课题五　 铸铁、有色金属 等其他材料

本课题重点与难点 教 学 重 点 教 学 难 点 1、灰铸铁，球墨铸铁的牌号，性能及应用。 2、常用黄铜和青铜的牌号，性能及用途 3、硬质合金的分类；牌号，及应用。 4、工程塑料和复合材料的定义、特性、分类 1、铸铁的石墨化。 2、根据零件的使用需要，正确选用合适的 有色金属材料牌号。 3、粉末冶金材料（含硬质合金）的性能特 点及应用。 4、工程塑料化学名称较难记忆。 教 学 难 点

3.5.1 铸铁 1、铸铁的石墨化及其影响因素 铸铁是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金总称。具有良好的铸造性、耐磨性、减震性、切削加工性等，且制造容易、价格便宜。 　　铸铁按碳的存在形式分为： 　　1.白口铸铁：Fe3C 　　2.灰口铸铁：G 　　3.麻口铸铁：Fe3C+G 　　此外，为满足耐热、耐蚀、耐磨等特殊性能的需求，在铸铁中加入铬、钼、铜、铝、硅等合金元素就得到合金铸铁。

3.5.1 铸铁 1）铸铁的石墨化 石墨的形状、数量、大小及分布对铸铁的组织和性能有重要影响。 3.5.1 铸铁 1）铸铁的石墨化 石墨的形状、数量、大小及分布对铸铁的组织和性能有重要影响。 铸铁中碳原子以石墨（G）形式析出的过程称为石墨化。 石墨是碳的一种结晶形式，具有六方晶格，强度、硬度、塑性和韧性极低，接近于零，硬度仅为3～5HBS。

3.5.1 铸铁 2）影响石墨化的因素 （1）化学成分的影响 3.5.1 铸铁 2）影响石墨化的因素 （1）化学成分的影响 碳和硅是强烈促进石墨化的元素。铸铁中碳、硅的含量越高，越容易进行石墨化，得到灰口铸铁组织。 硫是强烈阻止石墨化的元素。一般Ws＜0.15％。 锰是阻止石墨化的元素。一般WMn＝0.6％～1.3％。 磷是微弱促进石墨化的元素。一般WP＜0.3％。 （2）冷却速度的影响

3.5.1 铸铁 2、灰铸铁的成分、组织与性能 成份：一般为Wc=2.5%~4.0%,Wsi=1.0%~3.0%,WMn=0.5%~1.4%,Ws≤0.15%,Wp≤0.30%。 组织：看成是碳钢的基体加片状石墨，分为三类：铁素体基体、铁素体-珠光体基体、珠光体基体灰铸铁。 性能：取决于基体组织和石墨的形态、数量、大小和分布。 灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性比钢低很多。具有优良的铸造性能、优良的切削加工性能、良好的减振性、减摩性和低的缺口敏感性。

3.5.1 铸铁 3、灰铸铁的孕育处理 在浇注前向铁水中加入少量孕育剂，使大量高度弥散的难熔质点成为石墨的结晶核心，以获得细小均匀的石墨片和细片珠光体。 通过孕育处理得到的铸铁称为孕育铸铁。孕育铸铁有较高的强度，且铸件各部位截面上的组织和性能比较均匀。　　 4、灰铸铁的牌号、性能及用途 牌号用“HT+数字”表示。HT是“灰铁”两字的汉语拼音字首，数字表示最低的抗拉强度值（MPa）。例：HT150。 灰铸铁的性能性能特点是生产简单、应用广泛，其产量占整个铸铁产量的80%以上。

3.5.1 铸铁 5、灰铸铁的热处理 灰铸铁热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的形状、数量、大小和分布。热处理主要作用是消除应力、改善切削加工性、提高表面的硬度和耐磨性等。 1）去应力退火 工艺为：加热至500～600℃，保温一段时间后，随炉冷至200℃以下出炉空冷。 2）消除白口、降低硬度退火 加热到850～900℃，保温2～5h，然后随炉冷却至250～400℃出炉空冷。 3）表面淬火 主要作用是提高铸件的表面硬度和耐磨性。常用的有火焰淬火、感应淬火、接触电阻加热淬火等。　　

