森记课件之汽车零件选材技校汽修专业版本补充.ppt

汽车零件选材,潘 森 (技校汽修专业版本补充） 2010.06.21,任务一：选择制造发动机连杆的材料,发动机连杆的作用是把发动机活塞的往复直线运动转变为旋转的扭矩输出，可以说，五种形式的载荷就有了三种（拉伸、压缩和扭转），服役条件也算是苛刻了。连杆正常使用应为25104Km，因此，必须具有较高的强度和韧性，才能使之达到的寿命设计。因此，为其选择合适的材料是至关重要。 说明：金属材料的“服役时间”单位一般取小时，但也视材料应用时的受力状态而言，如有时取“次数”（受弯状态），这里取汽车的行走里程（Km),数据也很保守。,选材思路： 1.由于有活塞的遮盖，工作环境温度场最高不大于750；也由于有润滑油的润滑和冷却，连杆大、小头温度场相差小于100，故不必作专门的温度影响考虑。 2.由于活塞的速度运动规律是“0max0”,故连杆的受力形式是“规律性变幅循环应力”，要进行疲劳强度的校核。 3.由于发动机有专门的配重设计，故不必考虑过多振动问题，倒是要在连杆的截面形状上选取合理的高刚度形状来解决扭转载荷问题。 4.设计时作“承受载荷较大的金属结构件”（各种机械设计手册包括我们的课本的有关图表）考虑选材的力学性能指标（主要是抗拉强度b ）。,综合上述，制造发动机连杆的材料有优质碳素结构钢和铸钢。对于速度高、受力较大的连杆，应选择优质碳素钢，如45钢等。当然，也可使用40、50、45Mn、35CrMo、42CrMo、40Cr合金钢用模锻工艺制造 （课本P51 ） 。 实际生产中的一般情况是（考虑到相当大的安全系数），受力小使用状态下选用铸钢，受力大使用状态下则选用高标号优质碳素结构钢锻打成型（模锻）；两种选材都采用零件的截面为“工”字型，这是除了“箱型”的截面外，抗弯和抗扭能力最好的截面形状了。 顺便说说，连杆螺栓及螺母、曲轴轴瓦盖螺栓使用材料为：40CrA,35CrMo,40MnB（调质）；正常使用寿命为10104Km。,任务二：对丝锥进行淬火处理,一、钢的淬火 淬火就是将钢加热到AC3或AC1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当的温度冷却，获得马氏体或下贝氏体的热处理工艺。主要目的是为了获得马氏体组织，提高钢的硬度和强度。 丝锥是一种常用的切削刀具，要求具有高的硬度、耐磨性及较高的精度。 手用丝锥的热硬性不作要求，选用T10A 和T12A钢（碳素工具钢）制造，并经淬火和低温回火。机用丝锥要求有较高的热硬性，可选用9SiCr、9Mn2V、CrWMn钢或W18Cr4V钢（合金工具钢）制造。 由于丝锥用于手工操作的为多，操作的不规范（左右手动作不均衡等），它的柄部和心部承受较大的不均匀的扭转应力，有一个掌握淬火深度的问题。,二、淬火加热温度的选择 这种选择要具体看钢种，如果是结构钢，下图是铁碳平衡图的一部分，可以根据钢种的含碳量查到适用的加热温度。但是如果丝锥是工具钢或高速钢，就要注意以下几点： 1.淬火温度范围 工具钢的淬火温度应足够宽，以减少过热的可能性。,2.热处理变形性 工具在热处理时，特别要求其尺寸和外形稳定。 3.高速工具钢二次硬化问题 高速工具钢的淬火温度很高，接近熔点，其目的是使合金碳化物更多的溶入基体中，使钢具有更好的二次硬化能力。高速工具钢淬火后硬度升高，此为第一次硬化，但淬火温度越高，则回火后的强度和韧性越低。 淬火后在350以下低温回火硬度会下降，在350以上温度回火硬度逐渐提高，至520580范围内回火（化学成分不同，回火温度不同）出现第二次硬度高峰，并超过淬火硬度，此为二次硬化。 这是高速工具钢的重要特性。 4.脱碳敏感性 如果工具表面发生脱碳，将使表面层硬度降低，因此要求工具钢的脱碳敏感性低。