第二章常用铸造合金及其熔炼

第二章常用铸造合金及其熔炼 目的 掌握铸铁 铸钢 铸造铜合金 铸造铝合金的牌号 性能 特点及应用 熟悉钢铁的生产过程 了解各种熔炼设备 重点 常用铸铁 铸钢 铸造铜合金 铸造铝合金的性能及应用 难点 合金的熔炼 常用合金 铸铁 铸钢和非铁合金中的铝 铜合金 主要介绍这几种合金的性能 生产特点 应用及其牌号 一 铸铁件的生产 铸铁 含碳量大于2 11 的铁碳合金 铸造合金中应用最广 在实际应用中 铸铁是以铁 碳和硅为主要元素的多元合金 铸铁成分 C 2 5 4 0 Si 1 0 3 0 Mn 0 5 1 4 P 0 01 0 5 S 0 02 0 20 等 还可以加入一定量的合金元素以改善和提高铸铁的力学及物理化学性能 应用 1 农业机械中占40 60 2 汽车拖拉机中约占50 70 3 机床制造中约占60 90 铸铁特点 1 生产设备和工艺简单 价格便宜 2 有良好的铸造性 切削加工性及减震性等优良的使用性能和工艺性能 分类 按碳的存在形式分 白口铸铁 灰口铸铁和麻口铸铁 按石墨存在形式分 灰口铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 按成分分 普通铸铁 合金铸铁 石墨 G 的力学性能与作用 性能 b 20MPa HB3 5 ak 0 割裂作用 减振 机械性能降低 断屑性能好 尖端效应 应力集中 润滑作用 自润滑和储油 减摩和耐磨 切削性能好 石墨 G 的形态片状 球状 絮状 一 灰口铸铁 1 显微组织金属基体 F F P P 片状石墨 G 基体连续性只有60 左右 割裂作用和尖端效应较大 2 性能特点 b约为120 250MPa 抗压强度与钢接近 一般可达600 800MPa 塑性和韧度近于零 属于脆性材料 不能锻造和冲压 焊接时产生裂纹的倾向大 焊接性差 铸造性能优良 切削加工性能好 减振能力为钢的5 10倍 是制造机床床身 机座的主要材料 耐磨性好 适于制造润滑状态下工作的导轨 衬套和活塞环等 3 影响性能的因素 控制铸铁的组织和性能 必须控制铸铁的石墨化程度 主要影响因素 化学成分和冷却速度 1 化学成分碳和硅 碳和硅是铸铁中最主要的元素 对铸铁的组织和性能起着决定性的影响 碳是形成石墨和促进石墨化的元素 硅是强烈促进石墨化的元素 硫严重阻碍石墨化的元素 锰能抵消硫的有害作用 故属于有益元素 但过多则阻碍石墨化 铸铁中锰的含量一般为0 6 1 2 磷的影响不显著 2 冷却速度 铸件缓慢冷却 有利于石墨化 同化学成分的铸铁 若冷却速度不同 其组织和性能也不同 利用激冷 同一铸件的不同部位采用不同的铸型材料 使铸件各部分的组织和性能不同 3 壁厚的影响 壁厚不同的铸件因冷却速度的差异 铸铁的组织和性能也随之而变 因此 必须按照铸件的壁厚选定铸铁的化学成分和牌号 1 去内应力退火 人工时效 应用 一些形状复杂的铸件 如机床床身 柴油机汽缸等 4 灰口铸铁的热处理 2 消除铸件白口退火目的 改善切削性能 3 表面淬火提高某些铸件的表面硬度 中 高频感应加热 火焰加热 例如 机床导轨用高 中 频淬火时 表面基体淬硬层深度约为1 1 2 5 3 4 mm 硬度HRC50 5 灰口铸铁的应用机床床身 底座 电器壳体 缸体 泵体 盖 手轮等受力不大 耐磨 减震零件 6 灰口铸铁的生产特点 主要在冲天炉内熔化 高质量的可用电炉熔炼 