常用铸造合金及其熔炼

1 第二章常用铸造合金及其熔炼 2 本章主要内容与目的 了解铸钢 铸铁的生产过程 了解铸铁的分类 理解铸铁石墨化及影响因素 掌握普通灰口铁 孕育铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁和蠕虫铸铁的生产特点 牌号 性能 钢铁的生产过程影片 3 第一节钢铁的生产过程 钢铁的生产过程是一个由铁矿石练成生铁 由生铁练成钢液并浇注成钢锭的过程 一 炼铁 铁矿石 焦炭 石灰石 生铁 钢水 钢锭 在高炉中进行 铁矿石 焦碳 石灰石炉料 高炉 预热900 1200 焦碳燃烧 产生CO 加热炉料 发生反应 4 还原反应 造渣反应 渗碳反应 C CO将FeO中氧分离 还原Fe CaO SiO2 CaSiO3 炉渣 Fe吸收焦碳中C 含C高 熔点低的生铁水 炼钢生铁 用于炼钢 大多数 铸造生铁 熔炼铸钢 少量 5 平炉钢转炉钢电炉钢 按炉别分 二 炼钢 1 钢的熔炼方法 钢与生铁在化学成分上主要区别 钢含C量低 1 4 Si MnS P杂质低 炼钢主要任务 生铁多余的C 杂质 氧化物 沸腾钢镇静钢半镇静钢特殊镇静钢 按脱氧程度分 6 转炉炼钢 冶炼普通低碳钢平炉炼钢 普通优质碳素结构钢 低合金钢电炉炼钢 优质钢 成本高 感应电炉或电弧炉 炼钢设备不同 分为 炼钢 7 沸腾钢 在冶炼时脱氧不充分 浇注时C与O反应发生沸腾 镇静钢 脱氧充分 组织致密 成材率低 优质钢 合金钢的钢锭 半镇静钢 介于前两者之间 特殊镇静钢 用途 这类钢一般为低碳钢 主要用于制造用量大的冷冲压零件 如汽车外壳 仪器仪表外壳等 特点 其塑性好 成本低 成材率高 但不致密 8 镇静钢 浇注时钢液镇静不沸腾 由于锭模上部有保温帽 在钢液凝固时作补充钢液用 这节帽头在轧制开坯后需切除 故钢的收缩率低 但组织致密 偏析小 质量均匀 镇静钢的缺点是有集中缩孔 成材率低 价格较高 镇静钢材主要用于低温下承受冲击的构件 焊接结构及其他要求强度较高的构件 9 半镇静钢 为脱氧较完全的钢 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 浇注时有沸腾现象 但较沸腾钢弱 半镇静钢钢锭的结构与沸腾钢钢锭相似 而性能却与镇静钢钢锭相近 成分偏析小 综合机械性能好 10 Fe C合金分类 工业纯铁 C 0 0218 钢 0 0218 C 2 11 亚共析钢 0 77 共析钢 0 77 过共析钢 0 77 白口铸铁 2 11 C 6 69 亚共晶白口铁 4 3 共晶白口铁 4 3 过共晶白口铁 4 3 第二节工业中常用的铸造合金及其熔炼 11 铸铁是以Fe C元素为主的铁基材料 其含碳量Wc 2 11 铸铁成形只能用铸造方法 不能用锻或轧制方法 与钢相比 铸铁的强度低 塑性 韧性差 但具有优良的铸造和切削加工性能 按碳元素在铸铁中存在的方式不同 可将铸铁分为白口铸铁 麻口铸铁和灰口铸铁 根据石墨形状的不同 灰口铸铁又可分为灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 第二节工业中常用的铸造合金及其熔炼 12 第二节工业中常用的铸造合金及其熔炼 一 铸铁及其熔炼铸铁 含碳量大于2 11 的铁碳合金 铸造合金中应用最广 铸铁是以铁 碳和硅为主要元素的多元合金 常用成分范围见下表 铸铁的常用成分范围 