第2章 常用铸造合金及其熔炼

2.1常用铸造合金

用于生产铸件的金属材料称为铸造合金。工业中最常用的铸造合金是铸铁、铸钢及铸造有色合金，如铝合金、铜合金、镁合金、钛合金等。

2.1.1 铸铁

铸铁是指碳含量大于2.11%或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。有时为了提高铸铁的力学性能或获得某种特殊性能，在铸铁中加入铬、钼、钒等合金元素，从而形成合金铸铁。

铸铁是工程上常用的金属材料之一，具有良好的铸造性能，易于切削加工，而且生产设备和工艺简单，价格便宜，适合制造形状复杂的铸件，所以应用非常广泛，常用来制作各种机器零件，如机床的床身、发动机的汽缸体、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴及机器的底座等。在普通机器中，铸铁件的质量占机器总质量的50%以上。

1.铸铁的石墨化

1）铸铁的石墨化过程

铸铁的石墨化就是铸铁中碳原子的析出和形成石墨的过程。在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在。一是溶于α-Fe或γ-Fe中形成固溶体F或A，二是形成化合物态的渗碳体（Fe3C），三是游离态石墨（graphite，常用G表示）。

渗碳体为亚稳相，在一定条件下能分解为铁和石墨（Fe3C→3Fe+C），石墨为稳定相。所以在不同情况下，铁碳合金可以有亚稳定平衡的Fe-Fe3C相图和稳定平衡的Fe-G相图，即铁碳合金相图应该是复线相图，如图2-1所示。图中，实线表示Fe-Fe3C相图，虚线表示Fe-G相图。铁碳合金究竟按哪种相图变化，取决于加热、冷却条件或获得的平衡性质（是亚稳平衡还是稳定平衡）。稳定平衡相图的分析方法与亚稳定平衡相图完全相同。

前已述及，既然在铁碳合金中渗碳体只不过是一种亚稳相，而石墨才是稳定相，Fe-Fe3C相图中铁碳合金平衡结晶时不析出石墨而析出渗碳体，主要是因为Fe3C中碳的质量分数（wC=6.69%）较之石墨碳的质量分数（wC=100%）更接近于工业铸铁中碳的质量分数（wC=2.5%～4.0%），因此，形成渗碳体晶核更容易。但当合金中含有促进石墨形成的元素Si，并在高温下有足够扩散时间的条件下，不仅渗碳体分解出石墨，铁液和奥氏体中也将析出稳定的石墨相。这一石墨形成过程称为铸铁的石墨化。

铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。灰铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中结晶出来的；可锻铸铁中的石墨则完全是白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得到的。

按照Fe-G相图，可将铸铁的石墨化过程分为以下3个阶段。

（1）第1阶段石墨化 直接从铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶铸铁）和在1154℃（E′C′F′线）通过共晶反应形成共晶石墨，其反应式为

（2）第2阶段石墨化 在1154～738℃温度范围内奥氏体沿E′S′线析出二次石墨。第1、2阶段称为高温石墨化过程。

（3）第3阶段石墨化 在738℃（P′S′K′线）通过共析反应析出石墨和铁素体。这一阶段的石墨是在较低温度下进行的，称为低温石墨化过程。其反应式为

2）影响石墨化的主要因素

影响石墨化的主要因素包括温度、冷却速度和合金元素。

（1）温度和冷却速度 铸铁的结晶，在高温慢冷的条件下，由于碳原子能充分扩散，通常按Fe-G相图进行转变，碳以石墨的形式析出。当冷却较快时，由液体中析出的是渗碳体，析出渗碳体所需的碳原子扩散量较少。在低温下，碳原子扩散能力较差，铸铁的石墨化过程往往难以进行。

铸铁加热到550℃以上，共析渗碳体开始分解为石墨和铁素体。加热温度越高，分解越强烈；保温时间越长，分解越充分。在共析温度以上，二次渗碳体和一次渗碳体先后分解成奥氏体和石墨，因此在生产过程中，铸铁的缓慢冷却或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。

（2）合金元素 按对石墨化的作用，可分为促进石墨化的元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co等）和阻碍石墨化的元素（Cr、W、Mo、V、Mn等）两大类。另外，杂质元素S也是阻碍石墨化的元素。一般来说，碳化物形成元素阻碍石墨化，非碳化物形成元素促进石墨化，其中以C和Si最强烈。生产中，调整C、Si的质量分数是控制铸铁组织和性能的基本措施。C不仅促进石墨化，而且还影响石墨的数量、大小及分布。S强烈促进铸铁的白口化，并使力学性能和铸造性能恶化，因此一般都控制在0.15%以下。

2.铸铁的分类

铸铁的种类较多，常见的分类方法有以下几种。

（1）按碳存在的形态（以化合态存在记为C化合，以石墨态存在记为C石墨）不同，可分为白口铸铁（碳全部为C化合）、灰口铸铁（碳主要为C石墨）及麻口铸铁（碳大部分为C化合）。

（2）按铸铁中石墨形状不同，可分为具有片状石墨的灰铸铁、具有球状石墨的球墨铸铁、具有蠕虫状石墨的蠕墨铸铁、具有团絮状石墨的可锻铸铁。

（3）按金属基体不同，可分为铁素体铸铁、珠光体铸铁及铁素体与珠光体混合基体铸铁。

（4）按铸铁的化学成分，可分为普通铸铁和合金铸铁。其中，合金是指除碳以外的其他元素，如钒、钛、钼、铬、镍、硅等。若合金元素的总量w合金元素＜5%，则称为低合金铸铁；若合金元素总量w合金元素=5%～10%，则称为中合金铸铁；若合金元素总量w合金元素＞10%，则称为高合金铸铁。

（5）按铸铁的用途，可分为工程结构用铸铁和特种性能铸铁（包括耐热铸铁、耐磨铸铁和耐蚀铸铁等）。

铸铁的名称代号由表示该铸铁特征的汉语拼音字母的第1 个大写字母组成。当两种铸铁代号字母相同时，在大写字母后面加小写字母来区别。牌号中当后面有1 组数字时，表示该铸铁的抗拉强度值（MPa）；当有两组数字时，第1组表示抗拉强度值，第2组表示伸长率，两组数字间用“—”隔开；当铸铁中存在起特殊作用的合金元素时（如特种铸铁），在牌号中合金元素以元素符号和名义质量分数来表示。铸铁分类及牌号的表示方法见表2-1。

3.常用铸铁

1）灰铸铁

（1）灰铸铁化学成分及常用牌号

灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁，其化学成分为wC=2.5%～3.6%，wSi=1.1%～2.5%，wMn=0.5%～1.4%，wP≤0.3%，wS≤0.15%。C和Si的质量分数越高，越容易石墨化，但当其碳当量为过共晶成分时，会从液相中直接结晶出粗大的一次片状石墨（G1），故一般碳当量wCE应控制在接近共晶成分，约为4%。常用灰铸铁的牌号、显微组织、性能和应用见表2-2。

（2）灰铸铁组织与性能特点

灰铸铁的显微组织是由金属基体与片状石墨两部分组成的。此外，还有少量的夹杂物，如硫化物、磷化物、碳化物、氧化物等。

① 石墨对灰铸铁性能的影响 石墨是决定灰铸铁性能的主导因素。石墨本身有两个显著特点，一是密度小（约2.25 g/cm3，仅为铁的1/3），在铸铁组织中占的体积较大，质量分数大约3%的石墨在铸铁中占10%左右的体积；二是石墨本身软而脆，力学性能较差，且强度很低（σb＜20MPa，δ几乎等于零，硬度约为3HBS）。因此，石墨在铸铁组织中就相当于许多空洞和切口一样，对金属基体起着破坏作用。这种破坏作用一方面表现为减小了铸铁基体组织的有效承载面积；另一方面，引起应力集中，使金属基体的力学性能得不到充分的发挥，从而使灰铸铁的抗拉强度较低，塑性几乎等于零。同时，大量片状石墨的存在割裂了基体，加速了振动衰减，并将其转化为热能而消失，所以灰铸铁具有良好的减振性。而且片状石墨越粗大，数量越多，对基体的破坏越严重，它的减振性能也越好，但其强度也越低。另外，灰铸铁还具有良好的减摩性和低的缺口敏感性。实际生产中，常用灰铸铁制造机床床身、精密仪器设备底座等静载下的承压件及导轨、活塞环、缸套等滑动摩擦副的零件。铸铁的性能在很大程度上取决于石墨的数量、大小、形状及分布。若石墨化不充分，则易产生白口，铸铁硬、脆，难以切削加工；若石墨化过分，则形成粗大的石墨，铸铁的力学性能降低。因此，在生产中应控制石墨化过程。影响石墨化程度的主要因素是化学成分和冷却速度。

