铸造合金及熔炼知识

第六篇铸造合金及熔炼第一章铸造合金原理铸件都是由液态合金在铸型中冷却凝固而成（即使金属焊接时，焊缝中也要发生结晶凝固过程）。因此，铸造合金的液态结构、物理性质、结晶凝固特点以及铸造合金在铸造过程中所表现出来的工艺性能（也称为铸造性能，包括流动性、收缩性、偏析、气体及夹杂物等）对铸件的质量有着极为重要的影响，是我们制定合理的铸造工艺，获得健全铸件的重要依据。本篇主要介绍铸造合金的原理。第一节液态金属的结构与性质在铸造生产过程中，铸件是由液态金属转变为固体金属的结晶过程而得到的。而液态金属冷却时会产生体积的变化，固相的析出、凝固过程中溶质的再分配，气体和夹杂物的析出等。这些变化都与铸件的母体即液态金属的结构与物理性质密切相关。了解液态金属的结构与性质，可以控制其结晶过程，改善铸件的性能。一、液态金属的结构由金属学原理可知，固态金属都是晶体，其中的原子都是在较大范围内按照特定的晶格类型呈现有规则的排列，我们把固态金属的这种结构特征称为“远程有序”结构。而当固态金属加热时，随着加热温度的提高，原子的热振动加剧，振幅增大，活化原子数增多，原子在点阵中频繁跳跃，点阵内的空位数增加；对于多晶体还可使晶界产生移动，从而使金属的体积膨胀。由于原子在三维方向都有相临的原子，彼此的振动方向又是随机的。因此，常常相互碰撞并传递能量，从而使有的原子能量增大或减小，使有的原子能量大于或超过原子的平均能量，有的小于或远远小于平均能量。这种能量的不均匀性称为能量起伏。“第一章铸造合金原理当温度达到熔点时，多晶体晶粒之间的结合受到极大的破坏，晶粒之间更容易产生相对运动，使原有晶粒逐渐失去固有的形状和尺寸。为了使金属由固态转变为液体，还需要不断提供能量使原子间的结合进一步破坏，使晶粒进一步瓦解为小的原子集团，称为“近程有序”。这时外部提供的能量并不使金属的温度进一步升高，而使原子间的结合进一步破坏，我们把金属由固态转变为液态时所吸收的能量称为熔化潜热。几种金属的熔化潜热比较，如表“。能量起伏理论是我们了解物质微观运动的一个重要概念。用此理论可以解释金属的熔化、蒸发、扩散、凝聚和固态相变等一系列物理、化学过程。表“几种金属的熔化潜热金属名称铝铜铁锌铬熔化潜热“23456，,为7123456，为123456。这也说明，液态金属的结构和特性与固态金属较为接近，而与气态相差甚远。（三）液态金属的热膨胀和凝固收缩绝大多数金属的液态密度都比固态时小，如/0为、外），凝固时体积都要缩小，如,凝固时的体收缩为“A，/0为7“A，为B7A（膨胀为负）。金属的这一特性对铸件的形成过程十分重要，并且受到合金的种类、成分及合金中含气量的影响。（四）液态金属的热导率和比热容液态金属的热导率（即导热系数）的大小直接影响着液态金属的充型过程，但各种金属之间差别也较大，如89在“C45C45、“合金和灰铸铁等）。因其凝固体收缩为负值，所以结晶时发生体积增大。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。B固态收缩当铸造合金从固相线温度固冷到室温室时的收缩，由于合金处于固体状态，故称为固态收缩。其固态收缩率表示如下固等。合金液在大气中，随时都有被氧化的可能，产生氧化夹渣。第一章铸造合金原理“以气泡形式存在当合金中的气体含量超过其溶解度时，或浸入的气体不被溶解时，则以分子状态（即气泡形式）存在于合金液中，若凝固前气泡来不及排出，就会在铸件中产生气孔。（三）气体的存在对铸件质量的影响铸造合金中存在的气体对铸件质量危害较大。气孔不仅能减小铸件的有效承载面积，而且能够引起应力集中，成为零件断裂的裂纹源，使合金的力学性能降低，造成铸件报废；若气体以溶解状态存在，虽危害较小，但也会降低铸件的韧性。对于要求承受液压和气压的铸件，气孔的存在能够明显地降低其气密性。合金中含有气体同时也会影响到铸造性能，使铸件凝固时的反压力增大，阻碍合金液的补缩，造成晶间疏松，降低合金的流动性，使铸件产生缺陷。