合金及其熔煉(前四章)綜述

1、孫玉福孫玉福郵箱：郵箱：電話：電話緒緒 論論一、本課程的主要內(nèi)容一、本課程的主要內(nèi)容1 1、合金：本課程重點闡述液態(tài)成型合金材料（鑄造合金）成分、合金：本課程重點闡述液態(tài)成型合金材料（鑄造合金）成分、工藝因素對其組織和性能的影響，從而正確把握和控制該類合金工藝因素對其組織和性能的影響，從而正確把握和控制該類合金材料的組織和性能。材料的組織和性能。 主要包括：鑄鐵、鑄鋼、鑄造非鐵合金主要包括：鑄鐵、鑄鋼、鑄造非鐵合金2 2、合金的熔煉：重點闡述各種鑄造合金的熔煉原理、熔煉工藝，、合金的熔煉：重點闡述各種鑄造合金的熔煉原理、熔煉工藝，從而正確制定合理的熔煉工藝，獲得優(yōu)質(zhì)的

2、合金液。從而正確制定合理的熔煉工藝，獲得優(yōu)質(zhì)的合金液。 主要包括：鑄鐵的熔煉、鑄鋼的熔煉、鑄造非鐵合金的熔煉。主要包括：鑄鐵的熔煉、鑄鋼的熔煉、鑄造非鐵合金的熔煉。材料的種類：材料的種類：物理化學(xué)屬性分類金屬材料復(fù)合材料有機高分子材料無機非金屬材料其他分類結(jié)構(gòu)材料功能材料其中金屬材料：其中金屬材料：1、壓力加工成型材料：型、板、管、帶、泊、坯、棒材等；、壓力加工成型材料：型、板、管、帶、泊、坯、棒材等；2、鑄造成型材料：即是液態(tài)成型材料。、鑄造成型材料：即是液態(tài)成型材料。二、本課程的前期課程二、本課程的前期課程 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 物理化學(xué)物理化學(xué) 材料成型原理材料成型原理 熱處理原理熱

3、處理原理三、本課程的特點三、本課程的特點 1、緊密結(jié)合和應(yīng)用前期課程的基本理論，理論性、規(guī)律性強；、緊密結(jié)合和應(yīng)用前期課程的基本理論，理論性、規(guī)律性強； 2、綜合性強；、綜合性強； 3、應(yīng)用性強；、應(yīng)用性強； 4、內(nèi)容豐富，涉及知識廣泛；、內(nèi)容豐富，涉及知識廣泛； 5、是一門注重培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題能力的課程。、是一門注重培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題能力的課程。四、本課程的學(xué)習(xí)方法及要求四、本課程的學(xué)習(xí)方法及要求l注重課堂聽講，作好記錄；注重課堂聽講，作好記錄；l閱讀相關(guān)參考書；閱讀相關(guān)參考書；l開動腦筋、勤于思考，注意和基本理論的聯(lián)系，勇于創(chuàng)新；開動腦筋、勤于思考，注意和基本理論的聯(lián)系，勇于創(chuàng)新

4、；l按時完成作業(yè)。按時完成作業(yè)。第一篇第一篇 鑄鐵及其熔煉鑄鐵及其熔煉一、鑄鐵和鋼一、鑄鐵和鋼 1、鑄鐵、鑄鐵C含量大于含量大于2.14%組織中具有共晶組織組織中具有共晶組織2、鋼：組織中無共晶組織、鋼：組織中無共晶組織二、鑄鐵的發(fā)展史二、鑄鐵的發(fā)展史公元公元513年，晉國鑄成鑄刑鼎，比歐洲早年，晉國鑄成鑄刑鼎，比歐洲早1900多年多年春秋戰(zhàn)國之交時的鐵錛、鐵鏟，春秋戰(zhàn)國之交時的鐵錛、鐵鏟，300年后興隆鐵范的出現(xiàn)標志著年后興隆鐵范的出現(xiàn)標志著鑄鐵技術(shù)已達到高超水平。鑄鐵技術(shù)已達到高超水平。隋唐以后，鍛、拔、大型鑄件的鑄造都有了進一步的提高隋唐以后，鍛、拔、大型鑄件的鑄造都有了進一步的提高新中