铸造性能优良 工艺简单 便于制造出薄而复杂的铸件 多采用同时凝固原则 不需要加补缩冒口和冷铁 只有高牌号铸铁采用定向凝固原则 主要用砂型铸造 浇注温度较低 对型砂的要求较低 中小件大多采用经济简便的湿型铸造 一般不需要进行热处理 或仅需时效处理即可 二 球墨铸铁 1 组织和性能特点随着化学成分 冷却速度和热处理方法的不同 球墨铸铁可得到不同的基体组织 F F P P 力学性能比灰铸铁高得多 抗拉强度可以和钢媲美 塑性和韧度大大提高 通常 b 400 900MPa 2 18 同时 仍保持灰铸铁某些优良性能 如良好的耐磨性和减震性 缺口敏感性小 切削加工性能好等 焊接性能和热处理性能都优于灰铸铁 珠光体球墨铸铁和45号锻钢的力学性能比较 性能45号锻钢 正火 珠光体球墨铸铁 正火 抗拉强度 b MPa690815屈服强度 0 2 MPa410640屈强比 0 2 b0 590 785伸长率 263疲劳强度150155 有缺口试样 1 MPa硬度 HBS 229229 321 2 生产特点 1 铁液要有足够高的含碳量 低的硫 磷含量 有时还要求低的含锰量 球化和孕育处理使铁水温度要降低50 100 为防止浇注温度过低 出炉的铁水温度必须高达1400 以上 2 球化处理和孕育处理 球化处理和孕育处理是制造球墨铸铁的关键 必须严格控制 球化剂 我国广泛采用的球化剂是稀土镁合金 孕育剂 常用的孕育剂为含硅75 的硅铁 球化处理 以冲入法最为普遍 球化处理后的铁液应及时浇注 以防孕育和球化作用的衰退 3 铸型工艺 凝固特性 球墨铸铁含碳量较高 近共晶成分 凝固收缩率低 但缩孔 缩松倾向较大 凝固的外壳强度较低 而球状石墨析出时的膨胀力却很大 若铸型的刚度不够 铸件的外壳将向外胀大 造成铸件内部金属液的不足 在铸件最后凝固的部位产生缩孔和缩松 防止措施 在热节处设置冒口 冷铁 对铸件收缩进行补偿 增加铸型刚度 防止铸件外形扩大 如增加型砂紧实度 采用干砂型或水玻璃快干砂型 保证砂型有足够的刚度 并使上下型牢固夹紧 存在问题 缺陷 球墨铸铁件容易出现皮下气孔 皮下0 5 2mm处 直径1 2mm 原因 是铁液中过量的Mg或MgS与砂型表面水分发生如下化学反应生成气体而形成的 防止皮下气孔措施 降低铁液中含硫量和残余镁量 降低型砂含水量或采用干砂型 使铁液平稳地导入型腔 并有良好的挡渣效果 以防铸件内夹渣的产生 3 球墨铸铁的用途 表2 4 应用非常广泛 如汽车 拖拉机底盘零件 阀体和阀盖 机油泵齿轮 柴油机和汽油机曲轴 缸体和缸 汽车拖拉机传动齿轮等 目前 球墨铸铁在制造曲轴方面正在逐步取代锻钢 4 球墨铸铁的热处理 常用的热处理 退火和正火 退火的目的 获得铁素体基体 提高球墨铸铁件的塑性和韧度 正火的目的 获得珠光体基体 以提高材料的强度和硬度 三 可锻铸铁 白口铸铁通过石墨化退火处理得到的一种高强韧铸铁 有较高的强度 塑性和冲击韧度 可以部分代替碳钢 铁素体F基体 黑心 可锻铸铁珠光体P基体可锻铸铁 F P基体 白心 可锻铸铁少用 1 生产特点第一步 先铸造出白口铸铁 随后退火使Fe3C分解得到团絮状石墨 第二步 进行长时间的石墨化退火处理 900 980 长时间保温 可锻铸铁的石墨化退火工艺 2 组织 性能及应用 显微组织 金属基体和团絮状石墨组成a 铁素体可锻铸铁b 珠光体可锻铸铁 性能 较高的冲击韧度和强度 