成所谓电子气。正离子在三维空间或电子气中呈高度对称的规则分布。正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。

在金属晶体中，价电子弥漫在整个体积内，所有的金属离子皆处于相同的环境之中，全部离子(或原子)均可被看成是具有一定体积的圆球，所以金属键无所谓饱和性和方向性。 金属由金属键结合，因此金属具有下列特性： 1. 良好的导电性和导热性。

金属中有大量自由电子存在，当金属的两端存在电势差或外加电场时，电子可以定向地流动，使金属表现出优良的导电性。金属的导热性很好，一是由于自由电子的活动性很强，二是依靠金属离子振动的作用而导热。 2. 正的电阻温度系数。

即随温度升高电阻增大。绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度时电阻突然下降，趋近于零。

3. 不透明并呈现特有的金属光泽。

金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。 4. 良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。

金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。

四、分子键

原子或分子之间是靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键。

在含氢的物质，特别是含氢的聚合物中，一个氢原子可同时和两个与电子亲合能力大的、半径较小的原子(如F、O、N等)相结合, 形成所谓氢键。氢健是一种较强的、有方向性的范特瓦尔斯键。其产生的原因是由于氢原子与某一原子形成共价健时，共有电子向那个原子强烈偏移，使氢原子几乎变成一半径很小的带正电荷的核， 因而它还可以与另一个原子相吸引。

1.2 晶体材料的原子排列 1.2.1 理想晶体结构

常见的金属晶体结构： （1） 体心立方晶格：

纯铁（912度以下） Cr、M。、W、V、K等。（2）面心立方晶格 Cu、A1、Au、

（3） 排六方晶格

?Be、Mg、Zn

1.2.2 实际晶体结构 1．单晶体与多晶体

单晶体：结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”：

单晶体具有各向异性多晶体：实际金属结构是有许多单晶体组成：晶粒。多晶粒组

成的晶体结构称为多晶体。多晶体呈现各向同性

2．晶体缺陷(I)点缺陷：间隙原子；置换原子；(2)线缺陷：即位错，在晶体中，有一列或

若干列原子发生了有规律的错排现象。

(3)面缺陷：金属中的晶界和亚晶界1.3 合金的晶体结构

1.3.1 合金的相、组织及其关系

相是指合金中具有相同的物理、化学性能，并与其余部分以界面分开的物质部分 固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物 组织：将一小块金属材料用金相砂纸磨光后进行抛光, 然后用侵蚀剂侵蚀, 即获得一块金相样品。在金相显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组织(简称组织)。是合金的微观形态。

1.3.2 固溶体

置换固溶体 间

隙

固

溶

体

1.3.3 金属间化合物：

金属化合物一般熔点较高, 硬度高, 脆性大。合金中含有金属化合物时, 强度、硬度和耐磨性提高, 而塑性和韧性降低 。

Fe3C是钢铁中的一种重要的间隙化合物，又称为渗碳体．具有复杂的斜方晶格，它作为强化相对钢铁材料的性能有重大的影响。 1.3.4 合金性能

实际金属的强化机制

1 固溶体与固溶强化－－－－点缺陷 2位错强化－－－－－－－－ 线缺陷 3细晶强化－－－－－－－－ 面缺陷 4化合物与第二相强化－－－ 体缺陷

1.4 高聚物的结构

1.4.1 大分子链的结构

线型结构： 线型结构是由许多链节联成一条长链

体型结构： 体型结构是分子链与分子链之间有许多链节相互交联在一起，形成网状或立体结构

1.5 陶瓷的结构 1.7.工程材料的力学性能

常见的有强度(屈服强度、断裂强度、疲劳强度等)、硬度、塑性、冲击韧性和断裂韧性等。

强度：是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力，是材料最重要、最基本的力学性能指标之一。

屈服强度：表示材料抵抗微量塑性的能力抗拉强度：反映了材料产生最大均匀变形的抗力

塑性：材料在外力作用下，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。

硬度：在外力作用下材料抵抗局部形的能力。

（1）布氏硬度: HB /HBS

（2）洛氏硬度: HRC/HRB/HRA （3）维氏硬度: HV

塑性变

性能指标工程意义：结合材料的拉伸试验引出材料的抗拉强度和屈服强度的概念，这两个指标在工程设计中的意义。一个是设计机械零件的强度指标，一个是安全性指标（配合延伸率）。硬度是材料局部强度的指标。疲劳是材料在循环作用下的安全指标。断裂韧性也是材料安全性指标，这一指标更注重材料缺陷方面的安全性。

第二章 金属材料的凝固与固态相变

2.1 纯金属的结晶

2.1.1 凝固的基本概念

结晶：原子由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。 过冷度概念: 理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度，用ΔT表示。 结晶的必要和充分条件是具有一定的过冷度

2.1.2 金属的结晶

金属的结晶过程：形核和长大两个过程。

自发形核（均质形核）、非自发形核（异质形核）影响形核和长大的因素：(1)过冷度的影响 (2)难熔杂质的影响晶粒大小及控制方法。 1) 增大过冷度

2)变质处理2.1.3 材料的同素异构现象

晶体的同素异构：有些晶体随着外界条件(如温度、压力)的变化而具有不同类型的晶体结构，称为同素异构现象。

铁发生同素异构转变，不仅晶体结构发生变化，而且体积也发生改变，这是钢铁可进行热处理主要原因。

2.2 合金的凝固

2.2.1 二元合金相图与凝固

1． 匀晶相图；

两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图。 杠杆定律：

设合金的质量为Q合金 , 其中 Ni质量分数为b%, 在 T1温度时, L相中的 Ni质量分数为a%, α相中的Ni质量分数为c%。

则合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量+ α相中含Ni的质量

即 因为 所以

化简后得

c-b为线段 bc的长度; b-a为线段 ab的长度。 故得：

或

这个式子与力学中的杠杆定律相似, 因而亦被称作杠杆定律。由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合金中所占的质量分数（即相对质量）分别为：

运用杠杆定律时要注意, 它只适用于相图中的两相区, 并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点, 而支点为合金的成分点。 2.共晶相图：

两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解(或不溶)，并在结晶时发生共晶转变所构成的相图称为二元共晶相图

恒温LE?????C??N共晶反应式

2.2.2 合金的性能与相图的关系

1．合金的使用性能与相图的关系；2．合金的工艺性能与相图的关系 2.2.3 铸锭(件)的凝固

2.3 铁碳合金平衡态的相变基础

2.3.1 Fe—Fe3C相图 1．铁碳合金的相结构与性能 2．相图分析

3.相图中重要三条水平线

2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变；

2.4 钢在加热时的转变

2.4.1 钢在实际加热时的转变点 2.4.2 奥氏体的形成过程及影响因素

1．奥氏体的形成过程；2．奥氏体形成的影响因素

2.5 钢在冷却时的转变

钢在奥氏体化后的冷却过程决定了冷却后钢的组织类型和性能。 热处理时常用的冷却方式有两种：

一是等温冷却；二是连续冷却。

过冷奥氏体的转变可分为三种基本类型，即珠光体型转变(扩散型转变)、贝氏体型转变(过渡型或半扩散型转变)和马氏体型转变(无扩散型转变)。

2.5.1 过冷奥氏体等温转变图

C曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线，右边一条线为过冷奥氏体转变终了线。该曲线下部还有两条水平

线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线和转变结束温度Mf线。 1．含碳量的影响 2．合金元素的影响

3 奥氏体化温度和保温时间的影响 2.5.2 过冷奥氏体连续冷却转变图 2.5.3 过冷奥氏体的转变产物及性能

珠光体类型组织、贝氏体类型组织和马氏体类型

第三章 金属材料的塑性变形

3.1 单晶体和多晶体的塑性变形

3.1.1单晶体的塑性变形

单晶体的塑性变形有两种,即滑移和孪生。

滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分发生的滑动。

滑移是通过位错的运动来实现的。

孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变表现为各向同性特性 3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点

1.晶粒取向对塑性变形的影响2．晶界对塑性变形的影响

细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。表现为各向异性特性。大量的图标见讲稿。

3.2 金属的形变强化

3.2.1 形变强化现象

金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化，最明显的特点强度随塑性变形的增加而大为提高，其塑性却随之有较大的降低：这种现象称为“形变强化”，也称为加工硬化或冷作硬化。