13 铸铁的分类 根据C铸铁中存在形式的不同 白口铸铁 Fe3C麻口铸铁 Fe3C G灰口铸铁 G 铸铁 由于白口铸铁具有良好的耐磨性 所以有时也用来制造一些耐磨件 如轧辊 粉碎机锤头 衬板 球磨机磨球和犁铧等 白口铸铁 碳全部以Fe3C的形式存在 断口呈银色 14 灰铸铁 片状球墨铸铁 球状可锻铸铁 团絮状蠕墨铸铁 蠕虫状 灰口铸铁 根据G形态 碳大部或全部以石墨形式存在 断口呈暗灰色 灰口铸铁 根据铸铁中石墨形态的不同 灰口铸铁又可分为 15 4 蠕墨铸铁 其石墨呈蠕虫状 如图d所示 a b c d 1 普通灰铸铁 简称灰铸铁 其石墨呈片状 2 可锻铸铁 其石墨呈团絮状 如图b所示 3 球墨铸铁 其石墨呈球状 如图c所示 16 17 组织中既存在石墨 又有莱氏体 是白口和灰口之间的过渡组织 因断口处有黑白相间的麻点 故而得名 麻口铸铁 普通铸铁合金铸铁 含Si 4 Mn 2 或Ti V Mo Cr Cu等 根据铸铁的化学成分 铸铁分为 18 铸铁中的石墨化过程 石墨组织的形成 称为铸铁的石墨化过程 铁碳合金中 C的存在方式有两种 Fe3C和G graphite Fe3C是一种亚稳定相 G是一种稳定的相 Fe3C 3Fe C 高温 由于条件的不同 铁碳合金存在两种相图 Fe Fe3C亚稳系状态图 Fe G稳定系状态图 19 铁 碳双重相图 为了便于比较 习惯上把两个相图画在一起 此种合二为一的相图称铁 碳双重相图 0 68 2 08 1154 738 L G A G F G E C 4 26 S A B C D F G H J N K P P S Q L E L 第三阶段石墨化 21 第一阶段 液态阶段 LC AE G第二阶段 AG第三阶段 AS FP G 铸铁的石墨化过程 738 1154 738 共晶石墨 二次石墨 1154 共析石墨 22 石墨化后得到的组织 灰口铸铁 23 白口铸铁 共晶合金的石墨化过程 24 麻口铸铁 25 各类铸铁经不同程度石墨化后得到的组织 26 Fe C合金结晶过程中为什么一般形成Fe Fe3C而不是Fe G 从热力学上 G比Fe3C要稳定 从动力学上 渗碳体的成分与铁液更接近 Fe的排列与A也有相似之处 因而 A中析出渗碳体较易形核 而G的晶体结构与A相差较大 不易从A中形核和长大 铁碳合金中 C以何种形式存在取决于化学成分和冷却速度 27 成分促进石墨化元素 C Si Al Cu Ni Co等 阻碍石墨化元素 Cr W Mo V Mn S等 工艺 1 冷却速度 快速冷却 按Fe Fe3C相图转变缓慢冷却 按Fe G相图转变 石墨化充分 2 温度 高温长时间保温有利于石墨化 影响石墨化的主要因素 28 影响石墨化程度的主要因素 1 化学成分 碳是形成石墨的元素 也是促进石墨化的元素 含碳愈高 析出的石墨愈多 石墨片愈粗大 硅是强烈促进石墨化的元素 随着含硅量的增加 石墨显著增多 所以 当铸铁中碳 硅含量均高时 析出的石墨就愈多 愈粗大 而金属基体中铁素体增多 珠光体减少 碳以石墨形式析出的现象称为石墨化 1 碳和硅 29 3 锰 所以 硫含量限制在0 1 0 15 以下 高强度铸铁则应更低 使铸铁铸造性能恶化 如降低流动性 增大收率 锰是弱阻碍石墨化元素 具有稳定珠光体 提高铸铁强度和硬度的作用 MnS 一般控制在0 6 1 2 之间 4 磷 磷对铸铁的石墨化影响不显著 