在相同的加热条件下，钢的脱碳敏感性取决于其化学成分。,三、淬火冷却速度和冷却介质的选择（见前面已介绍的“马氏体问题”） 冷却速度是淬火工艺的关键。冷却速度，奥氏体会分解而得不到马氏体；冷却速度，对于某些钢材和工件又容易淬裂。一种正好能获得全部（当然只能是绝大部分）马氏体所必需的最低冷却速度，称为“临界冷却速度”。 淬火的临界冷却速度随钢种的不同而异。合金钢的临界冷却速度较低，可以在油中淬火以防淬裂；高碳钢的临界速度较高，需在水中淬火；至于低碳钢，由于临界速度太高，一般无法淬硬。,四、钢的淬透性和淬硬性 工厂常见有“淬透性与淬硬性是一个指标的两种理解”的说法这个问题不能似是而非： 淬透性是一种热处理工艺指标，表征为工件淬火后生成马氏体的深（厚）度，因此计量单位为长度单位； 淬硬性则表征为工件淬火后的硬度，计量单位自然是硬度单位。两者不能混淆。例如低碳合金钢淬透性好，但其淬硬性却不高；高碳非合金钢的淬硬性高，但其淬透性却差。 工厂经常也有“由于低碳钢里碳的成分太少，所以淬不硬”的说法，刚才已指出无法淬硬的原因是由于低碳钢的临界速度太高，所以这种说法是错误的。,第三，不同批次淬火的工件，因淬火介质的温度和相对流速变化等原因引起的不均匀性。 第四，长期生产中，因介质受污染，加上淬火介质本身的变化，所引起的不同时期的淬火效果上的差异。因此，现代热处理大生产的淬火冷却技术，要求在单件淬火冷却技术的基础上，通过采用高质量的冷却介质、与介质配套的设备，以及相关的用法技术，来消除或减小上述四方面的性能差异，以保证获得更高的和始终稳定的热处理质量。,实例：丝锥和板牙 一、丝锥和板牙的作用 丝锥的作用是加工内螺纹；板牙的作用是加工外螺纹。 二、工作条件 柄部和心部承受较大的扭转应力，齿刃部承受较大的摩擦和磨损，高速切削时齿刃部还要承受较高的工作温度。 三、失效形式 磨损和扭断。 四、力学性能要求 齿刃部应具有高硬度（5964HRC）和高耐磨性，一定的热硬性（视切削速度而定）；柄部和心部应具有足够的强度和韧性，硬度为3545HRC。,五、任务的结论 丝锥和板牙的常用材料及热处理 1.手用丝锥和板牙 热硬性不作要求，选用T10A 和T12A钢（碳素工具钢）制造，并经等温淬火和低温回火。 2.机用丝锥和板牙 要求有较高的热硬性，可选用9SiCr、9Mn2V钢（低合金刃具钢）CrWMn（专门用于制造长丝锥的低合金刃具钢）或W18Cr4V钢（高速钢）制造，并经淬火和低温回火。,9SiCr 钢板牙热处理工艺曲线,板牙,按厚度计算保温时间,任务三：为汽车变速齿轮选取表面热处理方法,汽车变速齿轮的工作条件远比机床齿轮恶劣，特别是主传动系统中的齿轮，它们受力较大，超载与受冲击频繁，用20钢制造汽车变速齿轮，要求轮齿表面须有高硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性，以防止脆性断裂。为满足其性能要求，必须对其进行表面热处理。 下面介绍表面热处理方法。,一、火焰加热表面淬火生产现场,二、感应加热表面淬火示意图,由于感应加热淬火的淬硬层深度与电流频率有关电流频率越高，淬火后工件淬硬层越薄，工厂一般根据常用电流频率，把感应加热分为三种： 高频感应加热常用频率200300kHz，脆硬层深度0.52.5mm，适用于中小尺寸轴类零件及中小模数的齿轮等。 中频感应加热常用频率25008000Hz，脆硬层深度38mm，适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。 工频感应加热电流频率50kHz，脆硬层深度1020mm，适用于大直径轧辊、火车车轮等的表面淬火。