常用铸造合金及其熔炼
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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铸造工(高级)
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。
铸造有色合金及其熔炼
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04
熔化
合金在高温下由固态变为液态 ，发生物理变化。
氧化
合金在熔炼过程中与空气中的 氧气发生化学反应，形成氧化
物。
脱气
去除合金中的气体，如氢气和 氧气。
成分调整
通过添加或去除合金元素，调 整合金的化学成分。
合金元素的熔炼行为
溶解
合金元素在液态合金中溶解， 形成固溶体。
析出
合金元素以化合物形式从液态 合金中析出。
铸造有色合金及其熔炼
• 引言 • 有色合金基础知识 • 铸造有色合金的制备工艺 • 有色合金的熔炼原理 • 铸造有色合金的性能优化 • 铸造有色合金的应用实例 • 未来展望与研究方向
01
引言
主题简介
铸造有色合金及其熔炼是材料科学和工程领域的重要分支，主要涉及有色金属的熔 炼、凝固、组织和性能调控等方面的研究。
热处理工艺优化
总结词
热处理工艺优化是铸造有色合金性能优 化的重要环节，通过调整热处理工艺参 数，可以改变合金的相组成、析出相的 形貌和分布，进一步提高合金的综合性 能。
VS
详细描述
热处理是铸造有色合金的重要加工工艺之 一，通过控制热处理工艺参数，如加热温 度、加热时间、冷却速度等，可以改变合 金的相组成和析出相的形貌和分布，从而 进一步提高合金的力学性能、耐腐蚀性和 热稳定性。同时，合理的热处理工艺还可 以降低能耗和减少材料浪费，提高经济效 益。
熔炼工艺优化
总结词
熔炼工艺优化是铸造有色合金性能优化的重要手段，通过改进熔炼技术和工艺参数，可以降低杂质元 素含量、减少气体和夹杂物、提高合金纯净度。
详细描述
熔炼工艺对铸造有色合金的性能具有显著影响。优化熔炼工艺参数，如熔炼温度、熔炼时间、搅拌强 度等，可以提高合金的纯净度和均匀性。同时，采用先进的熔炼技术和设备，如真空熔炼、高频感应 熔炼等，可以进一步降低杂质元素含量、减少气体和夹杂物，提高合金的综合性能。
铸造合金及其熔炼
铸造合金及其熔炼1. 合金流动性及其影响因素？改善流动性措施？液态合金的流动能力，影响流动性的主要因素：――合金成分及结晶特点：层状凝固好、糊状凝固差，中间凝固介于二者之间。
结晶温度范围宽，流动性差。
纯金属/共晶合金/金属间化合物流动性好，随成分偏离这几点，流动性变差，但有例外。
——合金液的物理性质粘度越小流动性越好；表面张力越小流动性越好；结晶潜热越大，流动性越好。
――合金液纯净度（气体、夹杂物含量）气体、夹杂物越多，流动性越差，需精炼处理改善措施：正确选择合金成分：结晶温度范围小，如接近共晶成分合理的熔炼工艺：减少杂质含量一一原材料预处理、高温熔炼、净化/精炼处理变质/孕育细化组织：减小枝晶尺寸、提高临界固相量2. 铸件常见缺陷机理及预防措施：1、缩孔、缩松原因：糊状凝固特性、凝固温度范围宽、较大的共晶膨胀使型腔尺寸增大。
防止措施：一一加大铸型刚度。
发挥石墨化膨胀自补缩作用，无帽口铸造。
――增加石墨化膨胀体积。
提高CE，尤其C,强化孕育，防Fe3C形成。
——减少液态收缩。
适当降低浇注温度。
――优化工艺设计，顺序凝固/同时凝固2、夹渣一次渣：熔炼、球化处理（浇注前）形成的非金属夹杂物进入型腔所致——清渣/过滤、适当提高浇注温度、二次渣：浇注过程及尚未凝固前形成的非金属夹杂物一一浇注系统设计，平稳充型，控制Mg残留量3、石墨漂浮（与可锻铸铁的灰点缺陷区分，看看灰点缺陷，课本94页）原因：初生石墨上浮至铸件上表面/冒口防止措施：控制CE<4.6，厚壁铸件适当降低CE。