（四）减少合金中气体及防止气孔产生的措施根据气体的来源，在生产中应采取措施减小或防止铸造合金的吸气，合金熔化时的过热温度不宜过高，与气体接触的时间也不宜过长。对于易吸气的合金，熔炼时要注意采取措施（如覆盖等）防止吸气。即使这样，合金中还是不可避免的有气体存在。因而，在浇注之前对合金液采取除气处理（如采用浮游去气、真空去气、氧化去气、冷凝去气等），或阻止气体的析出（如提高铸件冷却速度，提高铸件凝固时的外压等），都可防止和减小气孔的产生。三、铸造合金中的夹杂物铸件内或表面上存在的和基体金属成分不同的质点称为夹杂物。夹杂物具有不同的类型和形态，它们对合金的铸造性能和铸件的质量有着不同程度的影响。（一）夹杂物的类型按夹杂物的组成分类按夹杂物的组成可分为单一化合物和复杂化合物等。单一化合物有氧化物、硫化物、硼化物、硅酸盐、氮化物、碳化物等；复杂化合物有固溶体、共晶体或复合物，如铁与锰的氧化物共晶体（为球墨铸铁国家标准（表33），从中可以看出，球墨铸铁的力学性能远远大于灰铸铁的力学性能。图33）牌号抗拉强度“3“铁素体B“3“铁素体B“3、46、4等，它们的质量分数分别为（,232,）0，（,2,3,2）0，（,2,3,2,）0，上限用于厚件，下限用于薄壁小件。46和4都是强稳定化元素，用量范围窄，过量有发生晶间偏析、降低韧性的危险。为避免这个缺点，尤其是厚大件，宁可用1、46或1、4代替单一的合金元素。46和4也可以作为孕育剂组元带入铁液中。用复合孕育剂代替合金是近年发展的一项新技术，例如4孕育剂（45A/,0，BC03,0，DE03,0，103,0，4/03,0）兼有孕育和微合金化两种功能，结合低稀土镁球化剂和随流孕育技术，加入质量分数为,2,03,20的4就能完全抑制共晶碳化物，实现基体珠光体化，增加石墨球数，改善石墨圆整度，铸态怀能达到“,标准。,“第六篇铸造合金及熔炼（三）铸态奥氏体贝氏体球墨铸铁近年来国内外对铸态奥氏体贝氏体球墨铸铁进行了大量研究工作，合金化是其主要手段之一。一般采用低锰成分并适量添加镍、钼等有助于贝氏体转变的元素，并添加促进石墨化元素，以谋求石墨细化和被镍、硅强化的基体组织。有关铸态奥氏体贝氏体球墨铸铁，目前尚无成熟的生产经验，主要以实验室工作为主，而且要达以和热处理态的奥氏体贝氏体球墨铸铁相同的性能水平还尚不可能，这有待于今后进一步努力。四、球墨铸铁的热处理（一）球墨铸铁的正火处理正火处理的目的在于增加金属基体中珠光体的含量和提高珠光体的分散度。当铸态存在自由渗碳体时，在正火前必须进行高温石墨化退火，以消除自由渗碳体，此时的退火温度应比铁素体球墨铸铁的退火温度高约“）9；基体为上贝氏体时，强度和韧性较高，抗拉强度为“,或5“5555“珠光体可锻铸铁891100“0341/04/010200/4353/3/,30130320/“039110“0350/010200/33/13/330130320/“09130“/0,05/,010200/,33/,3/30130320/“0/39140“/3/0/3010200/1333/33/430130320/“0/0尽可能控“0/。051/第六篇铸造合金及熔炼表“国内铁素体可锻铸铁的化学成分实例产品名称牌号化学成分（）孕育剂加入量（）675458645945745845445448454475以后有可能恶化石墨形态，导致力学性能下降。当、两元素同处高水平数量时，则易引起回火脆性及低温脆性，并使脆性转化温度上升7（）（）（）,（,）在空气炉气中，耐热温度到炉条、高炉支梁式水箱、金属型、玻璃模789（）（）（）,（,）在空气炉气中，耐热到煤气炉的灰盆、矿山烧结车挡板789,（）,（,）,（）（）在空气炉气中，耐温到，在室温及高温下有抗磨性。