3.2.2 塑性变形后金属的组织结构变化 3.2.3 塑性变形产生的残余应力

3.3 塑性变形金属在加热时组织和性能的变化

3.3.1 回复

加工硬化后的金属，在加热到一定温度后．原子获得热能，使原子得以恢复正常排列，消除了晶格扭曲．可使加工硬化得到部分消除。这一过程称为“回复”，这时的温度称为回复温度。 3.3.2 再结晶

当温度继续升高到该金属熔点热力学温度的0.4倍时，金属原子获得更多的热能，则开始以某些碎晶或杂质为核心结晶成新晶粒，从而消除了残余应力和加工硬化现象。这个过程称为再结晶，这时的温度称为最低再结晶温度

利用金属的形变强化可提高金属的强度，这是工业生产中强化金属材料的一种手段。在塑性加工生产中，加工硬化给金属继续进行塑性变形带来困难，应加以消除。常采用加热的方法使金属发生再结晶，从而再次获得良好塑性。 3.3.3 晶粒长大 3.3.4 冷变形和热变形

凡在金属的再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷加工；而在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热加工。热加工通常不会带来强化效果。

3.5 金属纤维组织及其应用

为了获得具有最好力学性能的零件，在设计和制造零件时，都应使零件在工作中产生的最大正应力方向与纤维方向一致，最大切应力方向与纤维方向垂直，并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量使纤维组织不被切断。

3.4 塑性加工性能及影响因素

3.4.1 塑性加工性能及其指标

塑性加工性能常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。 3.4.2 塑性加工性能的影响因素 1．金属的本质：2．加工条件：

第四章金属材料热处理

金属材料的热处理是金属材料在固态下，通过适当的方式进行加热、保温和冷却．改变材料内部组织结构，从而改善材料性能的一种工艺方法，也称之为金属材料的改性处理。

4.1 退火与正火

在机械零件或工具的加工制造过程中，退火与正火常作为预备热处理。 4.1.1 退火

退火是将钢加热到预定温度，保温一定时问后缓慢冷却(通常随炉冷却)，获得接近于平衡组织的热处理工艺。 1．完全退火 2.球化退火

3.扩散退火（均匀化退火） 4.去应力退火 4.1.2 正火

正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Accm(共析和过共析钢)

以上30—50 ℃ ，保温适当时间后在静止空气中冷却的热处理工艺。

4.2 钢的淬火

淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50度，经过保温后在冷却介质中迅速冷却的热处理工艺。

目的：淬火可以使钢件获得马氏体和贝氏体组织，以提高钢的力学性能。 淬火是强化钢件的最主要的而且是最常用的热处理方法。

亚共析钢的淬火加热温度为加热到Ac3以上30~50度。淬火后的组织为均匀细小的马氏体。过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上30~50度，淬火后的组织为均匀细小的马氏体和粒状二次渗碳体，有利于增加钢的硬度和耐磨性。

4.2.2 淬火冷却介质 4.2.3 淬火冷却方法 1．单介质淬火法 2．双介质淬火 3 马氏体分级淬火 4．贝氏体等温淬火 5．冷处理

4.3 钢的表面淬火

表面淬火方法是将淬火零件表层金属迅速加热至相变温度以上．而心部末被加热．然后迅速冷却，使零件表层获得马氏体而心部仍为原始组织的“外硬内韧”状态。 表面淬火法所用零件材料的含碳量:0.40％—0. 50％。 4.3.1 感应加热表面淬火

感应加热是将钢件置于通人交变电流的线圈中，由于电磁感应，钢件产生频率相同、方向相反的交变电流。由于集肤效应，集中在钢件表层的高密度电流．在具有较大电阻的钢件表层呈涡旋流动并产生热效应，将钢件表层迅速加热至淬火温度．而钢件中心电流几乎为零．温度变化很小，这时经喷水冷却．钢件表面快冷淬火，得到一定深度的马氏体层。低温回火。

4.3.2 火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火法是用乙炔—氧或其他可燃气体燃烧时形成的高温火焰将工件表面加热到相变温度以上，然后立即喷水淬火冷却的方法。

4.4 钢的回火

回火就是把经过淬火的零件重新加热到低于Ac1，的某一温度，适当保温后，冷却到室温的热处理工艺。 4.4.1 回火目的

4.4.2 回火组织转变及性能变化 1．钢在回火时的组织转变 2. 回火后的组织和性能

(1)回火马氏体(250 ℃以下)是由淬火马氏体分解的极细小的高度弥散的ε碳化物分布在针状的低过饱和固溶体基体上，并保持共格关系。 (2)回火托氏体(350~450 ℃)是由高度弥

散的渗碳体分布在铁索体基础上 (3)回火索氏体(500~650 ℃)是由较细的渗碳体颗粒分布在铁索体基体上。

硬度和强度随回火温度升高而下降．其塑性和韧性随回火温度升高而提高。其原因是由于回火温度的提高，产生马氏体分解．渗碳体析出和聚集长大，固溶强化消失，弥散强化减弱，内应力消除。

4.4.3 回火工艺及应用

1．低温回火2.中温回火3．高温回火 4.4.4 回火脆性

第一类回火脆性；第二类回火脆性

4.5钢的淬透性

钢的淬透性； 淬透层的深度； 钢的淬硬性

钢的淬透性的影响因素：影响钢的淬透性主要是钢的临界冷却速度 淬透性与选材的关系。

4.7 钢的化学热处理

化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进表面性能，满足技术要求的热处理工艺。

化学热处理基本过程：

①化学介质的分解即活性原子的产生；②活性原子被钢件表面吸收和溶解；③活性原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。 4.7.1 渗碳

将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。 注意和表面淬火的区别

1．渗碳方法；2．渗碳工艺参数

渗碳时主要工艺参数是加热温度和保温时间。加热温度高可以使渗碳速度加快，但温度过高会使钢件品粒粗大，渗碳温度一般在900～950度。而渗碳后零件表面含碳量最好在0.85％。～1．05％范围内。

渗碳后的组织 常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织（珠光体+碳化物）、共析组织（珠光体）、亚共析组织（珠光体+铁素体）的过渡区，直至心部的原始组织。 3.渗碳后的热处理

渗碳后的工件表面为过共析钢组织，其硬度和耐磨性满足不了零件要求，必须进行淬火和低温回火。

渗碳件在淬火后必须要进行低温回火，回火温度为150～200度，以减少应力和脆性。回火后零件表面组织为回火马氏体和渗碳体 4.7.2 渗氮

渗氮是在一定温度下(一般在Ac1，温度下)使活性氯原子渗人工件表面的化学热处理工艺

4.8热处理零件的结构工艺性及技术条件标注

第六章 金 属 材 料

6.1 工业用钢概述

6.1.1 钢中杂质

锰、硅、硫、磷在钢中的分布、对性能的影响。 6.1.2 钢的分类与编号 1．钢的分类：（10min）

1）.按化学成分分类 ；2）.按质量分类；3）按用途分类 2.钢的编号 （20min）

按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号： 1.普通碳素结构钢 Q253-A.F 2.优质碳素结构钢 45、40Mn 3.碳素工具钢 T8或T10A 4.铸造碳钢 3．合金钢的编号

1）.低合金结构钢 Q353-C 2）.合金结构钢 60Si2Mn 3）.合金工具钢 5CrMnMo 4）.特殊性能钢

6.2 合金元素在钢中的作用

6.2.1 合金元素对钢中基本相的影响（15min） 1．形成合金铁素体 2．形成碳化物

6.2.2 合金元素对铁碳相图的影响 （10min） 6.2.3 合金元素对热处理及性能的影响 （15min） 1．对钢在加热时奥氏体化的影响 2．对过冷奥氏体分解的影响 3．对回火转变的影响

6.3 结构钢

6.3.1 普通结构钢 （10min）

普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢 1．成分特点 2．热处理特点

普通结构钢使用时一般不进行热处理，大多数是在热轧状态下或热轧后正火状态下使用。其组织为铁素体和少量珠光体

普通碳素结构钢：一般工程用热轧钢板、钢带、型钢、棒钢等 低合金高强度结构钢：这类材料是用来制造桥梁、船舶、大型钢结构 6.3.2优质结构钢 （40min） 硫、磷含量均控制在0.035％以下 1．性能要求 2.成分特点 3.热处理特点

机器零件制造工艺流程一般为：下料 毛坯成形(通常为锻造) 预备热处理

粗加工 最终热处理 精加工 装配。

6.4 工具钢

6.4.1 性能要求 6.4.2 成分特点 6.4.3 锻造及热处理特点

6.5 特殊性能钢

特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢和耐磨钢等

6.5 特殊性能钢

特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢和耐磨钢等.