低硅原铁水+强化孕育4、皮下气孔：原因：铁水中的Mg/MgS与铸型/涂料中水反应生成措施：适当降低残余Mg及铸型水分，型砂添加煤粉5、球化衰退：原因：球化元素随球化处理后时间延长而损耗一一挥发、氧化、回硫；孕育衰退、石墨核心数量减少、石墨球粗大、畸变措施：保持足够球化元素残留量；清渣防回硫；覆盖防氧化减挥发；厚大件用抗衰退能力强的球化剂（铱基重稀土球化剂）；抗衰退孕育剂、加Bi等微量元素3. 常用铸铁的成份、组织、性能特点及应用？1 ）灰铁：以C、Si、Mn、P、S五元素为主，高牌号时还含有少量Cr、Mo、Cu、Ni、Sn等合金元素；碳主要以片状石墨形式存在，基体为P+F,常以P为主；断口呈暗灰色；铸造性能好、强度较低（<400MPa）、冲击韧性及伸长率很低，导热性、减振性较好。
铸造合金及其熔炼(铸钢及其熔练)ppt课件
6
断面收缩率 ψ
（ %） 35 35 35 35 30 25 22 20
铸造工(高级)
第三章 铸造合金及其熔炼
常用的一些特殊铸造高合金钢有不锈耐
酸钢（如ZG1Cr17、ZG1Cr18Ni9Ti）、 耐磨高锰钢 （如ZGMn13-1）、耐热钢 （如ZG35Cr26Ni12）等。
铸造工(高级)
第三章 铸造合金及其熔炼
铸造工(高级)
第三章 铸造合金及其熔炼
2）装料 补炉完毕，即可装料。一 般小容量电弧炉由人工进行装料，3t以 上的电弧炉用料罐从炉顶装料。在往料 罐中装料时，需要合理地布置炉料。原 则是尽量多装料并使炉料熔化快，炉料 要装得紧密，以利于导电和电热。
3）熔化期 熔化期的任务是将固体 炉料熔化成钢液，并进行脱磷。
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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第三章 铸造合金及其熔炼
表2-11 铸造锡青铜
牌号 ZCuS n3Zn8Pb6Ni1 ZCuS n3Zn11Pb4 ZCuS n5Pb5Zn5 ZCuS n10P1 ZCuS n10Pb5 ZCuS n10Zn2
1）补炉 一般每炼完一炉钢以后， 在装料前，照例要进行补炉。目的是修 补侵蚀和损坏的炉衬。补炉材料用卤水 镁砂。补炉工具和方法一般为大铲贴补、 铁锹投补或用机械化设备补炉。出钢后 打开炉门，升起电极，立即扒净残钢、 残渣，迅速进行补炉操作。补炉操作的 要点是：炉温高、操作快、补层薄，以 利于补炉材料的烧结。
0.9
ZG310-570 0.5 0.6
常用铸造合金及其熔炼
2．性能及应用
石墨形态：
比灰铸铁中的石墨片的长厚比要 珠光体基体
小的片状，端部较钝、较圆，介于 片状和球状之间的一种石墨形态：
牌号：RuT420、RuT380、RuT340、
RuT300、RuT260
铁素体基体
蠕墨铸铁中的石墨
蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸 铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。
球化处理：
以冲入法最为普 遍，球化处理后 的铁液应及时浇 注，以防孕育和 球化作用的衰退。
（3）铸型工艺
凝固特性：球墨铸铁 含碳量较高，近共晶成 分，凝固收缩率低，但 缩孔、缩松倾向较大。 凝固的外壳强度较低；
而球状石墨析出时的 膨胀力却很大，若铸 型的刚度不够，铸件 的外壳将向外胀大， 造成铸件内部金属液 的不足，在铸件最后 凝固的部位产生缩孔 和缩松。
应用：
1）农业机械中占40～60％； 2）汽车拖拉机中约占50～70％； 3）机床制造中约占60～90％。
铸铁特点：
1）生产设备和工艺简单、价 格便宜；
2）有良好的铸造性、切削加 工性及减震性等优良的使用性能 和工艺性能。
分类
①按碳的存在形式分: 白口铸铁、 灰口铸铁和麻口铸铁。 ②按石墨存在形式分：灰口铸铁、 可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。 ③按成分分：普通铸铁、合金铸铁。
石墨（G）的力学性能与作用
①性能： σb=20MPa、HB3~5、δ、ak = 0。
②割裂作用：减振、机械性能降低； 断屑性能好。
③尖端效应：应力集中； ④润滑作用（自润滑和储油）：减
摩和耐磨、切削性能好。 石墨（G）的形态
片状、球状、絮状。
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 第十三章 铸造铝合金的熔炼