耐硝酸腐蚀退火罐、煤粉烧嘴、炉棚、水泥焙烧炉零作，化工机械零件7AB（）,（）,（）（）在空气炉气中耐热温度到炉条、煤粉烧嘴、锅炉用梳形定位板、换热器针状板、二氧化硫反应甑7CAB（）（）,（）（）在空气炉气中耐热温度到，含硅到上限时耐热到，力学性能及抗裂性较7DAB好玻璃烟道闸门，玻璃引上机墙板、加热炉两端管架,第六篇铸造合金及熔炼耐热铸铁牌号化学成分（）碳硅锰磷硫不大于铬铝“（56）9（947）957（）2（245）在空气炉气中耐热温度到，含硅到上限时耐热到5，高温力学性能较好罩式退火炉导向器，烧结机中后热筛板，加热炉吊梁/0184267424868489459499497759（754）5（4）79（74）在空气炉气中耐热温度到，硅上限时到99煤粉喷嘴、炉条、辐射管、烟道闸门、加热炉吊梁/AB20124867497486248948949949249684989（848）78672957（）7（747）在空气炉气中耐热温度达99烧结机蓖条、炉用件/AB80184764）5（549）57（99）58（545）在空气炉气中耐热温度到989焙烧机蓖件、炉用件/AB464496499459499497C9496249799（794）2672957（）79（747）57（99）55（54）在空气炉气中耐热温度到99、抗高温硫蚀性好锅炉用侧密封块、链式加热炉炉爪、黄铁矿焙烧炉零件注“牌号的符号中/表示耐热铸铁，表示球墨铸铁，其余字母为合金元素符号，数字表示合金元素的平均含量、取整数。室温抗拉强度是验收的依据。硬度和高温性能，只有当需方有要求，并经双方商定后，才作为验收项目。592第二章铸铁及其熔炼二、铬系耐热铸铁（一）分类、组织及特性铬系耐热铸铁通常按铬含量分为三类低铬，中铬，高铬。金相组织和耐热温度见表“。高铬耐热铸铁亦按基体组织分为三类2（）191A1,A1,A,1,9A,1,9,1B，约B，C2左右工作温度7,870，寿命半年以上（二）力学性能铬系耐热铸铁的室温力学性能见表“9和表“。铬系铸铁的高温短时抗拉强度（）与含铬量有关低铬（,11,），,0时，B；中铬（B；高铬（D9），铸态，8,0时，约B；奥氏体高铬镍,1B。（三）抗氧化和抗生长性铬可以有效地阻止高温氧化和生长。铬系铸铁抗氧化良好的温度如下低铬A5（）12A或AB7“,“,4“C/,CD12A或AB732132炉冷至0出炉。四、铝系耐热铸铁（一）分类、组织及特性铝系耐热铸铁通常分为低铝、中铝、高铝、铝硅、铝铬等铸铁。金相组织及特性见表（5）（5）牌号金相组织特性耐热温度低铝铸铁123AB37C综合力学性能较好2中铝铸铁2/共板（）少量C脆性较大2/高铝铸铁11219997高铝灰铸铁966966663“692铝硅蠕墨铸铁66644第二章铸铁及其熔炼（二）减磨铸铁生产中应注意的问题（）严格控制化学成分和冷却速度，以得到合适的珠光体及石墨组织。（“）炉前均需进行不同类型的孕育处理。（）加入合元素，如铬、钼、铜或锡、锑以得到珠光体基体组织，还可加入磷、硼或采用天然钒钛生铁，以便在铸铁中形成独立的硬化相。二、抗磨铸铁抗磨铸铁是在没有润滑条件下工作的，如球磨机衬板、磨球、抛丸机的叶片、衬板、犁铧、磨煤机和破碎机的磨损件等。在工作中不仅受到严重磨损，而且还承受较大载荷。常用的抗磨铸铁有普通白口铁，合金白口铸铁，中锰球墨铸铁，冷硬铸铁等。（一）普通白口铸铁普通白口铸铁由于化学成分不同可分为亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁两类。普通白口铸铁的基体组织根据化学成分和冷却速度不同而不同，一般来说，未经热处理的普通白口铸铁的基体为渗碳体加珠光体；经等温淬火的可获得贝氏体苛基体。普通白口铸铁具有较高的抗磨性能，但脆性大，不能随冲击载荷。