合金熔炼复习总结

铸铁白口铸铁含碳量约2.5%，含硅量约1%，白口铸铁中的碳全部以渗碳体（Fe3C）形式存在，因断口呈亮白色，故称白口铸铁。由于有大量硬而脆的Fe3C，白口铸铁硬度高、脆性大、难以切削加工。故很少直接用来制造机械零件，主要用作炼钢原料、可锻铸铁的毛坯，以及不需切削加工、要求硬度高和耐磨性好的零件，如轧辊、犁铧及球磨机的磨球等。白口铸铁作为抗磨材料的应用也非常广泛，先后经历了普通白口铸铁、高锰钢、镍硬铸铁和铬系白口铸铁等几个发展阶段，如采用镍硬铸铁作为粉碎机锤头的抗磨材料以满足其HRC≥55的要求，日本1965年引进Cr27高铬白口铸铁，生产破碎机锤头，1967年把该材料成功地应用在高炉的料钟上，合理地取代了原用高铬钢和低合金钢，明显提高了高炉料钟的使用寿命。又如高铬白口铸铁主要用于磨球、村板、杂质泵、双金属复台轧辊等易损件的生产。灰口铸铁含碳量大于4.3％，铸铁中的碳大部或全部以自由状态片状石墨存在，剩余部分则常以珠光体形式存在，断口呈灰色。常用灰口铸铁中石墨的存在，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢。石墨片的数量越多、尺寸越大、分布越不均匀，对力学性能的影响就越大。但石墨的存在对灰铸铁的抗压强度影响不大，因为抗压强度主要取决于灰铸铁的基体组织，因此灰铸铁的抗压强度与钢相近。它具有良好铸造性能、切削加工性好，减磨性，耐磨性好、加上它熔化配料简单，成本低，广泛用于制作各种受压应力作用和要求消震的机床床身与机架、结构复杂的壳体与箱体、承受摩擦的缸体与导轨等。灰铸铁铸造成形性优异、减磨减震性好，成本低廉，在汽车、冶金等行业得到广泛应用。迄今为止，随着灰铸铁铸件的基体强度的提高，许多汽车的某些工件(如大型载重汽车柴油发动机缸体、缸盖、制动鼓等)的选用材料仍以高强灰铁为主，其市场前景广阔。通过采取加大废钢比例，适当的合金化处理和强化孕育工艺改善灰铸铁的切削性能可以降低刀具成本、提高生产效率。铸铁的含硅量决定着铸铁的状态。仅含1%的硅时，铸铁趋于白色；含硅约3%时，即使进行极速冷却，铸铁还是呈灰色。其他合金元素也会影响铸铁组织，如，铬导致产生白口铁，镍导致产生灰口铁。可锻铸铁黑心可锻铸铁是铁素体基体，韧性好，强度一般；而白心可锻铸铁是珠光体基体，韧性一般，强度好。国内大部分厂家以黑心可锻铸铁为主，其主要用于汽车，拖拉机，农机，铁路，建筑构件，水暖管件等。而白心可锻铸铁国内应用较少，国外主要用于水暖管件。灰口铸铁分布形态及其对力学性能的影响灰铸铁中石墨呈片状，片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零,存在石墨地方就相当于存在孔洞、微裂纹,它不仅破坏了基体的连续性,减少了基体受力有效面积,而且在石墨片尖端处形成应为集中,使材料形成脆性断裂。石墨片的数量越多,尺寸越粗大,分布越不均匀,铸铁的抗拉强度和塑性就越低。由于灰铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性主要取决于基体,石墨存在对其影响不大。故灰铸铁的抗压强度一般是抗拉强度的3-4倍。球墨铸铁中石墨呈球状，所以对金属基体的割裂作用较小,使得基体比较连续,在拉伸时引起应力集中的现象明显下降,从而使基体强度利用率从灰铸铁的30%~50%提高到70%~90%,这就使球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性、疲劳强度不仅高于其它铸铁,而且可以与相应组织的铸钢相比。可锻铸铁中石墨呈团絮状。与灰铸铁相比对金属基体的割裂作用较小,可锻铸铁具有较高的力学性能,尤其是塑性与韧性有明显的提高。灰铸铁分类根据第三阶段石墨化程度的不同，可分为三种显微组织的灰铸铁，即珠光体+石墨；铁素体+珠光体+石墨；铁素体+石墨。根据其石墨晶体的形态又可分为：普通灰铸铁（片状石墨），可锻灰铸铁（团絮状石墨），球墨铸铁（球状石墨），蠕墨铸铁（蠕虫状石墨）。铝合金时效硬化机理、加速机理的功效和方法可热处理强化铝合金淬火后停放在室温或较高温度下以提高性能的方法。