浇注过程中生成的氧化夹杂称为二次氧化夹杂，多分 布在铸件壁的转角处及最后凝固的部位。
一次氧化夹杂按形态可分为二类。 第一类是分布不均匀的大块夹杂物，它的危害性很大， 使合金基体不连续，引起铸件渗漏或成为腐蚀的根源，明 显降低铸件的力学性能。
五、合金元素对铝液吸氢的影响
1、对溶解度的影响 在pH2 =0. 1MPa的条件下，测得硅、铜、镁对溶解
度影响，按公式(13-21)算得常数A、B值列于表13-3中。 从表中可见、含镁量越高，氢的溶解度越高；反之，
硅、铜含量越高，氢的溶解度越低。
2、对氧化膜性能的影响
Mg、Na、Ca等氧的亲和力比铝大，是表面活性元 素，密度又比铝小，富集于铝液表面，熔炼时，优先被炉 气氧化。铝液中含镁量高于1%，表面氧化膜即全部由 MgO所组成，这层MgO组织疏松，对铝液不起保护作用， 故Al-Mg类合金必须在熔剂覆盖下进行熔炼。
点状针孔由铸件凝固时析出的气泡所形成，多发生于 结晶温度范围小、补缩能力良好的铸件中，如ZL102合金 铸件中。当凝固速度较快时，离共晶成分较远的ZL105合 金铸件中也会出现点状针孔。
(2) 网状针孔 此类针孔在低倍显微组织中呈密集相 联成网状，伴有少数较大的孔洞，不易清点针孔数目，难 以测量针孔的直径，往往带有末梢，俗称“苍蝇脚”。
库应保持清洁，干燥，以防生成铝锈。对已生成铝锈的铝
锭，投入熔炉前应彻底清除铝锈，否则即使熔炼工艺操作
很严格，也不易获得高质量的铝液。
各种油污都是由复杂结构的碳氢化合物所组成，与铝 液接触后都会发生下列反应，生成氢气
4/3mAl+CmHn=1/3mAl4C3+1/2nH2
铸铁的熔炼方法及其特点
铸铁的熔炼方法及其特点铸铁是一种常见的铁碳合金，广泛应用于机械制造、建筑和汽车工业等领域。
铸铁的熔炼方法多种多样，每种方法都有其独特的特点和适用范围。
本文将介绍几种常见的铸铁熔炼方法及其特点。
1. 高炉法高炉法是目前应用最广泛的铸铁生产方法之一。
它是将铁矿石、焦炭和石灰石等原料投入高炉中，经过高温燃烧和还原反应，使铁矿石中的铁氧化物被还原为铁，并与焦炭中的碳相互作用形成铸铁。
高炉法的特点是炉温高、产量大、适用范围广，但是过程复杂，对原料的成分和炉料的配比要求较高。
2. 立炉法立炉法是一种传统的铸铁熔炼方法，在一些地区仍然广泛使用。
这种方法使用煤炭作为还原剂，将炉料直接放入炉膛中进行燃烧和还原反应，得到铸铁。
立炉法的特点是工艺简单，设备成本低，但炉温较低，产量相对较小。
立炉法适用于小型铸造企业和一些特殊需求的铸铁产品。
3. 电炉法电炉法是一种以电为热源的铸铁熔炼方法。
通过将电能转化为炉内的热能，达到熔融炉料的目的。
电炉法的特点是温度控制精确，炉内反应平稳，生产过程自动化程度高。
电炉法适用于批量生产、要求炉料纯度较高的铸铁产品。
4. 中频感应炉法中频感应炉法是一种利用感应加热原理进行铸铁熔炼的方法。
通过感应线圈在高频电磁场作用下，使炉料中的金属颗粒和渣滓产生摩擦热，达到熔融的目的。
中频感应炉法的特点是能耗低、熔化速度快、炉内温度均匀，适用于小型铸造企业和精密铸造。
综上所述，铸铁的熔炼方法多种多样，每种方法都有其独特的特点和适用范围。
高炉法适用于大规模生产和广泛应用的铸铁产品；立炉法适用于小型企业和特殊需求的铸铁产品；电炉法适用于纯度要求较高的铸铁产品；中频感应炉法适用于小型企业和精密铸造。
选择合适的熔炼方法，可以提高铸铁的品质和生产效率，满足不同领域对铸铁产品的需求。
铸造合金及其熔炼特种性能铸铁.pptx
•
形成氧化膜Al2O3、形成单一F基体、
•
提高相变温度。
• 2、成分、组织
Al：2—6%（低），16—26%（高）
图4-30
F+G+铁铝化合物 硬度高、耐热
3、工艺特点：
熔制困难：Al密度小，偏析、氧化，烧损大、易 产生G漂浮等
第29页/共36页
• 2）与氧的亲和力大于铁
• 3）元素的氧化物与铁的氧化物互不溶解
•
稀土氧化物也很好，可以抗高温氧化
• 3、铸铁组织对氧化的影响
• G形状 QT>RuT>HT
• G大小，晶粒细，不利于内部氧化，
第26页/共36页
二、铸铁高温下生长
• 1、低于相变温度的生长（400-600 ℃）
•
