铸造合金及其熔炼(铸铁)
熔模铸造合金及熔炼技术
1.3.1超级合金的分类 按合金的基体元素可分为四大类 ●铁基 ●镍基 ●钴基 ●金属间化合物
铁基铸造高温合金（或称为铁-镍-铬 基） 如K213 化学成份为
Cr /% Ni /% W /%
2 我国熔模铸造常用合金
▲铸造炭钢和低合金钢 ▲铸造不锈钢
2.1 我国与发达国家所用熔模铸造 合金对比
铁基合金 非铁合金 超级合金
北美 欧洲 中国
20% 36% 83.7%
31%
49%
12%
52%
16.3%
2.2 铸造碳钢和低合金钢
铸造碳钢和低合金钢是我国熔模铸 造工艺，特别是水玻璃工艺使用最多 的合金。
1.2.3铸造镁合金
镁是最轻的工程金属，密度1.751.85g/cm3 ， 是 纯 铝 的 2/3 。 但 力 学 性 能差，不能用来制造结构零件。加入 铝、锌、锰、稀土的镁合金，可用于 铸造零件。
铸造镁合金经热处理后的性能： 比强度高 减震性好 切削加工性好 抗蚀性差—镁合金铸件要经氧化处 理或涂漆保护
控制好两个温度是获得合格铸件的关键。
常用精铸合金熔点范围如下表。精密铸 造的浇注温度大致为熔点加100-170℃。
3)合金的纯净度高
以钢为例,钢中的有害元素(硫、磷 氧、氮、氢)和非金属夹杂物(氧化物、 硫化物、硫氧化物)降低到一定的低水 平后,钢的性能将产生质的提高,它表 现在以下几方面:
14~16 34~38 4~7
Al /% Ti /% B /% 1.5~2 3~4 0.05~0.1
其余成分为Fe, 价格相对便宜,但高 温性能较差
铸造合金及其熔炼(铸铁熔炼)
第三章 铸造合金及其熔炼
二、铸铁熔炼
铸铁熔炼是铸铁件生产的首要环节，也是决定 铸铁件质量的一项重要因素。它的基本任务是 提供成分和温度符合要求，非金属夹杂物与气 体含量少的优质铁液。
对铸铁熔炼的基本要求可概括为优质、高产、 低耗、长寿与简便等五个方面，即铁液质量高、 熔化速度快、熔炼耗费少，炉衬寿命长及操作 条件好。
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铸造工(高级)
第三章 铸造合金及其熔炼
（5）熔化与出渣 在正常熔化过程中，
应严格控制风量、风压、不得随意停风。按 规定及时取样，测量铁液温度、风量、风压、 风温等。经常观察风口、出渣口、出铁口、 加料口，注意铁液、炉渣质量，风量、风压、 三角试块白口变化。及时发现和排除故障， 保证熔化正常。应按时打开出渣口出渣，一 般每隔30～45min出一次渣。
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铸造工(高级)
第三章 铸造合金及其熔炼
图3-12 冲天炉结构简图
1—炉脚 2—炉底板 3—炉底门 4—风口窥视孔 5—风箱 6—耐火砖
7—加料口 8—烟囱 9—除尘器 10—风口 11—过桥 12—前炉盖 13—前炉窥视孔 14—出渣口及出渣槽
15—出铁口及出铁槽
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第三章 铸造合金及其熔炼
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铸造工(高级)
第三章 铸造合金及其熔炼
从炉渣的颜色、状态可以判断冲天炉的 熔化质量。观察酸性冲天炉炉渣时，一般 用铁棒蘸些炉渣，抽拉成丝，在亮处观察。 炉况正常的炉渣为黄绿色玻璃状。炉渣呈 深咖啡色，说明铁液含硫偏高；炉渣上带 白道或白点，说明石灰石加入量过多；炉 渣呈黑色玻璃状，致密、密度大，说明铁 液已严重氧化。
打炉前，应在炉底铺上干砂不能有积水或潮湿。 打开炉底门，用铁棒将底焦和未熔炉料捅下， 用水浇灭。
铸铁的基础知识
1、铸铁及其熔炼铸铁是指碳的质量分数大于2.14%或者组织中具有共晶组织的铁碳合金。
工业上所用的铸铁，实际上都不是简单的铁-碳二元合金，而是以铁、碳、硅为主要元素的多元合金。
铸铁的成分范围大致为ω（C）=2.4%～4.0%，ω（Si）=0.6%～3.0%，ω（Mn）=0. 2%～1.2%，ω（P）=0.04%～1.2%，ω（S）=0.04%～0.20%。
有时还可加入各种合金元素，以便获得能满足各种性能要求的合金铸铁。
铸铁是近代工业生产中应用最为广泛的一种铸造金属材料。
在机械制造、冶金矿山、石油化工、交通运输和国防工业等各部门中，铸铁件约占整个机器重量的45%～90%。
因此，掌握铸铁的基本理论和生产技术，对于发展铸造生产，充分发挥铸铁件在国民经济各部门中的作用，是很有意义的。
相图是分析合金金相组织的有力工具。
铸铁是以铁元素为基的含有碳、硅、锰、磷、硫等元素的多元铁合金，但其中对铸铁的金相组织起决定作用的主要是铁、碳和硅，因此铁-碳相图和铁-碳-硅三元合金相图是分析铸铁的成分与组织的关系以及组织形成过程的基础。
2、铸铁的基础知识——铁-碳相图——铁—碳相图分析由于铸铁中的碳可能以渗碳体（Fe3C）或石墨两种独立的形式存在，因而铁、碳相图存在着Fe-G（石墨）和Fe-Fe3C两套体系，即铁-石墨系和铁-渗碳体系。