含磷过高将增加铸铁的冷脆性 限制在0 5 以下 高强度铸铁则限制在0 2 0 3 以下 2 硫 硫是强烈阻碍石墨化元素 30 渗碳体的成分 碳含量 更接近于液态铸铁 与G相比 结构亦更近于A 在快冷时易得到渗碳体 而G是一种更稳定的相 在缓冷时易得到G 2 冷却速度 铸铁壁厚 mm wC wSi 白口铸铁 麻口铸铁 灰口铸铁 白口铸铁 灰口铸铁 麻口铸铁 珠光体灰口铸铁 珠光体 铁素体灰口铸铁 铁素体灰口铸铁 P Fe3C Le P Fe3C G Le 珠光体灰口铸铁 铁素体灰口铸铁 珠光体 铁素体灰口铸铁 P G片 P F G片 F G片 31 2 冷却速度 在实际生产中 一般是根据铸件的壁厚 主要部位的壁厚 选择适当的化学成分 主要指碳 硅 以获得所需要的组织 由此可知 随着壁厚的增加 石墨片的数量和尺寸都增大 铸铁强度 硬度反而下降 这一现象称为壁厚 对力学性能的 敏感性 铸件壁愈厚 冷却速度愈慢 则石墨化倾向愈大 愈易得到粗大的石墨片和铁素体基体 32 石墨的结晶特点 在简单六方晶体中 碳原子是分层排列同一层上的原子间距小 0 142nm 结合力强层间原子间距大 0 340nm 结合力弱 容易形成片状石墨 石墨的晶体结构 1 石墨对灰铸铁性能的影响 1 灰铸铁 33 力学性能 Fe3C硬而脆 硬度800HB 能轻易划破玻璃 塑性几乎为零 G抗拉强度约为20MPa 伸长率和韧性几乎为零 硬度仅为3HB 铸铁的力学性能主要取决于基体组织及石墨的数量 形状 大小和分布 分布于基体上的石墨可视为空洞或裂纹 34 切削性能好 力学性能低 铸铁的性能特点 G 分布于基体中 空洞 裂纹 有效承载面积降低 受力时石墨尖端处产生应力集中 力学性比碳钢 石墨有良好的润滑作用 并能储存润滑油 石墨可以吸收振动能量 对振动的传递起削弱作用 铸铁的成分接近共晶成分 因此铸铁的熔点低 约为1200 左右 液态流动性好 石墨强度 硬度 塑性低 耐磨性能好 消振性能好 铸造性能好 35 灰铸铁的成分 组织 成分 2 5 4 0 C 1 0 2 5 Si 少量Mn S P等 组织 F G 片 F P G 片 P G 片 普通灰铸铁的成分靠近共晶点 熔点低 具有良好的流动性 且收缩率小 不易产生缩孔的缺陷 铸造性好 36 灰铸铁的显微组织对比 F G P G F P G 37 灰铸铁性能特征 机械性能 抗拉强度 弹性模量较低MPa塑性 韧性近于零 脆性材料但抗压强度与钢相近 600 800MPa 石墨愈多 愈粗大 机械性能愈差 工艺性能 脆性材料 不能锻造和冲压 可焊性较差 但铸造性能优良 切削加工性能好 崩碎切屑 减震性 减震能力为钢的5 10倍 机床床身 机座 耐磨性 石墨润滑作用 比钢好 导轨 衬套 活塞环等 缺口敏感性 低 疲劳强度影响小 38 普通灰铸铁的主要缺点不仅仅是石墨片粗大 力学性能低 更重要的是铸件组织对冷却速度很敏感 同一铸件薄截面上可能出现白口或麻口组织 而厚截面上则可能出现大量的石墨片或过量的F 结果力学性能不均匀 为了解决麻口问题 生产上采用孕育处理或称变质处理 2 灰铸铁的孕育处理 39 孕育处理 熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳 2 7 3 3 低硅 1 0 2 0 的高温铁水 向铁水中冲入细颗粒的孕育剂 