② 金属基体对灰铸铁性能的影响 灰铸铁中的金属基体主要分为3种，即铁素体基体、铁素体和珠光体混合基体、珠光体基体，如图2-2所示。

● 铁素体基体 铁素体本身质软，强度和硬度较低（σb约为250MPa，硬度约为90HBS），塑性高（δ约为50%）。但是在铁素体基体灰铸铁中，由于片状石墨的存在，使铁素体优良的塑性难以发挥，因此在实际生产中，铁素体基体的灰铸铁力学性能仍然较低。

● 铁素体和珠光体混合基体 铁素体和珠光体混合基体中，珠光体的强度硬度很高（σb约为700MPa，硬度约为200HBS），而塑性较铁素体低（δ约为15%）。在混合基体的灰铸铁中，随着珠光体比例的提高，其力学性能也不断提高。

● 珠光体基体 在实际生产中，强度及耐磨性要求高的铸铁，都希望获得全部的珠光体基体。而珠光体的数量、细化程度对其性能有较大影响。同样条件下，珠光体量越多，细化程度越高，其强度和硬度越高，耐磨性能就越好。

③ 铸铁中的自由碳化物和磷共晶对其性能的影响

铸铁中的自由碳化物是碳与一种或多种元素间形成的化合物，按其分布形状可分为针状、网状、块状和莱氏体状等。碳化物的出现，不仅降低了铸铁的力学性能，而且也使切削加工性能恶化。因此，一般铸铁中不允许有自由碳化物存在。

灰铸铁中的磷共晶一般都分布在晶粒边界上，呈孤岛状、断续状和连续网状分布等。其本身硬而脆，降低铸铁的冲击韧度，增加脆性，若以连续网状分布，则危害更大。因此，应尽量防止磷共晶的出现。

（3）灰铸铁的孕育处理

灰铸铁的机械性能主要取决于金属基体和石墨形态。为改变石墨形态，提高灰铸铁力学性能，在生产中常进行孕育处理（也称为变质处理）。其方法是往碳硅含量较低的铁水中加入一定量的孕育剂形成外来晶核，以改变结晶条件，使其能获得细晶粒的珠光体和细小片状的石墨。这种经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁，它的强度、硬度显著提高（σb=250～350MPa，硬度=170～270HBS）。原铁液中碳含量越少，则石墨越细小，铸铁强度、硬度越高。但因石墨仍为片状，故铸铁塑性、韧性仍然很低。

孕育铸铁的另一个优点是冷却速度对其组织和性能的影响很小，因此铸件上厚大截面的性能较均匀。孕育处理对铸件厚大截面硬度的影响如图2-3所示。

孕育铸铁适用于静载下强度、耐磨性或气密性要求较高的铸件，特别是厚大铸件，如重型机床床身、汽缸体、汽缸套及液压件等。

（4）灰铸铁的热处理

灰铸铁的热处理只能改变铸铁的基体组织，不能改变石墨的形态和分布，对提高灰铸铁的整体力学性能作用不大。因此，生产中主要采用热处理来消除铸件的内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。

① 消除内应力退火（人工时效）对于一些形状复杂或对尺寸稳定性要求较高的重要铸件，如机床床身、柴油机汽缸等，为了

消除其铸造内应力，防止铸件变形或开裂，需要采用消除内应力退火。退火工艺为：将铸件缓慢加热到500～600℃，保温4～8 h后，随炉冷至150～220℃时出炉空冷。经此退火处理后的铸件内应力可消除90%以上。

② 改善切削加工性退火 铸造时铸件的表层和薄壁易产生白口组织，使得硬度提高、加工困难，需要进行退火以降低硬度，其工艺为：加热到850～900℃，保温2～5 h后，随炉冷至250～400℃时出炉空冷。

③ 表面淬火 对于一些表面需要高硬度和高耐磨性的铸件，如机床导轨、缸体内壁等，可进行表面淬火处理。淬火后表面硬度可达到59～61HRC。表面淬火的方法主要有高频感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火和激光加热表面淬火。

2）球墨铸铁

球墨铸铁是指铁液经过球化处理而不是在凝固后经过热处理，使石墨大部分或全部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁。与灰铸铁相比，由于石墨呈球状，对金属基体的割裂作用大为减小，使金属基体的利用率提高，可达70%～90%（而普通灰铸铁仅为30%～50%），基体的塑性和韧性也能得以发挥。因此，球墨铸铁可以采用各种形式的热处理和合金化等措施来进一步提高其力学性能及使用性能。同铸钢相比，球墨铸铁的强度指标接近甚至超过碳钢和一些合金钢，具有铸造性能好、耐磨性和耐蚀性能高、生产工艺和设备简单、成本低廉等优点，因此得到了越来越广泛的应用。

（1）球墨铸铁化学成分、组织及性能

① 化学成分 球墨铸铁的化学成分对它的金相组织、力学性能和铸造性能影响很大，因此生产中应严格控制。球墨铸铁的成分范围一般为3.5%～3.9%C、2.0%～2.6%Si、0.6%～1.0%Mn、＜0.06%S、＜0.1%P、0.03%～0.06%Mg、0.02%～0.06%Re。与灰口铸铁相比，球墨铸铁的碳、硅含量较高，含锰较低，对磷、硫限制较严。碳当量（CE=4.5%～4.7%）高是为了获得共晶成分的铸铁（共晶点为4.6%～4.7%），使之具有良好的铸造性能。低硫是因为硫与镁、稀土具有很强的亲和力，因而会消耗球化剂，造成球化不良。对镁和稀土残留量有一定要求，是因为适量的球化剂才能使石墨完全呈球状析出。由于镁和稀土是阻止石墨化的元素，所以在球化处理的同时，必须加入适量的硅铁进行孕育处理，以防止白口出现。

② 组织及性能特点 和灰铸铁一样，球墨铸铁的组织也是由金属基体加球状石墨组成的。常用的球墨铸铁基体有铁素体、铁素体+珠光体、珠光体三种，如图2-4所示。经过合金化和热处理也可获得索氏体、托氏体、贝氏体、马氏体和奥氏体等基体组织。

由于石墨呈球状，金属基体的性能得以充分的发挥，因此在球墨铸铁生产中主要通过控制各种基体组织及其形态分布和比例来获得不同的力学性能和使用性能。

通常，石墨球越圆整、直径越小、分布越均匀，球墨铸铁的力学性能越高。但是，球状石墨引起的应力集中效应小，因此，球墨铸铁的力学性能主要取决于它的基体组织。例如，铁素体基体的球墨铸铁具有较好的塑、韧性，但强度和硬度低，而珠光体基体的球墨铸铁的强度、硬度较高，耐磨性较好，但塑、韧性较差。显然，这两种球墨铸铁的力学性能与它们的基体组织相对应，也正因为如此，球墨铸铁像钢一样可以通过热处理和合金化来进一步提高它的性能。另外，经热处理后，以马氏体为基体的球墨铸铁具有高硬度和高强度，以等温淬火获得的以下贝氏体为基体的球墨铸铁具有优良的综合力学性能。一般认为球墨铸铁的减摩性能高于灰铸铁，但消振能力比灰铸铁低得多。以珠光体为基体的球墨铸铁是应用最广泛的球墨铸铁。球墨铸铁的常用牌号、显微组织、力学性能和应用见表2-3。

球墨铸铁的铸造性能不及灰铸铁，主要的缺点是凝固时的收缩率及过冷倾向较大，容易产生白口，又容易产生缩松等。因此，其熔炼工艺和铸造工艺都比灰铸铁要求高，而且复杂。

（2）球化和孕育处理

① 球化剂 球化和孕育处理是制造球墨铸铁的关键。凡是加入到铁液中能使石墨结晶呈球的物质，均称之为球化剂。球化剂的种类很多，目前国内外常用的球化剂主要是镁和稀土系列，我国使用最多的是稀土硅铁镁合金球化剂，少数工厂使用纯镁，以提高石墨的圆整度。

纯镁是一种主要的球化剂，但其密度小、沸点低，在进行球化处理时易产生激烈的沸腾作用，使铁液飞溅，其利用率很低，并有强烈的白光和浓烟，球化处理效果易衰退，恶化劳动条件，铸造性能变差，易产生夹渣、缩松和皮下气孔等缺陷。

镧（La）、铈（Ce）、铯（Cs）等17种稀土元素是一种辅助球化剂，与镁球墨铸铁相比，球墨不够圆整，在铁液中残留量过多会引起石墨球形恶化，白口倾向加大，易产生“石墨漂浮”。但它们熔点高、沸点高、密度大，并有强烈的脱硫、去气能力，还能细化晶粒，改善铸造性能。