6.6 铸铁

6.6.1 铸铁的石墨化 （20min） 6.6.2 常用铸铁（50min） 1.铸铁的组织、分类与牌号

铸铁的性能除了与成分及基体组织有关外，更主要的是取决于石墨的形态(形状、大小、数量、分布等)，因此，工业铸铁一般根据石墨的形态来进行分类。 2.成分特点 3．铸铁性能特点 4．热处理特点 5．铸铁的应用

6.6.3 合金铸铁 （20min） 1．耐磨铸铁 2．耐热铸铁

3．耐蚀铸铁

6.7铝及其合金

6.7.1 纯铝 6.7.2 铝合金的分类

形变铝合金和铸造铝合金两大类

形变铝合金又可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻造铝合金。 铝硅铸造铝合金：又称为硅铝明

6.8铜及其合金

6.8.1 纯铜 6.8.2 黄铜

黄铜是以锌作为主要合金元素的铜合金．通常把铜锌二元合金称为普通黄铜，用“黄”字汉语拼音字首“H”表示，其后附以数字表示平均含铜量。 6.8.3 青铜

6.9 轴承合金

锡基轴承合金

6.10新型金属材料

形状记忆合金

第七章 铸造（金属液态成形）

7.1 砂型铸造（60min）

砂型铸造的工艺过程包括：混砂、造型和造芯、烘干、合箱、熔化与浇注、铸件的清理和检验等工序。

液态成形（铸造）的优点：

（1）适应性广，工艺灵活性大（材料、大小、形状几乎不受限制） （2）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等 （3）成本较低（铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近）

主要问题：组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低。

分类：铸造从造型方法来分，可分为砂型铸造和特种铸造两大类。 其中砂型铸造工艺如图7-1所示。

图7-1 砂型铸造工艺流程图

7.1.1 造型方法

造型是砂型铸造的重要工序，有手工造型和机器造型两类。 1.手工造型

手工造型特点：操作方便灵活、适应性强，模样生产准备时间短。但生产率低，劳动强度大，铸件质量不易保证。只适用于单件小批量生产。 各种常用手工造型方法的特点及其适用范围见下表：

表 常用手工造型方法的特点和应用范围

造型方法 主要特点 适用范围 铸型由上型和下型组成，造型、起模、修型等操作方便 按砂箱特征区分 铸型由上、中、下三部分组成，中型的高度须与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型费工，应尽量避免使用 在车间地坑内造型，用地坑代替下砂箱，只要一个上砂箱，可减少砂箱的投资。但造型费工，而且要求操作者的技术水平较高 适用于各种生产批量，各种大、中、小铸件 主要用于单件、小批量生产具有两个分型面的铸件 常用于砂箱数量不足，制造批量不大的大、中型铸件 铸型合型后，将砂箱脱出，重新用于造型。浇注前，须用型砂将脱箱后的砂型周围填紧，也可在砂型上加套箱 主要用在生产小铸件，砂箱尺寸较小 模样是整体的，多数情况下，型腔全部在下半型内，上半型无型腔。造型简单，铸件不会产生错型缺陷 适用于一端为最大截面，且为平面的铸件 模样是整体的，但铸件的分型面是曲面。为了起模方便，造型时用手工挖去阻碍起模的型砂。每造一件，就挖砂一次，费工、生产率用于单件或小批量生产分型面不是平面的铸件 低 为了克服挖砂造型的缺点，先将模样放在一个预先作好的假箱按模样特征区分 将模样沿最大截面处分为两半，型腔分别位于上、下两个半型内。造型简单，节省工时 常用于最大截面在中部的铸件 上，然后放在假箱上造下型，省去用于成批生产分型面不是平面的铸件 挖砂操作。操作简便，分型面整齐 铸件上有妨碍起模的小凸台、肋条等。制模时将此部分作成活块，在主体模样起出后，从侧面取出活块。造型费工，要求操作者的技术水平较高 主要用于单件、小批量生产带有突出部分、难以起模的铸件 用刮板代替模样造型。可大大降低模样成本，节约木材，缩短生产周期。但生产率低，要求操作者的技术水平较高 主要用于有等截面的或回转体的大、中型铸件的单件或小批量生产 2.机器造型：机器造型是指用机械设备实现紧砂和起模的造型方法。

机器造型特点：

大批量生产砂型的主要方法，能够显著提高劳动生产率，改善劳动条件，并提高铸件的

尺寸精度、表面质量，使加工余量减小。

1）. 基本原理 图7-2所示为顶杆起模式震压造型机的工作过程。

图7-2 震压造型机的工作过程 填砂→震击紧砂→辅助压实→起模

2）.工艺特点 机器造型工艺是采用模底板进行两箱造型。

模底板是将模样、浇注系统沿分型面与底板联结成一个整体的专用模具。造型后，底板形成分型面，模样形成铸型空腔。 3.造芯

用途：当制作空心铸件，或铸件的外壁内凹，或铸件具有影响起模的外凸时，经常要用到型芯，制作型芯的工艺过程称为造芯。型芯可用手工制造，也可用机器制造。形状复杂的型芯可分块制造，然后粘合成形。

注意：为了提高型芯的刚度和强度，需在型芯中放入芯骨；为了提高型芯的透气性，需在型芯的内部制作通气孔；为了提高型芯的强度和透气性，一般型芯需烘干使用。 7.1.2砂型铸造工艺

目的：为了获得健全的合格铸件，减小铸型制造的工作量，降低铸件成本，在砂型铸造的生产准备过程中，必须合理地制订出铸造工艺方案，并绘制出铸造工艺图。

铸造工艺图：在零件图中用各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形，其中包括：铸件的浇注位置；铸型分型面；型芯的数量、形状、固定方法及下芯次序；加工余量；起模斜度；收缩率；浇注系统；冒口；冷铁的尺寸和布置等。铸造工艺图是指导模样（芯盒）设计、生产准备、铸型制造和铸件检验的基本工艺文件。依据铸造工艺图，结合所选造型方法，便可绘制出模样图及合箱图。图7-3为支座的铸造工艺图、模样图及合箱图。

图7-3 支座的铸造工艺图、模样图及合型图 a)零件图 b)铸造工艺图（左）和模样图（右） c)合型图

（一）浇注位置的选择

浇注位置：浇注时铸件在铸型中所处的位置，选择原则如下： 1．铸件的重要加工面应朝下或位于侧面

图7-4所示为车床床身铸件的浇注位置方案。由于床身导轨面是重要表面，不允许有明显的表面缺陷，而且要求组织致密，因此应将导轨面朝下浇注。

图7-4车床床身的浇注位置 图7-5为起重机卷扬筒的浇注位置方案。采用立式浇注，由于全部圆周表面均处于侧立位置，其质量均匀一致、较易获得合格铸件。

图7-5卷扬筒的浇注位置 1． 铸件的大平面应朝下

型腔的上表面除了容易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷外，大平面还常容易产生夹砂缺陷。因此，对平板、圆盘类铸件的大平面应朝下。

2． 面积较大的薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置

可以有效防止铸件产生浇不足或冷隔等缺陷。图7-6为油盘铸件的合理浇注位置。

图7-6 薄壁件的浇注位置 3． 对于容易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放在分型面附近的上部或侧面

以便在铸件厚壁处直接安置冒口，使之实现自下而上的定向凝固。如前述之铸钢卷扬筒，浇注时厚端放在上部是合理的；反之，若厚端在下部，则难以补缩。

（二）铸型分型面的选择

铸型分型面的选择恰当与否会影响铸件质量，使制模、造型、造芯、合箱或清理等工序复杂化，甚至还可增大切削加工的工作量。

分型面的选择原则：

1．便于起模，使造型工艺简化 尽量使分型面平直、数量少，避免不必要的活块和型芯。

图7-7为一起重臂铸件，按图中所示的分型面为一平面，故可采用较简便的分模造型；

一般大量生产的定型产品、特殊重要的单件生产的铸件，铸造工艺设计订得细致，内容涉及较多。单件、小批生产的一般性产品，铸造工艺设计内容可以简化。在最简单的情况下，只须绘制一张铸造工艺图即可。