从热力学观点看，石墨比渗碳体更稳定，因此，铁-石墨系也称为稳定系，而铁-渗碳体系称为亚稳定系。
图2. 1-1所示为铁碳合金双重相图，即Fe-G（石墨）稳定系相图和Fe-Fe3C亚稳定系相图，分别以虚线和实线表示。
表2.1-1为相图中临界点的温度及含碳量。
铁-碳相图中各临界点的温度及含碳量Fe-G（石墨）相图和Fe-Fe3C相图的主要不同处在于：1）稳定系的平衡共晶点C'的成分和温度与C点不同体（两相组成莱氏体）2）稳定平衡的共析点S，的成分和温度与S点不同在Fe-C相图中稳定系的共晶温度和共析温度都比亚稳定系的高一些。
铸造合金及其熔炼
答：蠕墨铸铁中硅量通常是用来调整机体组织的，随着硅含量的增加基体中珠光体量减少，而铁素体含量增加，而硅含量过低会产生白口。锰在常规含量范围内对石墨的蠕化无影响。锰在铸铁中其稳定珠光体的作用。
17铸铁中加入合金元素，进行合金化的目的。
答：1.细化石墨和共晶团2. 增加基体中珠光体的含量，并使珠光体的片间距细化；3.生成碳化物或含有合金元素的复合磷共晶等硬化相；4.提高渗碳体的热稳定性，防止珠光体在高温下发生分解，提高铸铁的耐热性。
29.分析冲天炉风口以上的炉气成分及含量分布。
30.说明对铸造用铁液铁液质量的基本要求。
答：1.出炉温度：满足下列要求
8.说明S\P含量对铸铁石墨化合机械性能的影响
答：S：阻碍石墨化，易形成P（珠），结晶前沿形成低熔点偏析层，使Fe、C结合力上升。
P:影响不大，C‘左移，Tc’下降
9.灰铸铁件进行低温退火和高温退火的目的是什么？
答：低温退火：消除内应力的热处理，亦称热时效。高温退火：改善加工性能的降低硬度（去除铸件内残留的少量自由碳化物）的热处理。
D.焦炭块度小，表面积增大，与铁水接触多，增碳；
E.铁液在炉缸中停留时间长，接触时间长，增碳；
F.送风强度小，熔化率下降，铁液在过热区停留时间长，增碳；
G.无前炉，铁水在炉缸内停留时间长，增碳；
H.炉渣，有利于增碳，提高碱度。
27.指出冲天炉熔化铁水时，影响增硫和脱硫的因素，并介绍一种炉外脱硫的方法。
18.试论述加速黑心可锻铸铁退火过程的途径和措施
答：在第二阶段石墨化过程中，可以采用从780°左右开始逐步缓缓冷却，通过共析区域的方法进行，一般以3~5℃ /h的速度通过共析转变温度区，奥氏体直接转化为铁素体加石墨。这一方法石墨化速度可较快些，但控制冷速是很重要的。
铸造合金及其熔炼(铸铁熔炼)
第三章 铸造合金及其熔炼
以上均为氧化放热反应，根据上述反应及 图3-13可见，在氧化带内：
①焦炭燃烧生成的炉气，既有二氧化碳，也有一 氧化碳，但主要是二氧化碳。
②从主排风口开始，随着炉气的上升，反应不断 进行，炉气中的氧逐渐减少，二氧化碳不断增 加。当上升到氧化带顶面时，炉气的氧基本耗 尽，氧化反应终止，二氧化碳达到最高值。
图3-13 冲天炉熔炼过程原理图
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第三章 铸造合金及其熔炼
1）预热区 从加料口下沿料面到铁料开始熔化这 段高度为预热区。预热区的炉料在下降过程中， 与上升的炉气之间的热交换方式以对流为主，金 属料逐渐被加热至熔化温度。
预热区高度受有效高度、底焦高度、炉内料面的 实际位置、炉料块度、炉料下落速度、炉气分布、 铁焦比等许多因素的影响，波动很大。其中金属 料的块度特别重要。金属料的块度愈大，预热所 需的时间愈长，预热区高度愈大，严重时金属料 块可能进入风口区，造成“落生”现象，妨碍冲 天炉的正常操作。因此应限制金属料的块度。但 金属料的块度也不能过小，以免造成严重氧化。
铸铁熔炼可以用冲天炉、非焦化铁炉、电炉、 反射炉、坩锅或冲天炉与电炉双联等方法，其 中以冲天炉熔炼的应用最为广泛。
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铸造工(高级)
第三章 铸造合金及其熔炼
1. 冲天炉的结构（图3-12）
冲天炉的类型很多，但基本结构大体相 同。常用的冲天炉由四部分组成：炉底部 分、炉身部分（包括送风系统）、前炉部 分、炉顶部分（烟囱及除尘系统）。
修炉完毕，用木柴或烘干器慢火充分烘干前、后 炉。前炉必须烘透，以保证铁液温度。
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铸造工(高级)
第三章 铸造合金及其熔炼
（3）点火与加底焦 烘炉后，加入木柴，引
铸造合金及熔炼
球墨铸铁
3.球墨铸铁孕育处理的目的？孕育的方法主要有哪些？ a.消除结晶过冷倾向 b.促进石墨化 c.b.瞬时孕育
冲天炉
冲天炉的基本结构： 1.炉底与炉基：支撑作用 2.炉体与前炉：炉体包括炉身和炉缸
3.烟囱和除尘装置（9）
碳钢
碳钢主用应用于重型的和承受重载荷的机械 零件部位。通常对碳钢件要进行热处理来完善 性能，热处理的目的是细化晶粒，消除魏氏体 和消除铸造应力。热处理的方法有退火，正火 和正火加回火。
球墨铸铁