,三、化学热处理 化学热处理是把工件放在一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变表层化学成分和组织，从而达到使工件表面具有某些特殊的机械性能或物理化学性能的热处理工艺。 化学热处理依照渗入的元素的不同，有渗碳（分气、液、固体法，甲烷、苯、煤油等）、渗氮（分气、液、离子法，常用氨气）、碳氮共渗（又称“氰化”，其中以渗氮为主、渗碳为次称为“软氮化”）等。 任何化学热处理过程，都是通过分解、吸收和扩散三个基本过程。其中，扩散是最慢的一个过程，整个化学热速度受扩散速度所控制。,1.渗碳工艺：加热通入介质（煤油）保温淬火低温回火。可获得工件表面高硬度和耐磨性。 低碳钢渗碳后，表面层含碳量以0.85-1.05为最好。渗碳层厚度一般为0.5-2.5mm。太薄易引起表面疲劳剥落，太厚抗冲击能力差。 2.渗氮工艺：加热通入氨气（形成工厂叫）“白层” 保温。可获得的硬度、耐磨性更高，特别是提高疲劳强度，工件也不必再热处理，变形也小，但渗层薄而脆。 应用最广泛的氮化用钢为38CrMoAl，这些元素易形成硬度极高且非常稳定的氮化物。氮化厚表层的硬度为HRC72。 渗氮后的缺点是生产周期长，0.3-0.5mm需要20-50小时。 3.碳氮工艺：加热（高温适用于低碳和低合金钢，高温适用于中碳和高速钢）加入氨气和渗碳气体保温。,渗碳工艺生产车间,渗碳后的热处理： 渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。,渗碳后的淬火和低温回火示意图,渗氮工艺生产车间,四、离子渗氮装置,五、任务的结论 实例：JN150型载重汽车变速箱齿轮 1.工作条件: 工作负荷大； 高速运转 ( 1015m/s以上 )； 受冲击频繁,磨损较严重。 2.技术要求: 齿面硬度HRC5862, 金相组织为回火马氏体+合金碳化物+残余奥氏体。 齿心部硬度HRC3545, 金相组织为回火马氏体(低碳)+铁素体+细珠光体。 3.选材: 20钢。 4.加工工艺路线： 下料锻造正火机械加工渗碳淬火低温回火喷丸磨齿,20CrMnTi 钢制造齿轮的热处理工艺曲线,临界冷却速度降低，提高了钢的淬透性，这样就可采用较小的冷却速度得到马氏体，从而避免了由于冷却速度过大而引起的变形和开裂。,汽车变速箱齿轮工作图,任务四：选择制造齿轮的材料,很多传动系统（如挖掘机械、轧钢设备等）的齿轮，它们受力较大，超载与受冲击频繁，因此对材料的要求很高。由于弯曲与接触应力都很大，用高频淬火强化表面不能保证要求，所以重要齿轮都用渗碳、淬火进行强化处理。因此这类齿轮一般都用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等制造，特别是后者在我国汽车齿轮生产中应用最广。为了进一步提高齿轮的耐用性，除了渗碳、淬火外，还可以采用喷丸处理等表面强化处理工艺。喷丸处理后，齿面硬度可提高HRC13单位，耐用性可提高711倍。 下面先介绍齿轮的失效情况。,一、齿轮的失效发生在轮齿，其他部位很少发生失效。轮齿主要失效形式有以下五种： 1.轮齿折断； 2.齿面点蚀（齿面接触疲劳磨损）； 3.齿面胶合； 4.齿面磨粒磨损； 5.齿面塑性变形。,齿面损伤,1轮齿折断 齿轮工作时,若轮齿危险剖面的应力超过材料所允许极限值，轮齿将发生折断。常发生于闭式硬齿面或开式传动中。位置：均始于齿根受拉应力一侧。,原因： 疲劳折断：A.轮齿受多次重复弯曲应力作用，齿根受拉一侧产生疲劳裂纹。 B. 齿根应力集中(形状突变、刀痕等)，加速裂纹的扩展最终折断。 过载折断：受冲击载荷或短时过载作用，突然折断，尤其见于脆性材料（淬火钢、铸钢、铸铁）齿轮。,2.齿面点蚀（齿面接触疲劳磨损） 常出现在润滑良好的闭式软齿面传动中。现象：节线靠近齿根部位出现麻点状小坑。