3.5.1 铸铁 6、球墨铸铁的成分、组织与性能 成份：球墨铸铁的化学成分一般为：Wc=3．6％～4．0％，Wsi=2．0％～2．8％，WMn＝0.6％～0．8％，Ws≤0．04％，Wp＜0．1％，WMg＝0.03％～0.05％，WRE＝0．03％～0.05％。 组织：分为铁素体球墨铸铁、铁素体—珠光体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁和贝氏体球墨铸铁四种。 性能：力学性能比灰口铸铁高得多，强度与钢接近，屈强比达到0.7～0.8，比碳钢高；塑性和韧性比灰铸铁好，仍比钢差。具有良好的铸造性能、减震性、减摩性、低的缺口敏感性、切削加工性等。 但存在收缩率较大、流动性稍差、白口倾向大等缺陷。　

3.5.1 铸铁 7、球墨铸铁的牌号、性能及用途 牌号用“QT+A组数字-B组数字”表示。 QT是“球铁”两字的汉语拼音字首 3.5.1 铸铁 7、球墨铸铁的牌号、性能及用途 牌号用“QT+A组数字-B组数字”表示。 QT是“球铁”两字的汉语拼音字首 A组数字表示最低的抗拉强度值（MPa） B组数字表示最低伸长率。 例：QT600-3。 广泛用于制作受力复杂、性能要求较高的重要零件。　

3.5.1 铸铁 8、球墨铸铁的热处理 热处理比钢的加热温度略高些、保温时间长些、加热速度和冷却速度要慢些。 1、退火 3.5.1 铸铁 8、球墨铸铁的热处理 热处理比钢的加热温度略高些、保温时间长些、加热速度和冷却速度要慢些。 1、退火 分为去应力退火、低温退火和高温退火。目的是消除铸造内应力，获得铁素体基体，提高塑性和韧性。 2、正火 分为高温正火和低温正火。目的是增加基体组织中的珠光体的数量，细化组织，提高球墨铸铁的强度和耐磨性。3、调质处理 目的是得到回火索氏体基体，以获得较高的综合力学性能。 4、等温淬火 目的是得到下贝氏体基体，使其具有高硬度、高强度和较好的韧性。

3.5.1 铸铁 9、可锻铸铁 可锻铸铁的生产是先浇注成白口铸铁，然后再经高温经长时间石墨化退火。 1、可锻铸铁的成分、组织与性能 3.5.1 铸铁 9、可锻铸铁 可锻铸铁的生产是先浇注成白口铸铁，然后再经高温经长时间石墨化退火。 1、可锻铸铁的成分、组织与性能 成份：较低的碳、硅含量，一般Wc=2.2％～2.8％，Wsi=1.2％～1.8％，WMn＝0.4％～0．8％，Wp＜0．1％，Ws＜0.2％。 组织：分为铁素体可锻铸铁（又称黑心可锻铸铁）、珠光体可锻铸铁两种。 性能：强度和韧性比灰铸铁提高很多。可锻铸铁并不可锻。 2、可锻铸铁的牌号、性能及用途 牌号用“KT+表示类别的字母+A组数字-B组数字”表示。表示类别的字母有H、B、Z。例：KTH370-12。 用于制作形状复杂、要求强度、韧性较高的薄壁零件。

3.5.1 铸铁 10、蠕墨铸铁 通过在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂、再加孕育剂而生产制得的。 1、蠕墨铸铁的成分、组织与性能 3.5.1 铸铁 10、蠕墨铸铁 通过在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂、再加孕育剂而生产制得的。　　　　　　　 1、蠕墨铸铁的成分、组织与性能 成份：Wc=3.5％～3.9％，Wsi=2.2％～2.8％，WMn＝0.4％～0．8％，Wp＜0．1％，Ws＜0.2％。 组织：分为铁素体、铁素体-珠光体和珠光体三种。 性能：力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间。减震性、铸造性能、导热性优于球墨铸铁，切削加工性比灰铸铁差。 2、蠕墨铸铁的牌号、性能及用途 牌号用“RuT+一组数字”表示，RuT是“蠕铁”两字的汉语拼音字首， 一组数字表示最低的抗拉强度值（MPa）。例：RuT420。