球墨铸铁是强韧铸铁的一种，与灰铸铁相比较，其组织上最 大的差别是石墨形状的改变，从而具有较高的强度。 1.球化元素：加入铁液中能使石墨在结晶过程中生长成球状 的元素称为球化元素。 2.球化处理的方法。 a.冲入法（如左图所示） b.型内球化法：通过把球 化剂及孕育剂放置在浇注系 统中特设的一个反应室内， 使铁液在流经浇注系统时和 反应室内球化剂作用，而得 到球墨铸铁的一种处理方法。
4.送风系统（4） 5.热风装置
6.风机
焦炭
焦炭是冲天炉熔炼的重要的组成部分 1.焦炭的反应能力：指焦炭还原CO2的能力，通常以 R表示，指CO2通过900℃的焦炭粒，测定反应后的气体 成分。 2.根据冲天炉内焦炭存在的状态，冲天炉内可以划 分为预热区、熔化区、过热区和炉缸区。
铸钢
高锰钢
由于钢具有高的强度和良好的韧性，在机械制造业 种的应用更为广泛
铸造合金及其熔炼
灰铸铁
铸铁
1.定义：铸铁是指含碳量大于2.14%或者组织中具有共晶组 织的铁碳合金。 2.分类：按照铸铁的断口色泽，可将铸铁分为：灰口、白口、 麻口三大类。
灰铸铁
1.灰铸铁的金相组织由金属基体和片状石墨所组成。 2.其中石墨在铸铁中的形态有着重要的影响。石墨的缺口作
铸造合金及其熔炼---第1章 铸铁的结晶及组织的形成
第三节 铸铁的固态相变
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一、A中碳的析出
稳定系 A A+ G 亚稳定系 A A+ Fe3C
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二、铸铁的共析转变
1、形貌 片状Fe3C G （难存在） 2、形核 白口铁 先Fe3C、后F 灰口铁 先G 、后F 3、生长 过冷度大、片小、晶细
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三、过冷A的中低温转变
（以 C曲线介绍即可） A B下、 B上、 M、 A
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（四）影响A枝晶数量、粗细的因素
（骨架 对组织性能影响很大）
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1、合金元素的影响
Si/C比的影响（相同碳当量） 越大，初析 A 增多 图 1-5 C%增大，枝晶细化 图 1-6
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其它元素ห้องสมุดไป่ตู้ S的影响：增大，粗化 V、Ti促使A形成并细化 其它元素有待研究 2、冷却速度 越大，A越多，并细化 （五）初始A的显示方法（自己看）
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二、铁 -碳双重相图及分析
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1、共晶系：L----A+G L----A+Fe 3C 2、共析系：A----F+G A----F+Fe 3C 按那个转变与什么有关？ 3、应用： 应用：按那个转变与什么有关？ 冷却速度 化学成分 C Si
三、铁 -碳-硅准二元相图
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1、A和Fe3C以片状协同生长（莱氏体） 侧向蜂窝状结构
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2、板条状Fe3C+A（离异型共晶体） 过冷度大时易形成 3、加稀土元素变质处理细化 图1-21
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铸造合金及其熔炼-铸钢、有色
第二章 铸造碳钢
2.1 铸造碳钢的牌号及力学性能 工程用铸造碳钢大体上是按其强度划分牌号的，我国按照ISO标准，根据 标准， 工程用铸造碳钢大体上是按其强度划分牌号的，我国按照 标准 室温下的屈服强度和抗拉强度进行分级，将一般工程用铸造碳钢分为ZG200室温下的屈服强度和抗拉强度进行分级，将一般工程用铸造碳钢分为 400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-6405个牌号。下表给 个牌号。 、 、 、 和 个牌号 出了我国一般工程用铸造碳钢5个牌号的成分特点和其对应的力学性能 个牌号的成分特点和其对应的力学性能。 出了我国一般工程用铸造碳钢 个牌号的成分特点和其对应的力学性能。
School of Materials Science and Engineering