原因： 齿面受多次交变应力作用，产生接触疲劳裂纹；节线处常为单齿啮合（重叠系数正常的1.3），接触应力大；节线处为纯滚动，靠近节线附近滑动速度小，油膜不易形成，摩擦力大，易产生裂纹。润滑油进入裂缝，形成封闭高压油腔，楔挤作用使裂纹扩展。（油粘度越小，裂纹扩展越快）。,3.齿面胶合 在高速重载传动中，由于齿面啮合区的压力很大，润滑油膜因温度升高容易破裂，造成齿面金属直接接触，其接触区产生瞬时高温，致使两轮齿表面焊粘在一起，当两齿面相对运动时，使较软的齿面金属被撕下，在轮齿工作表面形成与滑动方向一致的沟痕，这种现象称为齿面胶合。现象：齿面沿滑动方向粘焊、撕脱，形成沟痕。原因： 高速重载油膜破坏,表面金属直接接触，融焊相对运动撕裂、沟痕。低速重载不易形成油膜冷胶合。,4.齿面磨损 互相啮合的两齿廓表面间有相对滑动，在载荷作用下会引起齿面的磨损。尤其在开式传动中，由于灰尘，砂粒等硬颗粒容易进入齿面间而发生磨损。齿面严重磨损后，轮齿将失去正确的齿形，会导致严重噪音和振动，影响轮齿正常工作，最终使传动失效。现象：金属表面材料不断减小。原因：相对滑动+硬颗粒(灰尘、金属屑末等) 润滑不良+表面粗糙。采用闭式传动，减小齿面粗糙度值和保持良好的润滑可以减少齿面磨损。,5.齿面塑性变形 在重载的条件下，较软的齿面上表层金属可能沿滑动方向滑移，出现局部金属流动现象，使齿面产生塑性变形，齿廓失去正确的齿形。在起动和过载频繁的传动中较易产生这种失效形式。该失效主要出现在低速重载、频繁启动和过载场合。齿面较软时，重载下，齿面的材料塑性流动相对滑动速度方向指向节线，所以塑变后在主动轮的齿面节线处产生凹槽。,主动轮,二、齿轮材料 1.对齿轮材料的要求：齿面有足够的硬度和耐磨性，轮齿芯部有较强韧性，以承受冲击载荷和交变载荷。 2.常用的齿轮材料是各种牌号的优质碳素钢、合金结构钢、铸钢和铸铁等，一般多采用锻件或轧制钢材。当齿轮直径在400600mm范围内时，可采用铸钢；低速齿轮可采用灰铸铁。 三、齿轮常用的热处理方法有以下几种： 1.表面淬火一般用于中碳钢和中碳合金钢。齿面硬度可达5256HRC，耐磨性好，齿面接触强度高。表面淬火的方法有高频淬火和火焰淬火等。,2.渗碳淬火用于处理低碳钢和低碳合金钢，齿面硬度可达5662HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，而轮齿芯部仍保持有较高的韧性，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。 3.调质用于处理中碳钢和中碳合金钢，调质处理后齿面硬度可达220260HBS。 4.正火能消除内应力、细化晶粒，改善力学性能和切削性能。中碳钢正火处理可用于机械强度要求不高的齿轮传动中。,四、典型合金渗碳钢种介绍 1.低淬透性合金渗碳钢： 钢含合金元素总量3 %，15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。 2.中淬透性合金渗碳钢： 钢含合金元素总量在4 %左右。20 CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销( 20Cr ),3.高淬透性合金渗碳钢： 钢含合金元素总量在 4 618Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,六、任务的结论 用来制造齿轮的钢有合金渗碳钢和合金调质钢两种，采用不同的热处理后，均能获得齿轮“内韧外硬”的性能要求。对于转速高、受力大的齿轮最好选用合金渗碳钢，如18CrMnTi。,任务五：选择制造麻花钻头的材料,麻花钻头是切削刀具，它必须具有以下的性能： 1.高的硬度：刀具要从工件上切除材料层，因此，切削部分的硬度必须大于工件材料的硬度。