3.5.2 有色金属及其合金 1、铝及其合金 1）工业纯铝 铝及其合金是航空工业中的主要结构材料，是有色金属中应用最广泛的结构材料。 3.5.2 有色金属及其合金 1、铝及其合金 1）工业纯铝 铝及其合金是航空工业中的主要结构材料，是有色金属中应用最广泛的结构材料。 纯铝呈银白色，是一种轻金属，面心立方晶格、无同素异晶转变，熔点低、密度小，具有优良的加工工艺性能、电导性、热导性和耐大气腐蚀能力。 其牌号用l×××表示。最后两位数字表示铝的最低百分含量，第二位字母表示原始纯铝的改型情况，如lA35。 工业纯铝是WAl=99.00～99.80%的纯铝，主要用来制作电线、电缆、散热片、配置合金等。

3.5.2 有色金属及其合金 2）铝合金 1、铝合金的分类与牌号 1）铝合金的分类 分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。 3.5.2 有色金属及其合金 2）铝合金 1、铝合金的分类与牌号 1）铝合金的分类 分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。 变形铝合金又分为不能热处理强化的铝合金和能热处理强化的铝合金。 2）铝合金的牌号 (1)变形铝合金牌号。采用四位字符牌号，铝合金的牌号用2×××～8×××系列表示。 第一位数字：铝合金的组别； 第二位字母：原始合金的改型情况，A为原始合金，B－Y为原始合金的改型合金。最后两位数字：区分同一组中不同的铝合金。例：5A02。 (2)铸造铝合金牌号。用“Z+Al+元素符号+数字”表示。数字是主加合金元素百分含量。例：ZAlSi9Mg。

3.5.2 有色金属及其合金 2、铝合金的热处理 固溶处理和时效。 3.5.2 有色金属及其合金 2、铝合金的热处理 固溶处理和时效。 固溶处理是将能热处理强化的铝合金加热至高温单相区，经保温第二相溶解形成单相α固溶体后，迅速水冷至室温，得到过饱和的α固溶体的工艺。 时效是将经固溶处理后的铝合金，在室温或加热到一定的温度，其性能随时间发生变化的现象。 铝合金经固溶处理后，强度和硬度不会明显升高，塑性会显著提高。但这种组织是不稳定的，经时效处理，强度和硬度显著升高，塑性下降。

3.5.2 有色金属及其合金 防锈铝合金 硬铝合金 3、变形铝合金 超硬铝合金 锻铝合金 Al-Si系铸造铝合金(硅铝明) 3.5.2 有色金属及其合金 防锈铝合金 硬铝合金 3、变形铝合金 超硬铝合金 锻铝合金 Al-Si系铸造铝合金(硅铝明) Al-Cu系铸造铝合金 4、铸造铝合金 Al-Mg系铸造铝合金 Al-Zn系铸造铝合金

3.5.2 有色金属及其合金 2、铜及其合金 1）工业纯铜 纯铜呈紫红色，熔点1083℃，密度为8.96 g/cm3，面心立方晶格、无同素异晶转变，良好的电导性、热导性、耐蚀性、抗磁性和加工工艺性能。 工业纯铜的代号用“T”加顺序号表示，共有T1、T2、T3、T4四个牌号。序号越大，纯度越低。 纯铜主要用于制作电线、电缆、导热材料及配置合金。