相析出。 相的析出， 体α相析出。随着 相的析出，剩余奥氏体的含碳量上升。当温度达到共析转变温度 相析出 随着α相的析出 剩余奥氏体的含碳量上升。 发生共析转变，形成珠光体。结晶过程完，钢的组织不再变化。 时，发生共析转变，形成珠光体。结晶过程完，钢的组织不再变化。 （3）铸态组织 铸态组织 特征：晶粒粗大，有时还有魏氏（网状）组织。 特征：晶粒粗大，有时还有魏氏（网状）组织。 与热处理后的组织相比，铸态组织的晶粒较粗大， 与热处理后的组织相比，铸态组织的晶粒较粗大， 而且存在柱状晶区， 而且存在柱状晶区，铸件断面上典型 的晶粒分布见 右图。 右图。 魏氏组织： 魏氏组织：魏氏体组织 形态见右下图。铁索体在 奥氏体晶粒内部以一定的方向呈条状析出。这种形态 的铁素体常出现在中等含碳量，特别是壁较薄的铸件 中。通过热处理，可使魏氏体组织转变为更稳定的粒 状组织形态。 2.3 碳钢铸件的热处理、金相组织及力学性能。 碳钢铸件的热处理、金相组织及力学性能。 目的：细化晶粒，消除魏氏体(或网状组织 或网状组织)和消除铸 目的：细化晶粒，消除魏氏体 或网状组织 和消除铸 造应力。热处理方法有退火、正火或正火加回火。 造应力。热处理方法有退火、正火或正火加回火。
《铸造合金及其熔炼》总结
《铸造合金及其熔炼》总结前言：全书一共有三部分组成第一篇铸造及其熔炼主要讲的是几种铸铁和铸铁的熔炼重点在第一章，主要内容为铸铁的凝固剂组织形成的基本理论；熔炼部分重点为冲天炉熔炼。
第二篇铸钢及其熔炼，主要讲的是各种铸钢和铸钢的熔炼重点为铸造低合金钢、电弧刚及钢液的炉外精炼。
第三篇铸造非铁合金及其熔炼主要的内容是铝铜等其他非铁合金的性能及其熔炼方法，重点为铸造铝合金及其变质、精炼。
第一篇铸造及其熔炼合金相图是分析合金相组织的有用工具。
通过铁碳合金相图可以知道各种相得相变温度，合金成分含量，为热加工等工艺提供基础2。
铸铁的生产主要讲解了灰铸铁、强韧铸铁、以及其他特种性能铸铁（减摩铸铁，冷硬铸铁，抗磨铸铁，耐热的铸铁，耐腐蚀铸铁）的力学性能特点机械性能特点，金相组织的性能特点，以及铸铁的生产、分类和牌号。
（1）影响铸态组织的因素冷却速度的影响化学成分的影响铁液的过热和高温静止的影响孕育的影响炉料的影响3 铸铁的熔炼--- 冲天炉熔炼1 、冲天炉熔炼基本原理（1）底焦燃烧：冲天炉底焦燃烧可以划分为两个区带：A 、氧化带：从主排风口到自由氧基本耗尽，二氧化碳浓度达到最大值的区域。
B 、还原带：从氧化带顶面到炉气中[CO2]/[CO] 浓度基本不变的区域，从风口引入的风容易趋向炉壁，形成炉壁效应，形成一个下凹的氧化带和还原带，对熔化造成不利影响。
①不易形成一个集中的高温区，不利于铁水过热；②加速了炉壁的侵蚀；③铁料熔化不均匀，铁液不易稳定下降, 影响化学成分。
解决方法：①采用较大焦炭块度，使风均匀送入；②采用插入式风嘴；③采用曲线炉膛；④采用中央送风系统；⑤熔炼过程中为使焦炭不易损耗，送风量要与焦炭损耗相适应。
根据炉气、炉料、铁水浓度和温度，炉身分为4 个区域：（1）预热区（2）熔化区（3）过热区4）炉缸区。
：冲天炉熔炼过程在熔化过程中底焦燃烧而消耗，为了保证整个熔炼过程连续正常进行就必须及时得补充底焦，以此来始终保持底焦的高度。
铸造合金及其熔炼---教学大纲
《铸造合金及其熔炼》课程教学大纲课程代码：050141002课程英文名称：Casting Alloy and Smelting课程总学时：56讲课：48实验：8上机：0适用专业：材料成型及控制工程专业大纲编写(修订)时间：2017、7一、大纲使用说明(一)课程的地位及教学目标《铸造合金及其熔炼》课试材料加工及控制工程专业的骨干课之一，本课程的教学目的是使学生掌握常用铸铁的成分、组织、性能及其内在联系，掌握铸铁结晶凝固的基本原理及结晶凝固过程对组织形成的影响，掌握铸铁熔炼的基本原理，了解各种铸铁的生产方法及冲天炉的操作工艺，为获得合格的铸铁件奠定合金及熔炼方面的基础。
掌握铸造碳钢、低合金钢、高合金钢的化学成分、金相组织、力学性能的关系，掌握铸钢结晶凝固的基本原理及结晶凝固过程对组织形成的影响，掌握合金元素在铸钢中的作用，掌握炼钢工艺特点，了解炼钢设备的基本构造。
掌握常用的铸造铝合金、铸造铜合金的成分、组织、性能及应用的关系，掌握合金的铸造性能及熔炼工艺原理的基础知识，常用合金及其典型熔炼工艺。
了解铸造镁合金、钛合金的基本知识。
(二)知识、能力及技能方面的基本要求(1).掌握常用铸铁的成分、组织、性能及其内在联系的规律性，掌握铸铁结晶凝固的基本原理及结晶凝固过程对组织形成的影响，掌握常用合金元素的作用。
(2).了解孕育机理、球化机理及固态石墨化机理，了解各种铸铁的生产方法。
(3).掌握冲天炉熔炼的基本原理和获得高温优质铁水的途径。
(4).了解冲天炉的结构、操作工艺和熔炼过程的控制方法。
(5).全面、系统的讲授常用的铸造碳钢及铸造合金钢的牌号、化学成分、组织与性能，掌握铸铁结晶凝固的基本原理及结晶凝固过程对组织形成的影响，阐明铸态组织的形成机理和热处理方法。
(6).介绍国内外在铸钢材料方面的研究成果、发展方向及动态，以扩大思路，开阔眼界。
(7).讲授电弧炉炼钢及感应炉炼钢的工艺过程，阐明炼钢过程中各期主要的物理化学反应，对钢水质量和铸件质量的影响。
铸造合金及其熔炼(铸钢及其熔练)
铸造工(高级)
第三章 铸造合金及其熔炼
3）其它辅料 有氧化剂、还原剂 （脱氧剂）、增碳剂和造渣剂等。 电弧炉用的氧化剂有铁矿石和氧气； 还原剂有锰铁、硅铁、铝、焦炭等；增 碳剂有碎电极、焦炭及专用商品增碳剂； 造渣剂有石灰石、石灰和氟石等。 所有炉料应分类妥善保管，严防混 杂和潮湿。