一般刀具材料的常温硬度应高于60HRC以上。 2.高的耐磨性：刀具材料应具有较高的耐磨性，以抵抗工件与切屑对刀具的磨损。刀具材料硬度越高，耐磨性就越好；刀具材料中含有耐磨的合金碳化物越多，晶粒越细，分布越均匀，耐磨性也越好。 3.足够的强度与韧性：切削过程中，刀具承受着各种应力、冲击和振动，故要求切削部分的材料必须具备足够的强度和韧性，以抵抗崩刃和打刀。通常用材料的抗弯强度b和冲击韧性表示。,4.高的耐热性 ：耐热性是在高温条件下，刀具切削部分材料保持常温硬度、强度和韧性的能力，也可用红硬性或高温硬度表示。 5.良好的工艺性与经济性： 刀具切削部分的材料应具有良好的工艺性能，如切削加工性、磨削加工性、锻造、焊接、热处理等性能。同时，还应尽可能采用资源丰富和价格低廉的刀具材料。 下面介绍刀具的材料。,一、低合金刃（工）具钢 低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入合金元素的钢。钢中主要加入铬、锰、硅等元素，其目的是提高钢的淬透性，同时还能提高钢的强度。加入钨、钒等强碳化物形成元素，是为了提高钢的硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持晶粒细小。由于加入合金元素量不多，故一般工作温度不得超过300。 常用的低合金刃具钢有: 1.9SiCr较高的淬透性和回火稳定性，红硬性可达300; 2.CrWMn很高的硬度和耐磨性，但红硬性不如9SiCr。,二、高速钢 高速钢是在合金刃具钢中加入了较多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，其合金元素与碳化合形成高硬度的碳化物，使高速钢具有很好的耐磨性。钨和碳的原子结合力很强，增加了钢的高温硬度。钼的作用与钨基本相同，并能细化碳化物的晶粒，减少钢中碳化物的不均匀性，提高钢的韧性。 高速钢是综合性能较好、应用范围最广泛的一种刀具材料。其抗弯强度较高，韧性较好，热处理后硬度为6366HRC，易磨出较锋利的切削刃，故生产中常称为“锋钢”。其耐热性约为600660左右，切削中碳钢材料时切削速度可达30m/min左右。它具有较好的工艺性能，可以制造刃形复杂的刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀和齿轮刀具等。高速钢可以加工碳钢、合金钢、有色金属和铸铁等多种材料。,普通高速钢可分为钨系高速钢和钨钼系高速钢两类。 1.钨系高速钢早期常见的牌号是W18Cr4V，它具有较好的综合性能和可磨削性，可制造各种复杂刀具和精加工刀具。 2.钨钼系高速钢较常见的牌号是W6Mo5Cr4V2，它具有较好的综合性能。由于钼的作用，其碳化物呈细小颗粒且分布均匀，故其抗弯强度和冲击韧性都高于钨系高速钢，并且有较好的热塑性，适于制作热轧工具。但这种材料有脱碳敏感性大，淬火温度窄，较难掌握热处理工艺等缺点。,三、硬质合金 硬质合金是用粉末冶金的方法制成的一种刀具材料。它是由硬度和熔点很高的金属碳化物（WC、TiC等）微粉和金属粘结剂（Co、Ni、Mo等）经高压成形，并在1500左右的高温下烧结而成。 硬质合金的硬度高达8994HRA（压头为金刚石的洛氏硬度），相当于7176HRC，耐磨性很好，耐热性为8001000，切削速度可达100m/min以上，能切削淬火钢等硬材料。但其抗弯强度低，韧性差，怕冲击和振动，制造工艺性差。 硬质合金的发展很快，现已成为主要的刀具材料之一。目前车削刀具大都采用硬质合金，其它刀具采用硬质合金的也日益增多，如硬质合金端铣刀、立铣刀、镗刀、拉刀、铰刀等。,1钨钴类硬质合金（YG） 它由碳化钨和钴构成，其硬度为8991.5HRA，耐热性为800900，主要用于加工铸铁、有色金属及非金属材料。