我国有丰富的稀土资源，20世纪60年代初，我国开发了具有特色的稀土镁合金球化剂。这种球化剂综合了二者的优点，它与铁液反应平稳，操作安全，减少了镁的用量。球化剂的加入量为1.0%～1.6%（质量分数），视铁液化学成分和铸件大小而定。

② 孕育剂 孕育剂的作用是消除球化元素所造成的白口倾向，获得铸态无自由渗碳体铸件；促进石墨化，增加石墨球数量，使石墨球径变小，分布均匀，形状圆整，提高铸铁的力学性能。

我国目前普遍应用FeSi75合金作为孕育剂，加入量为铁液的0.4%～1.0%，它具有孕育效果好、来源广泛、价格便宜等优点，其缺点是孕育效果衰退较快。生产中发现，以硅铁为主，加入少量其他元素组成的复合孕育剂，可延长孕育时间，改善孕育效果。如硅铁-硅钙、硅铁-锰铁、硅铁-硅钙-锰铁、硅铁-硼等。

③ 球化和孕育处理工艺 目前应用较普遍的球化处理工艺有冲入法和型内球化法。冲入法球化处理（如图2-5所示）的过程是：首先将破碎成一定粒度的球化剂放在浇包底部的“堤坝”内紧实（约1.3%～1.8%），上面覆盖硅铁粒，然后再覆盖草木灰、珍珠岩等集渣剂，然后冲入占浇包容积2/3的铁液，使球化剂与铁液充分反应约1～3 min后扒去熔渣；最后将孕育剂置于冲天炉出铁槽内，再冲满浇包，进行孕育处理。

处理后的铁液应及时浇注，否则，球化作用衰退会引起球化不良，从而减弱铸件性能。为了避免球化衰退现象，进一步提高球化效果，并减少球化剂的用量，近年来采用了型内球化法，如图2-6所示。它是将球化剂和孕育剂置于浇注系统内的反应室中，铁液流过时与之作用而产生球化效果。型内球化方法最适合在大量生产的机械化流水线上使用。

常用的孕育处理方法为炉前一次孕育法、倒包孕育法、瞬时孕育法等。炉前一次孕育法是球化处理时，扒除表面渣子后，在补加剩余铁液时将孕育剂撒入出铁槽冲入包内。此法简便易行，但孕育效果易衰退，孕育剂加入量大。倒包孕育法是为了改善孕育效果，将孕育剂分成两次或多次，在倒包时随流或加入包底，也可加在表面并搅拌，其孕育效果优于炉前一次孕育法，适用于各种铸件，但操作相对麻烦。瞬时孕育法是在铁液浇入铸型前的瞬间进行孕育，使进入型腔的铁液都处于充分孕育状态，完全避免了孕育衰退，孕育效果好。

（3）球墨铸铁的热处理

球墨铸铁的热处理工艺性能较好，凡是钢可以进行的热处理工艺，一般都适合于球墨铸铁，而且球墨铸铁通过热处理改善性能的效果比较明显。球墨铸铁常用的热处理工艺有：

① 退火 退火的主要目的是为了得到铁素体基体的球墨铸铁，提高其塑性和韧性，改善切削加工性能，消除应力。

② 正火 正火的目的是为了得到珠光体基体的球墨铸铁，提高其强度和耐磨性。

③ 调质 调质的目的是为了得到回火索氏体基体的球墨铸铁，从而获得高的综合力学性能，如柴油机连杆、曲轴等零件。

④ 贝氏体等温淬火 贝氏体等温淬火是为了得到贝氏体基体的球墨铸铁，从而获得高强度、高硬度和高韧性的综合力学性能。这种球墨铸铁适用于形状复杂、易变形或易开裂的零件，如齿轮、凸轮轴等。

3）蠕墨铸铁

大部分石墨为蠕虫状的铸铁称为蠕墨铸铁。蠕墨铸铁是20世纪60年代开发的一种铸铁材料。它是用高碳、低硫、低磷的铁液加入蠕化剂（钛镁合金、镁钙合金等），经蠕化处理后获得的高强度铸铁。

（1）蠕墨铸铁的化学成分及组织

蠕墨铸铁的化学成分与球墨铸铁基本相同，一般为wC=3.0%～4.0%、wSi=2.0%～3.0%、wMn=0.4%～0.8%、wp≤0.08%、ws≤0.04%。其成分特点是较高的碳、硅质量分数，低的锰、磷、硫质量分数。

蠕墨铸铁的组织为钢的基体上分布着蠕虫状石墨。蠕虫状石墨为互不连接的短片状，其石墨片的长厚比小于灰铸铁，一般为2～10，端部较钝，其形态介于片状石墨和球状石墨之间。

蠕墨铸铁基体组织有铁素体、铁素体+珠光体、珠光体三种类型。其铸态基体一般具有强烈形成铁素体的倾向（常有40%～50%的铁素体），其强度和耐磨性能均有所下降。但也可加入珠光体稳定元素（如Cu、Ni、Sn、Sb等），使铸态珠光体量提高至70%左右。

（2）蠕墨铸铁的性能及应用

蠕墨铸铁的力学性能在很大程度上取决于石墨的形状、大小和密度，介于基体相同的灰铸铁和球墨铸铁之间，如抗拉强度、伸长率、弯曲疲劳强度优于灰铸铁，而接近于铁素体球墨铸铁。并且因其断面敏感性较普通灰铸铁小，故厚大截面上的力学性能较为均匀。蠕墨铸铁还具有良好的使用性能，它组织致密，其突出的优点是导热性优于球墨铸铁，而抗生长和抗氧化性均高过其他铸铁，耐磨性优于孕育铸铁及高磷耐磨铸铁。

蠕墨铸铁主要用于制造耐高温且经受热循环载荷的零件，或制作要求组织致密、强度较高、形状复杂的零件，如汽缸盖、汽缸套、电动机外壳、机床床身、阀体等零件。常用蠕墨铸铁的牌号、力学性能和应用见表2-4。

（3）蠕墨铸铁的热处理

蠕墨铸铁的热处理主要是为了改善基体组织和力学性能，使其符合技术要求。对于相当复杂的或有特殊要求的铸件，还必须进行消除铸造应力的热处理。蠕墨铸铁的热处理工艺主要有退火和正火。退火的主要目的是为了获得85%以上的铁素体基体或消除局部白口。正火的目的是为了增加基体中的珠光体数量，提高强度和耐磨性。受蠕虫状石墨及蠕墨铸铁本身化学成分和组织特点的影响，经正火后的基体组织很难获得90%以上的珠光体，因此强度提高不大，但耐磨性能可能提高近一倍。

4）可锻铸铁

可锻铸铁是将白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳处理，改变其金相组织或成分而获得的具有较高韧性的铸铁。

根据热处理方法和金相组织的不同，可以将可锻铸铁分为黑心可锻铸铁和白心可锻铸铁两大类。白口铸铁在中性气氛中热处理，使渗碳体分解成絮状石墨与铁素体，正常断口呈黑绒状并带有灰色外圈的可锻铸铁称为黑心可锻铸铁。基体主要为珠光体的黑心可锻铸铁称为珠光体可锻铸铁，基体主要为铁素体的黑心可锻铸铁称铁素体可锻铸铁。白口铸铁毛坯件在氧化性气氛中退火，产生几乎是全部脱碳的可锻铸铁称为白心可锻铸铁。

（1）可锻铸铁的化学成分及组织

为了保证铸件在一般冷却条件下获得白口组织，又要使渗碳体分解为团絮状石墨，要求严格控制铁水的化学成分。与灰口铸铁相比，可锻铸铁中碳、硅的质量分数低一些。可锻铸铁的化学成分一般为wC=2.2%～2.8%、wSi=1.2%～2.0%、wMn=0.4%～1.2%、wP≤0.1%、wS≤0.2%。

可锻铸铁的组织由铁素体或珠光体基体加团絮状石墨组成。

（2）可锻铸铁的性能及应用

由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小，因此它的力学性能比灰铸铁高，塑性和韧性好，但可锻铸铁并不能进行锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性。

可锻铸铁主要用于制造形状复杂、要求韧性好、承受冲击和振动、耐腐蚀的薄壁（小于25mm）中小型铸件。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有铁液处理简单、质量稳定、容易组织流水线生产和低温韧件好等优点，广泛应用于汽车、拖拉机等机械制造行业。可锻铸铁常用牌号、力学性能及应用见表2-5。

4.合金铸铁

为了获得耐磨、耐热、耐腐蚀等特殊性能铸铁，可向铸铁中加入一定量的合金元素制成合金铸铁。合金铸铁主要分为耐磨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁三类。