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铸造工(高级)
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铸造工(高级)
第三章 铸造合金及其熔炼
第三节 铸造非铁合金及其熔炼
一、铸造铜合金 1. 铸造青铜 （ 1 ）铸造锡青铜 锡青铜具有良好的耐磨性、耐蚀性， 同时还具有足够的强度和一定塑性，常用于制造耐磨和耐 蚀零件，如轴套、轴瓦和要求耐蚀的管配件、阀门、泵体 等。铸造锡青铜的锡的质量分数一般在4%～10%范围内。增 加锡量，使塑性下降而强度增高。锡量较高，易产生“锡 汗”。 锡青铜不易形成集中缩孔，所以不用很大的补缩冒口。其线 收缩率不大，铸件变形、缩裂的倾向较小。 为了进一步改善锡青铜的性能，常加入一些锌、铅、磷、 镍等元素。 铸造锡青铜的牌号、成分及性能见表2-11。
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铸造工(高级)
第三章 铸造合金及其熔炼
装料完毕，盖好炉盖，检查无误即可通电熔化。炉料的 熔化过程是电极下面的炉料先被熔化，形成三个熔井，随后 电极不断向下移动，炉料不断熔化，经15～25min即达最低位 置，形成三个小井，即所谓“穿井”。随着熔化的进行，炉 底钢液液面上升，电极也应相应地向上回升。于是电极周围 的炉料就会塌落下来，即所谓“塌料”。这样，炉料被逐渐 熔化。为加快熔化过程，可以人工用耙子将边缘离电极较远 而不易被熔化的炉料推到电极下面，这种操作称为“推料助 熔”。在炉内有一定钢液后，也可采取“吹氧助熔”的方法 来加速炉料的熔化。吹氧压力一般控制在0.5MPa左右。吹氧 管从炉门插入钢液内吹氧，但不能深入到炉底或靠近炉壁以 防损坏炉衬。 在熔化过程中，应造好炉渣。目的是为了覆盖钢液，避 免钢液直接暴露在电弧下而吸气和氧化，并在熔化期就能够 脱去一部分磷，同时可稳定电弧。
铸造工程学-铸造合金及熔炼
在铸造过程中，由于合金的收缩特性以及模具结构设计不当等原因，容易导致铸件出现缩孔与缩松缺 陷。这些缺陷会导致铸件局部强度和致密度下降，影响其机械性能和耐腐蚀性。
裂纹与变形
总结词
裂纹与变形是铸造合金冷却和加工过程中常见的问题，会导致铸件报废。
详细描述
在铸造过程中，由于冷却速度过快、模具设计不合理、浇注系统不当等因素，容易导致 铸件出现裂纹与变形缺陷。裂纹会导致铸件强度下降，变形则会使铸件无法满足精度要
熔炼的基本原理
熔炼是指将金属材料加热至熔点以上，使其成为液态，并加入所需的合金元素，通 过搅拌和化学反应等手段，使合金成分均匀混合的过程。
熔炼过程中，金属材料的熔点、密度、粘度等物理性质和化学性质都会发生变化， 这些变化对熔炼过程和产品质量产生重要影响。
熔炼过程中需要控制温度、压力、气氛等工艺参数，以确保合金成分的准确性和均 匀性，以及避免金属氧化、吸气等不良现象。
熔炼温度控制
严格控制熔炼温度，以保 证合金成分的均匀性和避 免烧损。
合金的熔炼与搅拌
通过搅拌和合金化处理， 确保合金成分均匀分布， 提高合金性能。
精炼与除渣
精炼
通过除气、去除非金属夹杂物等手段，提高合金的纯净度。
除渣
去除熔融金属中的熔渣和杂质，以保证铸件的质量和性能。
浇注与冷却
浇注
将熔融金属浇注入铸型中，形成符合要求的铸件。
熔炼技术的创新与改进
真空熔炼技术
利用真空技术进行合金熔炼，可 去除有害气体和杂质，提高合金
的纯净度和质量。
电渣重熔技术
通过电流作用下的熔渣进行二次熔 炼，使金属更加纯净和致密，提高 材料的机械性能。
定向凝固技术
使合金在凝固过程中保持一定的结 晶方向，提高材料的定向性能和机 械强度。
铸造合金及其熔炼
铁－碳双重相图
0.68
2.08
1154℃
738℃
L+G
A+G
F+G
E’
C’
4.26
S’
A
B
C
D
F
G
H
J
N
K
P
P
S
Q
L
E
L+
+
+
L+
+ Fe3C
+ Fe3C
L+Fe3CI
*
为了便于比较，习惯上把两个相图画在一起。此种合二为一的相图称铁－碳双重相图
0.68
2.08
1154℃
738℃
L+G
A+G
工艺
快速冷却——按 Fe-Fe3C相图转变 缓慢冷却——按 Fe－G 相图转变，石墨化充分 温度：高温长时间保温有利于石墨化
冷却速度：
*
影响石墨化程度的主要因素
碳以石墨形式析出的现象称为石墨化。
(1)、化学成分
1
碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的元素。含碳愈高，析出的石墨愈多、石墨片愈粗大。 硅是强烈促进石墨化的元素，随着含硅量的增加，石墨显著增多。 所以：当铸铁中碳、硅含量均高 时，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金属基体中铁素体增多，珠光体减少。
G 抗拉强度约为20MPa 、 伸长率和韧性几乎为零， 硬度仅为3HB。 铸铁的力学性能主要取决于基体组织及石墨的数量、形状、大小和分布。 分布于基体上的石墨可视为空洞或裂纹.