3.5.2 有色金属及其合金 2）铜合金 铜合金分为黄铜、青铜和白铜。 3.5.2 有色金属及其合金 2）铜合金 铜合金分为黄铜、青铜和白铜。 白铜是铜镍合金，主要用来制作精密机械和仪表中的耐蚀零件、热电偶等，价格高。 1、黄铜 (1)普通黄铜的组织和性能。 当Wzn＜32％时，形成单相α固溶体，随锌含量增加，其强度增加塑性改善，适于冷热变形加工； 当Wzn＞32％时，组织中出现硬而脆的β相，使强度升高而塑性急剧下降； 当 Wzn＞45％时，全部为β相组织，强度急剧下降，合金已无使用价值。 还具有较好的耐蚀性和较好的铸造性能。

3.5.2 有色金属及其合金 (2)普通黄铜的牌号、性能及用途。 压力加工黄铜的牌号用“H+数字”表示。如H68。 3.5.2 有色金属及其合金 (2)普通黄铜的牌号、性能及用途。 压力加工黄铜的牌号用“H+数字”表示。如H68。 铸造普通黄铜的牌号表示方法与铸造铝合金相同。 单相黄铜H68，有较高的强度，冷、热变形能力，较好的耐蚀性，用于制造形状复杂、耐蚀的零件。 双相黄铜H62，有较高的强度，可进行热变形加工，广泛用于制作热轧、热压零件或由棒材经机加工制造各种零件。 铸造普通黄铜ZCuZn38，具有铸造性能好，组织致密，主要用于一般的结构件和耐蚀零件。

3.5.2 有色金属及其合金 2、特殊黄铜 在普通黄铜中加入其他合金元素的黄铜。 3.5.2 有色金属及其合金 2、特殊黄铜 在普通黄铜中加入其他合金元素的黄铜。 加入的合金元素有铅、锡、铝、硅、锰、铁、镍等，以改善切削加工性、提高耐蚀性、铸造性能和力学性能等。 压力加工特殊黄铜的牌号用“H+主加合金元素符号+铜的百分含量-合金元素的百分含量”表示，例：HPb59-1。 铸造特殊黄铜的牌号表示方法与铸造铝合金相同，例：ZCuZn16Si4。

3.5.2 有色金属及其合金 3、青铜 （1）锡青铜 以锡为主要添加元素的铜基合金。 3.5.2 有色金属及其合金 3、青铜 （1）锡青铜 以锡为主要添加元素的铜基合金。 常用锡青铜一般Wsn＝3％－14％，其中压力加工锡青铜Wsn＜7%。 锡青铜的耐磨性好、无磁性和冷脆现象，可用于制作轴承、轴套等耐磨零件及弹簧等弹性元件。 锡青铜的铸造收缩率小，用于铸造形状复杂、致密性要求不高，耐磨、耐蚀的零件。 （2）无锡青铜 是含铝、铍、硅、铅、锰等合金元素的铜基合金。主要有：铝青铜、铍青铜等。

3.5.2 有色金属及其合金 3、轴承合金简介 1）轴承合金的性能和组织特点 3.5.2 有色金属及其合金 3、轴承合金简介 1）轴承合金的性能和组织特点 轴承支承轴进行工作，会与轴颈产生摩擦。为减少轴承对轴颈的磨损，对轴承合金有如下要求： 较高的抗压强度和疲劳强度； 摩擦系数小、表面能储存润滑油，耐磨性好； 良好的抗蚀性、热导性和较小的膨胀系数； 良好的磨合性； 加工性能好，原料来源广，价格便宜。 组织特点:软基体上分布硬质点或硬基体上分布软质点。

3.5.2 有色金属及其合金 2）常用轴承合金简介 锡基轴承合金（锡基巴氏合金） 铅基轴承合金（铅基巴氏合金） 铜基轴承合金 铝基轴承合金

3.5.3 粉末冶金材料简介 1、粉末冶金的特点与工艺 1）粉末冶金的特点 2、粉末冶金工艺简介 粉末冶金与一般的熔炼铸造相比，有以下特 点 3.5.3 粉末冶金材料简介 1、粉末冶金的特点与工艺 1）粉末冶金的特点 2、粉末冶金工艺简介 粉末冶金与一般的熔炼铸造相比，有以下特 点                                             1）能生产具有特殊性能的材料和制品。 2）无切屑或少切屑的精密加工。 但金属粉末成本高、模具费用高、制品大小和形状受到一定限制、制品的韧性和强度较差。

