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第二章常用铸造合金及其熔铸第一节钢铁的生产过程 钢铁的冶炼 是一个从铁矿石炼成生铁 由生铁炼成钢水 并浇注成钢锭的过程 如图2 1所示 一 炼铁炼铁多在高炉中进行 其原理如下 将铁矿石 焦炭和石灰石 熔剂 等 按一定比例配成一批炉料 在高炉中高温下进行化学反应和熔化 还原反应 造渣反应 渗碳反应 炼铁过程中 被还原出来的硅 锰及炉料带入的硫 磷也溶解在铁水中 因此称为高炉生铁 高炉生铁主要用来炼钢 这种生铁称为炼钢生铁 小部分供铸造车间熔炼铸铁 铸钢 用 称为铸造生铁 图2 1钢铁的生产过程 宝钢的炼铁炉容积4000多立方米 一天产铁水10000吨 二 炼钢钢和生铁在化学成分上的主要区别是 钢的含碳量低 一般小于1 4 含硅 锰 硫 磷等杂质低 因此 炼钢的主要任务是将生铁中多余的碳和其它杂质氧化成氧化物 并通过炉气和渣中去除 1 炼钢的冶金反应2 钢的冶炼分类 1 碳 硅 锰的氧化 1 转炉炼钢 2 磷 硫的脱除 2 电弧炉炼钢 3 脱氧3 镇静钢和沸腾钢 电弧炉炼钢 利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧高温 通常5000 一6000 加热和熔化金属 金属熔化后加入铁矿石 熔剂等 并吹氧 以加速钢中的碳 硅 锰 磷等元素的氧化 当碳 磷含量合格时 扒去氧化性炉渣 再加入石灰 萤石 电石 硅铁等造渣剂和还原剂 形成高碱度还原渣 脱去钢中的氧和硫 转炉炼钢 转炉炼钢一次炼200多吨 浇注成钢锭 第二节工业生产中常用铸造合金及其熔铸 用于生产铸件的金属材料称为铸造合金 常用的是铸铁 铸钢及铸造有色合金 本节介绍熔铸工艺原理及应用 一 铸铁及其熔炼铸铁通常是指含C2 5 4 Si1 0 2 5 接近共晶成分的铁碳合金 它具有良好的铸造性能 又易于切削加工 最适宜制造形状复杂的铸件 因此 铸铁是工业中应用较广的材料 铸铁占机器重量的50 以上 用于制造机床的床身 床头箱 发动机的汽缸体 机器的底座等 是工程上最常用的金属材料之一 箱体 启动阀 铸铁的分类 根据碳在铸铁中存在形式不同 可分三大类 1 白口铸铁 2 灰口铸铁 3 麻口铸铁 C的存在形式 渗碳体 Fe3C 断口为白色 性能硬而脆 难以切削加工 主要用作炼钢原料 高耐磨零件 如轧辊 犁铧等 C的存在形式 石墨 断口为灰黑色 C的存在形式 石墨 渗碳体 断口为黑白色 灰铸铁是铸造性能最好 应用最广泛的铸铁材料 性能 脆性大 很少使用 根据石墨 G 在铸铁中存在形态 可分为 普通灰铸铁 石墨呈片状 可锻铸铁 石墨呈团絮状 蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状 球墨铸铁 石墨呈球状 石墨呈片状 石墨呈团絮状 石墨呈球状 由于石墨片对钢基体产生的割裂作用 破坏了钢基体的连续性 完整性 减少了钢基体的有效面积 使其抗拉强度低于钢 而塑性和韧性近于零 属于脆性材料 灰铸铁具有非常优良的铸造性能 良好的吸震性 减磨性和对缺口敏感性低的优点 且切削加工 它常用于静载下的承压零件和滑动摩擦副的零件 一 灰铸铁的性能与应用 但其抗压强度与钢相近 因此普通灰铸铁广泛用于作承受压力载荷的零件和结构 如机座 机床床身 轴承等 叶轮 发动机飞轮 铸铁中的碳以石墨析出的过程称为石墨化 