铸造工艺设计的内容和一般程序见表。

表 铸造工艺设计的内容和一般程序

项目 内容 用途及应用范围 设计程序 ①产品零件的技术条件和结构工艺性分析 在零件图上用规定铸 造 工 艺 图 的红、兰等各色符号表示出：浇注位置和分型面，加工余量，收缩率，起模斜度，反变形量，浇、冒口系统，内外冷铁，铸肋，砂芯形状、数量及芯头大小等 是制造模样、模底板、芯盒等工装以及进行生产准备和验收的依据 ④选用工艺参数 适用于各种批量的生产 ⑤设计浇冒口、冷铁和铸肋 ⑥型芯设计 铸 件 图 铸 型 装 配 把经过铸造工艺设计后，改变了零件形状、尺寸的地方都反映在铸件图上 表示出浇注位置，型芯数量、固定和下芯顺序，浇冒口和冷铁布置，砂箱结构和尺寸大适用于成批、大量生产的重要件，单件的重型铸件 是生产管理的重要依据 根据批量大小填写必要条件 ⑨综合整个设计内容 是铸件验收和机加工夹具设计的依据。适用于成批、大量生产或重要铸件的生产 是生产准备、合箱、检验、工艺调整的依据 ⑧通常在完成砂箱设计后画出 ⑦在完成铸造工艺图的基础上，画出铸件图 ③确定浇注位置和分型面 ②选择铸造及造型方法 图 小等 铸造工艺说明造型、造芯、浇注、打箱、清理等工卡片 艺操作过程及要求 （五）实例分析

以C6140车床进给箱体为例分析毛坯的铸造工艺方案如下：

C6140车床进给箱体，该件质量约35Kg，如图1-31所示，该零件没有特殊质量要求的表面，仅要求尽量保证基准面D不得有明显铸造缺陷，以便进行定位。它的材料为铸造性能优良的灰铸铁（HT150），勿需考虑补缩。在制订铸造工艺方案时，主要应着眼于工艺上的简化。

图7-15 车床进给箱体零件图 1. 分型面 进给箱体的分型面，有如图1-32所示的三个方案供选择：

方案I：分型面在轴孔的中心线上。此时，凸台A因距分型面较近，又处于上型，若采用活块，型砂易脱落，故只能用型芯来形成，槽C可用型芯或活块制出。本方案的主要优点是适于铸出轴孔，铸后轴孔的飞边少，便于清理。同时，下芯头尺寸较大，型芯稳定性好，不容易产生偏芯。其主要缺点是基准面D朝上，使该面较易产生气孔和夹渣等缺陷，且型芯的数量较多。

方案II：从基准面D分型，铸件绝大部分位于下型。此时，凸台A不妨碍起模，但凸台E和槽C妨碍起模，也需采用活块或型芯来克服。它的缺点除基准面朝上外，其轴孔难以直接铸出。轴孔若拟铸出，因无法制出型芯头，必须加大型芯与型壁的间隙，致使飞边清理困难。

方案III：从B面分型，铸件全部置于下型。其优点是铸件不会产生错型缺陷；基准面朝下，其质量容易保证；同时，铸件最薄处在铸型下部，金属液易于充满铸型。缺点是凸台E、A和槽C都需采用活块或型芯，而内腔型芯上大下小稳定性差；若拟铸出轴孔，其缺点与方案II相同。

图7-16 车床进给箱体分型面的选择方案 上述诸方案各有其优缺点，需结合具体生产条件，找出最佳方案。

大批量生产条件下，为减少切削加工工作量，九个轴孔需要铸出。此时，为了使下芯、合箱及铸件的清理简便，只能按照方案I从轴孔中心线处分型。为了便于采用机器造型、尽量避免活块，故凸台和凹槽均应用型芯来形成。为了克服基准面朝上的缺点，必须加大D面的加工余量。

单件、小批量生产条件下，因采用手工造型，使用活块造型较型芯更为方便。同时，因铸件的尺寸允许偏差较大，九个轴孔不必铸出，留待直接切削加工而成。此外，应尽量降低上型高度，以便利用现有砂箱。显然，在单件生产条件下，宜采用方案II或方案III。

2. 铸造工艺图 分型面确定后，便可绘制出铸造工艺简图，采用分型方案I时的铸造工艺图如图7-17所示。

图7-17 车床进给箱体铸造工艺图（局部） 7.2 特种铸造（40min）

7.2.1 熔模铸造

熔模铸造又名“失蜡铸造”，是用易熔的蜡质材料制作模型，用造型材料将其包覆若干层后形成型壳，再将其中蜡模熔化到出，烘干后浇入金属液而获得铸件的方法。

图7-18 熔模铸造示意图

（一）熔模铸造的工艺过程

1．制造蜡模 蜡模材料常用50%石蜡和50%硬脂酸配制而成。如图1-34a所示。为提高生产率，常把数个蜡模熔焊在蜡棒上，成为蜡模组，如图1-34b所示。

2．制造型壳 在蜡模组表面浸挂一层以水玻璃和石英粉配制的涂料，然后在上面撒一层较细的硅砂，并放入固化剂（如氯化铵水溶液等）中硬化。使蜡模组外面形成由多层耐火材料组成的坚硬型壳（一般为4~10层），型壳的总厚度为5~7mm，如图1-34c所示。

3．熔化蜡模（脱蜡） 通常将带有蜡模组的型壳放在80~90℃的热水中，使蜡料熔化后从浇注系统中流出。

4．型壳的焙烧 把脱蜡后的型壳放入加热炉中，加热到800~950℃，保温0.5~2h，烧去型壳内的残蜡和水分，并使型壳强度进一步提高。

5．浇注 将型壳从焙烧炉中取出后，周围堆放干砂，加固型壳，然后趁热（600~700℃）浇入合金液，并凝固冷却。

6．脱壳和清理 用人工或机械方法去掉型壳、切除浇冒口，清理后即得铸件。 熔模铸造的特点是：

（1）铸件精度高、表面质量好，是少、无切削加工工艺的重要方法之一，其尺寸精度可达IT11~IT14，表面粗糙度为Ra12.5~1.6μm。如熔模铸造的涡轮发动机叶片，铸件精度已达到无加工余量的要求。

（2）可制造形状复杂铸件，其最小壁厚可达0.3mm，最小铸出孔径为0.5mm。对由几个零件组合成的复杂部件，可用熔模铸造一次铸出。

（3）铸造合金种类不受限制，用于高熔点和难切削合金，更具显著的优越性。 （4）生产批量基本不受限制，既可成批、大批量生产，又可单件、小批量生产。 缺点：工序繁杂，生产周期长，原辅材料费用比砂型铸造高，生产成本较高，铸件不宜太大、太长，一般限于25kg以下。

产品：生产汽轮机及燃气轮机的叶片，泵的叶轮，切削刀具，以及飞机、汽车、拖拉机、风动工具和机床上的小型零件。 7.3.2金属型铸造

金属型铸造是将金属液浇注到金属铸型中获得铸件的方法铸造（金属液态成形）：将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的方法。

1、金属型的结构与材料

根据分型面位置的不同，金属型可分为垂直分型式、水平分型式和复合分型式三种结构，其中垂直分型式金属型开设浇注系统和取出铸件比较方便，易实现机械化，应用较广，如图7-19所示。

图7-19 垂直分型式金属型 图7-20所示为铸造铝合金活塞用的垂直分型式金属型，它由两个半型组成。上面的大金属芯由三部分组成，便于从铸件中取出。当铸件冷却后，首先取出中间的楔片及两个小金属芯，然后将两个半金属芯沿水平方向向中心靠拢，再向上拔出。

制造金属型的材料熔点一般应高于浇注合金的熔点。如浇注锡、锌、镁等低熔点合金，可用灰铸铁制造金属型；浇注铝、铜等合金，则要用合金铸铁或钢制金属型。金属型用的芯

子有砂芯和金属芯两种。

图7-20 铝合金活塞的金属型简图 2、金属型的铸造工艺措施

由于金属型导热速度快，没有退让性和透气性，为了确保获得优质铸件和延长金属型的使用寿命，必须采取下列工艺措施： （1）加强金属型的排气 （2）表面喷刷防粘砂涂料 （3）预热金属型 （4）开 型