1）耐磨铸铁

耐磨铸铁分为减摩铸铁和抗磨铸铁两类。

减摩铸铁是指在润滑条件下工作的耐磨铸铁，要求其组织为软基体上嵌有硬质组成相。软基体在磨损后形成的沟槽可保持油膜，有利于润滑，而坚硬的强化相可承受摩擦。细片状珠光体基体的灰铸铁能满足这种要求，其中铁素体为软基体，渗碳体为硬的强化相，石墨不仅起着润滑的作用，也起着储油的作用。普通高磷铸铁（wP=0.4%～0.6%）虽可提高耐磨性，但强度和韧性差，故常在其中加入铬、锰、铜、钒、钴、钨等合金元素，形成合金高磷铸铁。不仅强化和细化了基体组织，而且形成了碳化物硬质点，进一步提高了铸铁的耐磨性等力学性能。减摩铸铁常用来制作机床导轨、活塞环、汽缸套、滑块、滑动轴承等。

抗磨铸铁是指在无润滑的干摩擦及抗磨粒磨损条件下工作的铸铁。这类铸铁应具有均匀的高硬度，以承受在较大载荷下的严重磨损。白口铸铁可用做抗磨铸铁。但白口铸铁脆性较大，不能用于制作承受大的动载荷或冲击载荷的零件。若在白口铸铁中加入少量的铜、铬、钼、钒等合金元素，可形成合金渗碳体，抗磨性有所提高，但韧性改进仍不大。当加入3.0%～5.0%的镍、1.5%～3.5%的铬后即得到以马氏体和碳化物为主的组织，这种铸铁称为镍硬铸铁，其硬度和力学性能均比普通白口铸铁优越，但其脆性依然较大。当加入大量的铬后（wCr＞10%），在铸铁中可形成团块状的碳化物（Cr7C3）。其硬度比渗碳体更高、耐磨性显著提高，又因其呈团块状，韧性得到很好的改善，这种铸铁称为高铬铸铁。抗磨铸铁常用来制作轧辊、犁铧、球磨机磨球、衬板、煤粉机锤头等。

2）耐热铸铁

铸铁在高温条件下工作，通常会产生氧化和生长现象。氧化是指铸铁在高温下受氧化气氛的侵蚀，在铸件表面产生氧化起皮，减小铸件的有效面积，从而降低铸件的承载能力。生长是指铸铁在高温下由于发生化学变化而使铸铁产生不可逆的体积长大，造成零件尺寸增大并使力学性能降低。耐热铸铁具有良好的耐热性，在高温下具有抗氧化、抗生长及保持较高强度、硬度与抗蠕变的能力。

在铸铁中加入一定量的铝、硅、铬等元素，能使铸铁表面形成致密的氧化膜，如A12O3、SiO2、Cr2O3膜等，保护铸铁内部不再继续氧化。另外，这些元素的加入提高了铸铁组织的相变温度，阻止了渗碳体的分解，从而使这类铸铁能够耐高温（700～1200℃）。耐热铸铁一般用来制造加热炉底板、炉门、钢锭模及压铸模等铸件。

3）耐蚀铸铁

耐蚀铸铁是指在腐蚀性介质中工作的、具有耐蚀能力的铸铁。提高铸铁耐蚀性的主要途径有三种：一是在铸铁中加入硅、铝、铬等合金元素，使之在铸铁表面形成一层连续致密的保护膜；二是在铸铁中加入铬、硅、钼、铜等合金元素，提高铁素体的电极电位；三是通过合金化，获得单相基体组织，减少铸铁中的微电池。这三方面的措施与耐蚀钢是基本一致的。

耐蚀铸铁根据其成分可分为高硅耐蚀铸铁、高铝耐蚀铸铁及高铬耐蚀铸铁等。其中应用最广的是高硅耐蚀铸铁，这种铸铁碳的质量分数为0.3%～0.5%，硅的质量分数达16%～18%。它在含氧酸中具有良好的耐蚀性，但在碱性介质、盐酸等无氧酸中，由于表面SiO2保护膜遭到破坏，耐蚀性下降，因此，可加入质量分数为6.5%～8.5%的铜，以改善其在碱性介质中的耐蚀性，也可加入质量分数为2.5%～4%的钼，以改善它在盐酸中的耐蚀性。耐蚀铸铁常用来制造化工设备中的管道、阀门、泵类、反应釜及盛储器等铸件。

2.1.2 铸钢

铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件，如机车车辆、船舶、重型机械齿轮、轴、轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。

1.铸钢的分类

铸钢可按化学成分分类，也可按用途分类，分类方法见表2-6。

碳钢和低合金钢兼有高强度、高韧性及良好的焊接性，并通过不同的热处理工艺能在相当宽的范围内调整其力学性能，是用途最广的工程材料。对于特殊的工程使用条件，如要求抗磨、耐压、耐热、耐腐蚀和耐低温等，则需要选用具有相应特殊性能的各种高合金钢。

2.铸造碳钢

1）铸造碳钢的牌号

铸钢代号为“ZG”，是“铸钢”二字的汉语拼音字头。“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示最低屈服强度，第二组数字表示最低抗拉强度，单位为MPa，如ZG200—400。

国家标准规定，一般工程用铸造碳钢件分为ZG200—400、ZG230—450、ZG270—500、ZG310—570、ZG340—640五个牌号。

2）铸造碳钢的化学成分及力学性能

铸造碳钢的化学成分见表2-7，其力学性能及应用见表2-8。

碳的质量分数是影响铸钢件性能的主要元素。随着碳含量的增加，屈服强度和抗拉强度均增加，但抗拉强度比屈服强度增加得更快。碳含量超过0.45% 时，屈服强度增加很少，而塑性、韧性却显著下降。从铸造性能来看，适当地提高碳含量，可降低钢液的熔化温度，增加钢液的流动性，钢中的气体和夹杂也能减少。所以，生产中使用最多的是ZG230—450、ZG270—500、ZG310—570三种铸钢。

钢中的硫会提高钢的热裂倾向，而磷则使钢的脆性增加，因此应严格控制。铸钢与铸铁相比，强度、塑性和韧性较高，但流动性差，收缩率较大。为了改善流动性，铸钢在浇注时应采取较高的浇注温度，为了补偿收缩，必须采用大的冒口。

3）铸钢的热处理

一般铸钢件热处理有三个目的，即细化晶粒、消除魏氏组织和铸造应力。铸造碳钢的热处理方法有完全退火、正火、正火+回火。采用正火处理能得到比退火更细小的晶粒度，因而有更高的力学性能。同时，采用正火方法能缩短生产周期，故现在普遍采用正火处理工艺。只有极个别的情况，如结构复杂或变形和裂纹倾向很大的铸件，才采用退火处理。碳钢铸件不采用淬火+回火（调质）处理，这是由于碳钢的淬透性较低，塑性较差，而且铸件结构通常比较复杂，采用淬火处理时容易开裂。

3.铸造合金钢

铸造碳钢虽然应用较广，但是在性能上有许多不足之处。如淬透性差，使用温度范围小，耐磨及耐蚀性差，不能满足现代工业对铸钢的多方面需求。为了改善和提高铸造碳钢的某些性能，在铸钢中加入一种或几种合金元素即为铸造合金钢。根据钢中所含元素的多少，可将合金钢分为低合金钢、中合金钢和高合金钢三种。

1）合金元素在钢中的作用

合金元素在钢中可以与铁和碳形成固溶体（包括合金奥氏体、合金铁素体、合金马氏体）和碳化物（包括合金渗碳体、特殊碳化物），也可以相互之间形成金属间化合物，从而改变钢的组织和性能。

（1）合金元素对铁碳合金相图的影响

不同的合金元素与铁相互作用的结果，会对Fe-Fe3C相图产生不同的影响。按照影响规律的不同，可将合金元素分为两类：一类是缩小奥氏体相区的元素，包括Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al、B等，又称为铁素体形成元素，如图2-7（a）所示。随着钢中这类合金元素含量的增大，可使相图中奥氏体相区消失，使钢在室温下的平衡组织是单相铁素体，这种钢称为铁素体钢。典型元素为铬。另一类是扩大奥氏体相区的元素，包括Ni、Mn、Co、Cu、Zn、N等，又称为奥氏体形成元素，如图2-7（b）所示。若要得到奥氏体钢时，需要向钢中加入奥氏体形成元素，随着钢中这类合金元素（如Mn、Ni）含量的增加，会使钢中奥氏体区一直延伸到室温以下，使其室温下的平衡组织是稳定的单相奥氏体，这种钢称为奥氏体钢。

同时，大部分合金元素还能使Fe-Fe3C相图中的点S、E左移，即降低了共析点碳的质量分数，从而使含碳量相同的碳钢和合金钢具有不同的组织。例如，含wC=0.4%的非合金钢属于亚共析钢，在加入wCr=12%后，就成了共析钢。又如，含wC=0.7%～0.8%的高速钢，由于大量合金元素的加入，在铸态组织中却出现了合金莱氏体，这种钢称为莱氏体钢。

