《工程材料及其成型技术》第4讲金属材料02(铸铁和有色

4.5.铸铁（CastIron）-----铸铁概述•铸铁中碳的二种存在形式：Fe3C（或合金碳化物）G（石墨）灰口铸铁：碳全部或大部分以石墨存在铸铁白口铸铁：碳主要以渗碳体存在麻口铸铁：碳一部分为石墨，另一部分为渗碳体石墨晶体结构渗碳体晶体结构4.5.铸铁（CastIron）4.5.1铸铁的特点1.成分特点含碳量＞2.11％，S.P含量较高。同样有普通铸铁和合金铸铁之分。2.组织特点白口铸铁以莱氏体为基体灰口铸铁钢的基体+G（Graphite）白口铸铁断口呈银白色铸铁灰口铸铁断口呈灰色麻口铸铁断口为银白色底+麻点FF+PP三种组织：（1）珠光体灰铸铁P+G片HT200（2）珠光体-铁素体灰铸铁P+F+G片HT150（3）铁素体灰铸铁F+G片HT100灰铸铁的组织显微组织：金属基体+G片其中灰口铸铁又以“G”形态的不同，分为：普通灰铸铁C以片状“G”可锻铸铁团絮状“G”球墨铸铁球状“G”；蠕墨铸铁蠕虫状“G”•铸铁（灰铸铁）P基体+G片F基体+G片P+F基体+G片•铸铁（可锻铸铁）P基体+G团F基体+G团F基体+G球F+P基体+G蠕虫状F+P基体+G球P基体G球•铸铁（球铁、蠕墨铸铁组织）工业铸铁的成分范围快冷中速冷却中速冷却缓冷缓冷缓冷快冷白口铸铁珠光体灰铸铁铁素体灰铸铁铁素体球墨铸铁珠光体球墨铸铁珠光体可锻铸铁铁素体可锻铸铁石墨化退火中速冷却缓冷珠光体蠕墨铸铁铁素体蠕墨铸铁Si/Mg/Ce工业铸铁的成分范围与组织3.性能特点•灰口铸铁：钢的基体组织+G•G（石墨）的性能：σb=15—20MPa.•硬度3-5HBS，δ=0(1)基本力学性能:强度、塑性低（塑性取决于石墨的形状，尺寸、数量、分布）石墨形状越尖，尺寸越大，数量越多，铸铁的力学性能越低。•灰口铸铁=钢+孔洞•⑵耐磨性能好由于石墨本身有润滑作用。•⑶消振性能好由于石墨可以吸收振动能量。•⑷铸造性能好由于铸铁硅含量高,成分接近于共晶.•⑸切削性能好由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。（6）切口敏感性低3、铸铁的性能特点⑴力学性能低。由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。4.5.2.灰口铸铁的分类及牌号表示灰铸铁蠕墨铸铁HT/RuT+最低抗拉强度灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁QT/KT+最低抗拉强度—最低延伸率例：HT100～HT350灰铸铁6个牌号逢50进一号。RuT420.RuT200QT400—18.QT900—2.KTH350—10.KTZ450—06.灰口铸铁的应用见表4.2、4.34.5.3.灰口铸铁的热处理1.特点a.热处理不改变G形态及分布b.铸铁含有合金元素，加热和冷却速度要较慢。2.热处理方法a.灰铸铁的热处理不明显改善力学性能，只进行去应力退火，软化退火和表面淬火（如机床导轨、气缸套表面淬火以提高耐磨性）b.可锻铸铁的石墨化退火工艺白口铁可锻铸铁的石墨化退火•c.球铁中由于石墨对基体的割裂作用小，凡用于钢的热处理方法，基本上可以在球铁中应用制品(轧辊与辊环)组织贝氏体基球墨铸铁4.6有色金属（非铁金属Non－ferrousalloys）定义:除铁合金(黑色金属)以外的所有金属性能特点:具有独特的物理、化学性能。分类重金属(密度＞3.5);Cu、Ni等。轻金属(密度＜3.5);Al、Mg等。贵金属;Au、Ag、Pt等。稀有金属;W、Ti、Ra、Nb等。半金属;Si、Te、B等。4.6有色金属（非铁金属Non－ferrousalloys）4.6.1铝及其合金1.工业纯铝相对密度2.7，属轻金属，熔点：660℃，FCC结构，高塑性、耐腐蚀。工业纯铝)30.993015.99.(5.9911AAWAWZAl（表示形变纯铝、如、）表示铸造纯铝、如、a、防锈铝合金，（LF21），不可热处理强化，用于耐蚀零件箱壳体，装饰材料。