常用牌号有YG3、YG6、YG8等，G后面的数字为Co的百分含量。硬质合金中含钴量越多，韧性越好，适合于粗加工，含钴量少者用于精加工。YG类硬质合金不适合加工钢料，因其切削温度达640时，刀具与钢会产生粘结，使刀具发生粘结磨损。,2钨钛钴类硬质合金（YT） 它是由碳化钨、碳化钛和钴构成，其硬度为 89.592.5 HRA ，耐热性为9001000，主要用于加工塑性材料。常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30，T后面的数字代表TiC的百分含量，其余为WC和Co。当TiC的含量较多、Co的含量较少时，硬度和耐磨性提高，但抗弯强度有所下降。它不适合加工含Ti元素的不锈钢，因为两者的Ti元素亲和作用较强，会发生严重的粘结，使刀具磨损加剧。TiC的含量多适于精加工，少则适于粗加工。,3.钨钽（铌）钴类硬质合金（YA） 它是由碳化钨、碳化钽（碳化铌）和钴构成，有较高的常温硬度、耐磨性、高温强度和抗氧化能力。常用牌号为YA6，适合于对冷硬铸铁、有色金属及其合金进行半精加工，也可对高锰钢、淬火钢等材料进行半精加工和精加工。 4.钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW） 它是由碳化钨、碳化钛、碳化钽（碳化铌）和钴构成。其抗弯强度、疲劳强度、耐热性、高温硬度和抗氧化能力都有很大的提高。常用牌号有YW1、YW2，是既能加工钢材，又能加工铸铁、有色金属及其合金，通用性较好的刀具材料。,5.碳化钛基类硬质合金（YN） 它是由碳化钛、钼和镍构成。其抗氧化能力、耐磨性、耐热性较高。常用牌号有YN05、YN10，主要用于对碳钢、合金钢、工具钢、淬火钢、铸铁等进行精加工、半精加工及粗加工。,四、其它刀具材料 1.陶瓷 ：陶瓷刀具材料是以人造的化合物为原料，在高压下成形和高温下烧结而形成的，硬度为 9195 HRA ，耐热性高达1200，化学稳定性好，与金属的亲和能力小，与硬质合金相比可提高切削速度35倍。其最大的缺点是抗弯强度低，冲击韧性差。主要用于对钢、铸铁、高硬度材料（如淬火钢）进行连续切削时的半精加工和精加工。,2.金钢石 ：金刚石分天然和人造两种，天然金刚石由于价格昂贵而用得很少。人造金刚石是在高温、高压条件下由石墨转化而成的，硬度为HV10000。金刚石刀具能精密切削有色金属及合金、陶瓷等高硬度、高耐磨材料。它对铁的化学稳定性较差，不适合加工铁族材料，热稳定性也较差，当温度达到800时，在空气中金刚石刀具即发生碳化，会产生急剧磨损。 3.立方氮化硼：立方氮化硼硬度为HV80009000，耐热性为1400。主要用于对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁进行半精加工和精加工。,五、W18Cr4V钢的淬火、回火工艺曲线,六、任务的结论 合金刃具钢有低合金刃具钢和高速钢两种。低合金刃具钢的红硬性较低，不能满足麻花钻头的性能要求，因此，应采用高速钢制造。例如：W18Cr4V（商品叫1841）,W6Mo5Cr4V2（商品叫6542）等（见上图）。,任务六：选择材料制造内燃机曲轴,内燃机曲轴的结构复杂，在工作中承受着交变载荷及冲击载荷，要求其具有较高的强度和韧性及一定的硬度和耐磨性，选用灰铸铁及其它材料均不能满足性能要求，必须选用球墨铸铁或可锻铸铁。,柴油机曲轴,一、介绍球墨铸铁 碳以石墨形式存在的铸铁，根据石墨状态的不同，大体上分为三种，即：石墨是片状的为灰口铸铁；石墨呈团絮状的为可锻铸铁；石墨呈球状的为球墨铸铁。其中，球墨铸铁既有比较高的强度，又有比较高的塑性和韧性，铸造性能和加工性能都很好。