5、國成立后，鑄造生產(chǎn)技術(shù)有了新的突破和發(fā)展新中國成立后，鑄造生產(chǎn)技術(shù)有了新的突破和發(fā)展三、鑄鐵分類三、鑄鐵分類（一）按鑄鐵組織中游離的高碳相存在形式分（一）按鑄鐵組織中游離的高碳相存在形式分 1、灰口鑄鐵、灰口鑄鐵 2、白口鑄鐵、白口鑄鐵 3、麻口鑄鐵、麻口鑄鐵機床床身變速箱殼體外球面軸承座聯(lián)軸器（二）按鑄鐵組織中石墨的形態(tài)分（二）按鑄鐵組織中石墨的形態(tài)分1、灰鑄鐵（、灰鑄鐵（HT）：片狀石墨）：片狀石墨2、球墨鑄鐵（、球墨鑄鐵（QT）：球狀石墨）：球狀石墨轉(zhuǎn)向器殼體自調(diào)式井蓋離心鑄造球鐵鐵管3、蠕墨鑄鐵（、蠕墨鑄鐵（RuT）：蠕蟲狀石墨）：蠕蟲狀石墨載重車制動鼓氣缸蓋活塞機床耐磨件排氣歧管4、

6、可鍛鑄鐵（、可鍛鑄鐵（KT）：團絮狀石墨）：團絮狀石墨閘閥拖拉機配件（三）按用途分（三）按用途分1、工程結(jié)構(gòu)件用鑄鐵、工程結(jié)構(gòu)件用鑄鐵2、特殊用途鑄鐵、特殊用途鑄鐵普通灰鑄鐵（HT）球墨鑄鐵（QT）蠕墨鑄鐵（RuT）可鍛鑄鐵（KT）抗磨鑄鐵耐熱鑄鐵耐蝕鑄鐵強韌鑄鐵強韌鑄鐵減摩鑄鐵冷硬鑄鐵第一節(jié)第一節(jié) 鐵鐵碳雙重相圖碳雙重相圖一、鐵碳雙重相圖一、鐵碳雙重相圖（一）鐵（一）鐵碳狀態(tài)圖的形成碳狀態(tài)圖的形成第一章第一章 鑄鐵的結(jié)晶及組織的形成鑄鐵的結(jié)晶及組織的形成 熱力學(xué)上，在一定的條件下高溫時的滲碳體能自動分解為奧氏體熱力學(xué)上，在一定的條件下高溫時的滲碳體能自動分解為奧氏體+石墨。石墨。這表明滲碳體

7、的自由能較高，亦即在這個條件下一定成分的鑄鐵以奧氏體這表明滲碳體的自由能較高，亦即在這個條件下一定成分的鑄鐵以奧氏體+石石墨的狀態(tài)存在時具有較低的能量，是出于穩(wěn)定平衡的狀態(tài)，說明了奧氏體墨的狀態(tài)存在時具有較低的能量，是出于穩(wěn)定平衡的狀態(tài)，說明了奧氏體+滲滲碳體的組織，雖然亦是在某種條件下形成，在轉(zhuǎn)變過程中也是平衡的，但不是碳體的組織，雖然亦是在某種條件下形成，在轉(zhuǎn)變過程中也是平衡的，但不是最穩(wěn)定的。最穩(wěn)定的。 動力學(xué)上，從晶核的形成與長大過程的觀點來說，以含動力學(xué)上，從晶核的形成與長大過程的觀點來說，以含C4.3%的共晶成分的共晶成分液體在低于共晶溫度的凝固為例：在液體中形成含液體在低于共晶溫