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 影响石墨化程度的主要因素是化学成分和冷却速度 化学成分a 碳和硅 硫和锰 硫是强烈反石墨化元素 含硫量高易促使铸铁形成白口组织 同时硫还形成低熔点共晶体造成铸铁热脆 是有害元素 锰虽也阻碍石墨化 但具有稳定珠光体的作用 能提高铸铁的强度和硬度 并能降低硫的有害作用 故是有益元素 磷 磷对铸铁的石墨化影响不显著 但当含磷量超过0 3 时 有利于提高铸铁的耐磨性 同时也增加了铸铁的冷脆性 因此磷是有害元素 高强度铸铁则限制在0 2 0 3 以下 2 冷却速度铸铁中碳的石墨化是碳原子在铸铁中析出和聚集的过程 冷却速度很慢 形成粗大石墨片 冷却速度快 碳原子以细石墨片析出 另一部分碳原子以渗碳体析出 使铸铁基体中出现珠光体 冷却速度很快 碳原子全部以渗碳体析出 而产生白口组织 铸铁的冷却速度主要受铸型的冷却条件及铸件壁厚的影响 不同铸型材料的导热能力不同 如金属型比砂型导热快 冷却速度大 使石墨化受到严重阻碍 易获得白口组织 而砂型冷却慢 易获得不同组织 如耐磨铸件局部采用金属型而获得白口组织 当铸型材料相同时 铸件的壁厚不同 其组织和性能也不同 壁厚处易形成粗大石墨片 机械性能较差 而壁薄处冷速快 易形成白口或麻口组织 生产中一般根据铸件壁厚 重要铸件是指重要部位的厚度 一般铸件则取其平均壁厚 选择恰当的铁水化学成分 主要指碳 硅 以满足所需铸铁组织 如图所示为砂型铸造和铸件壁厚和碳 硅含量对铸铁组织的影响 2 灰铸铁的孕育处理孕育处理是提高灰铸铁性能的有效方法 其原理是 先熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳 硅含量 C2 7 3 3 Si1 0 2 0 的高温铁水 1400 1450 然后向铁水中冲入少量细颗粒状或粉末状孕育剂 孕育剂占铁水重量0 25 0 6 其材质一般为含Si75 的硅铁 也可用硅钙合金 孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心 使石墨化作用骤然提高 从而得到细晶粒珠光体和分布均匀的细片状石墨组织 经处理后孕育铸铁 它的强度 硬度显著提高 孕育铸铁的另一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 孕育铸铁适用于静载下 要求较高强度 耐磨或气密性的铸件 特别是厚大铸件 必须指出 孕育前铁水的碳 硅含量不能太高 铁水温度不能太低 2 可锻铸铁可锻铸铁又称为玛钢或玛铁 它是将白口铸铁在退火炉中经长时间高温石墨化退火 使白口组织中渗碳体分解 而获得铁素体或珠光体基体加团絮状石墨的铸铁 1 可锻铸铁的生产特点必须采用碳 硅含量很低的铁水 通常为C2 4 2 8 Si0 4 1 4 以获得完全的白口组织 铸件的壁厚应比较薄 6mm以下 铸件尺寸也不宜太大 因为进行石墨化退火时 要将白口铁装入退火炉中的退火箱 受箱子和炉子尺寸的制约 同时白口铁的流动性差 收缩大 铸造时应提高浇注温度 采用冒口 冷铁及防裂肋等 2 可锻铸铁性能牌号及选用由于可锻铸铁的石墨呈团絮状 大大减轻了对基体的割裂作用 故可锻铸铁的机械性能显著提高 一般 b 300 400MPa 最高可达700MPa 尤为可贵的是这种铸铁已具有一定的塑性和韧性 因此而得名 但它并不真正可锻 