因金属型无退让性，除在浇注时正确选定浇注温度和浇注速度外，浇注后，如果铸件在铸型中停留时间过长，易引起过大的铸造应力而导致铸件开裂。因此，铸件冷凝后，应及时从铸型中取出。通常铸铁件出型温度为780~950℃左右，开型时间为10~60s。 3、金属型铸件的结构工艺性

（1）铸件结构一定要保证能顺利出型，铸件结构斜度应较砂型铸件为大。

（2）铸件壁厚要均匀，壁厚不能过薄（Al-Si合金2~4mm，Al-Mg合金为3~5mm）。 （3）铸孔的孔径不能过小、过深，以便于金属型芯的按放和抽出， 4、金属型铸造的特点及应用范围 金属型铸造的特点是：

（1）尺寸精度高（IT12~IT16）、表面粗糙度小（Ra12.5~6.3μm），机械加工余量小。 （2）铸件的晶粒较细，力学性能好。

（3）可实现一型多铸，提高了劳动生产率，且节约造型材料。

但金属型的制造成本高，不宜生产大型、形状复杂和薄壁铸件；由于冷却速度快，铸铁件表面易产生白口，切削加工困难；受金属型材料熔点的限制，熔点高的合金不适宜用金属型铸造。

用途：铜合金、铝合金等铸件的大批量生产，如活塞、连杆、汽缸盖等；铸铁件的金属型铸造目前也有所发展，但其尺寸限制在300mm以内，质量不超过8kg，如电熨斗底板等。

7.2.3 低压铸造

一、比压30~70MPa，充型时间0.01~0.2sec。 （一）压铸机和压铸工艺过程

压铸机分类：根据压室工作条件不同，分为冷压室压铸机和热压室压铸机两类。热压室压铸机的压室与坩埚连成一体，而冷压室压铸机的压室是与坩埚分开的。冷压室压铸机又可分为立式和卧式两种，目前以卧式冷压室压铸机应用较多，其工作原理如图7-21所示。

压铸铸型：定型、动型，将定量金属液浇入压室，柱塞向前推进，金属液经浇道压入

压铸模型腔中，经冷凝后开型，由推杆将铸件推出。冷压室压铸机，可用于压铸熔点较高的非铁金属，如铜、铝和镁合金等。

图7-21 卧式冷压室压铸机工作原理 （二）压铸件的结构工艺性

1．压铸件上应消除内侧凹，以保证压铸件从压型中顺利取出。 2．压力铸造可铸出细小的螺纹、孔、齿和文字等，但有一定的限制。

3．应尽可能采用薄壁并保证壁厚均匀。由于压铸工艺的特点，金属浇注和冷却速度都很快，厚壁处不易得到补缩而形成缩孔、缩松。压铸件适宜的壁厚：锌合金为1~4mm，铝合金为1.5~5mm，铜合金为2~5mm。

4．对于复杂而无法取芯的铸件或局部有特殊性能（如耐磨、导电、导磁和绝缘等）要求的铸件，可采用嵌铸法，把镶嵌件先放在压型内，然后和压铸件铸合在一起。 （三）压力铸造的特点及其应用 压铸有如下特点：

（1）压铸件尺寸精度高，表面质量好，尺寸公差等级为IT11~IT13，表面粗糙度Ra值为6.3~1.6μm，可不经机械加工直接使用，而且互换性好。

（2）可以压铸壁薄、形状复杂以及具有很小孔和螺纹的铸件，如锌合金的压铸件最小壁厚可达0.8mm，最小铸出孔径可达0.8mm、最小可铸螺距达0.75mm。还能压铸镶嵌件。

（3）压铸件的强度和表面硬度较高。压力下结晶，加上冷却速度快，铸件表层晶粒细密，其抗拉强度比砂型铸件高25%~40%。

（4）生产率高，可实现半自动化及自动化生产。

不足：气体难以排出，压铸件易产生皮下气孔，压铸件不能进行热处理，也不宜在高温

下工作；金属液凝固快，厚壁处来不及补缩，易产生缩孔和缩松；设备投资大，铸型制造周期长、造价高，不宜小批量生产。

应用：生产锌合金、铝合金、镁合金和铜合金等铸件；汽车、拖拉机制造业、仪表和电子仪器工业、在农业机械、国防工业、计算机、医疗器械等制造业等。 二、低压铸造（0.02~0.06MPa）

（一）低压铸造的工艺过程 低压铸造装置如图7-22a所示。

缓慢地向坩埚炉内通入干燥的压缩空气，金属液受气体压力的作用，由下而上沿着升液管和浇注系统充满型腔，如图7-22b所示。开启铸型，取出铸件，如图7-22c所示。

图7-22 低压铸造示意图 （二）低压铸造的特点及应用 特点：

（1）浇注时的压力和速度可以调节，故可适用于各种不同铸型（如金属型、砂型等），铸造各种合金及各种大小的铸件。

（2）采用底注式充型，金属液充型平稳，无飞溅现象，可避免卷入气体及对型壁和型芯的冲刷，提高了铸件的合格率。

（3）铸件在压力下结晶，铸件组织致密、轮廓清晰、表面光洁，力学性能较高，对于大薄壁件的铸造尤为有利。

（4）省去补缩冒口，金属利用率提高到90～98%。

（5）劳动强度低，劳动条件好，设备简易，易实现机械化和自动化。 应用：汽车发动机缸体、缸盖、活塞、叶轮等。 7.3 金属或合金的铸造性能 一、金属或合金的流动性及充型

液态合金充满型腔是获得形状完整、轮廓清晰合格铸件的保证，铸件的很多缺陷都是在此阶段形成的。

（一）金属或合金的流动性

1. 流动性 液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性。

流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。

流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩。 螺旋形流动性试样衡量合金流动性，如图7-23所示。在常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。常用合金的流动性数值见下表。

图7-23 螺旋型试样 表 常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）

合金种类 铸铁 wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% wC+Si=5.2% wC+Si=4.2% 铸钢 wC=0.4% 铸型种类 砂型 砂型 砂型 砂型 砂型 砂型 浇注温度/℃ 螺旋线长度/㎜ 1300 1800 1300 1300 1300 1600 1640 1300 1000 600 100 200 铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含Al和Zn） 锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） 硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%） 金属型（300℃） 砂型 砂型 砂型 680~720 700 1040 1100 700~800 400~600 420 1000 2. 影响合金流动性的因素

（1） 化学成份 纯金属和共晶成分的合金，由于是在恒温下进行结晶，液态合金从表层逐渐向中心凝固，固液界面比较光滑，对液态合金的流动阻力较小，同时，共晶成分合金的凝固温度最低，可获得较大的过热度，推迟了合金的凝固，故流动性最好；其它成分的合金是在一定温度范围内结晶的，由于初生树枝状晶体与液体金属两相共存，粗糙的固液界面使合金的流动阻力加大，合金的流动性大大下降，合金的结晶温度区间越宽，流动性越差。

Fe-C合金的流动性与含碳量之间的关系如图7-24所示。由图可见，亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶温度区间减小，流动性逐渐提高，愈接近共晶成分，合金的流动性愈好。

图7-24 Fe-C合金的流动性与含碳量的关系 （2） 铸型及浇注条件 铸型的结构越复杂、导热性越好，合金的流动性就越差。提高合金的浇注温度和浇注速度，以及增大静压头的高度会使合金的流动性增加。浇注温度：铸钢1520~1620℃；铸铁1230~1450℃；铝合金680~780℃。

（二）影响熔融合金充型的条件

铸型的温度低、热容量大，充型能力下降；铸型的发气量大、排气能力较低时，会使合金的充型能力下降；浇注系统和铸件的结构越复杂，合金在充型时的阻力越大，充型能力下降；提高浇注速度、浇注温度和增加直浇道的高度会使合金的充型能力提高。

二、液态合金的收缩 （一）收缩的概念

液态合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象称为合金的收缩。收缩能使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形和内应力等缺陷。

合金的收缩经历如下三个阶段，如图7-25所示。

（1） 液态收缩：从浇注温度（T浇）到凝固开始温度（即液相线温度Tl）间的收缩。 （2） 凝固收缩：从凝固开始温度（Tl）到凝固终止温度（即固相线温度Ts）间的收缩。 （3） 固态收缩：从凝固终止温度（Ts）到室温间的收缩。 合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。