（2）合金元素对钢热处理的影响

① 对钢奥氏体化的影响 在合金钢的奥氏体化过程中，由于大多数合金元素都会阻碍碳的扩散，同时其自身扩散也较困难，不易使奥氏体成分均匀化，因此合金钢的奥氏体形成过程要比碳钢慢。强碳化物形成元素有Ti、Zr、Nb，V等，强烈阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒作用显著；中等程度阻止奥氏体晶粒长大的元素主要有W、Mo、Cr等；非碳化物形成元素，如Si、N、Cu等阻止奥氏体晶粒长大的作用较小；只有C、P、Mn等在高碳时能促进奥氏体晶粒长大。因此，对于合金钢应采取较高的加热温度和较长的保温时间，以保证合金元素溶入奥氏体并使之均匀化，从而充分发挥合金元素的作用。另外，除锰钢外，合金钢在加热时不易过热，使得钢在高温下较长时间加热仍能保持细晶粒组织，这对钢在热处理后提高性能有重要作用。

② 合金元素对钢的淬透性的影响 合金元素中，除Co、Al外，能溶入奥氏体中的大多数合金元素，均可降低原子扩散速度，使奥氏体稳定性增加，从而使C曲线右移。当较多的强碳化物形成元素溶入奥氏体后，由于它们对推迟珠光体转变与贝氏体转变的作用不同，使C曲线出现两个鼻尖，曲线分解成珠光体和贝氏体两个转变区，在两区之间，过冷奥氏体有很大的稳定性。由于合金元素使C曲线右移，降低了马氏体临界冷却速度，增大了钢的淬透性。正因为合金钢淬透性好，因此，用较小的冷却速度，也能获得马氏体组织，并能同时减少淬火内应力，防止工件的变形与开裂。

此外，大多数合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变温度Ms降低（如图2-8所示），其中铬、镍、锰作用较强。而点Ms越低，淬火后钢中残余奥氏体的数量就越多，因此，凡使点Ms降低的合金元素，均使残余奥氏体数量增加（如图2-9所示）。故一般合金钢淬火冷却到室温时，其残余奥氏体数量比非合金钢多，对钢的性能也会带来一定影响。

2）铸造合金钢的牌号

我国合金钢的表示方法是铸钢代号“ZG”和含碳量的公称值，后面为合金元素符号，符号后的数字为合金元素含量的公称值。

牌号中“ZG”后的一组数字是铸钢碳以万分数表示的名义质量分数。在其后面排列各主要合金元素符号，每个元素符号后面用整数标出其名义质量分数。例如：

3）常用铸造合金钢

（1）铸造低合金钢

低合金铸钢是指合金元素总量小于或等于5% 的铸钢。加入少量合金元素，如Mn、Si、C、Mo、V等，使铸造碳钢的强度、耐磨性和耐热性明显提高，因而减小铸件质量，节约钢材，提高铸件的使用寿命。如ZG40Mn、ZG30MnSil等，用于制造齿轮、水压机工作缸、水轮机转子等承受摩擦和冲击的零件。ZG40Crl常用做高强度齿轮、轴等重要受力零件。ZG35CrMnSi用于齿轮、滚轮等承受冲击磨损的零件。

（2）铸造高合金铸钢

合金元素总量大于10%的铸造合金钢称为高合金钢。大量合金元素的加入使钢的组织发生根本的变化，因而使其具有特殊性能。其中ZGMn13（wC=0.9%～1.3%，wMn=11%～14%）高锰钢是一种耐磨铸钢，用于制造拖拉机和坦克的履带板、挖掘机的抓斗齿等高冲击、干摩擦下工作的零件。ZG1Cr18Ni9、ZG1Cr13、ZGCr28 等不锈钢为耐蚀铸钢，主要用于化工、石油、化纤、食品及医药设备中的阀、泵及容器等耐蚀零件。还有ZG35Ni24Cr18Si2、ZGCr28等耐热钢。

2.1.3 铸造有色合金

工业上使用的金属材料，可分为黑色金属和有色金属两大类。通常，把铁和以铁为主而形成的材料，称为黑色金属；除黑色金属以外的其他金属称为有色金属或非铁合金。我国有色金属矿产资源十分丰富，钨、锡、钼、锑等金属的储量居世界前列，稀土金属及钛、铜、铝、锰的储量也很丰富。与黑色金属相比，有色金属有许多优良的性能，因而成为现代工业、国防科学研究中不可缺少的工程材料。例如，铝、镁、钛等金属及其合金具有密度小、比强度高的特点，在航空航天工业、汽车制造、船舶制造等方面应用十分广泛；银、铜、铝等金属的导电性能和导热性能优良，是电气工业和仪表工业中不可缺少的材料；钨、钼、铌及其合金是制造在1300℃以上使用的高温零件及电真空元件的理想材料。常用的铸造有色合金有铝合金、铜合金、镁合金、钛合金等，应用较多的是铸造铝合金及铸造铜合金。

1.铸造铝合金

在非铁金属中，铝及铝合金是应用最广的金属材料，其产量仅次于钢铁，广泛用于电气、汽车、车辆、化工等部门，也是航空工业的主要结构材料。当铝含量不低于99.00% 时，为纯铝。纯铝是银白色的轻金属，其密度小（2.7g/cm3）、熔点低（660 ℃），结晶后具有面心立方晶格，无同素异构转变，有良好的导电和导热性能。由于铝的化学性质活泼，在大气中极易与氧作用生成牢固致密的氧化膜，防止了氧与内部金属基体的作用，所以纯铝在大气和海水中具有良好的耐蚀性；但在碱和盐的水溶液中，表面的氧化膜易破坏，使铝很快被腐蚀；纯铝的塑性好（Ψ≈80%），但强度低（σb≈80～l00MPa），用热处理不能强化；冷变形是提高其强度的唯一手段，经冷变形强化后强度可提高到150～200MPa，而塑性则下降（Ψ=50%～60%）。纯铝主要用于熔炼铝合金，制造电线、电缆，以及要求导热、耐腐蚀好但强度要求不高的构件和器皿等。

在纯铝中加入适量的其他金属或非金属元素，可获得多种适于铸造和压力加工的铝合金。这些合金不仅能保持纯铝的基本特性，而且比强度优于球墨铸铁、碳素钢及铜合金，具有良好的综合性能，因而在交通运输、飞行器、建筑材料、运动器械及家用电器和器具等方面应用广泛。

以铝为基的二元合金一般具有共晶型相图，如图2-10所示。铝合金按其成分范围可大致分为变形铝合金和铸造铝合金。

由图2-10可看出，成分在点D以左的合金，加热时能形成单相固溶体，塑性较高，适合于进行压力加工，故称为变形铝合金。变形铝合金中，成分在点F以左的合金，其α固溶体成分不随温度变化，不能用热处理强化，称为不可热处理强化铝合金；成分在FD之间的合金可进行固溶-时效强化，称为可热处理强化铝合金；成分在点D以右的合金，因出现共晶组织，故塑性差，不宜变形加工。但其熔点低，共晶点附近结晶温度范围小，故流动性好，适于铸造生产，故称为铸造铝合金。

铸造铝合金是用途最广的铸造合金之一。要正确选用铝合金，必须对其分类编号、性能特点和热处理方式有基本的了解。

1）铸造铝合金的分类、牌号及化学成分

铸造铝合金用于直接铸成各种形状复杂的甚至是薄壁的成形件。浇注后，只需进行切削加工即可成为零件或成品，故要求合金具有良好的流动性。凡成分大于点D的合金，由于有共晶组织存在，其流动性较好，且高温强度也比较高，可以防止热裂现象，故适于铸造。因此，大多数铸造铝合金中合金元素的含量均大于极限溶解度D。

铸造铝合金应具有高的流动性，较小的收缩性，热裂、缩孔和疏松倾向小等良好的铸造性能。共晶合金或合金中有一定量共晶组织就具有优良的铸造性能。为了综合运用热处理强化和过剩相强化，铸造铝合金的成分都比较复杂，合金元素的种类和数量相对较多，以所含主要合金组元为标志，常用的铸造铝合金有铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝稀土合金和铝锌合金。主要铸造铝合金的牌号和化学成分见表2-9。

（1）铝硅类合金

铝硅合金是一种以铝为基加入不同含量的硅而得到的一类合金，铝硅合金具有优良的铸造性能，如流动性好、气密性高、收缩率小和热裂倾向小等，经过变质和热处理之后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和工艺性能，是铸造铝合金中品种最多、应用最广的一类合金。铝硅合金可用做内燃机活塞、汽缸体、汽缸套、风扇叶片、形状复杂的薄壁零件以及电机、仪表的外壳、油泵壳体等。