我国在汉代就发明了球墨铸铁。 在河南巩县铁生沟西汉中、晚期的冶铁遗址中出土的铁，经过金相检验，具有放射状的球状石墨，球化率相当于现代标准一级水平。而现代的球墨铸铁则是迟至1947年才在国外研制成功的。我国古代的铸铁，在一个相当长的时期里含硅量都偏低，也就是说，在约2000年前的西汉时期，我国铁器中的球状石墨，就已由低硅的生铁铸件经柔化退火的方法得到。这是我国古代铸铁技术的重大成就，也是世界冶金史上的奇迹。,球墨铸铁以其优良的性能，在使用中有时可以代替昂贵的铸钢和锻钢，在机械制造工业中得到广泛应用。国际冶金行业过去一直认为球墨铸铁是英国人于1947年发明的。西方某些学者甚至声称，没有现代科技手段，发明球墨铸铁是不可想象的。 1981年，我国球铁专家采用现代科学手段，对出土的513件古汉魏铁器进行研究，通过大量的数据断定汉代我国就出现了球状石墨铸铁。有关论文在第18届世界科技史大会上宣读，轰动了国际铸造界和科技史界。国际冶金史专家于1987年对此进行验证后认为：古代中国已经摸索到了用铸铁柔化技术制造球墨铸铁的规律，这对世界冶金史作重新分期划代具有重要意义。,1947年英国发现，在过共晶灰口铸铁中附加铈，使其含量在0.02以上时，石墨呈球状。1948年美国人研究指出，在铸铁中添加镁，随后用硅铁孕育，当残余镁量大于0.04时，得到球状石墨。从此以后，球墨铸铁开始了大规模工业生产。 球墨铸铁作为新型工程材料的发展速度是令人惊异的。1949年世界球墨铸铁产量只有5万吨，2000年就达到1500万吨。世界球墨铸铁产量的75是由美国、日本、德国、意大利、英国、法国六国生产的。 我国球墨铸铁生产起步很早，1950年就研制成功并投入生产，至今我国球墨铸铁年产量达230万吨，位于美国、日本之后，居世界第三位。适合我国国情的稀土镁球化剂的研制成功，铸态球墨铸铁以及奥氏体-贝氏体球墨铸铁等各个领域的生产技术和研究工作均达到了很高的技术水平。下面逐一简介。,球墨铸铁照片,球墨铸铁的显微组织 A：珠光体铁素体基球墨铸铁 B：铁素体基球墨铸铁,1.上世纪70年代，铸态珠光体球墨铸铁曲轴和铸态铁素体球墨铸铁汽车底盘零件分别在我国第二汽车厂、南京汽车厂和第一汽车厂相继投产。这标志着我国铸态球墨铸铁生产达到了较高水平,并与国际先进水平的差距正在缩小。以后，采用适量的钇基重稀土复合球化剂、强制冷却、顺序凝固、延后孕育，必要时添加微量锑、铋等可防止球墨铸铁件中心部位的石墨畸变和组织疏松等工艺，成功地制作了38吨重的大型复杂结构件，17.5吨重的柴油机体、截面为805mm的球墨铸铁轧辊等。,2.奥氏体-贝氏体球墨铸铁的研究与应用。20世纪70年代初，几乎同时中国、美国、芬兰3个国家宣布研究成功了具有高强度、高韧性的奥氏体-贝氏体球墨铸铁（国际上统称ADI），这种材质的抗拉强度达1000MPa，因此它广泛应用于齿轮以及各种结构件，与合金钢相比，奥-贝球墨铸铁具有显著的经济效益和社会效益。,3.球墨铸铁管和水平连续铸造球墨铸铁型材。我国已相继建成几个球墨铸铁管厂，且近几年还将有几个球墨铸铁管厂建成。2000年，我国年产离心铸造球墨铸铁管达90万吨。此外，我国自行研制的水平连续铸造球墨铸铁型材生产线已通过国家鉴定，并已有多家企业投产。再加上我国引进的一条生产线，至2002年，我国年产球墨铸铁型材的能力达数万吨。,4.系统地测定了稀土镁球墨铸铁的力学性能及其他性能，为设计人员提供了有关数据。测定了稀土镁球墨铸铁的比重、导热性、电磁性等物理性能，结合金相标准研究了石墨和基体组织对球墨铸铁性能的影响规律。系统地测定了铁素体球墨铸铁在常温、低温、静态和动态条件下的各种性能。此外，还研究了稀土镁球墨铸铁的应力应变性能、小能量多冲抗力和断裂韧性，并开始用于指导生产。