白口铁犁铧的化学成分和金相组织见表莱氏体或莱氏体渗碳体铸态肥西犁镜7977,9797,8,金属型球磨机衬板、磨球锰钨白口铸铁17“6“16“6“6“66“6“6“16“6“6“1“61931冷铸犁镜普通冷硬铸铁41411“A14A1柴油机气门挺杆普通冷硬铸铁411A1“A14A1拖拉机拖带轮普通冷硬铸铁41411A36411BB4拖拉机拖链轮镍铬钼冷硬铸铁414A1161,CA11铸态41D回火1A14A1发动机气门挺杆铬钼稀土冷硬铸铁41411AA,C11稀土硅铁合金1“4柴油机气门挺杆硼冷硬铸铁443114纺织机的桃子投梭鼻及打棱转子稀土冷硬铸铁441411稀土硅铁合金14A1A1碾砂轮普通冷硬铸铁4141B4冷铸车轮第二章铸铁及其熔炼表“冷硬铸铁冶金轧辊化学成分及性能（5腐蚀件铝耐蚀铸铁293721523524123124、/6、/7及海水的腐蚀第八节冷硬铸铁一、概述铁液浇入铸型（金属型或金属挂砂型）后，在激冷作用下，使铸件表面形成硬度高、耐磨性好的冷硬层，其断口形貌呈白色，组织中碳主要以渗碳体形式存在。随着后续传热速度的降低，铸件内部石墨析出量增多，断口由白口向麻口过渡进一步到灰口，相应中心硬度降低，强韧性提高，断口呈现三区（白口区、麻口区、灰口区）结构特点。这种现象称为冷硬现象，具有以上特征的铸铁称为冷硬铸铁。由于冷硬铸铁内韧外硬的结构特点，在工农业生产中得到了广泛应用，主要产品有冶金及其他轧辊、凸轮轴、耐磨衬板等。冷硬铸铁冷硬层硬度高，耐磨性好，但脆性大。因此，实际生产中应对冷硬层深度进行有效控制，保证铸件内部组织的强韧性。为改善冷硬铸铁的使用性能，采用必要的孕育、冲洗、复合等工艺手段，可有效地控制各区宽度和组织特征，以适应不同的使用要求。根据断口宏观形态和金相组织中石墨分布的差异，人们把冷硬铸铁分为了白口冷硬铸铁与麻口冷硬铸铁两大类，其中麻口冷硬铸铁中又包括无限冷硬和半65第六篇铸造合金及熔炼冷硬两种。二、冷硬铸铁的组织特点（一）宏观断口普通白口冷硬铸铁有明显的白口冷硬层界面，断口呈典型的三区结构特点。无限冷硬铸铁其断口组织由外及里转变时，白口、麻口区无明显的区分界限，有时表层也会出现少量石墨。半冷硬铸铁石墨量相对较多，断口组织呈麻口，其既无明显白口区又无明显灰口区和各区界限，人们把这种冷硬铸铁叫做半冷硬铸铁。无限冷硬铸铁与半冷硬铸铁是冷硬铸铁的两大特例。以上三种类型的冷硬铸铁在轧辊生产中均得到了广泛应用。（二）金相组织普通冷硬铸铁其白口、麻口、灰口各区的各区的金相组织。因普通冷硬铸铁未进行合金化，其碳化物类型为普通的“型，基体为珠光体，其硬度很大程度上取决于碳的含量。进行合金化以后，冷硬铸铁的基体组织发生了很大变化，其特性不仅与碳化物有关，同时基体组织的变化对铸件性能也带来了重要影响。三、化学成分对金相组织和性能的影响（一）各元素对白口倾向和石墨化的影响增大白口化倾向减小石墨化能力的元素叫反石墨化元素，反之增加石墨化能力的元素叫石墨化元素。各元素的白口倾向和石墨化能力强弱排列，如下所列各元素在铸造过程中不同阶段对石墨化的作用见表、9、“、1先反无特殊7、少量或微量时1否则注“1”促进石墨化；“”反对石墨化；“”无影响；弱作用弱。AB第二章铸铁及其熔炼类合金元素从液态凝固固态相变全过程均促进石墨析出，在共析转变过程中有利于增加基体中铁素体的体积。“类从液态凝固固态相变全过程均促进碳化物形成。类合金元素在共析转变前均有较弱的石墨化作用，但在共析转变时“、类合金元素有利碳化物的形成，有增加基体中珠光体体积的作用。在进行材质设计时，可根据各元素不同特点，有目的地调整各元素比例可控制白口倾向和石墨数量。各元素石墨化能力对比以合金元素“为参照，取“石墨化能力指数为，相应其他元素在共晶点、共析点石墨化能力指数参照表9共晶转变共析转变7970）、脱氧（79）碲是非常强烈的阻碍石墨化元素，其具有极强的白口化倾向（是硅的/226，干燥后向铸型内浇注铁液，一次成型，由于其激冷能力较差，冷却速度介于砂型与金属型之间，因此其表层组织也为麻口组织，即所谓半冷硬铸铁轧辊。其组织为珠光体5体积分数为00的碳化物5体积分数为00的石墨，辊身硬度为6/456,1,41,1,1,4563,41,3,1,156,1,1,1/11牌号铸铁为446第六篇铸造合金及熔炼例加以说明。