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 从而得到在细晶粒珠光体上均匀的分布着细片状石墨的组织 孕育铸铁 变质铸铁 40 常用的孕育剂为 Si Fe合金或Si Ca合金 含硅75 的硅铁 或硅钙 合金 加入量为铁水重量的0 25 0 6 41 孕育铸铁的组织 孕育铸铁的组织为细P基体上加细小均匀分布的片状石墨 并使铸件各部位得到均匀一致的组织 孕育铸铁组织 P细 G细片 性能 b 250 400Mpa HB 170 270 0 42 冷却速度对其组织和性能的影响很小 43 静载荷下 要求较高强度 硬度 耐磨性或气密性的铸件 特别是厚大截面铸件 如重型机床床身 汽缸体 缸套及液压件等 必须指出 孕育铸铁原铁水的碳 硅含量不能太高 原铁水出炉温度不应低于1400 经孕育处理后的铁水必须尽快浇注 以防止孕育作用衰退 孕育铸铁适用于 44 灰铸铁的牌号选用 灰铸铁的牌号用汉语拼音 HT 和一组数字表示 数字表示其最低抗拉强度 b Mpa 灰铸铁件的生产特点 1 灰铸铁一般在冲天炉中熔炼 成本低廉 2 具有良好的铸造性能 3 灰口铸铁一般不通过热处理来提高其性能 3 灰铸铁生产特点及牌号选用 45 按照GB T9439 1988规定 灰铸铁的牌号用 牌号 HT 如 HT150灰口铸铁 最低抗拉强度为150MPa 46 47 制造承受压力和震动的零件 如机床床身 各种箱体 壳体 泵体 缸体 用途 48 2 可锻铸铁 可锻铸铁是先将铁水浇铸成白口铸铁 然后经石墨化退火 使渗碳体发生分解形成团絮状石墨的一种韧性铸铁 可锻铸铁的延伸率可达 12 可锻铸铁的生产分为两步 浇注成纯白口铸铁 石墨化退火 49 1 可锻铸铁的生产特点 浇注成纯白口铸铁 1 碳 硅含量要低 通常为2 4 2 8 C 1 4 1 8 Si 2 冷却速度要快 壁厚不得太厚 铸件尺寸不能太大 石墨化退火 920 980 720 650 P G团 F G团 石墨化退火的总周期一般为40 70小时 高温阶段的石墨化退火时间需10 20小时 50 生产特点 碳 硅含量低 凝固温度范围大 流动性 冷隔 浇不足等缺陷 浇注温度没有石墨化膨胀阶段 收缩大 产生缩孔 缩松 变形与裂纹 定向凝固 设置冒口 冷铁和提高铸型 型心的退让性 生产过程复杂 周期长 能耗大 铸件成本高 51 2 可锻铸铁的组织 性能 牌号及选用 可锻铸铁的组织 根据基体组织的不同 可分为铁素体 黑心 可锻铸铁和珠光体可锻铸铁 52 性能及用途 其强度 硬度 耐磨性优良 并可通过淬火 调质等热处理强化 可取代锻钢制造小型连杆 曲轴等重要件 2 珠光体 P G团 具有良好的塑性和韧性 耐蚀性较高 适于制造承受振动和冲击 形状复杂的薄壁小件 如汽车拖拉机的底盘类零件 各种水管接头 农机件等 1 铁素体 黑心 可锻铸铁 F G团 53 可锻铸铁的牌号 可锻铸铁的牌号用汉语拼音和两组数字表示 第一组数字表示其最低抗拉强度 b Mpa 第二组数字表示其最低伸长率 KTH300 06 KTZ450 06 主要用于生产形状复杂 承受冲击载荷的薄壁小件 54 55 56 球墨铸铁 ductilecostiron 是向高温的铁液中加入一定量的球化剂和孕育剂 直接得到球状石墨而得到的铸铁 3 球墨铸铁 1 球墨铸铁的生产 控制原铁水化学成分 较高的铁水温度 出炉温度应高于1400 a 应严格控制S 0 07 