P—F+G 膨胀生长
• 一、化学成分、组织特点
• 激冷层硬度、深度是冷硬铸铁的关键， • 1、成分：C、Si • C调整硬度 （C多，渗碳体多） • Si调整深度 （ Si多，深度浅）石墨化
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• 合金元素：
• 增加白口深度W、Mn、Mo、Cr、V（最强）
• 减小白口深度C、Si、Ti、Ni、Cu、Co、P（最弱）（Ti有问题）
•
强度硬度高，韧性好，（奥氏体、马氏体）
•
取决于基体和M7C3
•
M7C3规则排列强度可达3100MP
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• 6、应用
• 球磨机，输送煤灰管道，工业杂质泵
•
表4-23
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第四节 耐热铸铁
• 铸铁高温缺陷：
• 生长、氧化、机械性能下降 • 1、定义：抗高温氧化生长、具有高温强度、硬度的铸
铝合金熔炼与铸造
铝合金熔炼与铸造铝合金是一种常见且广泛使用的金属材料，具有较低的密度、良好的导热性和耐腐蚀性，因此在许多行业中得到了广泛的应用。
铝合金的熔炼和铸造是制造铝合金制品的关键步骤。
本文将介绍铝合金熔炼和铸造的基本原理、工艺和注意事项。
一、铝合金熔炼1.1 熔炼原理铝合金熔炼的主要原理是将铝及其他合金元素加热至其熔点，使其融化成液态，以便进行后续的铸造工艺。
铝的熔点较低，约为660°C，因此相对较容易熔化。
而其他合金元素的加入可以改变铝合金的性质，例如提高其强度、耐腐蚀性或者改善加工性能。
1.2 熔炼工艺铝合金熔炼工艺一般分为两种：批量熔炼和连续熔炼。
批量熔炼是将一定量的铝和其他合金元素加入炉内，通过加热熔化成液态，并进行充分混合。
这种方法适用于小规模生产，常用的炉型有电阻炉和燃气炉。
而连续熔炼是将铝合金材料加入熔炉的顶部，通过炉内的加热和熔化过程，使得底部的液态铝合金不断流出。
这种方法适用于大规模生产，常用的炉型有回转炉和隧道炉。
1.3 熔炼注意事项在铝合金的熔炼过程中，需要注意以下几个方面。
首先，炉内的温度需要控制在适当的范围内，以避免过度燃烧或者过度冷却。
其次，需要保持良好的熔炼环境，防止氧气、水分或杂质等对炉内材料的影响。
最后，在加入其他合金元素时，需要根据配比和工艺要求进行准确的添加，以保证最终铝合金的性能。
二、铝合金铸造2.1 铸型设计铝合金铸造的第一步是进行铸型设计。
铸型设计的目的是根据最终产品的形状和要求，确定合适的铸造方法和材料，以及适当的铸型结构。
常见的铸型结构有砂型、金属型和陶瓷型等。
其中砂型是最常用的铸造方法，可以应用于各种形状和尺寸的产品。
2.2 铸造工艺铝合金的铸造工艺可以分为传统铸造和压铸两种。
传统铸造是将熔融的铝合金液体倒入铸型中，并通过自然冷却形成最终产品。
这种方法适用于小批量生产，但精度和表面光滑度相对较低。
压铸是将高压液压机将铝合金液体注入铸型中，通过压力传递和快速冷却，实现快速成型。
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。
铸造锌合金及其熔炼
研发和应用节能减排技术，降低铸造锌合金生产 的能耗和排放，实现绿色生产。
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推动行业标准与法规制定
积极参与制定行业标准和法规，推动铸造锌合金 行业的可持续发展。
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自动化与智能化生产
引入自动化和智能化技术，实现铸造锌合金生产过程的自动化控制 和智能化管理，提高生产效率和产品质量。
循环利用与再生锌合金
推动废旧锌合金的回收和再生利用，降低原材料成本，实现资源循 环利用。
加强环境保护与取有效的环保措施，降低铸造锌合金生产过程 中的污染物排放，保护环境。
用于加热和熔化锌合金的设备，通常 采用电炉或燃气炉。
坩埚
用于盛装锌合金熔液的容器，通常由 耐高温材料制成。
搅拌工具
用于搅拌熔液，促进合金元素均匀分 布。