8、度的凝固為例：在液體中形成含C 6.67%的滲碳體晶核要比的滲碳體晶核要比形成含形成含C 100%的石墨晶核容易，而且滲碳體是間隙型的金屬間化合物，并不的石墨晶核容易，而且滲碳體是間隙型的金屬間化合物，并不要求鐵原子從晶核中擴散出去，因此，在某種條件下，奧氏體要求鐵原子從晶核中擴散出去，因此，在某種條件下，奧氏體+石墨的共晶轉(zhuǎn)石墨的共晶轉(zhuǎn)變的進行還不如萊氏體共晶轉(zhuǎn)變順利。變的進行還不如萊氏體共晶轉(zhuǎn)變順利。 由此可見，從熱力學(xué)觀點上看，由此可見，從熱力學(xué)觀點上看，F(xiàn)eFe3C相圖只是介穩(wěn)定的，相圖只是介穩(wěn)定的，F(xiàn)eC（石（石墨）相圖才是穩(wěn)定的。從動力學(xué)觀點看，在一定條件下，按墨）相圖才是穩(wěn)定的。

9、從動力學(xué)觀點看，在一定條件下，按FeFe3C相圖轉(zhuǎn)變相圖轉(zhuǎn)變亦是可能的，因此就出現(xiàn)了二重性。亦是可能的，因此就出現(xiàn)了二重性。（二）鐵（二）鐵碳雙重相圖及分析碳雙重相圖及分析 石墨是穩(wěn)定相，而滲碳體卻有分解成石墨和鐵素體的傾向。溫度愈石墨是穩(wěn)定相，而滲碳體卻有分解成石墨和鐵素體的傾向。溫度愈高，分解愈快。前者為穩(wěn)定系統(tǒng)，后者為準穩(wěn)定系統(tǒng)，在鐵碳合金中，高，分解愈快。前者為穩(wěn)定系統(tǒng)，后者為準穩(wěn)定系統(tǒng)，在鐵碳合金中，是依條件的不同而引成這兩種不同的系統(tǒng)。是依條件的不同而引成這兩種不同的系統(tǒng)。 為了研究和使用方便，常將上述兩種狀態(tài)圖繪制在一個座標系中。為了研究和使用方便，常將上述兩種狀態(tài)圖繪制在一個座

10、標系中。虛線都位于相應(yīng)的點線的左上方，表明同一成分的鐵碳合金石墨的析出虛線都位于相應(yīng)的點線的左上方，表明同一成分的鐵碳合金石墨的析出溫度比滲碳體高，同時還表明同一溫度下，鐵溫度比滲碳體高，同時還表明同一溫度下，鐵石墨系統(tǒng)中碳在固溶體石墨系統(tǒng)中碳在固溶體中的飽和溶解度比鐵中的飽和溶解度比鐵滲碳體中為小。滲碳體中為小。 熱力學(xué)條件占優(yōu)勢，系統(tǒng)將按穩(wěn)定系凝固，獲得熱力學(xué)條件占優(yōu)勢，系統(tǒng)將按穩(wěn)定系凝固，獲得Lc +G（含（含 C量量100%） 動力學(xué)條件占優(yōu)勢，系統(tǒng)將按介穩(wěn)定系統(tǒng)凝固，獲得動力學(xué)條件占優(yōu)勢，系統(tǒng)將按介穩(wěn)定系統(tǒng)凝固，獲得Lc +Fe3C（含（含C量量6.69%）（三）幾個重要的概念（三）

11、幾個重要的概念1 1、鐵、鐵碳碳硅準二元相圖在表達硅元素對鑄鐵結(jié)晶過程影響的硅準二元相圖在表達硅元素對鑄鐵結(jié)晶過程影響的作用。作用。（1 1）共晶點和共析點含碳量隨硅量的增加而減少。）共晶點和共析點含碳量隨硅量的增加而減少。（2 2）硅的加入使相圖上出現(xiàn)共晶，共析轉(zhuǎn)變的三相共存區(qū)。）硅的加入使相圖上出現(xiàn)共晶，共析轉(zhuǎn)變的三相共存區(qū)。（3 3）隨硅量的增加，穩(wěn)定系和介穩(wěn)定系共晶和共析的轉(zhuǎn)變溫度范圍的差別）隨硅量的增加，穩(wěn)定系和介穩(wěn)定系共晶和共析的轉(zhuǎn)變溫度范圍的差別加大；加大；（4 4）硅量的增加，還縮小了相圖上的奧氏體區(qū)。硅量）硅量的增加，還縮小了相圖上的奧氏體區(qū)。硅量10%10%以后，奧氏體區(qū)以