这是铝合金热处理常用的方法之一。时效处理是提高铝合金力学性能和改善理化性能的重要手段。时效硬化机理用位错理论一方面能解释晶面上沉淀的第二相质点是怎样阻碍位错运动和提高滑移变形抗力或强度，另一方面也能说明时效对铝合金组织和性能的影响。位错运动的主要阻力来自沉淀相周围应变场和沉淀相本身强度。当沉淀相尺寸小，强度低，能随基体一起变形时，位错按切割模型克服应力场而切过沉淀相质点。如果沉淀相尺寸大，强度高，就不能被位错切割，这时便按奥罗万(Orowan)形环模型绕过质点而继续运载，而旦每绕过一个位错，就在质点周围留下一个位错环。按照切割模型，位错由质点内部通过要切割更多的溶质一溶剂原子键，并引起新层错区形成，从而使合金强化，而强化效应大小则决定于沉淀相与母相间的界面能大小，以及层错能的高低。合金的屈服强度随质点间距增大而减少，与过时效阶段相当。在GP(1)区为基本强化相的合金中，质点一旦被位错切割，其阻力截面即减小，位错能顺利地沿同一滑移面通过，易使变形集中于少数滑移面内，形成严重变形的滑移带，在晶界附近引起应力集中，甚至裂纹，使疲劳强度与抗应力腐蚀开裂的能力下降。过时效时，由于形成了不易被位错切割的沉淀相，且位错分布均匀，能显著提高抗应力腐蚀开裂的能力。加速时效硬化的方法普通使用的大部分金属的合金都有时效硬化过程，对于普通用途的不能在室温下时效硬化的一些合金，常先把合金加热到相当高的温度，使一定量的合金元素进入固溶体中，这就是“固溶热处理”。在水中进行快速淬火之后，合金再进行沉淀处理使溶解的元素脱离溶体，形成非常微细的聚合体，使硬度达到最大程度。功效：在室温下时效的合金叫做时效硬化合金，在较高的温度下沉淀的合金叫做沉淀硬化合金。注意这种合金的沉淀处理和钢的热处理之间的根本区别在于，钢经过淬火，硬度达到最高要求，而回火则是降低了硬度。沉淀处理合金进行淬火后还是比较软的，但是沉淀处理提高了硬度。高速钢中各合金元素的作用高速钢的硬度和红硬性主要是由钨、钼、钒和铬的弥散碳化物的体积份数和性能所决定的，而这些碳化物是在回火时从过饱和的固溶体(马氏体)中析出来的。低合金高速钢中还添加了诸如钛、铌、氮和稀土等微量合金元素。与钒比较，钛和铌都是更强的碳化物形成元素，形成MC、M(C·N)型碳化物，在淬火加热时阻止奥氏体晶粒长大，使晶粒细化。同时，用钛合金化的低合金高速钢，淬火加回火后的主要强化相为MC和M(C·N)型碳化物。钛能无限地溶于VC中，使晶格畸变，晶格常数增大，提高了碳化物粒子的弥散度，因此，含钛的钢碳化物要比含铌钢更弥散。某些低合金高速钢中还含有氮，在有钒、钛、铌存在的情况下能形成MC(C·N)型碳氮化物，改善钢的性能，若含氮过高，则会使M(C·N)型碳氮化物粗化，使钢锭表面质量变坏。钨的作用钨是使高速钢具有红硬性的主要元素。它是强碳化物形成元素，在钢中形成（Fe，W）6C等多种袒护无，同时有部分钨溶入固溶体中。淬火加热时（Fe，W）6C等很难溶解，对晶粒长大起到阻碍作用，使W18Cr4V钢加热到1200℃时仍然有细小的晶粒。在回火过程中钨的碳化物弥散析出于马氏体基体上造成高速钢的二次硬化效应，并且钨的碳化物不易聚集长大，因而有利于高速钢的红硬性。溶入固溶体中的钨，既能提高回火时马氏体分解温度，又能阻碍铁原子的扩散，提高钢的回火稳定性，使高速钢中的马氏体在加热到600~625℃还比较稳定。钒的作用钒是高速钢中提高红硬性的主要元素，主要是以V4C3的形式存在，淬火加热时溶于奥氏体中的V4C3很少，因其具有极高的硬度，可提高钢的耐磨性，同时也有阻止淬火加热时奥氏体晶粒长大的作用。钒是强碳化物形成元素，形成稳定的VC，回火过程中VC以细小弥散质点析出，造成二次硬化，其作用比钨还强。高速钢的含钒量增加，红硬性和耐磨性提高，但是提高含钒量必须提高含碳量，以保证形成各种碳化物。高速钢中含钒量为1%~5%，随含钒量增加，高速钢的切削加工性能下降。钼的作用钼和钨是同族元素，也是碳化物形成元素，在高速钢中的作用也相似。钼的碳化物溶于奥氏体中的温度比钨和钒的碳化物要低，这样就能保证在适宜的温度加热淬火后使所有的钼进入马氏体中。