温度计和测温仪
用于监测熔液温度，确保熔炼过程中 的温度控制。
熔炼原料与配料
其他合金元素
如铝、铜、镁等，用于调整锌合金的物理和 机械性能。
纯锌
作为主要成分，提供铸造锌合金的主要特性。
铸造锌合金还可以用于制造汽车电气 系统的零件，如导电轨、端子等。
汽车底盘零件
铸造锌合金也被用于制造汽车底盘的 许多零件，如悬挂系统、刹车系统等， 这些零件需要承受较大的机械应力和 摩擦力。
建筑行业中的应用
建筑门窗
铸造锌合金可以用于制造建筑门窗的 框架和附件，因为其具有良好的耐腐 蚀性和美观性。
建筑结构件
熔炼过程中的质量控制
01
控制温度
确保熔炼过程中温度稳定，防止过 热或不足。
控制气氛
保持熔炼过程中的炉内气氛，防止 氧化和吸气。
03
02
控制时间
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
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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Fe3C →3 Fe +C（高温）
由于条件的不同 ，铁碳合金存在两种相图 ： Fe -Fe3C 亚稳系状态图 ，Fe - G 稳定系状态图
18
铁－碳双重相图
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
特殊镇静钢
5
炼钢设备不同，分为
炼钢
① 转炉炼钢——冶炼普通低碳钢
② 平炉炼钢——普通优质碳素结构钢、低合金钢
③ 电炉炼钢——优质钢（成本高）
（感应电炉或电弧炉）
6
沸腾钢：在冶炼时脱氧不充分，浇注时C与O反应 发生沸腾。
特点：其塑性好、成本低、成材率高，但不致密，
用途：这类钢一般为低碳钢，主要用于制造用量 大的冷冲压零件，如汽车外壳、仪器仪表外壳等。
结构及其他要求强度较高的构件。
8
半镇静钢：为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸 腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸 腾钢弱。
半镇静钢钢锭的结构与沸腾钢钢锭相似，而性能 却与镇静钢钢锭相近，成分偏析小，综合机械性 能好。
9
第二节 工业中常用的铸造合金及其熔炼
Fe-C 合金分类
工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 %
根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：
灰口铸铁：
（根据G形态）
灰 铸 铁：片状 球墨铸铁：球状 可锻铸铁：团絮状 蠕墨铸铁：蠕虫状
14
1．普通灰铸铁 ：简称灰铸铁，其石墨呈片状。
2．可锻铸铁： 其石墨呈团絮状。如图b所示。 3．球墨铸铁： 其石墨呈球状。如图c所示。 4．蠕墨铸铁 ： 其石墨呈蠕虫状。如图d所示。
铸铁 是以Fe、C元素为主的铁基材料，其含碳量 Wc >2.11%。
铸铁成形只能用铸造方法，不能用锻或轧制方法。 与钢相比，铸铁的强度低、塑性、韧性差，但具 有优良的铸造和切削加工性能。
按碳元素在铸铁中存在的方式不同，可将铸铁分 为白口铸铁、麻口铸铁和灰口铸铁。
根据石墨形状的不同，灰口铸铁又可分为灰铸铁、 可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。
11
第二节 工业中常用的铸造合金及其熔炼
一、铸铁及其熔炼
铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金，铸造合金中 应用最广。铸铁是以铁、碳和硅为主要元素 的多元合金。常用成分范围见下表。
铸铁的常用成分范围
组元
wC wSi wMn wP wS wFe
成分（%） 2.4~4.0 0.6~3.0 0.4~1.2 ≤0.3 ≤0.15 其余
L+
A
H
B J
N
+
L+
E’ 2.08
E
L
1154℃ C C’ 4.26
L+G D F
+
G S’ 0.68
+ Fe3C A+G
738℃