按退火方式不同 可锻铸铁可分为黑心 珠光体及白心可锻铸铁 其牌号为 KTH KTZ KTB 其应用见表2 3 3 可锻铸铁的使用性能1 耐磨性珠光体可锻铸铁的耐磨性优于碳钢2 耐热性石墨呈团絮状 氧化不易沿石墨侵入 耐热优于铸铁和碳钢3 耐蚀性 各种水管接头 高压输电线路中大小金具 4 铸造性能1 流动性较差 宜适当增大浇道 提高浇注温度 2 收缩大 铸件易开裂 故应增强型腔退让性 采用冒口补缩 3 球墨铸铁球墨铸铁 简称球铁 是20世纪40年代末发展起来的一种新型铸造合金 它是向铁液中加入一定量的球化剂和孕育剂 直接得到球状石墨的铸铁 1 球铁对原铁液的要求及制备 铁液成分 与一般灰铸铁相同 但成分控制较严 其中S P对球铁的危害很大 其含量越低越好 铁液温度出炉温度应高于1400 C 球化和孕育处理 是制造球墨铸铁的关键 必须严格控制 2 球铁的铸造工艺 增加铸型刚度 安放冒口 冷铁 对铸件进行补缩 3 球铁的牌号 性能及应用 铸铁的熔炼铸铁的熔炼的主要目的是 高效低成本地获得化学成分及温度满足要求的铁水 熔炼铸铁的设备以冲天炉应用最广泛 1 冲天炉的熔炼过程冲天炉的每批炉料包括 燃料 焦炭 金属料 铸造生铁 回炉铁 废钢及铁合金等 熔剂 石灰石 氟 萤 石等 冲天炉熔炼过程中 高温炉气不断上升与炉料不断下降的逆向运动中产生如下过程 底焦燃烧 金属炉料被预热 熔化和过热 冶金反应使铁水成分发生变化 故金属在冲天炉内并非简单熔化 实质上是一熔炼过程 见图2 7 冲天炉熔炼过程中 高温炉气不断上升与炉料不断下降的逆向运动中产生如下过程 底焦燃烧 金属炉料被预热 熔化和过热 冶金反应使铁水成分发生变化 故金属在冲天炉内并非简单熔化 实质上是一熔炼过程 见图2 7 石灰石 造渣材料 这种碱性氧化物与被侵蚀的炉衬酸性氧化物结合成熔点较低 密度小的液态熔渣浮在铁水面上 焦炭 铸造焦炭 含硫 磷量很低 废钢 调节铁水的含碳量 铁合金 增加铁水的合金含量 氟石 调节熔渣的粘度 二 铸钢及其熔炼1 铸钢的分类 性能及应用按化学成分 铸钢可分为铸造碳钢和铸造合金钢两大类 其中碳钢应用较广约占铸钢总产量的80 以上 见表2 6 铸钢的综合机械性能高于各类铸铁 它不仅强度高 且具有铸铁不可比的优良塑性和韧性 最适宜制造承受大能量冲击负荷下的高强度 高韧性复杂铸件 如火车轮 锻锤机架 高压阀门和轧辊等 铸钢的焊接性能好 便于采用铸焊联合结构制造形状复杂的大型铸件 因此 铸钢在重型机械制造中甚为重要 常用的铸造碳钢主要是0 20 0 50 ZG200 ZG570 的中碳钢 如要使钢件具有耐磨 耐蚀 耐热等特殊性能 则需加入更多的合金元素 10 炼成高合金钢 例如高锰钢 ZGMn13 为铸造耐磨钢 如坦克 拖拉机 推土机的履带板 铁轨道叉 破碎机颚板 球磨机衬板等 如ZG1Cr18Ni9为铸造不锈钢 其耐蚀性高 常用于制造耐酸泵 天然气管道阀门等石油化工用机械设备 在碳钢中加入少量 小于3 5 的合金元素 如锰 硅 铬 钼 钒等 可得到力学性能和淬透性更好的合金结构钢 2 铸钢的熔铸 1 铸钢的熔炼生产成型铸钢件的炼钢炉 与炼钢厂相似 也是用转炉和电弧炉 但铸造厂车间常用的是1 5t三相电弧炉 因这种炉开停炉方便 钢水质量高 可炼的钢种多 采用碱性法 用镁砂作炉衬材料 炼钢时 对金属炉料如废钢及回炉料的质量要求不严格 如果不要造渣及调整化学成分的话 可采用中频或工频感应电炉炼