适用于制造形状复杂 承受冲击载荷的薄壁小件 壁厚 25mm 用途 表2 3 低动载荷及静载荷 要求气密性好的零件 问题 生产周期长 工艺复杂 应用和发展受到一定限制 某些传统的可锻铸铁零件 已逐渐被球墨铸铁所代替 四 蠕墨铸铁 1 生产 在一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂进行蠕化处理而成的 蠕化处理 是将蠕化剂放入经过预热的堤坝或铁液包内的一侧 从另一侧冲入铁液 利用高温铁液将蠕化剂熔化的过程 蠕化剂 镁钛合金 稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等 2 性能及应用 石墨形态 比灰铸铁中的石墨片的长厚比要小的片状 端部较钝 较圆 介于片状和球状之间的一种石墨形态 牌号 RuT420 RuT380 RuT340 RuT300 RuT260 蠕墨铸铁的强度 塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁 其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间 蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂 强度要求高的铸件 如钢锭模 玻璃模具 柴油机汽缸 汽缸盖 排气阀 液压阀的阀体 耐压泵的泵体等 五 铸铁的熔炼 熔炼目的 高生产率 低成本地熔炼出预定成分和温度的铁液 熔炼设备 冲天炉 电弧炉 工频炉等 其中以冲天炉的应用最为广泛 冲天炉组成 炉底 炉缸 炉身和前炉四大部分 1 冲天炉的熔炼过程 燃料 焦炭 金属炉料 铸造生铁锭 回炉料 浇冒口 废机件 废钢 铁合金 硅铁 锰铁 等 熔剂 石灰石和氟石 过程 高温炉气上升 炉料下降 在两者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 冶金反应使铁液发生变化 因此 金属在冲天炉内并非简单的熔化 实质上是一种熔炼过程 2 铁液化学成分的控制 1 硅和锰炉气氧化使铁液中的硅 锰产生熔炼损耗 通常的熔炼损耗为 硅10 20 锰15 25 2 碳铁液含碳量变化总是趋向于共晶含碳量 即饱和含碳量 当含碳量低于3 6 时 将以增碳为主 高于3 6 时 则以脱碳为主 铁料的含碳量一般低于3 6 故多为增碳 3 硫因吸收焦炭中的硫 使铸铁含硫量增加50 左右 4 磷基本不变 炉料配制 由于冲天炉内通常难以脱除硫和磷 因此 欲得到低硫 磷铁液 主要依靠采用优质焦炭和铁料来实现 二 铸钢件的生产 铸钢优点 力学性能高 特别是塑性和韧度比铸铁高 b 400 650N mm2 10 25 K 20 60J cm2 焊接性能优良 适于采用铸 焊联合工艺制造重型机械 但铸造性能 减震性和缺口敏感性都比铸铁差 铸钢用途 承受重载荷及冲击载荷的零件 如铁路车辆上的摇枕 侧架 车轮及车钩 重型水压机横梁 大型轧钢机机架 齿轮等 铸钢分类 碳素铸钢 低合金铸钢和高合金铸钢等 一 铸钢的铸造工艺特点 铸造性能差 熔点高 钢液易氧化 流动性差 收缩较大 体收缩和线收缩约为灰铸铁的3倍和2倍 铸造工艺复杂 为保证铸件质量 避免出现缩孔 缩松 裂纹 气孔和夹渣等缺陷 必须采取更为复杂的工艺措施 型砂的强度 耐火度和透气性要高 