L+Fe3C
I
PS
F+G
K
+ Fe3C
19
Q
第一阶段石 墨化
A
H
B J
L
N
L+
L+G
E’
1154℃ C
2.08 E
C’ 4.26
G S’ 0.68
P' S'
L
L+A
E' 1154℃
铁矿石、焦炭、石灰石→生铁→钢水→钢锭
一、炼铁
在高炉中进行:
铁矿石+焦碳+石灰石 炉料 →高炉
预热900～1200℃ → 焦碳燃烧，产生CO → 加热炉料， 发生反应
3
①还原反应: C、CO将FeO中氧分离→还原Fe ②造渣反应: CaO+SiO2=CaSiO3（炉渣） ③渗碳反应: Fe吸收焦碳中C→含C高，熔点低的生铁水
a
b
c
d 15
16
麻口铸铁：
组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口之间的过渡 组织，因断口处有黑白相间的麻点，故而得名。
根据铸铁的化学成分，铸铁分为：
普通铸铁 合金铸铁——含Si>4%、Mn>2%，或Ti，V，
Mo， Cr, Cu等
17
铸铁中的石墨化过程
石墨组织的形成，称为铸铁的石墨化过程。 铁碳合金中，C的存在方式有两种：
炼钢生铁——用于炼钢（大多数） 铸造生铁——熔炼铸钢（少量）
4
二、炼钢
钢与生铁在化学成分上主要区别： 钢含C量低（<1.4%） Si, Mn S, P杂质低
炼钢主要任务 ——生铁多余的C、杂质→氧化物
1. 钢的熔炼方法 平炉钢
按炉别分
转炉钢 电炉钢
按 脱 氧 程 度分
沸腾钢 镇静钢 半镇静钢
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铸铁的分类
根据C铸铁中存在形式的不同：
铸铁
白口铸铁：Fe3C 麻口铸铁：Fe3C+G 灰口铸铁：G
白口铸铁： 碳全部以Fe3C的形式存在，断口呈银色。
由于白口铸铁具有良好的耐磨性，所以有时也用来制造一些耐 磨件，如轧辊、粉碎机锤头、衬板、球磨机磨球和犁铧等。
13
灰口铸铁：
—碳大部或全部以石墨形式存在，断口呈暗灰色。
镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低。优质钢， 合金钢的钢锭
半镇静钢：介于前两者之间。
特殊镇静钢
7
镇静钢： 浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上 部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这 节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收缩率低， 但组织致密，偏析小，质量均匀。
镇静钢的缺点是有集中缩孔，成材率低，价格较高。 镇静钢材主要用于低温下承受冲击的构件、焊接
第二章 常用铸造合金及其熔炼
1
本章主要内容与目的： 了解铸钢、铸铁的生产过程。 了解铸铁的分类。 理解铸铁石墨化及影响因素。 掌握普通灰口铁、孕育铸铁、可锻铸铁、球墨铸
铁和蠕虫铸铁的生产特点、牌号、性能。
钢铁过程
钢铁的生产过程是一个由铁矿石练成生铁、由生铁练成钢液 并浇注成钢锭的过程。
钢 （ 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 %）
亚共析钢 ＜ 0.77 % 共析钢 ＝ 0.77 % 过共析钢 ＞ 0.77 %
白口铸铁
（2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 %）
亚共晶白口铁 ＜ 4.3 % 共晶白口铁 ＝ 4.3 % 过共晶白口铁 ＞ 4.3 %
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第二节 工业中常用的铸造合金及其熔炼
A+G 738℃
PS
F+G
第二 阶段 D石墨 化 F
K
Q
第三阶段石
墨化
铸铁的石墨化过程
共晶石墨
1600A
L+δ
第一阶段(液态阶段) ：
LC’ 1154℃ AE'+G 第二阶段： A 1154～738℃ G
温度/ ℃
δ δ+A
H
B
J
1400 1394℃
1200 A
1000
G 912℃
F+A 800