12、后，奧氏體區(qū)消失。消失。2、碳當(dāng)量和共晶度、碳當(dāng)量和共晶度 CE = C+1/3 (SiP) Sc = C鐵鐵/Cc = C鐵鐵/ 4.26%1/3(SiP) C鐵鐵鑄鐵實際含碳量；鑄鐵實際含碳量；Cc穩(wěn)定態(tài)共晶點含硅量穩(wěn)定態(tài)共晶點含硅量（%）CE4.26%為過共晶成分，為過共晶成分，CE=4.26%為共晶成分，為共晶成分，CE1為過共晶，為過共晶，Sc=1為共晶，為共晶，Sc1時，金屬氧化膜具有保護性的必要條件，當(dāng)1時,所生成的氧化膜疏松、多孔，不可能完全覆蓋整個金屬表面。合金元素的影響 合金元素選擇原則： 合金元素氧化物PB比大于1，且具有低的導(dǎo)電率 合金元素對氧的親和力大于鐵，即具有先于

13、主金屬氧化或能還原主金屬氧化物的條件 合金元素的氧化物與主金屬鐵的氧化物互不溶解，即合金元素的氧化物能單獨存在 防止最有效的氧化的元素：Al、Si、Gr基體及石墨特征的影響 石墨越粗大、越連續(xù)、數(shù)量越多，氧化氣氛沿石墨侵入金屬基體內(nèi)部就越嚴重，氧化過程更加迅速。 球狀石墨比片狀石墨抗氧化性好，蠕蟲狀石墨抗氧化性介于球狀石墨和片狀石墨中間。二、鑄鐵在高溫下的生長二、鑄鐵在高溫下的生長（一）低于相變（一）低于相變( )溫度時的生長溫度時的生長 低溫生長發(fā)生在400600范圍內(nèi)，生長機理是珠光體分解為鐵素體和石墨。鑄鐵的低溫生長與珠光體的分解密切相關(guān)，溫度越高，越接近相變溫度，鑄鐵的生長量越大；珠光

14、體穩(wěn)定性越差，珠光體分解量越多，鑄鐵的生長量越大。防止鑄鐵低溫生長措施： 使鑄鐵在使用溫度下全部為鐵素體基體，可采用提高硅含量使鑄鐵得到完全鐵素體基體，或采用低溫石墨化退火處理來獲得全部鐵素體基體； 加入增加珠光體穩(wěn)定性的合金元素或降低硅含量，阻止受熱時珠光體的分解，可加入鉻，錫等元素。（二）（二） 在相變溫度范圍時的生長在相變溫度范圍時的生長 防止鑄鐵在相變溫度范圍內(nèi)災(zāi)難性生長措施：防止鑄鐵在相變溫度范圍內(nèi)災(zāi)難性生長措施：提高鑄鐵相變溫度，使零件的工作點溫度低于鑄鐵的相變溫度；在允許條件下，調(diào)整工作溫度，使鑄鐵在工作溫度范圍處于單相組織狀態(tài)，可以加入鋁、硅、鉻等合金元素以提高相變點溫度并使其成為單相組織。（三）（三） 高于相變溫度時的生長高于相變溫度時的生長三、常用的耐熱鑄鐵三、常用的耐熱鑄鐵（一）中硅耐熱鑄鐵（一）中硅耐熱鑄鐵 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：不受沖擊和溫度低于800950 的鍋爐爐柵、橫梁、換熱器、節(jié)氣閥等零件上。 成分選擇：成分選擇：5%6%的硅，2.2%2.6%的碳，過高的碳量將產(chǎn)生過多的初生石