3.5.3 粉末冶金材料简介 2、粉末冶金材料简介 含油轴承材料 摩擦材料 铁基结构材料 3.5.3 粉末冶金材料简介 2、粉末冶金材料简介 含油轴承材料 摩擦材料 铁基结构材料 以碳钢或合金钢粉末为主要成分，用粉末冶金法制作结构零件用的材料。 具有精度较高、表面质量好，省工时、省材料、生产率高，制品多孔可浸润滑油，减摩、减振、消声。 广泛用于制作各类零件。

3.5.3 粉末冶金材料简介 3、硬质合金的性能特点 1）硬度高、耐磨性好、热硬性好 3.5.3 粉末冶金材料简介 3、硬质合金的性能特点 1）硬度高、耐磨性好、热硬性好 常温下的硬度可达到86～93HRA，在900～1000℃的温度下，仍可保持60HRC的高硬度。可切削50HRC左右的硬质材料。 2）抗压强度和弹性模量高 常温下的抗压强度可达6000MPa，900℃时可达到1000MPa。弹性模量高，是高速工具钢的2～3倍。

3.5.3 粉末冶金材料简介 4、常用的硬质合金 1）常用硬质合金的分类与牌号 （1）钨钴类硬质合金 3.5.3 粉末冶金材料简介 4、常用的硬质合金 1）常用硬质合金的分类与牌号 （1）钨钴类硬质合金 主要成分是碳化钨（WC）和粘结剂钴（Co）。 牌号用“YG+数字”表示，例：YG15。 （2）钨钛钴类硬质合金 主要成分是碳化钨、碳化钛（TiC）和粘结剂钴。 牌号用“YT+数字”表示，例：YT15表示。 （3）通用硬质合金 主要成分是碳化钨、碳化钛、碳化钽（或碳化铌）和粘结剂钴。 牌号用“YW+数字”表示，例：YW1。

3.5.3 粉末冶金材料简介 2）常用硬质合金的化学成分、性能与应用 （1）钨钴类硬质合金 3.5.3 粉末冶金材料简介 2）常用硬质合金的化学成分、性能与应用 （1）钨钴类硬质合金 碳化钨的含量越高，粘结剂钴的含量越低，则合金的硬度、耐磨性、红硬性越高，抗弯强度和韧性越低。适宜于加工脆性材料（如铸铁等）。 （2）钨钛钴类硬质合金 由于碳化钛的加入，提高了硬度、耐磨性和热硬性，但抗弯强度和韧性有所下降。同时，在合金表面形成一层氧化钛薄膜，切削时不易粘刀。适于加工韧性材料（如钢等）。 （3）通用硬质合金 因含碳化钽（或碳化铌），有利于提高抗弯强度、硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化能力。可用来加工铸铁和各种钢材。

3.5.3 粉末冶金材料简介 （4）钢结硬质合金 性能介于高速钢和硬质合金之间，并可进行锻造、热处理、焊接。适用于制造各种形状复杂的整体刀具、模具和耐磨零件。 （5）常用硬质合金的应用 (1)切削加工用硬质合金。 (2)模具用硬质合金。 (3)硬质合金量具。 (4)耐磨零件用硬质合金。 (5)矿山用硬质合金。

3.5.4 非金属材料简介 1、高分子材料 1）工程塑料 机械工程中用的高分子材料主要是各种人工合成有机高分子化合物。 3.5.4 非金属材料简介 1、高分子材料 1）工程塑料 机械工程中用的高分子材料主要是各种人工合成有机高分子化合物。 塑料是以树脂为主要组分，加入一些能改善使用性能和工艺性能的添加剂而制成的一种高分子材料。 （1）塑料的分类 按树脂在加热和冷却时所表现的性能分热塑性塑料和热固性塑料 按使用范围分通用塑料、工程塑料和耐高温塑料