b、硬铝合金，（LY12），用于铆钉，模锻零件，耐蚀性差c.超硬铝合金，用于受力较大的结构件。3.形变铝合金(deformationaluminumalloy)飞机翼梁(腹板为硬铝合金)飞机主起落架D.锻铝合金(LD):Al–Mg–Si–Cu具有良好的热塑性,通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。常用合金：LD5、LD6、LD10。压气机叶片4、铸造铝合金(castaluminumalloy)（1）铸造铝–硅合金特点：铸造性能好是最常用的铸铝合金热处理：固溶处理+时效强化应用：发动机缸体，缸盖，活塞，汽缸头，曲轴箱等活塞(铝硅合金）（2）铸造铝–铜合金(ZL201～ZL203):较高强度、塑性及耐热性,但铸造性能和耐蚀性较差。（3）铸造铝–镁合金(ZL301、ZL302):较高的强度、韧性及耐蚀性,但铸造性能和耐热性较差。汽缸头ZL203鼓风机用密封件(ZL102)及抗空架件(ZL301)（4）铸造铝–锌合金(ZL401、ZL402):具有良好的铸造性,经变质处理和时效处理后,强度高,但耐蚀性差。大型空压机活塞(ZL401)铸造铝合金(castaluminumalloy)代号表示：ZL+3个数字例：ZL101牌号表示：ZAl+合金元素符号及含量的百倍例：ZAlMg104、铝合金的热处理----固溶处理和时效在固溶处理后的合金随时间延续而发生进一步强化的现象称为时效强化(ageingstrengthening)。背景资料:1906年德国Duralumin首次发现。1910年德国A·Welmer发明并获专利。1916年用于制造飞机。1938年Guinier–Preston建立学说。固溶处理时效处理自然时效人工时效将铝合金加热至α单相区恒温保持，然后快速冷却，形成过饱和固溶体的热处理方法。固溶处理后的铝合金强度随时间而变化的现象称为时效。含4%Cu的铝合金自然时效曲线含4%Cu的铝合金的人工时效曲线*过时效：时效温度过高、时间过长出现的合金软化现象5、变质处理•变质剂：2/3NaF+1/3NaCl加入量2—3％•组织变化：细化硅晶体•性能变化：强度提高、塑性改善4.6.2铜及其合金1、工业纯铜（紫铜）相对密度8.9，熔点为1083℃，FCC结构高导电性、导热性和耐蚀性，高塑性，低强度，无磁性。无氧铜TU2分类工业纯铜T1～T4铜合金=纯铜+Me铜合金的分类黄铜:Cu–Zn白铜:Cu–Ni青铜:除黄铜和白铜外的所有铜合金50030405060700400300200100010205040302010506070809010011040HB+’b1、黄铜(brass)（1）普通黄铜(commonbrass)黄铜的组织、性能与含锌量的关系（1）普通黄铜(commonbrass)组织：＜32％Zn为单相α组织＞32％Zn，为α+β两相组织。性能：塑性好，铸锻性能优良、耐磨、耐蚀。应用：装饰材料，管、板、散热器、冷凝器等。冷凝器管法兰阀闸阀普通黄铜的牌号H70含铜量WCu=70%黄铜日用黄铜---H62(H59)弹壳黄铜---H70(H68)金奖黄铜---H90（2）特殊黄铜(specialbrass)定义:在黄铜中加入Al、Fe、Si、Cr、Ni、Sn、Mn等元素所形成的合金。牌号:H+其它主加Me符号+含Cu量-其它Me含量例HPb59－1（约59％Cu、1％Pb、40％Zn）HAl59-3含铝量WAl=3%含铜量WCu=59%海军黄铜---HSn62–1易切削黄铜---HPb59-13、青铜(bronze)•普通青铜(锡青铜，tinbronze)•特殊青铜(无锡青铜，tin–freebronze)青铜牌号的表示方法ZQSn10–1其它合金元素含量为1%主加元素锡其含量为WSn=10%青铜铸造（1）锡青铜(tinbronze)371014压力加工铸造成形σbα+δδαδ(2)锡青铜组织：＜6％Sn单相α＞6％Snα+δ(δ为电子化合物，硬脆）常用合金：含锡量为3－14％Sn力学性能：抗蚀性比黄铜高铸造性：流动性差，但收缩率小，不致密、易渗漏应用：阀门，水暖配件，耐磨零件，如齿轮，轴承。