① 铝硅类合金的化学成分及组织 铝硅类合金中硅的质量分数在4%～22%之间，特殊铝硅合金加入铜、镁、锰元素使合金强化。其主要牌号和成分见表2-9。

铝硅类合金具有共晶组织，这种共晶组织由粗大针状硅晶体和α固溶体组成，故强度和塑性较差。为此，常用钠盐混合物作为变质剂进行变质处理，以细化晶粒，提高强度和塑性。标准铝硅合金的牌号为ZL102，其变质处理前后的铸态组织如图2-11所示。

为进一步提高强度，常加入与铝形成硬化相的铜、镁等元素，则不仅可进行变质处理，且可进行固溶时效强化。如ZL101、ZL104中含有少量镁，ZL107中含少量铜，ZLl10、ZLl11中同时含有少量的铜和镁。

② 铝硅合金的常温力学性能GB/T 1173—1995规定的Al-Si合金单铸试样的力学性能见表2-10。

（2）铝铜类合金

铝铜合金的主要强化相是Al2Cu，它本身有较强的时效硬化能力和热稳定性。因此，铝铜合金适合在高温下工作，同时也有较高的室温强度。其缺点是铸造工艺性及耐蚀性较差。其主要用于制造200～300℃条件下工作、要求较高强度的零件，如增压器的导风叶轮等。

① 铝铜类合金的化学成分及组织 铝铜合金的主要合金元素是铜，而硅和铁是杂质元素。铜能显著提高铝合金的室温和高温强度，改善机械加工性能，但铸造性能较差，特别是当铜的质量分数为4%～5%时，存在较大的热裂倾向。铜铝合金的耐蚀性较差，存在晶间腐蚀和应力腐蚀。通过时效处理，能改善其耐蚀性。

为了改善铝铜合金的性能，除铜外，有时还加入锰、钛、镁等其他合金元素，形成了不同的铝铜合金牌号，见表2-10。

ZL203合金的显微组织中有较多的α（Al）+Al2Cu共晶组织。含Fe量较高的ZL203合金，在铸造冷却过程中有三元共晶转变发生：L→α（Al）+ θ（Al2Cu）+N（Al7Cu2Fe），所以合金组织中除有α（Al）、Al2Cu相外，还有含Fe的N（Al7Cu2Fe）相，还可能有A13Fe相。ZL203合金中若同时含有较多的Fe和Si，合金组织中除有a（Al）、Al2Cu、Si外，也可能出现呈针状的N（Al7Cu2Fe）和β（Al9Fe2Si2）相。

② 铝铜类合金的力学性能 铝铜合金的力学性能见表2-11。

（3）铝镁类合金

铝镁铸造合金的优点是相对密度小，强度和韧性较高，并具有优良的耐蚀性、切削性和抛光性。

铝镁合金主要有ZL301、ZL303和ZL305，其成分见表2-9，成分与性能的关系见图2-12。其综合性能（强度和塑性）最佳时的镁含量为wMg=9.5%～11.5%。这就是常用的ZL301合金的镁含量，再高的镁含量因 β-Al8Mg5相难以完全固溶而使合金性能下降。ZL301合金铸态组织中除α固溶体外，还有部分Al8Mg5离异共晶存在于树枝晶边界。这种Al8Mg5相性脆，使合金强度和塑性降低。只有在固溶温度保温较长时间才能将树枝晶界的Al8Mg5相溶解，淬火后得到过饱和固溶体，提高了强度和塑性。固溶温度为（430±5）℃，保温12～20 h，油冷，经自然时效后，σb=343MPa，σ0.2=167MPa，δ=10%，HB为80。

为了改善铝镁铸造合金的铸造性能，加入wSi=0.8%～1.2%及微量钛。其中钛形成细小的Al3Ti，起细化晶粒作用。铝镁铸造合金的力学性能见表2-12。

铝镁铸造合金一般多用于制造承受冲击载荷、耐海水腐蚀、外形不太复杂便于铸造的零件，如舰船零件等。

（4）铝锌类合金

Al-Zn合金是研究应用最早的铸造铝合金，至今已有100多年的历史。早期使用的Al-Zn二元合金由于热强性很低、抗蚀性能差，在工业上没有多少实用价值。为了提高Al-Zn合金的铸造性能、力学性能和抗蚀性能，添加合金元素Si、Mg，组成了多元Al-Zn合金。目前，Al-Zn合金主要有ZL401（Al-Zn-Si-Mg合金）和ZL402（Al-Zn-Mg合金）两个牌号，其化学成分见表2-13。

这类合金的主要优点是有很好的室温性能，好的强度和韧性，而且不需要热处理便可获得较好的力学性能（力学性能见表2-13）；主要缺点是铸造性能和耐蚀性能差，密度大，高温性能较差，因而使其应用范围受到了很大限制。

2）铸造铝合金的热处理

热处理是铝硅合金提高性能的重要途径。铝合金常用热处理工艺见表2-14。

2.铸造铜合金

铜是人类历史上应用最早的金属，是应用最广的非铁金属材料之一。纯铜的晶体结构是面心立方晶格，导电、导热性能优良，塑性好，易于进行冷、热加工，但强度、硬度低。因此，纯铜一般不作为结构材料使用，主要用于制造电线、电缆、电子元件及导热器件。

工业纯铜的力学性能较低，为满足结构件的要求，需要对纯铜进行合金化，形成铜合金。铜合金化原理类似于铝合金，主要通过合金化元素的作用，实现固溶强化、时效强化和过剩相强化，提高合金的力学性能。

铜合金中的主要固溶强化合金元素为Zn、Al、Sn、Ni。这些元素在Cu中的固溶度均大于9.4%，可产生显著的固溶强化效果，最大可使Cu的抗拉强度从240MPa提高到650MPa。Be、Ti、Zr、Cr等元素在固态铜中的溶解度随温度的变化急剧减小，有助于Cu产生时效强化作用，是Cu中常加入的沉淀强化元素。按化学成分，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜三类。

1）黄铜

（1）普通黄铜

以锌为主要合金元素的Cu-Zn二元合金通称为黄铜或普通黄铜。在此基础上再添加其他合金元素组成的多元合金称为特殊黄铜，由于其力学、物理和化学位能得到明显提高，已形成许多合金牌号，能满足多种用途要求。

普通黄铜对大气、海水具有相当好的耐蚀能力，力学性能与含锌量有关，锌对普通黄铜力学性能的影响如图2-13所示。当wZn＜39%时，锌能完全溶解在铜内，形成面心立方晶格的α固溶体，塑性好，随含锌量的增加，其强度和塑性都上升。当wZn＞39%以后，黄铜的组织由α固溶体和 ′β 相组成，′β 相在470℃以下塑性极差，但少量的 ′β 相对强度没有影响，因此强度仍较高。但wZn＞45%以后铜合金组织全部是 ′β 相和别的脆性相，致使强度和塑性均急剧下降。

普通黄铜的牌号用“黄”字的汉语拼音字首H加数字表示，数字代表平均含铜量的百分数。如H62表示含铜62%的铜锌合金。常用普通黄铜的牌号、主要化学成分、材料状态、力学性能及用途见表2-15。

普通黄铜中最常用的有H70和H62。H70含锌30%，为单相α黄铜，强度高，塑性好，可用冲压方式制造弹壳、散热器、垫片等零件，故有弹壳黄铜之称。H62含锌38%，属于双相α+β黄铜，有较高的强度，塑性比H70差，切削性能好，易焊接，耐腐蚀，价格便宜，工业上应用较多，如制造散热器、油管、垫片、螺钉等。

（2）特殊黄铜

为改善黄铜的性能加入少量Al、Mn、Sn、Si、Pb、Ni等元素就得到特殊黄铜，如铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜、锰黄铜、铁黄铜、硅黄铜等。特殊黄铜具有更好的力学性能、耐蚀性和耐磨性。

特殊黄铜可分为压力加工黄铜和铸造黄铜两种。压力加工加入的合金元素少，具有较高的塑性和变形能力，常用的有铅黄铜HPb59-1、铝黄铜HAI59-3-2。HPb59-1为加入1%铅的黄铜，其含铜量为59%，其余为锌。它有良好的切削加工性，常用来制作各种结构零件，如销子、螺钉、螺帽、衬套、垫圈等。HAl59-3-2含铝3%、镍2%、铜59%，其余为锌。其耐蚀性较好，用于制造耐腐蚀零件。铸造黄铜的牌号前有“铸”字的汉语拼音字首Z，如ZCuZn16Si4，Z是“铸”汉字拼音的字母，Zn表示主加元素，16为Zn的含量，4是Si的含量，剩余为Cu，即含Zn16%、Si4%、Cu80%的铸造硅黄铜。其综合力学性能、耐磨性、耐蚀性、铸造性能、可焊性、切削加工性等均较好，常用做轴承衬套。常用特殊黄铜的牌号、主要化学成分、材料状态、力学性能和用途见表2-15。

