机械制造工程_4.1工程金属材料(4)(图文教程)

（三）铸铁

铸铁是含碳量大于2.11%(一般为2.4%～4.0%)的铁碳合金，普通铸铁以铁、碳、硅为主，有时还加入其它合金元素，以便获得具有特种性能的铸铁。

铸铁是一种历史悠久的重要工程材料，现在仍是工程上最常用的金属材料，在机械产品中，铸铁件的质量约占50%以上。

1. 碳在铸铁中的存在形式和形态

铸铁的使用价值与铸铁中碳的存在形式有着密切关系。在铸铁中，碳有两种主要存在形式，即化合态的渗碳体和游离态的石墨（石墨常用符号G表示），其中具有使用价值的铸铁中的碳主要是以石墨形式存在，所以铸铁的组织是由金属基体和石墨组成的。铸铁的金属基体有铁素体、珠光体及铁素体+珠光体三类，相当于钢的组织，因此铸铁的组织特点，可以看成是在钢的基体上分布着不同形状的石墨。

图4-2 石墨晶格示意图

石墨为简单六方晶格，如图4-2所示，基面中的原子间距为1.42Å（1 Å =0.1nm），两基面之间的间距为3.40 Å，面间原子的结合力远低于基面中原子间的结合力，所以石墨的硬度、强度、塑性、韧性都很低，延伸率接近于零。

铸铁中石墨的形成过程称作石墨化，影响因素很多，主要是铸铁的化学成分和冷却速度。碳和硅是促进石墨化的元素，随碳、硅含量的增加（C、Si含量之比约为3∶1），铸铁石墨化的程度提高。当成分相同时，铸铁的冷却速度越缓慢，越有利于石墨化的进行。

在石墨化过程中，采用不同的工艺可使石墨的形态有所不同。通常，石墨的形态有片状、团絮状、球状三种，见图4-3。

（1）片状石墨 （2） 球状石墨 （3） 团絮状石墨

图4-3 铸铁中的石墨形态

2. 铸铁的性能特点

铸铁的性能取决于铸铁的成分和组织，即取决于铸铁中基体组织和石墨的数量、形态、大小及分布。石墨的存在使铸铁的机械性能不如钢，其抗拉强度、塑性、韧性都比钢低，但对其硬度和抗压强度影响不大，与相同基体组织的钢相近。由于铸铁的塑性很差，所以不能承受锻压加工。但也由于石墨的存在，使铸铁具有许多钢所不及的性能：

(1) 优良的铸造性 铸铁的含碳量高（2.4%～4.0%）,成分接近共晶成分，熔点比钢低得多，结晶温度范围小，故表现出优良的流动性和小的凝固收缩性；

（2）良好的切削加工性 由于石墨的存在，使铸铁在切削加工时易于断屑，而且石墨本身的润滑作用也减轻了刀具的磨损；

（3）优良的耐磨性与减震性 由于石墨的存在有利于润滑和储油，再通过对其基体组织的改善，从面使铸铁具有优良的耐磨性。石墨（特别是片状石墨）能将机械能迅速地吸收并转化为热能释放出来，故铸铁表现出优良的减震能力（通常比钢大10倍）。

3. 铸铁的分类、牌号和用途

（1）铸铁的分类

根据铸铁在结晶过程中碳的析出状态以及凝固后断口颜色的不同，铸铁可分为三大类：

白口铸铁 碳除少量溶于铁素体外，大部分以化合态的渗碳体析出，断口呈白亮的颜色，故称白口铸铁,因其硬度高、脆性大、很难进行切削加工，所以很少直接用来制造机械零件。工业上，白口铸铁主要用作炼钢的原料和生产可锻铸铁的毛坯，有时也可制作一些要求高耐磨性的轧辊、球磨机磨球及犁铧等。

麻口铸铁 一部分碳以化合态的渗碳体析出，一部分碳以游离态的石墨析出，断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨，如同黑、白相间的麻点，故称作麻口铸铁，在工业上应用甚少。

灰口铸铁 大部分碳以游离态的石墨析出，断口呈暗灰色，故称作灰口铸铁，性能良好，生产工艺简单，价格低廉，在工业中得

除了以上三类铸铁外，通过在铸铁中加入某些合金元素，获得了一些具有特殊性能的合金铸铁，如耐热合金铸铁、耐蚀合金铸铁、耐磨合金铸铁。

（1）常用灰口铸铁的牌号及用途

灰口铸铁是应用最广泛的一类铸铁，在各类铸铁的总产量中，灰口铸铁占80%以上。灰口铸铁的性能除了与成分及基体组织有关外，还取决于石墨的形状、大小、数量以及分布状态。按照石墨的形态不同，又将灰口铸铁分为如下三种：

A．普通灰铸铁

普通灰铸铁中的石墨呈片状，普通灰铸铁的牌号采用“灰铁”二字的汉语拼音字首和一组数字表示，数字表示其抗拉强度，如HT100表示抗拉强度不低于100MPa的普通灰铸铁。