P 0 1 b 适当提高含碳量 3 6 4 0 C 2 0 2 8 Si 以改善铸造性能 57 球化处理和孕育处理 稀土镁合金 球化剂加入量一般为铁水重量的1 0 1 6 促使石墨在结晶时呈球状析出 a 球化处理 3球墨铸铁 球化剂的作用 b 孕育处理 常用的孕育剂为含硅75 的硅铁 加入量为铁水重量的0 4 1 0 促进铸铁石墨化 防止球化元素所造成的白口倾向 孕育剂的作用 58 球化处理工艺有冲入法和型内球化法 59 2 球墨铸铁的组织 性能 牌号及用途 1 珠光体球墨铸铁 P F少 G球 其性能特点是 a 强度高 特别是屈服强度高 屈 强比 0 2 b 0 7 0 8 高于45号钢 0 2 b 0 6 b 疲劳强度较高 c 硬度和耐磨性远比高强度灰铸铁高 因此 珠光体球墨铸铁可代替碳钢制造某些受较大交变负荷的重要件 如曲轴 连杆 凸轮 蜗杆等 b 600 800MPa 2 球墨铸铁的热处理 退火 正火及其它热处理 淬火 回火等 60 我国主要用于代替可锻铸铁制造汽车 拖拉机底盘类零件 如后桥壳等 国外则大量用于铸管 如上 下水管道及输气管道等 2 铁素体球墨铸铁 F P少 G球 其性能特点 b 450 500MPa 17 球墨铸铁的牌号用汉语拼音 QT 和两组数字表示 两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率 61 62 它是介于球状石墨和片状石墨之间的一种石墨形态 4 蠕墨铸铁 是向高温 低硅 低磷的铁液中加入蠕化剂进行蠕化处理 再加入孕育剂进行孕育处理 凝固后石墨的形态不再呈片状 而是呈蠕虫状 向铁水中加入的能使石墨改变形状为蠕虫状的变质元素称为蠕化剂 蠕化元素主要是镁和稀土元素等 稀土元素和镁加入到铁水中后 能与铁水中的S O发生作用 反应产物进入渣中 使铁水净化 残余稀土和残余镁对石墨产生变质作用 63 蠕墨铸铁的性能特点 1 力学性能 强度和韧性 比灰铸铁高 与铁素体球墨铸铁相近 2 壁厚敏感性比灰铸铁小得多 3 导热性和耐疲劳性比球墨铸铁高得多 与灰口铸铁相近 4 耐磨性比灰口铸铁好 为HT300的2 2倍以上 6 工艺性能良好 铸造性能近于灰口铸铁 切削加工性能近于球墨铸铁 5 减振性比球墨铸铁高 但比灰口铸铁低 保持了球墨铸铁塑 韧性好的特点 又具有灰铸铁良好的铸造性能及耐热性 64 蠕墨铸铁主要用来代替高强度灰铸铁 合金铸铁 铁素体球墨铸铁和铁素体可锻铸铁生产复杂的大型铸件 如大型柴油机机体 大型机床立柱等 更适合制造在热循环作用下工作的零件 如大型柴油机汽缸盖 排汽管 制动盘 钢锭模及金属型等 牌号 RuT 是 蠕铁 二字汉语拼音的大写字头 为蠕墨铸铁代号 在 RuT 后面的数字表示最低抗拉强度 65 66 二 铸钢及其熔炼 1 铸钢的分类 性能 牌号及应用 碳素钢 合金钢 1 低碳钢 2 中碳钢 3 高碳钢 C 0 25 C 0 25 0 45 C 0 50 0 60 1 低合金钢 2 高合金钢 Me 5 Me 5 ZGMn13 铸造性能差 较少用 常用于机电零件 软磁特性 铸造性能较好 应用广泛 铸造性能差 塑性 韧性差 仅用于少量耐磨件 加入少量合金元素后 铸钢的强度 耐磨性 耐热性都明显提高 67 性能 碳素铸钢的强度与球铁相当 但塑性 韧性 疲劳强度比球铁高 因此 承受较复杂的交变应力和较大冲击载荷的铸件 铸钢比球铁好