高速钢中经常用钼代替钨，按质量分数计算，1%钼可代替2%的钨。W6Mo5Cr4V2钢即是根据这个原理研究出来应用的高速钢。钼能够使高速钢中的莱氏体细化，减轻钢中碳化物偏析程度，提高钢的热塑性。但是钼的主要碳化物（Fe，W）6C溶入奥氏体的温度比（Fe，W）6C低。因此钼系高速钢的淬火加热温度范围比较窄，晶粒容易长大，过热敏感性大。也有一定的脱碳倾向。铬的作用各种高速钢的铬含量一般都是4%左右，这是由于铬作用的两个方面决定的：铬显著地提高钢的淬透性，加热时铬基本上全部溶入奥氏体中增加奥氏体的稳定性，铬也是碳化物形成元素，高速钢中的铬主要形成Cr23C6型碳化物；铬的另一个重要作用是显著增加奥氏体向马氏体转变的体积膨胀量，因此具有增大残余奥氏体的倾向，铬含量过高，淬火残余奥氏体数量会明显地增多。钴的作用钴在高速钢中显著增加硬度和红硬性，国外高速钢中加钴的比较多，其硬度通过回火可达HRC68~70。钴在高速钢中不能形成碳化物，全部溶解早奥氏体中提高奥氏体的合金度；有其它元素存在时通过阻碍扩散，阻碍奥氏体分解，有一定的提高淬透性的作用。碳的作用高速钢中含碳量都比较高，主要是为了保证这些合金元素形成足够的碳化物，在不同的阶段析出或提高硬度，或提高二次硬化效果。目前高速钢的含碳量以计算成分加入，确切地说，以碳化物化学当量加入。含碳量过高或损失高速钢的塑性和韧性，降低加工性。铝的作用这种非碳化物形成元素会导致钢的临界点提高。为铝的原子半径大，在点阵中起着阻碍扩散和延缓软化的作用，所有这些都能使钢的硬度和红硬性提高。此外，铝的氮化物在淬火加热时能有效地阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒，使钢的强度和韧性保持高的水平。硅的作用某些低合金高速钢有着较高含量的硅。，可完全消除M2C型碳化物，提高钢的强度和韧性，这种类型的碳化物一般以柱状存在于钢的组织中，出现局部高碳区，降低了高速钢本身的硬度、热硬性、耐磨性、韧性和加工性能。W18Cr4V钢的特定热处理工艺高速钢W18Cr4V是一种高合金工具钢,钢中含有钨、钼、铬、钒等合金元素,其总量超过10%.特点是红硬性和耐磨性高,淬透性好,并且具有一定的韧性,在实际生产中常用来制造刀具和冷作模具。在产品使用中,决定其使用寿命的主要因素是锻造和热处理工艺的合理制定。化学成分其中碳的质量分数为0.70%～0.80%,它一方面要保证能与钨、铬、钒形成足够数量的合金碳化物,又要有一定的碳量溶于奥氏体中,使淬火后获得碳含量过饱和的马氏体,以保证高硬度和高耐磨性,以及良好的热硬性。钨是使高速钢具有热硬性的主要元素,W18Cr4V钢在退火状态下钨与钢中的碳形成合金碳化物Fe4W2C,淬火加热时,一部分Fe4W2C溶入奥氏体,淬火后形成含有大量钨及其他合金元素。有很高回火稳定性的马氏体.。在560℃回火时钨又以W2C形式弥散析出,造成二次硬化现象,使钢具有高的热硬性,未溶的合金碳化物起阻碍奥氏体晶粒长大及提高耐磨性作用。铬对高速钢性能的主要影响是增加钢的淬透性并改善耐磨性和提高硬度。钒与碳的结合力比钨或钼大,碳化物很稳定,淬火加热时高温下才可溶解,能显著阻碍奥氏体晶粒长大。并且碳化钒的硬度高,颗粒细小、均匀,对提高钢的硬度、耐磨性和韧性有很大影响,回火时钒也引起二次硬化现象。热处理工艺退火：锻件锻后应立即放入白灰箱或干砂箱中严埋缓冷,冷却后应立即进行退火,退火的目的是为了消除锻造应力,降低硬度以利于切削加工,同时也为随后的淬火作组织准备。W18Cr4V钢常采用等温退火工艺。淬火：W18Cr4V属于高合金工具钢,导热性差,淬火加热时通常要在800℃～850℃进行预热,对于大截面、形状比较复杂的零件,需进行两次预热。W18Cr4V钢的淬火加热温度很高,一般为1270℃～1280℃,在这个温度范围,溶于奥氏体中的合金元素量才会多,淬火后马氏体中的合金元素量相应也高,高速钢的热硬性才会好。淬火冷却一般采用分级淬火或油冷淬火。回火：W18Cr4V钢淬火后残余奥氏体量较多可达30%,为了减少残余奥氏体量,消除应力