图7-25 合金收缩的三个阶段

体收缩率：因为合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，故常用单位体积收缩量来表示。

线收缩率：合金的固态收缩不仅引起体积上的缩减，同时还使铸件在尺寸上减小，因此常用单位长度上的收缩量来表示。

常用合金中，铸钢的收缩率最大，灰铸铁最小。几种铁碳合金的体积收缩率见表 。常用铸造合金的线收缩率见表 。

表 几种铁碳合金的体积收缩率

含碳量 浇注温度 液态收缩 凝固收缩 固态收缩 总体积收缩 （%） /℃ 1610 1400 1400 （%） 1.6 2.4 3.5 （%） 3.0 4.2 0.1 （%） 7.86 5.4~6.3 3.3~4.2 （%） 12.46 12~12.9 6.9~7.8 合金种类 碳素铸钢 0.35 白口铸铁 灰 铸 铁 3.0 3.5 表 常用铸造合金的线收缩率

合金种类 灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 碳素铸钢 铝合金 铜合金 0.8~1.3 1.38~2.0 0.8~1.6 1.2~1.4 线收缩率（%） 0.8~1.0 1.2~2.0 化学成分不同，其收缩率也略有差别。例如，碳素铸钢随含碳量的增加，其结晶温度范围变宽，凝固收缩率增大。

几种铸造碳钢的凝固收缩率见表 。

表1-4 铸造碳钢的凝固收缩率

含碳量（%） 0.10 0.25 0.35 0.45 0.70 凝固收缩率（%） 2.0 2.5 3.0 4.3 5.3

（二）铸件的缩孔和缩松

1． 缩孔和缩松的形成

若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。

缩孔：集中在铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔洞。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙。

缩松：分散在铸件某些区域内的细小缩孔。

（1）缩孔的形成 主要出现在金属在恒温或很窄温度范围内结晶，铸件壁呈逐层凝固方式的条件下。如图7-26所示。

图7-26 缩孔形成过程示意图 合金的液态收缩和凝固收缩越大，浇注温度越高，铸件的壁越厚，缩孔的容积就越大。 （2）缩松的形成 主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大的铸件壁中，是被树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致。缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方，如图7-26所示。

2．缩孔和缩松的防止

防止缩孔：使铸件实现“顺序凝固”。

顺序凝固：在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位最先凝固（图1-8I），尔后是靠近冒口的部位凝固（图7-27 Ⅱ、Ⅲ），冒口本身最后凝固。按照这样的凝固顺序，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的金属液来补充；后凝固部位的收缩，由冒口中的金属液来补充从而将缩孔转移到冒口之中。

图7-27 顺序凝固示意图 冷铁：为了实现定向凝固，在安放冒口的同时，在铸件上某些厚大部位增设的金属材料，如图7-28所示。

图7-28 冷铁的应用 热节：画“凝固等温线法”和“内切圆法”，近似找出缩孔的部位，如图7-29所示。计

算机凝固数值模拟技术，可以帮助预测缩孔或缩松产生的位置。

图7-29 缩孔位置的确定 （三）铸造应力

铸造内应力有热应力和机械应力两类，它们是铸件产生变形和裂纹的基本原因。 1．热应力的形成 由于铸件各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸件各部分收缩不一致而引起。

图7-30为框形铸件热应力的形成过程。

图7-30 热应力的形成 +表示拉应力 -表示压应力 热应力形成规律：铸件的厚壁或心部受拉应力，薄壁或表层受压应力。

2．机械应力的形成 机械应力是合金的线收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力，如图7-31所示。

机械应力使铸件产生拉伸或剪切应力，是暂时存在的，在铸件落砂之后，这种内应力便可自行消除。

图7-31 机械应力 3．减小应力的措施 在铸造工艺上采取“同时凝固原则”，尽量减小铸件各部位间的温度差，使铸件各部位同时冷却凝固。

将铸件加热到550~650℃之间保温，进行去应力退火可消除残余内应力。 （四）铸件的变形

翘曲变形：厚薄不均匀、截面不对称及细长的杆类、板类及轮类铸件，当铸造应力超过铸件材料的屈服极限时产生。如图7-32所示的框架型铸件和图7-34所示的T型梁铸钢件。

图7-32 框架铸件变形示意图

图7-33 T型梁铸钢件变形示意图 反变形法：有效地防止变形的产生，如图1-15所示。

图7-34 箱体件反变形量方向 （五）铸件的裂纹

当铸造内应力超过金属材料的抗拉强度时，铸件便产生裂纹，根据产生温度的不同，裂纹可分为热裂和冷裂两种。

1. 热裂 高温下的金属强度很低，如果金属的线收缩受到铸型或型芯的阻碍，机械应力超过该温度下金属的强度，便产生热裂。

特征：热裂纹尺寸较短、缝隙较宽、形状曲折、缝内呈严重的氧化色。 影响热裂因素：

（1）合金性质（合金的结晶特点和化学成分） （2）铸型阻力（铸型、型芯的退让性）

防止热裂的方法：合理的铸件结构；型砂和芯砂的退让性；严格限制钢和铸铁中硫的含量等。特别是后者，因为硫能增加钢和铸铁的热脆性，使合金的高温强度降低。 2. 冷裂 低温形成的裂纹为冷裂。

冷裂纹特征：表面光滑，具有金属光泽或呈微氧化色，贯穿整个晶粒，常呈圆滑曲线或直线状。脆性大、塑性差的合金，如白口铸铁、高碳钢及某些合金钢，最易产生冷裂纹，大型复杂铸铁件也易产生冷裂纹。冷裂往往出现在铸件受拉应力的部位，特别是应力集中的部位。

防止冷裂的方法：减小铸造内应力和降低合金的脆性。如铸件壁厚要均匀；增加型砂和芯砂的退让性；降低钢和铸铁中的磷含量，因为磷能显著降低合金的冲击韧度，使钢产生冷脆。如铸钢的磷含量大于0.1%、铸铁的磷含量大于0.5%时，因冲击韧度急剧下降，冷裂

倾向明显增加。

7.4 铸件结构工艺性

7.4.1 铸件工艺对铸件结构的要求 外形、内腔、斜度

1．对铸件外形的要求：(1)避免铸件外形侧凹；(2)铸件外形应去掉不必要的外圆角，使分型面为 平面。(3)设计铸件上的凸台和筋条时，应考虑方便造型；4)铸件的外形应尽可能使铸件的分型面数目最少。

2．对铸件内腔的要求：(1)铸件的内腔尽可能不用或少用型芯，使工艺简化。

(2)当铸件内腔较复杂，需用型芯时，应考虑型芯是否稳固，排气和清理是否方便

(3)若一些铸件的内腔结构不利于型芯的稳定、排气和清理时，应考虑增设工艺孔。 3．结构斜度

结构斜度是指在铸件所有垂直于分型面的非加工面上设计的斜度

7.4.2 金属或合金的铸造性能对铸件结构的要求（50min）

考虑到铸件所用金属或合金的铸造性能的好坏，否则铸件会出现浇不足、冷隔、缩孔、缩松、变形和裂纹等缺陷

1．合理设计铸件壁；2．铸件壁与壁连接；3．与合金铸造性能相关的问题

合金铸造性能与铸件结构之间的关系

对铸件结构的要求 不好的铸件结构 较好的铸件结构 铸件的壁厚应尽可能均匀，否则易在厚壁处产生缩孔、缩松、内应力和裂纹 铸件内表面及外表面转角的连接处应为圆角，以免产生裂纹、缩孔、粘砂和掉砂缺陷。铸件内圆角半径R的尺寸见表1-12 铸件上部大的水平面（按浇注位置）最好设计成倾斜面，以免产生气孔、夹砂和积聚非金属夹杂物 为了防止裂纹，应尽可能采用能够自由收缩或减缓收缩受阻的结构，如轮辐设计成弯曲形状 在铸件的连接或转弯处，应尽量避免金属的积聚和内应力的产生，厚壁与薄壁相连接要逐步过渡，并不能采用锐角连接，以防止出现缩孔、缩松和裂纹。几种壁厚的过渡形式及尺寸见表1-13

对细长件或大而薄的平板件，为防止弯曲变形，应采用对称或加肋的结构。灰铸铁件壁及肋厚参考值见表1-14 表 铸件的内圆角半径R值 （mm）

（a+b）/2 铸R铁 ＜8~ 12~16 16~20 20~27 27~35 35~45 45~60 8 12 4 6 6 8 10 12 16 20 值 铸钢 6 6 8 10 12 16 20 25 表 几种壁厚的过度形式及尺寸