普通灰铸铁按其石墨化程度不同，可有三种不同的基体组织：铁素体灰铸铁、铁素体─珠光体灰铸铁、珠光体灰铸铁，如图4-4所示。普通灰铸铁的硬度和抗压强度主要取决于基体组织，而强度和塑性、韧性则主要决定于石墨的数量、尺寸大小和分布状态。普通灰铸铁主要用于制造汽车、拖拉机的汽缸、汽缸盖、刹车带、摩擦片，以及机床的床身、底座、支柱等耐压、耐磨件。

常用普通灰铸铁的牌号、组织、性能和用途如表4-10所示。表中数据摘自GB9439-88。

表4-10常用普通灰铸铁的牌号、组织、性能和用途

（1）铁素体+片状石墨 （2）铁素体和珠光体+片状石墨 （3）珠光体+片状石墨

图4-4普通灰铸铁

B．可锻铸铁

可锻铸铁中的石墨呈团絮状，又称“马钢”，是由白口铸铁坯件经高温、长时间的石墨化退火，使渗碳体在固态下分解而获得的具有团絮状石墨的铸铁。

（1）铁素体+团絮状石墨 （2）珠光体+团絮状石墨

图4-5可锻铸铁

常用可锻铸铁的显微组织有两类：一类为F+团絮状G，其中心呈黑灰色，故称黑心可锻铸铁，牌号为KTH（可铁黑的汉语拼音字首）和两组数字，数字的含义分别表示最低抗拉强度和最低延伸率。另一类为P+团絮状G，称为珠光体可锻铸铁，牌号为KTZ（可铁珠的汉语拼音字首）和两组数字，数字的含义同黑心可锻铸铁。

两种可锻铸铁的显微组织示意图如图4-5所示。

可锻铸铁具有较高的强度和塑性、韧性，多用于制造一些截面较薄，而且形状复杂、工作时受震动，强度、韧性要求稍高的小型零件，但不能用于锻压加工。

常用可锻铸铁的牌号性能和用途如表4-11所示。表中数据摘自GB9440-88。

表4-11常用可锻铸铁的牌号、性能和用途

C．球墨铸铁

球墨铸铁中的石墨呈球状，灰口铸铁在浇注前，进行石墨球化处理即可得到球墨铸铁，使用的球化剂多为镁或稀士镁合金。球墨铸铁的牌号采用“球铁”二字的汉语拼音字首和两组数字表示，两组数字分别表示抗拉强度和延伸

（1）铁素体+球状石墨 （2）铁素体和珠光体+球状石墨 （3）珠光体+球状石墨

图4-6球墨铸铁

球墨铸铁的组织为：铁素体+球状石墨、铁素体和珠光体+球状石墨、珠光体+球状石墨三种，如图4-6所示。

球墨铸铁既具有灰口铸铁的优点，又具有可与钢媲美的机械性能，可用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求高的零件，如珠光体球墨铸铁用来制造汽车、拖拉机曲轴、连杆、凸轮轴、齿轮等；铁素体球墨铸铁可用来制造受压阀门、机器底座、汽车的后桥壳等。

常用球墨铸铁的牌号、组织、性能和用途如表4-12所示。表中数据摘自GB1348-88。

表4-12常用球墨铸铁的牌号、组织、性能和用途

三、非铁金属材料

非铁金属材料在金属材料中占有很重要的地位，是制造各种优质合金钢及耐热钢所必需的元素，而且许多非铁金属材料具有密度小、比强度高、耐热、耐腐蚀和导电性良好、高弹性及一些特殊的物理性能，且明显优于普通钢，甚至超过某些高强钢，所以成为现代工业中不可缺少的金属材料。非铁金属材料的种类很多，这里仅介绍机械制造业中广泛使用的铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、钛及钛合金。

（一）铝及铝合金

1．纯铝

铝在地球上的储量居金属元素之首，产量仅次于钢铁材料居第二位。纯铝的比重为2.7g/cm3，熔点为660℃，面心立方晶体结构，导电性、导热性均很高，耐蚀性好，塑性好，但强度较低（80~110 MPa）。

工业纯铝又分铸造铝（未经压力加工的产品）及变形铝（经压力加工的产品）两种。根据GB/T8063-1994规定，铸造纯铝牌号表示为“Z”（铸字汉语拼音字首）和AL（铝的元素符号）及表明含铝数字组成，如ZAL99.5表示wAL=99.5℅的铸造纯铝；根据GB/1647-1996规定，变形铝的牌号表示为1ⅹⅹⅹ，2ⅹⅹⅹ，3ⅹⅹⅹ等，牌号第一位数字表示铝或铝合金的组别（指定1表示纯铝，2～7分别表示以CU MN SI MG ZN为主要合金元素的铝合金），牌号中的第二位是字母，它表示原始纯铝或是铝合金的改型情况，若字母为A，则表示为原始纯铝或铝合金，若为其它字母（如B），则表示为原始纯铝或铝合金的改型。牌号中的最后两位数字，对于纯铝，代表其质量分数的百倍（或wALⅹ100）所得数的小数点后两位数字；对于铝合金，则作为顺序号来区别同一组中不同的合金，如1A30表示wAL=99.30℅的变形纯铝。