2）青铜

青铜是铜合金中综合性能最好的合金，最早的青铜仅指铜锡合金，即锡青铜。现在把黄铜和白铜以外的铜合金统称为青铜，而在青铜前加上主要添加元素的名称，如锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜等。青铜可分为锡青铜和无锡青铜两类。

（1）锡青铜

锡青铜是以锡为主要合合金元素的铜合金。锡青铜具有良好的强度、硬度、耐腐蚀性和铸造性能。锡的质量分数对锡青铜力学性能的影响如图2-14所示。锡青铜中锡的质量分数在5%～6%以下时，锡溶于铜中形成α固溶体，合金的强度随着锡的质量分数增加而升高，塑性良好；当锡的质量分数超过5%～6%时，合金组织中出现脆性相，强度增加而塑性急剧下降；当锡的质量分数大于20%时，强度也显著下降，故工业用锡青铜锡的质量分数一般都在3%～14%之间。

含锡量小于8%的青铜具有较好的塑性和适宜的强度，适用于压力加工，可加工成板材、带材等半成品；含锡量大于10%的青铜塑性差，只适用于铸造。

锡青铜结晶温度间隔大，流动性差，不易形成集中缩孔，而易形成分散的显微缩松。锡青铜的铸造收缩率是有色金属与合金中最小的（小于1%），故适用于铸造形状复杂、壁厚的铸件，但不适于制造要求致密度高和密封性好的铸件。

锡青铜可分为压力加工和铸造两种。压力加工锡青铜牌号用“青”字的汉语拼音首字母Q+锡的元素符号+数字表示，如QSn4-3表示含锡4%、锌3%、其余93%为铜的锡青铜。

铸造锡青铜则在牌号前加“Z”。ZCuSn10Pl表示含锡10%、磷1%、其余89%为铜的铸造锡青铜。

常用锡青铜的牌号、化学成分、力学性能和用途见表2-16。锡青铜的耐蚀性比纯铜和黄铜高，耐磨性也好，多用于制造耐磨零件，如轴承、轴套、齿轮、蜗轮等，也用于制造与酸、碱、蒸汽接触的耐蚀件。

（2）铝青铜

铝青铜一般在机械制品中作为结构材料，Al的质量分数为5%～7%的铝青铜，塑性最好，适用于冷加工。A1的质量分数为10%左右的铝青铜，强度最高，常以热加工或铸态使用。铝青铜的液固相线间隔极小，因此有很好的铸造流动性，缩孔集中，容易获得致密的铸件。铝青铜具有优良的耐蚀性，在大气、海水、碳酸及大多数有机酸溶液中有比黄铜和锡青铜更高的耐蚀性。铝青铜的牌号、化学成分、力学性能和用途见表2-16。

（3）铍青铜

铍青铜是Be的质量分数为1.7%～2.5%的铜合金。Cu内添加少量的Be就能使合金性能发生很大变化。铍青铜经热处理后，可以获得很高的强度和硬度，σb=1250～1500MPa，HBS=350～400，远远超过其他所有铜合金，甚至可以和高强度钢相媲美。与此同时，铍青铜的弹性强度、疲劳强度、耐磨性和耐蚀性也都很优异。此外，铍青铜还具有良好的电导性、导热性、无磁性以及受冲击时不产生火花等一系列优点。因此，铍青铜在工业上用来制造各种精密仪器、仪表的重要弹性元件、耐磨零件（如钟表、齿轮、高温高压高速工作的轴承和轴套）和其他重要零件（如航海罗盘、电焊机电极、防爆工具等）。由于Be在Cu中有较高的溶解度，并随温度下降而显著减小，故铍青铜有强烈的淬火时效硬化效应。wBe＞1.7%的铍青铜的最佳热处理规范为：加热到780～790℃，保温8 min至1 h，然后水冷。时效范围为300～330℃，保温13 h。铍青铜淬火时效强化效果与合金成分和热处理工艺有关。当铍含量在2%以下时，硬度和强度随铍的增加而急剧升高，超过2%以后，合金塑性明显下降，故铍青铜的铍含量不应超过3%。铍青铜的牌号、化学成分、力学性能和用途见表2-16。

（4）硅青铜

硅青铜的含硅量为2%～5%，它具有较高的弹性、强度、耐蚀性，铸件致密性较大，用于制造在海水中工作的弹簧等弹性元件。常用的硅青铜有QSi3-1，见表2-16。

（5）铅青铜

铅青铜是很好的轴承材料，具有较高的疲劳强度、良好的导热性和减摩性，能在高速重载下工作。常用的铅青铜为ZCuPb30（见表2-16），由于其自身强度不高，常用于浇铸双金属轴承的钢套内表面。铅青铜的缺点是由于铜和铅的比重不同，在铸造时易出现比重偏析。

3）白铜

以镍为主要合金元素的铜基合金，称为白铜。铜与镍都是面心立方晶格金属，其电化学性质和原子半径也相差不大，故铜与镍的二元合金状态相图为匀晶型。由于铜与镍可无限互溶，所以各种铜镍合金均为单相组织。因此，这类合金不能进行热处理强化，主要是通过固溶强化和加工硬化来提高力学性能。

铜镍二元合金称为简单白铜。简单白铜具有高的抗腐蚀疲劳性，也有高的抗海水冲蚀性和抗有机酸的腐蚀性。另外，它还具有优良的冷、热加工工艺性。常用的简单白铜有B5、B19和B30等牌号。简单白铜广泛地用来制造在蒸汽、淡水和海水中工作的精密仪器、仪表零件、冷凝器及热交换器等。

在铜镍二元合金的基础上加入其他合金元素的铜基合金，称为特殊白铜。以加入合金元素种类的不同，可分为锰白铜、锌白铜、铝白铜等。特殊白铜牌号表示方法如下：以“B”字打头，后跟特殊合金元素的化学元素符号，符号后的数字分别表示镍和特殊合金元素的百分含量。例如，BMn3-12表示含镍3%和含锰12%的锰白铜。BZn15-20表示含镍15%和含锌20%的锌白铜。

白铜主要用于制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。锰含量高的锰白铜可制作热电偶丝。部分常用白铜的牌号、成分、力学性能及用途见表2-17。

3.镁合金

镁是银白色的金属，密度（1.74×103kg/m3）较小具有密排六方晶格结构，熔点为649℃。镁具有强烈的氧化性，银白色的金属镁在空气中因氧化而变暗，形成一层氧化薄膜，此氧化膜对镁起到一定的保护作用。但纯镁的强度低，塑形差，不能用做结构材料。

在纯镁中加入适量的其他金属或非金属元素，可以获得适于铸造和压力加工的镁合金。镁合金不仅能保持纯镁的基本特性，而且具有较大的比强度和比刚度，具有良好的综合性能，因而在航空、航天、汽车、运动器械及家用电器和器具等方面得到广泛应用。

常用合金元素有Al、Zn、Mn、Zr、Li及稀土元素Re等。铝和锌既可固溶于镁中产生固溶强化，又可与镁形成强化相Mg17Al12和MgZn，并通过时效强化和第二相强化提高合金的强度和塑性；锰可以提高合金的耐热性和耐腐蚀性，改善合金焊接性能；锌和稀土元素Re可以细化晶粒，通过细晶强化提高合金的强度和塑性，并减小热裂倾向，改善铸造性能和焊接性能；锂可以减轻镁合金重量。

1）镁合金的分类

镁合金的分类方法主要有三种: 一是按化学成分，镁合金可分为二元、三元和多元合金系，二元合金系如Mg-Mn、Mg-Al、Mg-Zn等；二是依据合金是否含锆，镁合金可分为含锆和不含锆两大类；三是按成形工艺，镁合金可分为变形镁合金和铸造镁合金。而最后一种分类方法较常见。

（1）变形镁合金

变形镁合金均以压力加工（轧、挤、拉等）的方法制成各种半成品，以板材、棒材、管材、线材等供应，供应状态有退火态、人工时效态等。变形镁合金按化学成分分为Mg-Mn系、Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系三类，其牌号用“镁变”汉语拼音字首MB加顺序号表示，如MBl、MB2等八个牌号。

① Mg-Mn系变形镁合金 这类合金具有良好的耐腐蚀性能和焊接性能，可以进行冲压、挤压、锻压等压力加工成形。其牌号为MBl和MB8，通常在退火态使用。板材用于制作飞机和航天器的壁板等焊接结构件，模锻件可制作外形复杂的耐蚀件。