图 例 尺 寸 铸铁 b≤2a 铸钢 铸铁 b＞2a 铸钢 R≥(1/6~1/3)(a+b)/2 R≈(a+b)/4 L＞4(b-a) L＞5(b-a) b＞2a R≥(1/6~1/3)(a+b)/2；R1≥R+(a+b)/2 C≈3(b-a)1/2，h≥（4~5）C 表 灰铸铁件壁及肋厚参考值

铸件质量/㎏ 5 6~10 11~60 61~100 101~500 501~800 801~1200 铸件最大尺/㎜ 外壁厚度/㎜ 300 500 750 1250 1700 2500 3000 7 8 10 12 14 16 18 内壁厚度/㎜ 6 7 8 10 12 14 16 肋的厚度/㎜ 5 5 6 8 8 10 12 零件举例 盖、拨叉、轴套、端盖 挡板、支架、箱体、闷盖 箱体、电动机支架、溜板箱、托架 箱体、液压缸体、溜板箱 油盘、带轮、镗模架 箱体、床身、盖、滑座 小立柱、床身、箱体、油盘 （三）砂型铸造铸件最小壁厚的设计

最小壁厚：每种铸造合金都有其适宜的壁厚，不同铸造合金所能浇注出铸件的“最小壁厚”也不相同，主要取决于合金的种类和铸件的大小，见表 。

表 砂型铸造铸件最小壁厚的设计 mm

铸件尺寸 ＜200×200 200×200~500×500 ＞500×500 铸钢 5~8 10~12 15~20 灰铸铁 3~5 4~10 10~15 球墨铸铁 可锻铸铁 铝合金 4~6 8~12 12~20 3~5 6~8 — 3~3.5 4~6 — 铜合金 3~5 6~8 — 7.5 常用合金铸件的制造

常用合金：铸铁、铸钢和非铁合金中的铝、铜合金，本节主要介绍这几种合金的性能、生产特点、应用以及如何选择铸造方法等。 一、 铸铁件的生产

铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金，铸造合金中应用最广。在实际应用中，铸铁是以铁、碳和硅为主要元素的多元合金。铸铁的常用成分范围见表1-16。

表1-16 铸铁的常用成分范围

组 元 wC wSi wMn wP wS wFe 成分（%） 2.4~4.0 0.6~3.0 0.4~1.2 ≤0.3 ≤0.15 其余 分类：根据碳的存在形式的不同，铸铁可分为：白口铸铁、灰铸铁和麻口铸铁；根据铸铁中石墨形态的不同，灰铸铁又可分为：普通灰铸铁（简称灰铸铁）、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁；根据铸铁化学成分的不同，还可将铸铁分为：普通铸铁和合金铸铁。

（一）灰铸铁

1．灰铸铁的显微组织和性能特点 金属基体（F、F+P、P）与片状石墨（G）所组成，如图7-35所示。

图7-35 灰铸铁的显微组织 a）铁素体灰铸铁b）铁素体+珠光体灰铸铁c）珠光体灰铸铁 性能特征：灰铸铁的抗拉强度和弹性模量均比钢低得多，通常ζb

约为120~250MPa，

抗压强度与钢接近，一般可达600~800MPa，塑性和韧度近于零，属于脆性材料，不能锻造和冲压；焊接时产生裂纹的倾向大，焊接区常出现白口组织，焊后难以切削加工，焊接性差；灰铸铁的铸造性能优良，铸件产生缺陷的倾向小；由于石墨的存在切削加工性能好，切削加工时呈崩碎切屑，通常不需加切削液；灰铸铁的减振能力为钢的5~10倍，是制造机床床身、机座的主要材料；灰铸铁的耐磨性好，适于制造润滑状态下工作的导轨、衬套和活塞环等。

影响性能的因素：基体组织和石墨的分布。珠光体越多，石墨分布越细小均匀，强度、硬度也越高，耐磨性越好。要想控制铸铁的组织和性能，必须控制铸铁的石墨化程度。

铸铁石墨化：主要影响因素是化学成分和冷却速度。

（1）化学成分 灰铸铁除含碳元素外，还有硅、锰、硫和磷等元素，它们对铸铁石墨化的影响如下：

碳和硅 碳和硅是铸铁中最主要的元素，对铸铁的组织和性能起着决定性的影响。 碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的元素。含碳量愈高，析出的石墨就愈多、愈粗大，而基体中的铁素体含量增多，珠光体减少；反之，石墨减少且细化。

硅是强烈促进石墨化的元素。实践证明，若铸铁中含硅量过少，即使含碳量很高，石墨也难以形成。硅除能促进石墨化外，还可改善铸造性能，如提高铸铁的流动性、降低铸件的收缩率等。

锰和硫 锰和硫在铸铁中是密切相关的。

硫严重阻碍石墨化的元素。含硫量高时，铸铁有形成白口的倾向。硫在铸铁晶界上形成低熔点（985℃）的共晶体（FeS+Fe），使铸铁具有热脆性。此外，硫还使铸铁铸造性变坏（如降低铁液流动性、增大铸件收缩率等），通常限制在0.1%~0.15%以下，高强度铸铁则应更低。

锰能抵消硫的有害作用，故属于有益元素。因锰与硫的亲和力大，在铁液中会发生如下反应：

Mn+S=MnS

Mn+FeS=Fe+MnS

MnS的熔点约为1600℃，高于铁液温度，因它的比重较小，故上浮进入熔渣而被排出炉外，而残存于铸铁中的少量MnS呈颗粒状，对力学性能的影响很小。

铸铁中的锰除与硫发生作用外，其余还可溶入铁素体和渗碳体中，提高了基体的强度和硬度；但过多的锰则起阻碍石墨化的作用。铸铁中锰的含量一般为0.6%~1.2%。

磷 磷的影响不显著，可降低铁液的粘度而提高铸铁的流动性。当铸铁中磷的含量超过0.3%时，则形成以Fe3P为主的共晶体，这种共晶体的熔点较低、硬度高（390~520HB），形成了分布在晶界处的硬质点，因而提高了铸铁的耐磨性。因磷共晶体呈网状分布，故含磷过高会增加铸铁的冷脆倾向。因此，对一般灰铸铁件来说，一般应限制在0.5%以下，高强度铸铁则应限制在0.2%~0.3%以下，只是某些薄壁件或耐磨件中的磷的含量可提高到0.5%~0.7%。

（2）冷却速度 相同化学成分的铸铁，若冷却速度不同，其组织和性能也不同。从图7-36所示的三角形试样的断口处可以看出，冷却速度很快的下部尖端处呈银白色，属于白口组织；其心部晶粒较为粗大，属于灰口组织；在灰口和白口交界处属麻口组织。这是由于缓慢冷却时，石墨得以顺利析出；反之，石墨的析出受到了抑制。为了确保铸件的组织和性能，必须考虑冷却速度对铸铁组织和性能的影响。铸件的冷却速度主要取决于铸型材料的导热性和铸件的壁厚。

图7-36 冷却速度对铸铁组织的影响 利用激冷：在同一铸件的不同部位采用不同的铸型材料，使铸件各部分的组织和性能不同。如冷硬铸造轧辊、车轮时，就是采用局部金属型（其余用砂型）以激冷铸件上的耐磨表面，使其产生耐磨的白口组织。

壁厚的影响：在铸型材料相同的条件下，壁厚不同的铸件因冷却速度的差异，铸铁的组织和性能也随之而变，因此，必须按照铸件的壁厚选定铸铁的化学成分和牌号。

2．灰铸铁的用途 根据牌号的不同而选用：低负荷和不重要的零件，如防护罩、小手柄、盖板和重锤等；承受中等负荷的零件，如机座、支架、箱体、带轮、轴承座、法兰、泵体、阀体、管路、飞轮和电动机座等；承受较大负荷的重要零件，如机座、床身、齿轮、汽缸、飞轮、齿轮箱、中等压力阀体、汽缸体和汽缸套等；承受高负荷、要求耐磨和高气密性的重要零件，如重型机床床身、压力机床身、高压液压件、活塞环、齿轮和凸轮等。

3．灰铸铁的孕育处理 向铁液中冲入硅铁合金孕育剂，然后进行浇注的处理方法。用这种方法制成的铸铁称为孕育铸铁。由于铁液中均匀地悬浮着外来弥散质点，增加了石墨的结晶核心，使石墨化作用骤然提高，因此石墨细小且分布均匀，并获得珠光体基体组织，使孕育铸铁的强度、硬度比普通灰铸铁显著提高，含碳量愈少、石墨愈细小，铸铁的强度、硬度愈高。