*
⑸ 切削性能好。
⑴ 力学性能低。
G → 分布于基体中 → 空洞、裂纹→ 有效承载面积降低 、受力时石墨尖端处产生应力集中→ 力学性比碳钢↓
铸造合金及其熔炼
第一章1.铁碳相图的二重性从热力学观点上看，Fe-Fe3C相图只是介稳定的，Fe-C（石墨）相图才是稳定的。
从动力学观点看，在一定条件下，按Fe-Fe3C相图转变亦是可能的，因此就出现了二重性。
2.对比Fe-G和Fe-G-Si准二元相图，硅的作用有如下各点：1、共晶点和共析点含碳量随硅量的增加而减少。
2、硅的加入使相图上出现了共晶和共析转变的三相共存区。
（共晶区：液相、奥氏体加石墨；共析区：奥氏体、铁素体加石墨）3、共晶和共析温度范围改变了，硅对稳定系和介稳定系的共晶温度的影响是不同的。
4、硅量的增加，还缩小了相图上的奥氏体区。
实际意义：对分析铸铁的凝固过程、组织形成以及制定热处理工艺。
3.碳当量和共晶度的意义及表达式。
碳当量：CE=C+1/3(Si+P) 根据各个元素对共晶点的影响，将这些元素的量折算成碳量的增减。
共晶度：Sc=C铁/Cc=C铁/（4.26%-1/3（Si+P））C铁——铸铁实际含碳量（%）Cc——稳定态共晶点的含碳量（%）Si、P——铸铁中硅、磷含量（%）如Sc＞1为过共晶、Sc=1为共晶、Sc＜1为亚共晶成分铸铁。
4.初析石墨的结晶和初析奥氏体的结晶铸铁从液态转变成固态的一次结晶过程，包括初析和共晶凝固两个阶段初析石墨的结晶：当过共晶成分的铁液冷却时，先遇到液相线，在一定的过冷下便会析出初析石墨的晶核，并在铁液中逐渐长大。
初析奥氏体的结晶：当凝固在平衡条件下进行时，只有当化学成分为亚共晶时才会析出初析奥氏体。
非平衡条件下，铸铁中存在一个共生生长区，而且偏向石墨的一方，因而在实际情况下，往往共晶甚至过共晶成分的铸铁在凝固过程中也会析出初析奥氏体。
5.亚共晶灰铸铁共晶转变工程示意图（文字）看书6.球墨铸铁共晶转变示意图。
（文字）看书课后习题：分析讨论片状石墨、球状石墨的长大过程及形成条件。
第二章灰铸铁的金相组织特点：由金属基体和片状石墨组成，还有少量的非金属夹杂物。
灰铸铁的性能特点：1、强度性能较差（石墨的缩减作用、缺口作用）2、硬度的特点（布氏硬度和抗拉强度比值不恒定）3、较低的缺口敏感性4、良好的减震性5、良好的摩擦性缩减作用：由于石墨在铸铁中占有一定量的体积，使金属基体承受负荷的有效截面积减少。
铸造合金及其熔炼
铸造合金及其熔炼铸造合金是指由两种或两种以上的金属混合而成的材料，通常用于制造复杂形状的零件。
铸造合金具有较高的强度、韧性和耐磨性，同时还具有一定的耐腐蚀性和抗氧化性能。
它们通常用于制造高负荷运行的机械部件、汽车和航空航天零件、医疗设备和通信设备等领域。
铸造合金通常是通过熔炼过程制造的。
熔炼是将金属加热到其熔点以上，使其融化成为液态的过程。
在熔炼过程中，金属经历了一系列化学反应，例如氧化、还原、溶解和合金化等反应。
这些反应是产生所需铸造合金的关键。
在熔炼过程中，金属通常被加入到熔炉中。
熔炉是一种大容量的设备，用于加热和融化金属。
熔炉可以分为燃气熔炉、电弧炉和感应炉等几种类型。
其中，电弧炉是最常用的类型，它通过电极放电产生高温，将金属加热到液态。
熔炼时必须控制热量和化学成分，以产生所需的铸造合金。
在熔炼过程中，需要添加一些合金元素以改善铸造合金的性能。
例如，铝可以用于提高铸造合金的强度和耐腐蚀性，钛可以用于提高铸造合金的高温性能，铜可以用于提高铸造合金的导热性等。
这些合金元素通常以块状添加到熔炉中，随着金属的融化，它们逐渐溶解并与其他金属元素形成一种均匀的合金混合物。
一旦合金达到了所需的化学成分和温度，就可以进行铸造过程。
铸造是将液态合金倒入模具中，并使其冷却硬化的过程。
在铸造过程中，有两个关键的因素：一是铸造温度，二是冷却速度。
控制这两个因素可以获得所需的铸造合金性能。
铸造合金的性能取决于其化学成分、铸造温度和冷却速度等因素。
高强度和高耐磨性的合金通常需要较高的铸造温度和较快的冷却速度。
然而，在某些情况下，较慢的冷却速度可能会导致更优良的铸造合金性能，例如抗腐蚀性能和高温氧化性能等。
因此，在生产铸造合金时必须进行适当的试验和分析，以确保所产生的合金具有所需的性能。
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左边的元素促进石墨化，右边的元素阻碍 石墨化，距铌越远作用越强烈。由此可知， 铸铁中的含量较多的碳、硅、锰、磷、硫都 会影响石墨化的进行
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第石墨化的元素，通 过调整碳和硅的含量可以控制灰铸铁的组织和性能。 灰铸铁碳的质量分数大多在2.6%～3.6%，硅的质量 分数在1.2%～3.0%。
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第三章 铸造合金及其熔炼
第一节 铸铁及其熔炼
一、铸铁 铸铁是一种以铁、碳、硅为基础的多元合 金，此外，还含有锰、磷、硫等元素。有时 为了改善铸铁的性能，还可加入铜、铬、钼 等合金元素。铸铁碳的质量分数一般在 2.4%～4.0% 。常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸 铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。