(3)铍青铜含1.6—2.3％Be。如QBe2，QBe1.7性能：弹性极限、耐磨性、耐蚀性、导热性高。应用：精密仪器、仪表的弹性元件滑动轴承合金各类轴瓦滑动轴承的结构与特点•滑动轴承的结构：轴瓦、轴承内衬•滑动轴承特点：与滚动轴承相比，承压面积大、工作平稳、无噪声、维修方便4.7.滑动轴承合金4.7.1对轴承材料的要求硬度适中摩擦系数小膨胀系数小能储藏润滑轴承合金组织示意图各类轴瓦组织（软硬兼备）（1）软基体均匀分布硬质点（2）硬基体均匀分布软质点。常用滑动轴承材料：金属（锡基与铅基、铜基合合、铝基合金）、非金属（塑料、橡胶）、粉末冶金含油轴承等铅基轴承合金组织(Sn,Cu3Sb,Pb-Sb共晶体)锡基与铅基轴承合金显微组织锡基轴承合金组织(SnSb+CuSb+α基体)锡基与铅基轴承合金（巴氏合金）•牌号表示铜的质量分数为4％元素铅的质量分数为10％锑的质量分数是12%铸造锡基轴承合金ZSnSb12Pb10Cu44.7.2常用轴承合金1、巴氏合金（BabbiteAlloys）(1)锡基合金：Sn—Sb—Cu合金常用ZChSnSb11-6(6％Cu)组织：Sn—Sb固溶体+SnSb化合物和CuSn化合物（软基体）（硬质点）性能：耐蚀性\导热性\减磨性高，但疲劳强度较低。应用：大型重要轴承γ相（Cu6Sn5红色星状）+β相（SnSb白色方块）+α相（锡基固溶体，深色基体）1、巴氏合金（BabbiteAlloys）(2)铅基合金：Pb-Sn-Sb-Cu合金•常用ZChPbSb16-16-2(16％Sn，2％Cu)•ZChPbSb15-5-3(5％Sn，3％Cu)组织：Pb—Sb固溶体+(SnSb和CuSn)化合物性能：均低于锡基合金。应用：车辆发动机轴承铅基轴承合金组织(Sn,Cu3Sb,Pb-Sb共晶体)Pb+SnSb共晶（基体）+（SnSb橙色方块和Cu2Sb橙色针状）铜基与铝基轴承合金•铜基轴承合金（主要有锡青铜和铅青铜）ZCuSn10Pb1（10－1锡青铜）组织:α+δα为软基体，δ为硬质点高的强度，适用于中速及受力较大的轴承，如电动机、泵、金属切削机床轴承ZCuPb30（30铅青铜）Cu和Pb不互溶，结晶成铜粒（硬）+铅基底（软）较高的疲劳强度、导热性能，摩擦系数低，适于高速高压轴承。如航空发动机、高速柴油机轴承等铜基与铝基轴承合金•密度小、导热性好、疲劳强度高、耐腐蚀性好，价格低，广泛应用于高速重载的汽车、拖拉机、柴油机轴承•铝基轴承合金（常用牌号ZAlSn6Cu1Ni1）轴承合金应用示例2-------内燃机轴瓦轴承合金应用示例1汽轮发电机轴承各种轴承合金性能、轴承合金与轴匹配的硬度对应关系轴承合金种类轴承合金硬度HBS与之匹配的轴硬度HBS最大允许压力/MPa最高允许温度/℃抗咬合性磨合性耐蚀性耐疲劳性锡基巴氏合金20~30150600~100150优优优劣铅基巴氏合金15~30150600~800150优优中劣锡青铜50~100300~400700~2000200中劣优优铅青铜40~803002000~3200220~250中差差良铝基合金45~503002000~2800100~150劣中优良铸铁160~180200~250300~600150差劣优优4.7.粉末冶金材料一.概述1.粉末冶金工艺过程4.7.粉末冶金材料4.7.1.概述1.粉末冶金工艺过程粉末制备—压制成型—烧结—后加工（切削加工、压力加工、浸渍、熔渗…)2.粉末冶金的特点①对原材料及制品的适应性强。②高效节能集材料生产——加工技术——零件制造于一体③材料利用率高可实现少无切削4.7.2常用粉末冶金材料1.轴承材料制成多孔材料（孔隙占体积的10—20%）再浸渍润滑油而成，故称多孔含油轴承。（1）铜基合金成分锡青铜（CuSn6Zn6Pb3）粉末加0.5～2%石墨轴承组织（Cu—Sn）固溶体+石墨+Pb+孔隙（1）铁基合金：•Fe-G(0.5～3%)粉末∕•Fe-G（1～2%)+S(0.5～1%）•轴承组织：•铁