② Mg-Al-Zn系变形镁合金 这类合金强度较高、塑性较好。其牌号为MB2、MB3、MB5、MB6、MB7，其中MB2和MB3具有较好的热塑性和耐蚀性，应用较多，而其余三种合金因应力腐蚀倾向较明显，应用受到限制。

③ Mg-Zn-Zr系变形镁合金 其牌号为MB15，该合金经热挤压等热变形加工后直接进行人工时效。其屈服强度σ0.2可达275MPa，抗拉强度σb可达329MPa，是航空工业中应用最多的变形镁合金。因其使用温度不能超过150℃，且焊接性能差，故一般不用做焊接结构件。

近年来，国内外研制成功的Mg-Li系变形镁合金，因加入合金元素Li，使该合金系的密度较原有变形镁合金降低15%～30%，同时提高了弹性模量、比强度和比模量。另外，Mg-Li系合金还具有良好的工艺性能，可进行冷加工、焊接及热处理强化。因此，Mg-Li系合金在航空和航天领域具有良好的应用前景。

（2）铸造镁合金

铸造镁合金分为高强度铸造镁合金和耐热铸造镁合金两大类，其牌号由Z（“铸”字汉语拼音首字母）Mg+主要含金元素的化学符号及其平均质量分数（w×100）组成。如果合金元素的平均质量分数不小于1，该数字用整数表示；如果合金元素的平均质量分数小于1，一般不标数字。例如，ZMgZn5Zr表示wZn=5%、wZr＜1%的铸造镁合金。铸造镁合金的代号用“铸镁”的汉语拼音首字母ZM后面加顺序号，如ZM1、ZM2等八个代号。

① 高强度铸造镁合金 这类合金有Mg-Al-Zn系的ZMgAl8Zn（ZM5）、ZMgAl10Zn（ZM10）和Mg-Zn-Zr系的ZMgZn5Zr（ZM1）、ZMgZn4Re1Zr（ZM2）、ZMgZn8AgZr（ZM7），这些合金具有较高的室温强度、良好的塑性和铸造性能，适用于铸造各种类型的零（构）件。其缺点是耐热性差，使用温度不能超过150℃。航空和航天工业中应用最广的高强度铸造镁合金是ZM5（ZMgA18Zn），在固溶处理或固溶处理+人工时效状态下使用，用于制造飞机、发动机、卫星及导弹仪器舱中承受较高载荷的结构件或壳体。

② 耐热铸造镁合金 这类合金为Mg-Re-Zr系的ZMgRe3ZnZr（ZM3）、ZMgRe2ZnZr（ZM6）、ZMgRe3Zn2Zr（ZM4）。这些合金具有良好的铸造性能，热裂倾向小，铸造致密性高，耐热性好，长期使用温度为200～250℃，短时使用温度可达300～350℃。其缺点是室温强度和塑性较低。耐热铸造镁合金主要用于制作飞机和发动机上形状复杂、要求耐热性的结构件。

近年来，国内外研究者为了提高铸造镁合金的使用性能和工艺性能，正致力于研究铸造稀土镁合金、铸造高纯耐蚀镁合金、快速凝固镁合金及铸造镁或镁合金基复合材料，以扩大铸造镁合金在汽车、航空、航天工业中的应用。

4.钛合金

钛及钛合金是性能优异的金属材料。其特点是密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀，以及具有良好的低温性能。目前，已广泛应用于航空、航天、航海、冶金、化学工业等。但是，由于钛及钛合金的加工条件复杂，成本较高，所以在很大程度上限制了它们的应用。

1）纯钛

钛是化学活泼性极高的金属，密度小（4.507×103kg/m3），熔点高（1668℃），热膨胀系数小，热导性差，塑性很好（δ=40%、ψ=60%），强度、硬度低（σb=290MPa、100HBS）。钛与氧、氮形成致密的保护膜，因此在大气、高温气体及许多腐蚀性介质中有良好的耐蚀性。钛的成形性、焊接性和切削加工性良好，可制成细丝和薄片。钛具有同素异晶转变，在882.5℃以下为密排六方晶格的α-Ti，882.5℃以上为体心立方晶格的β-Ti。

工业纯钛中含有氧、氮、铁、氢和碳等杂质，少量杂质可使强度、硬度增加，而塑性、韧性下降。

工业纯钛的牌号用“TA”（“T”为“钛”的汉语拼音首字母）及数字表示，数字越大，纯度越低。其牌号有TA1、TA2、TA3三种。工业纯钛只做“去应力退火”和“再结晶退火”处理，常用做350℃以下、强度要求不高的零件和冲压件。

2）钛合金

在纯钛中加入A1、Mo、Cr、Sn、Mn、V等元素形成钛合金。按退火组织不同，钛合金可分为α型、β型、（α+β）型三种，分别用TA、TB、TC加顺序号表示。工业纯钛的室温组织为α相，因此牌号划入α型钛合金的TA序列。

（1）α型钛合金

与β型和（α+β）型钛合金相比，α型钛合金的室温强度低，但高温强度高。α型钛合金组织稳定，具有良好的抗氧化性、焊接性和耐蚀性，不可热处理强化，主要依靠固溶强化，一般在退火态使用。α型钛合金的牌号有TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等，常用的有TA5、TA7等，以TA7最常用。TA7还具有优良的低温性能，主要用于制造在500℃以下温度工作的火箭、飞船的低温高压容器，航空发动机压气机叶片和管道、导弹燃料缸等。TA5主要用于制造船舰零件。

（2）β型钛合金

β型钛合金有TBl、TB2两个牌号。β型钛合金有较高的强度、优良的冲压性能，并可通过固溶处理和时效进行强化。实际应用的β型钛合金为TB2，用于制造在350℃以下温度工作的飞机压气机叶片、弹簧、紧固件等。

（3）（α+β）型钛合金

（α+β）型钛合金具有α型钛合金和β型钛合金的优点，但焊接性能不如α型钛合金，可通过热处理来进行强化，热处理后强度可提高50%～100%。（α+β）型钛合金的牌号有TCl～TC11，常用牌号有TC3、TC4、TC6、TCl0等。TC4是钛合金中最常用的合金，在400℃时组织稳定，蠕变强度较高，低温时有良好的韧性，并具有良好的抗海水应力腐蚀及抗热盐应力腐蚀的能力。主要用于制造在400℃以下工作的航空发动机压气机叶片、火箭发动机外壳及冷却喷管、火箭和导弹的液氢燃料箱部件、船舰耐压壳体等。TC10是在TC4基础上发展起来的，具有更高的强度和耐热性。

3）钛合金的新进展

近年来，国内外研究钛合金材料的新进展主要体现在以下几方面。

（1）高温钛合金

一般钛合金使用温度最高为500℃，为了使钛合金能在更高的温度下使用，研制了许多新型钛合金。中国研制的Ti-Al-Sn-Mo-Si-Nd系合金，使用温度可达550℃。英国的Ti-5.5Al-4Sn-4Zr-lNb-O.3Mo-0.5Si合金和美国研制的Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Nb-0.45Si合金，使用温度可达600℃。以钛铝金属间化合物为基的Ti3A1基高温钛合金和TiAl基高温钛合金的使用温度可达700℃以上。美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术成功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金的强度。

（2）高强高韧β型钛合金

β型钛合金具有良好的冷热加工性能，容易锻造，可以轧制、焊接，可以通过固溶-时效处理获得较高的力学性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧度的很好配合。最具代表性的新型高强高韧β型钛合金为俄罗斯的BT-22（Ti-5V-5Mo-1Cr-lFe-Al）。

（3）阻燃钛合金

常规钛合金在特定的条件下有燃烧的倾向，这在很大程度上限制了它的应用。美国的Alloy C（50Ti-35V-15Cr）是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，已用于F119发动机。BTT-l和8TT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金，均为Ti-Cu-Al系合金，具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件。

（4）医用钛合金

钛无毒、质轻、强度高，并且具有优良的生物相容性，可作为人体的植入物。目前，在医学领域中广泛使用的仍是纯钛和Ti-6Al-4VELI合金。但Ti-6Al-4VELI合金会析出极微量的钒和铝离子，有可能对人体造成危害。日本已开发出了一系列具有优良生物相容性的钛合金，如Ti-15Zr-4Nb-4Ta-O.2Pd、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-O.2P，这些合金的性能优于Ti-6Al-4VELI。美国开发了适用于作为植入物的钛合金，如Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-13Nb-13Zr、Ti-15Mo-2.5Nb-0.2Si等，已被推荐至医学领域，有可能取代目前医学领域中广泛使用的Ti-6Al-4VELI合金。