孕育铸铁的另一优点是冷却速度对其组织和性能的影响甚小，因此铸件上厚大截面的性能较为均匀，如图7-37所示。

图7-37 孕育处理对大截面（300×300）铸件硬度的影响 1-孕育铸铁 2-普通灰铸铁 孕育铸铁的用途：静载荷下要求较高强度、高耐磨性或高气密性铸件以及厚大铸件。

制造工艺：须熔炼出碳、硅含量均低的原始铁液（wC=2.7%~3.3%、wSi=1%~2%）。孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁液质量的0.25%~0.60%。孕育处理时，应将硅铁均匀地加入到出铁槽中，由出炉的铁液将其冲入浇包中。由于孕育处理过程中铁液温度要降低，故出炉的铁液温度必须高达1400~1450℃。

4．灰铸铁的生产特点 主要在冲天炉内熔化，一些高质量的灰铸铁可用电炉熔炼。灰铸铁的铸造性能优良，铸造工艺简单，便于制造出薄而复杂的铸件，生产中多采用同时凝固原则，铸型不需要加补缩冒口和冷铁，只有高牌号铸铁采用定向凝固原则。

灰铸铁件主要用砂型铸造，浇注温度较低，因而对型砂的要求也较低，中小件大多采用经济简便的湿型铸造。灰铸铁件一般不需要进行热处理，或仅需时效处理即可。

（二）球墨铸铁

1．球墨铸铁的组织和性能特点 随着化学成分、冷却速度和热处理方法的不同，球墨铸铁可得到不同的基体组织（F、F+P、P），如图7-38所示。

图7-38 球墨铸铁的显微组织 a）铁素体球墨铸铁 b）铁素体+珠光体球墨铸铁 c）珠光体球墨铸铁 球墨铸铁的石墨呈球状，它对基体的割裂作用减至最低限度，基体强度的利用率可达70%~90%，因此球墨铸铁具有比灰铸铁高得多的力学性能，抗拉强度可以和钢媲美，塑性和韧度大大提高。通常ζb=（400~900）MPa，δ=2%~18%，同时，仍保持灰铸铁某些优良性能，如良好的耐磨性和减震性，缺口敏感性小，切削加工性能好等。球墨铸铁的焊接性能和热处理性能都优于灰铸铁。珠光体球墨铸铁与45号锻钢的力学性能比较见表 。

表 珠光体球墨铸铁和45号锻钢的力学性能比较 性 能 抗拉强度?b/MPa 屈服强度?0.2/MPa 屈强比?0.2/?b 伸长率δ（%） 疲劳强度（有缺口试样）?-1/MPa 硬 度/HBS 2．球墨铸铁的生产特点 （1）铁液 要有足够高的含碳量，低的硫、磷含量，有时还要求低的含锰量。高碳（3.6%~4.0%）可改善铸造性能和球化效果，低的锰、磷可提高球墨铸铁的塑性与韧度。硫易与球化剂化合形成硫化物，使球化剂的消耗量增大，并使铸件易于产生皮下气孔等缺陷。

球化和孕育处理使铁水温度要降低50~100℃，为防止浇注温度过低，出炉的铁水温度必须高达1400℃以上。

45号锻钢（正火） 珠光体球墨铸铁（正火） 690 410 0.59 26 150 ﹤229 815 640 0.785 3 155 229~321 （2）球化处理和孕育处理 球化处理和孕育处理是制造球墨铸铁的关键，必须严格控制。

球化剂：我国广泛采用的球化剂是稀土镁合金。镁是重要的球化元素，但它密度小（1.73g/cm3）、沸点低（1120℃），若直接加入铁液，镁将浮于液面并立即沸腾，这不仅使镁的吸收率降低，也不够安全。稀土元素包括铈（Ce）、镧（La）、镱（Yb）和钇（Y）等十七种元素。稀土的沸点高于铁水温度，故加入铁水中没有沸腾现象，同时，稀土有着强烈的脱硫、去气能力，还能细化组织、改善铸造性能。但稀土的球化作用较镁弱，单纯用稀土作球化剂时，石墨球不够圆整。稀土镁合金（其中镁、稀土含量均小于10%，其余为硅和铁）综合了稀土和镁的优点，而且结合了我国的资源特点，用它作球化剂作用平稳、节约镁的用量，还能改善球铁的质量。球化剂的加入量一般为铁水质量的1.0%~1.6%。

孕育剂：促进铸铁石墨化，防止球化元素造成的白口倾向，使石墨球圆整、细化，改善球铁的力学性能。常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水质量的0.4%~1.0%。由于球化元素有较强的白口倾向，故球墨铸铁不适合铸造薄壁小件。

球化处理：以冲入法最为普遍，如图7-39所示。将球化剂放在铁液包的堤坝内，上面铺硅铁粉和稻草灰，以防球化剂上浮，并使其缓慢作用。开始时，先将铁液包容量2/3左右的铁液冲入包内，使球化剂与铁液充分反应。尔后，将孕育剂放在冲天炉出铁槽内，用剩余的1/3包铁液将其冲入包内，进行孕育。

球化处理后的铁液应及时浇注，以防孕育和球化作用的衰退。

图7-39 冲入法球化示意图 （3）铸型工艺

凝固特性：球墨铸铁含碳量较高，近共晶成分，凝固收缩率低，但缩孔、缩松倾向较大，这是其凝固特性所决定的。球墨铸铁在浇注后的一个时期内，凝固的外壳强度较低，如图7-40a所示。而球状石墨析出时的膨胀力却很大，若铸型的刚度不够，铸件的外壳将向外胀大，造成铸件内部金属液的不足，于是在铸件最后凝固的部位产生缩孔和缩松，如图7-40b所示。为防止上述缺陷，可采取如下措施：在热节处设置冒口、冷铁，对铸件收缩进行补偿；增加铸型刚度，防止铸件外形扩大。如增加型砂紧实度，采用干砂型或水玻璃快干砂型，保证砂型有足够的刚度，并使上下型牢固夹紧。

图7-40 球墨铸铁件缩孔、缩松的形成 存在问题：球墨铸铁件容易出现皮下气孔，皮下0.5~2mm处，直径1~2mm，它的产生是因铁液中过量的Mg或MgS与砂型表面水分发生如下化学反应生成气体而形成的。

防止皮下气孔的产生：降低铁液中含硫量和残余镁量，降低型砂含水量或采用干砂型，浇注系统应使铁液平稳地导入型腔，并有良好的挡渣效果，以防铸件内夹渣的产生。

3．球墨铸铁的用途 球墨铸铁具有较高的强度和塑性，尤其是屈强比（?0.2/?b）优于锻钢，用途非常广泛，如汽车、拖拉机底盘零件，阀体和阀盖，机油泵齿轮，柴油机和汽油机曲轴、缸体和缸套，汽车拖拉机传动齿轮等。目前，球墨铸铁在制造曲轴方面正在逐步取代锻钢。

4．球墨铸铁的热处理 铸态球墨铸铁的基体多为珠光体-铁素体混合组织，有时还有自由渗碳体，形状复杂件还存在残余内应力。因此，多数球墨铸铁件要进行热处理，以保证应有的力学性能。常用的热处理为退火和正火。退火的目的是获得铁素体基体，以提高球墨铸铁件的塑性和韧度。正火的目的是获得珠光体基体，以提高材料的强度和硬度。

（三）可锻铸铁

可锻铸铁：白口铸铁通过石墨化退火处理得到的一种高强韧铸铁。有较高的强度、塑性和冲击韧度，可以部分代替碳钢。可锻铸铁分为铁素体基体（黑心）可锻铸铁和珠光体基体可锻铸铁。

1．可锻铸铁的生产特点 可锻铸铁的生产分两个步骤：

第一步：先铸造出白口铸铁，随后退火使Fe3C分解得到团絮状石墨。为保证在通常的冷却条件下铸件能得到合格的白口组织，其成分通常是wC=2.2%~2.8%，wSi=1.2%~2.0%，wMn=0.4%~1.2%，wP≤0.1%，wS≤0.2%。

第二步：进行长时间的石墨化退火处理，900~980℃，长时间保温。其工艺如图7-41所示。

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