结合球墨铸铁齿轮的应用，还系统地研究了球墨铸铁的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，以及球墨铸铁齿轮的点蚀、剥落机理等。,5.其它方面的研究。 在高强度低合金球墨铸铁方面，除了对铜、钼研究较多外，还对镍、铌等进行了研究。在利用天然钒钛生铁制作钒钛合金球墨铸铁方面，国内一些单位进行了大量、系统的工作。 在耐热球墨铸铁方面，除了中硅球墨铸铁以外，系统研究了Si+Al总量对稀土镁球墨铸铁抗生长能力的影响。高镍奥氏体球墨铸铁方面也取得了进展，它在石油开采机械、化工设备、工业用炉器件上均取得了成功的应用。 在耐酸球墨铸铁方面，我国生产的稀土高硅球墨铸铁比普通高硅铸铁的组织细小、均匀、致密，由此，抗蚀性能提高了1090，并且其机械强度也有显著改善。,二、球墨铸铁的牌号、机械性能及用途,三、简介可锻铸铁 可锻铸铁俗称“马铁”或“玛钢”。它是白口铸铁经过石墨化退火，使渗碳体分解而获得团絮状石墨的铸铁，并不是真的可以进行锻造工艺的铸铁。,四、内燃机曲轴的选材 110型柴油机球墨铸铁曲轴 1.材料： QT600-3球铁。 2.热处理技术条件： 整体正火，b650MPa，ak15J/cm2，240 300HBS；轴颈表面淬火、低温回火 (55HRC，珠光体数量70)。 3.工艺路线： 铸造成形正火+高温回火切削加工轴颈表面淬火、回火磨削。,五、本任务的结论: 球墨铸铁、可锻铸铁都适合制造内燃机曲轴，因球墨铸铁生产工艺简单、其强度、韧性均高于可锻铸铁，所以对转速高、受力大的曲轴最好选用球墨铸铁。如QT800-2，QT900-2。,任务七：选择铝合金制造内燃机活塞,发动机活塞是发动机上除了火花塞之外，工作环境最恶劣的了。要求在高温条件下，承受无限次的周期变速载荷，要求其质量轻，又要强度高，还要耐腐蚀，因此选择材料的范围很窄。 纯铝虽然导热性好，密度小，但强度很低，显然不是首选。但是，在纯铝中加入硅、铜、镁、锌、锰等合金元素，再经过冷变形和热处理之后，情况就改观了。下面先介绍纯铝。,1.工业纯铝 其熔点为660.37，密度为2.7g/cm3，为面心立方晶格，呈银白色。强度（80100MPa）和硬度(20HBS)很低，塑性(80)很高，有良好的导热导电性。工业纯铝为L1-L7，其顺序数越大，纯度越低。,2.铝合金的分类及用途： 根据铝合金的成分以及生产工艺特点，铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金。铝合金的一般类型相图如图所示，在D点以左的合金，在加热到DF线以上时，得到单相固溶体组织，塑性好，适于压力加工，故称形变铝合金；成分在F点以左的合金，冷却时组织不随温度变化，故不能热处理强化，因而称为热处理不能强化铝合金；在D点以右为铸造铝合金。,铝合金状态图的一般类型,形变铝合金： 在加热时能形成单相的固溶体，塑性很好，适于冷热压力加工的铝合金。又可分为：热处理不能强化的铝合金和热处理能强化的铝合金。 铸造铝合金： 含有低熔点的共晶体，液态流动性较高，适于铸造的铝合金。它具有良好的力学性能，抗蚀性及良好的工艺性能。而且生产工艺较为简便，成本较低。用途较广。其合金代号为ZL+三位数字，第一位为合金系，1位铝硅系，2位铝铜系，3位铝镁系，4位铝锌系（所谓的“1硅2铜3镁4锌”），后两位为顺序号。,形变铝合金,铸造铝合金,3.铝合金的热处理 铝合金的热处理与钢不同。正如上述所说，铝合金的热处理强化是通过固溶强化和时效强化达到的，即将合金元素含量在加热到相区的某一温度，经保温后迅速水冷，在室温下得到过饱和的固溶体，这种淬火称为固溶处理。 淬火后的铝合金硬度并不高，但在室温下放置或低温加热后，强度和硬度明显提高，塑性下降，这种现象称为时效。经固溶处理后铝