化学成分（质量分数）为“，则配料如下新生铁902即可从风口中观察到铁液滴；若风口出现铁液滴时间长，则说明底焦过高；若风口出现铁液滴过早，则说明底焦高度过低。4第六篇铸造合金及熔炼表“冲天炉底焦高度推荐质（“7345“/6电能消耗（A）77胶结剂纯铝酸盐水泥（）减水剂（）水（）0电熔刚玉02快换感应器与炉体炉衬之间的接合料接合料厚度材料配比面料一般在感应器和炉体喷口烘烤后准备连接前涂抹，刮平。通常厚1677，高接合法兰面0677骨料电熔刚玉或烧结刚玉（粒度0877），14，。（,）由于使用纯氧，燃料耗量少，火焰温度可达,24第二章铸铁及其熔炼五、双联熔炼（一）双联熔炼的主要形式和特点“双联熔炼的主要形式双联熔炼的主要形式如表8“88898788878“888887888879总和2,0A/62,0A/0/0/650第三章铸钢及其熔体牌号主元素残余元系“）（8）“（）“,5525545525502550,5205452050022,/02304/0230502注同表911中所代表的含义，铸件进行热处理，工艺规范由供方决定。常用热处理工艺有退火；正火；正火加回火，回火温度不低于005A。第四节铸造低合金钢一、一般工程和结构用低合金铸钢件一般工程和结构用低合金铸件的主要要求是力学性能，化学成分只要求硫、磷，其他元素由供方确定，但不作验收依据。铸件均需进行热处理。表9110低合金铸钢件的力学性能（“）（BC7225317）牌号屈服强度或56（）抗拉强度“（）伸长率0（8）断面收缩率（8）,D/51235/5235730,D510755075790927第六篇铸造合金及熔炼牌号屈服强度或“（898钒8“,8系2“/0189898989889889889898898678489数数67A8“489据据硼6788“2489定定678“1489678）678/088H正火，88H回火9988,98988/0,“8第六篇铸造合金及熔炼第五节铸造不锈钢一、工程结构用中高强度不锈铸钢此类不锈钢主要是马氏体不锈钢，它是以力学性能作为主要选用和验收依据，对耐蚀性能一般不作为检验项目，化学成分见表“，力学性能见表“99,5,）“A16/0“6/0“6/0“6/0“96/0“,9,二、抗磨用低合金铸钢制作抗磨铸件用的低合金钢，含碳量应较高，一般在,79中列出了几种抗磨用低合金钢的主要化学成分。它们除了具有高硬度以外，还个有一定的强度和韧性。9,第六篇铸造合金及熔炼表“抗磨用铸造低合金钢钢的名称化学成分（质量分数，/,3/,/017/01/06/7/0/0/703/0/703/01/70/0/70/0/703/0/70/0137/03/0/7/01/0/7/01/0/6/0/6表“4铬锰硅抗磨钢的力学性能牌号力学性能“屈服强度（91）AB热处理应用/,6/24/5水淬13/5回水衬板/3/（有缺口）4/5水淬/5回水3/,6/2/4/5水淬3/5回水3/3第三章铸钢及其熔体第八节低温用铸钢低温用铸钢国家标准尚未制订。可用于低温的铸钢在低温下有较好的韧性，故含碳量很低，磷和硫的含量控制比较严。低温用碳钢。碳质量分数在“以下，常温抗拉强度为1“，67ABC，8“，8“89“A89“BC“,，8“，8“2，灰分“5“，游离碳“，粘度/5“水玻璃1/“6、34/“8低合金铸钢制订的氧化法炼钢配料卡见表444“AB“C/8D/返回吹氧熔炼工艺时期序号工序操作摘要熔化期“通电用允许最大功率供电推料助熔推料助熔，熔化后期加适量石灰，并换较低电压供电4吹氧助熔熔至8左右，吹氧助熔。助熔后加质量分数为4的硅钙粉还原初渣3取样全熔后充分搅拌，取样分析碳、磷、铬、镍。要求“24，E4。若渣量过多（9），可扒去部分炉渣，以保证吹氧脱碳在薄渣下进行“第三章铸钢及其熔体时期序号工序操作摘要氧化期吹氧脱碳测温达“），做圆杯试验，当试样收缩良好，即可升高电极停电，插铝,。推开炉渣，加入经