纯铝除用以代替铜作导线材料外，主要用以配制各种铝合金，以及制造要求质轻、导热或耐大气腐蚀，但强度要求不高的器具，如航空上常用工业纯铝作管道及垫片等。

2. 铝合金

在纯铝中添加适量的Cu、Mg、Si、Mn、Zn等合金元素后，形成铝合金。铝合金不仅具有纯铝的优良性能，而且大大提高了强度，在工业中得到广泛的应用。铝合金按其成分和成形方法不同分为变形铝合金与铸造铝合金两大类。

（1）变形铝合金 合金元素含量低，可以进行冷、热压力加工，制成各种型材及成型零件的铝合金称为变形铝合金，按性能特点不同，可分为以下几种：

A. 防锈铝合金 防锈铝合金主要有Al-Mg或Al-Mn系合金。这类铝合金塑性好、耐腐蚀，可以通过冷变形强化，多用于制造要求受力小、质轻、耐腐蚀的冲压、焊接结构件，如油箱、油管、铆钉、制冷装置结构件以及日用器皿等。防锈铝合

B. 硬铝合金 硬铝合金主要是Al-Cu-Mg系铝合金。Cu、Mg可与Al形成化合物CuAl2及CuMgAl2，CuMgAl2化合物在高温下不易聚集，是硬铝的主要强化相。这类合金通过淬火时效处理后可显著提高强度，比强度与高强度钢相近，硬度和耐热性也能得到改善，但耐蚀性能较差。硬铝合金主要是用来制造中等强度的飞机隔框、翼肋、铆钉、螺旋桨、蒙皮等结构件。硬铝合金的代号用“LY+顺序号”表示，“LY”是“铝硬”二字的汉语拼音字首，顺序号表示化学成分。

C. 超硬铝合金 超硬铝合金是在硬铝合金的基础上再添加一些合金元素Zn后，形成的Al-Cu-Mg-Zn系合金。合金元素形成的化合物MgZn及Al2Mg3Zn3起到了更为明显的强化效果，比强度已相当于超高强度钢，但耐蚀性较差。超硬铝合金常用于制造要求质轻、受力较大的结构件，如飞机的大梁、框架、起落架等。超硬铝合金的代号用“LC+顺序号”表示，“LC”是“铝超”二字的汉语拼音字首，顺序号表示化学成分。

D. 锻铝合金 锻铝合金是由Al-Cu-Mg-Si组成的铝合金。其主要强化相是Mg2Si，机械性能与硬铝相近，但热塑性和耐蚀性较高，适用于锻压成形，故名锻铝合金。这类合金多用于制造形状复杂、比强度要求较高的受力结构件，如离心式压气机的叶轮、飞机操纵系统中的摇臂等。锻铝合金用“铝锻”二字的汉语拼音字首“LD”加顺序号表示，顺序号同样也是表示化学成分。

常用变形铝合金的成分、性能及应用见表4-13。表中数据摘自GB3190-82、 GB/T6474-1996、 GB/T3190-1996。

表4-13 常用变形铝合金的成分、性能及应用举例

注：① 基于原用合金的旧牌号表达简便直观，且同类教科书中都有采用，所以本表也继续保留旧牌号的表示方法。

② 状态一栏中 M — 包铝板材退火状态 CS — 包铝板材淬火+人工时效 CZ — 包铝板材淬火+自然时效

（2）铸造铝合金 合金元素含量较高，适于铸造成形的铝合金称作铸造铝合金，按所含金元素的不同，可分为以下几种：

A.铝硅系合金 Al-Si铸造铝合金具有优良的铸造性能及机械性能。

B.铝铜系合金 Al-Cu铸造铝合金强度较大，且在高温下能保持较高的强度，适于铸造耐热铝合金件，缺点是铸造性能和耐腐蚀性较差。

C.铝镁系合金 Al-Mg铸造铝合金的强度和塑性均高，而且耐腐蚀性优良，但铸造性能差，浇铸时易氧化，易形成显微缩松。

D.铝

铸造铝合金的代号用“铸铝”二字的汉语拼音字首“ZL”加三位数字来表示，第一位数字表示合金系别：1为铝硅系合金，2为铝铜系合金，3为铝镁系合金，4为铝锌系合金；后两位数字是合金的序号，表示不同的化学成分。例如，ZL102表示2号铝硅系铸造铝合金。

常用铸造铝合金的牌号、成分、性能及、用途见表4-14所示。表中数据摘自GB/T1173-1995。

表4-14 常用铸造铝合金的牌号、成分、性能及用途

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本文作者

2020-3-8 12:21

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