3.5.4 非金属材料简介 （2）塑料的性能特点 1）质轻、比强度高 2）化学稳定性好 3）良好的电绝缘性能 3.5.4 非金属材料简介 （2）塑料的性能特点 1）质轻、比强度高 2）化学稳定性好 3）良好的电绝缘性能 4）优良的减摩性、耐磨性和自润滑性 5）消声、减振性好 6）成形加工性好、方法简单、成本低、生产率高 塑料的强度、硬度不及金属材料高，耐热性和热导性差、膨胀变形大、蠕变大、易老化等。 （3）常用塑料 聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、ABS等。

3.5.4 非金属材料简介 2）橡胶 1、橡胶的分类 1）按生胶来源分：(1)天然橡胶。(2)合成橡胶。 3.5.4 非金属材料简介 2）橡胶 1、橡胶的分类 1）按生胶来源分：(1)天然橡胶。(2)合成橡胶。 2）按应用范围分(1)通用橡胶。2)特种橡胶。 2、橡胶的特性 1)高弹性 2)一定的强度 3)耐磨性好 还具有良好的绝缘性、隔音性和吸振能力、一定的耐蚀性，最大的缺点是老化。 3、常用的橡胶及用途 　　　　 天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶等。

3.5.4 非金属材料简介 3）胶粘剂 1、胶接的特点 具有胶接接头应力分布均匀、接头光滑平整、能胶接各种材料、密封性好、胶接工艺简单、胶粘剂质量轻等优点。但胶接接头强度低于母材、使用温度低、易老化等。。 2、胶粘剂分类 1）按胶粘剂化学成分分(1)无机胶粘剂。(2)有机胶粘剂。 2）按胶粘剂的主要用途分 分为非结构胶、结构胶、密封胶、导电胶、耐高温胶、耐低温胶、医用胶等。 3、常用胶粘剂 合成胶粘剂，由基料和适量的添加剂组成。常用的有酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂、氯丁橡胶、丁腈橡胶等。

3.5.4 非金属材料简介 2、陶瓷 陶瓷是以天然硅酸盐或人工合成的无机化合物为原料，用粉末冶金法生产的由金属和非金属的无机化合物构成的多晶固体材料。 1）陶瓷的分类 1、按使用原料分 分为普通陶瓷和特种陶瓷。 2、按用途不同分 分为日用陶瓷和工业陶瓷。 工业陶瓷又分为工程结构陶瓷和功能陶瓷。

3.5.4 非金属材料简介 2）陶瓷的性能 1、力学性能 室温弹性模量高于金属，硬度远大于金属，抗压强度高于铸铁。但抗拉强度低、脆性大。 3.5.4 非金属材料简介 2）陶瓷的性能 1、力学性能 室温弹性模量高于金属，硬度远大于金属，抗压强度高于铸铁。但抗拉强度低、脆性大。　　　　　　　 2、热性能 熔点高于金属，耐高温、热硬性高、热膨胀系数和导热系数低于金属。抗热振性能比较差。 3、化学性能 陶瓷的组织结构非常稳定，具有很好的耐腐蚀能力。 4、电性能 具有较好的绝缘性能。 3）常用的陶瓷材料 普通瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等。

3.5.4 非金属材料简介 3、复合材料 复合材料是指用人工的方法将一种或几种材料均匀地与另一种材料结合而成的多相材料。复合材料的组成分为基体材料和增强材料。 1）复合材料的分类 1、按基体材料划分为非金属基体和金属基体两类。 2、按复合形式划分为纤维增强复合材料、层叠复合材料、颗粒复合材料等。 3、按性能划分为结构复合材料和功能复合材料等。

3.5.4 非金属材料简介 2）纤维增强复合材料的性能 1、比强度和比模量高 2、抗疲劳性能好 3、减振性能好 4、高温性能好 3.5.4 非金属材料简介 2）纤维增强复合材料的性能 1、比强度和比模量高 2、抗疲劳性能好 3、减振性能好 4、高温性能好 5、化学稳定性好 6、成形工艺简单 3）常用的复合材料 纤维增强复合材料、层叠复合材料、颗粒复合材料等。