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第三章 铸造合金及其熔炼
图3-1 灰铸铁的组织
a)铁素体灰铸铁 b)铁素体-珠光体灰铸铁 c)珠光体灰铸铁
灰铸铁中存在的片状石墨，一方面减少了金属基体的 承载面积，另一方面石墨片的尖角处造成了应力集中，所 以，灰铸铁的抗拉强度较差，塑性较低。由此可见片状石 墨的数量大小和分布状况是影响灰铸铁性能的主要因素。
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第三章 铸造合金及其熔炼
图3-4 铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸铁组织的影响
Ⅰ-白口铸铁区 Ⅱ-麻口铸铁区 Ⅲ-珠光体灰铸铁区 Ⅳ-珠光体加铁素体灰铸铁区 Ⅴ-铁素体灰铸铁区
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（4）孕育铸铁
第三章 铸造合金及其熔炼
向碳、硅含量较低的铁液中加入一定数 量的孕育剂，造成人工晶核，改变铁液的结 晶条件，从而细化共晶团，改善石墨的尺寸 及分布，提高灰铸铁的力学性能。这种灰铸 铁叫孕育铸铁。 孕育铸铁生产的关键是原铁液化学成分的 选择、孕育剂、孕育处理方法及炉前控制。
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第三章 铸造合金及其熔炼
（2）化学成分对灰铸铁组织和性能的影响
灰铸铁的化学成分除了含有碳、硅、锰、 磷、硫五种主要元素外，还含有一些其它元 素，各种元素及其含量都对灰铸铁的性能产 生不同影响。 铸铁的组织取决于石墨化程度，研究化学 元素对灰铸铁组织的影响，主要研究化学元 素对石墨化的影响。
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第三章 铸造合金及其熔炼
图3-5 三角试块的形状及尺寸
表3-2
牌号 HT350 HT300 HT250
孕育前后的试块白口宽度
孕育前的白口宽度 12～ 24 8～ 18 6～ 12
（单位：mm）
5～ 10 4～ 8 3～ 7
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孕育后的白口宽度
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第三章 铸造合金及其熔炼
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第三章 铸造合金及其熔炼
第三章
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铸造工(高级) 培训要点：
第三章 铸造合金及其熔炼
重点掌握各种铸造合金的牌号及性能； 化学成分对灰铸铁、球墨铸铁性能的影响； 孕育铸铁、球墨铸铁的生产技术； 冲天炉熔炼操作工艺、一般过程和基本原理； 熔炼配料计算方法； 了解各种铸造合金的发展趋势； 了解铸钢和非铁合金的熔炼过程及主要设备。
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第三章 铸造合金及其熔炼
灰铸铁的力学性能是由金属基体组织及石墨 形态决定的。分为以下三种： 1) 铁素体灰铸铁 在铁素体基体上分布着粗 大的片状石墨，其强度、硬度都较低； 2) 铁素体-珠光体灰铸铁 在铁素体和珠光 体基体上分布着细小的片状石墨，其强度、 硬度都比铁素体灰铸铁为高； 3) 珠光体灰铸铁 在珠光体基体上分布着细 小的片状石墨，具有较高的硬度，在灰铸 铁中强度最高。
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第三章 铸造合金及其熔炼
为缩短从孕育到凝固的时间，防止孕育衰退， 加强孕育效果，减少孕育剂用量，目前已发展 了许多瞬时孕育方法，如浇包漏斗随流孕育、 硅铁棒孕育、喂丝孕育、型内孕育等。 孕育剂的加入量应严格控制。孕育剂的加入 量与铁液成分、铸件壁厚、孕育剂种类和孕育 方式有关。一般炉前孕育的加入量为铁液重量 的0.2%～0.5%，瞬时孕育为0.08%～0.2%。
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第三章 铸造合金及其熔炼
3）孕育处理方法 一般孕育处理的方法是将 孕育剂均匀地加在出铁槽的铁液流上，使其 随铁液冲入铁液包内。孕育剂的加入时间应 占出铁时间的60%以上，并在出铁接近三分 之一时加入，保证孕育剂与铁液均匀混合。 出铁完毕后可适当搅拌。这种孕育处理方法 又称炉前孕育或一次孕育。孕育处理后的铁 液应在规定时间内浇完，以防孕育衰退。
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第三章 铸造合金及其熔炼
铸铁中的元素按其对石墨化影响的不同， 可分为促进石墨化和阻碍石墨化两大类。
促进石墨化元素 阻碍石墨化元素
Al，C，Si，Ti，Ni，Cu，P，Co，Zr，Nb，W，Mn，Mo，S，Cr，V，Fe，Mg，Ce，B ＋ ————————————————○——————————————————— －
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第三章 铸造合金及其熔炼