使用补缩冒口和冷铁实现定向凝固 ZG230 450齿圈的铸造工艺方案 防止浇注温度过高或过低 低碳钢 流动性较差 薄壁小件或结构复杂不容易浇满的铸件 应取较高的浇注温度 高碳钢 流动性较好 大铸件 厚壁铸件及容易产生热裂的铸件 应取较低的浇注温度 一般为1500 1650 二 铸钢的热处理 1 目的 细化晶粒 消除魏氏组织 消除铸造应力 提高力学性能 2 工艺 退火和正火处理 铸钢正火后的力学性能较高 生产效率也较高 但残留内应力较大 可采用正火加高温回火 铸钢件不宜淬火 淬火时极易开裂 三 铸钢的熔炼 冶炼设备 电弧炉 平炉和感应电炉等 电弧炉用得最多 平炉仅用于重型铸钢件 感应电炉主要用于合金钢中 小型铸件的生产 1 电弧炉炼钢 利用电极与金属炉料间电弧产生的热量来熔炼金属 炼钢金属材料 废钢 生铁和铁合金等 其它 造渣材料 氧化剂 还原剂和增碳剂等 2 感应电炉炼钢 在精密铸造和高合金钢铸造中应用最普遍 利用感应线圈中交流电的感应作用 使坩埚内的金属炉料及钢液产生感应电流发出热量使炉料熔化的 优点 加热速度较快 热量散失少 热效率较高 氧化熔炼损耗较小 吸收气体较少 缺点 炉渣温度较低 化学性质不活泼 不能充分发挥炉渣在冶炼过程中的作用 基本上是炉料的重熔过程 感应电炉炉体构造图 类型 高频感应电炉中频感应电炉工频感应电炉 三 非铁合金铸件的生产 一 铸造铜合金分类 紫铜 纯铜 黄铜和青铜 1 紫铜 熔点为1083 导电性 导热性 耐腐蚀性及塑性良好 强度 硬度低且价格较贵 极少用它来制造机械零件 广泛使用的是铜合金 2 黄铜 铜和锌的合金 铸造黄铜有相当高的力学性能 b 250 450MPa 7 30 HBS 60 120 而价格却较青铜低 3 青铜 除黄铜与白铜外的铜合金 1 锡青铜 铜和锡构成的的合金 适于致密性要求不高的耐磨 耐蚀件 2 铝青铜 有着优良的力学性能和耐磨 耐蚀性 但铸造性较差 故仅用于重要用途的耐磨 耐蚀件 二 铸造铝合金 铝合金 密度低 熔点低 导电性和耐蚀性优良 因此也用来制造铸件 铸造铝合金 包括铝硅 铝铜 铝镁及铝锌合金 代号 ZL 铸铝 序号 1 硅系 2 铜系 3 镁系 4 锌系 例 ZL109 表示铸造铝硅合金 常用铸造铝合金牌号 性能和应用 铝铸件 活塞 裙部为铝硅合金 汽缸头 鼓风机密封件等 ZL102 301 大型空压机活塞 ZL401 三 铜 铝合金铸件的生产特点 熔化特点 金属炉料不与燃料直接接触 可减少金属的损耗 保持金属液的纯净 铜 铝合金多采用以焦炭为燃料或以电为能源的坩锅炉来熔化 焦炭坩埚炉 电阻坩埚炉 1 铜合金的熔炼 铜合金极易氧化 形成的氧化物 Cu2O 而使合金的力学性能下降 为防止铜的氧化 熔化青铜时应加熔剂 如玻璃 硼砂等 以覆盖铜液 为去除已形成的Cu2O 最好在出炉前向铜液中加入0 3 0 6 的磷铜 Cu3P 来脱氧 由于黄铜中的锌本身就是良好的脱氧剂 所以熔化黄铜时 不需另加熔剂和脱氧剂 2 铝合金的熔炼 铝合金的氧化物Al2O3的熔点高达2050 比重稍大于铝 所以熔化搅拌时容易进入铝液 呈非金属夹渣 铝液还极易吸收氢气 使铸件产生针孔缺陷 防止氧化和吸气 向坩埚炉内加入KCl NaCl等作为熔剂 将铝液与炉气隔离 为驱除铝液中已吸入的氢气 防止针孔的产生 在铝液出炉之前应进行驱氢精炼 如用钟罩向铝液中压入氯化锌 Zn