3）磷 磷使铸铁的共晶点左移，其作用程度和 硅相似，故计算碳当量时，应计入磷的含量。
当磷的质量分数大于0.3%时，会生成硬而脆，且 熔点低的磷共晶，常以网状分布在晶界上，使铸 铁脆性增加。降低铸铁的力学性能尤其是韧性和 致密性。磷量高往往是铸件产生冷裂的原因。但 磷共晶能提高铸件的耐磨性，且磷能降低铸铁的 熔点和共晶温度，提高铁液的流动性，改善铸造 性能。一般灰铸铁，磷的质量分数不应超过 0.2% ； 高强度灰铸铁的磷的质量分数应控制在0.12%以下； 有致密性要求的，磷的质量分数需低于0.06%；有 耐磨和高流动性要求的磷的质量分数可达 0.3% ～ 1.5%。
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第三章 铸造合金及其熔炼
1）原铁液化学成分的选择 选择适宜的碳、硅含量（碳当量）的原铁 液，是生产孕育铸铁的关键。碳、硅含量过 高不经孕育处理就是灰口组织，孕育处理反 而造成石墨粗大，使强度下降；碳、硅含量 过低，则增加熔炼困难，降低铸造性能，增 加孕育剂消耗。因此，一般选择位于铸件组 织图上麻口区内或白口区域边缘（靠近麻口 区）的成分，在孕育处理后，就可使铸铁转 入珠光体区域。见图 3-3 。一般原铁液的碳 的质量分数为2.8%～3.3%，硅的质量分数为 1.0%～1.6%。
此外，炉前采用的检查方法还有炉前快速化 学分析法、直读光谱分析法、热分析法、炉前 快速金相法等。
5）孕育铸铁的组织和性能 孕育铸铁的 组织，是在致密的珠光体基体上，均匀地分 布着细小的片状石墨，所以孕育铸铁的强度、 耐磨性等均比普通灰铸铁高。另一特点是断 面敏感性小。但减震性、缺口敏感性略低于 普通灰铸铁。由于碳、硅含量低，所以流动 性差，收缩较大。
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第三章 铸造合金及其熔炼
4）炉前控制 在生产过程中，为及时检查铁 液的化学成分，确定孕育剂的加入量并检查 孕育效果，避免浇注后出现废品，必须在炉 前采取简单、迅速、较正确的检查，并据此 采取相应的措施。 炉前常用的检查方法是三角试块白口检 测。三角试块的形状和尺寸见图3-5。试块 一般采用干型立浇。浇注后待其冷却至暗红 色后放入水中激冷，然后敲断，观察断口处 的颜色、晶粒大小，并测量白口宽度。白口 宽度与铸铁牌号的对应关系见表3-2。
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第三章 铸造合金及其熔炼
4）合金元素 灰铸铁的低合金化是提高其力学性能、 使用性能及节省材料的重要途径，低合金灰铸铁可 以含有一种或几种合金元素，其总的质量分数一般 在3%以下，合金元素的作用主要有以下几方面： 改善并显著提高铸铁的力学性能，增加硬度； 增加铸件性能的均匀性，降低断面敏感性； 改善铸件的塑性； 改善铸铁的高温及低温性能； 提高铸铁热处理的淬透性及改善耐磨性。 常用的合金元素有：铬、镍、钼、铜、钒、锡、 钛、硼等。
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第三章 铸造合金及其熔炼
图3-3 铸件组织图
Ⅰ—白口区 Ⅱa—麻口区 Ⅱ、Ⅱb. Ⅲ—灰口区
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第三章 铸造合金及其熔炼
锰在孕育铸铁中的作用，除中和硫外， 还能增加珠光体含量。所以，孕育铸铁 锰的质量分数含量一般较高，为 0.8% ～ 1.0%。 硫、磷作为有害元素，都会降低铸铁强 度，应加以限制，一般硫的质量分数限 制 在 0.1% 以 下 ， 磷 的 质 量 分 数 限 制 在 0.15%以下。
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第三章 铸造合金及其熔炼
（5）灰铸铁的发展（自学） 目前，全世界铸铁生产中，灰铸铁约占 60%～80%以上。因此不断提高灰铸铁的力学性 能，发展高强度灰铸铁时铸铁材质发展的重要 方向之一。其途径有： 加强孕育剂的研究和运用； 调整铁液的化学成分； 附加合金元素； 通过微量元素的变质行为改善石墨形态； 增加废钢用量。
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1. 灰铸铁
第三章 铸造合金及其熔炼
（1）灰铸铁的牌号及性能 抗拉强度是灰铸铁 最主要的力学性能，灰铸铁的牌号是按其大 小来区分的，根据GB9439-1988《灰铸铁件》 的规定，按单铸φ30mm试棒的抗拉强度值将 灰铸铁分为六种牌号，见表3-1。
表3-1 按单铸试棒性能分类
牌号 HT100 HT150 HT200 抗拉强度 σ b/MPa≥ 100 150 200 牌号 HT250 HT300 HT350 抗拉强度 σ b/MPa≥ 250 300 350
碳是构成石墨的元素，铁液中碳的质量分数越高，石墨 的数量也就越多。硅是促进石墨化的元素。当硅的质量分数 在 1.0%～ 2.0%范围内增加时，硅促进石墨化的作用特别强 烈。一般以碳当量综合考虑碳和硅的影响。 碳当量过高，促使灰铸铁石墨片变粗、数量增多，基体 中铁素体量增多，强度和硬度下降。碳当量过低，铸铁易出 现麻口或白口组织，会导致灰铸铁铸造性能降低、铸件断面 敏感性增大、内应力增加，强度下降，硬度上升加工困难。 因此，必须选取合适的碳硅量，使灰铸铁碳当量控制在合适 的范围内。