铸造合金和其熔炼过程及设备

1、1铸造合金和其熔炼过程及设备2培训要点： 重点掌握各种铸造合金的牌号及性能；化学成分对灰铸铁、球墨铸铁性能的影响；孕育铸铁、球墨铸铁的生产技术；冲天炉熔炼操作工艺、一般过程和基本原理；熔炼配料计算方法；了解各种铸造合金的发展趋势；了解铸钢和非铁合金的熔炼过程及主要设备。 3第一节 铸铁及其熔炼 一、铸铁 铸铁是一种以铁、碳、硅为基础的多元合金，此外，还含有锰、磷、硫等元素。有时为了改善铸铁的性能，还可加入铜、铬、钼等合金元素。铸铁碳的质量分数一般在2.4%4.0%。常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。 41. 灰铸铁 （1）灰铸铁的牌号及性能 抗拉强度是灰铸铁最主要的力学性能，灰

2、铸铁的牌号是按其大小来区分的，根据GB9439-1988灰铸铁件的规定，按单铸30mm试棒的抗拉强度值将灰铸铁分为六种牌号，见表3-1。 表3-1 按单铸试棒性能分类 5 灰铸铁的力学性能是由金属基体组织及石墨形态决定的。分为以下三种：铁素体灰铸铁 在铁素体基体上分布着粗大的片状石墨，其强度、硬度都较低；铁素体-珠光体灰铸铁 在铁素体和珠光体基体上分布着细小的片状石墨，其强度、硬度都比铁素体灰铸铁为高；珠光体灰铸铁 在珠光体基体上分布着细小的片状石墨，具有较高的硬度，在灰铸铁中强度最高。6图3-1 灰铸铁的组织a)铁素体灰铸铁 b)铁素体-珠光体灰铸铁 c)珠光体灰铸铁 灰铸铁中存在的片状石墨

3、，一方面减少了金属基体的承载面积，另一方面石墨片的尖角处造成了应力集中，所以，灰铸铁的抗拉强度较差，塑性较低。由此可见片状石墨的数量大小和分布状况是影响灰铸铁性能的主要因素。7（2）化学成分对灰铸铁组织和性能的影响 灰铸铁的化学成分除了含有碳、硅、锰、磷、硫五种主要元素外，还含有一些其它元素，各种元素及其含量都对灰铸铁的性能产生不同影响。 铸铁的组织取决于石墨化程度，研究化学元素对灰铸铁组织的影响，主要研究化学元素对石墨化的影响。8 铸铁中的元素按其对石墨化影响的不同，可分为促进石墨化和阻碍石墨化两大类。 促进石墨化元素 阻碍石墨化元素Al，C，Si，Ti，Ni，Cu，P，Co，Zr，Nb，W

4、，Mn，Mo，S，Cr，V，Fe，Mg，Ce，B 左边的元素促进石墨化，右边的元素阻碍石墨化，距铌越远作用越强烈。由此可知，铸铁中的含量较多的碳、硅、锰、磷、硫都会影响石墨化的进行9 1）碳和硅 碳和硅都是强烈促进石墨化的元素，通过调整碳和硅的含量可以控制灰铸铁的组织和性能。灰铸铁碳的质量分数大多在2.6%3.6%，硅的质量分数在1.2%3.0%。 碳是构成石墨的元素，铁液中碳的质量分数越高，石墨的数量也就越多。硅是促进石墨化的元素。当硅的质量分数在1.0%2.0%范围内增加时，硅促进石墨化的作用特别强烈。一般以碳当量综合考虑碳和硅的影响。 碳当量过高，促使灰铸铁石墨片变粗、数量增多，基体中铁

5、素体量增多，强度和硬度下降。碳当量过低，铸铁易出现麻口或白口组织，会导致灰铸铁铸造性能降低、铸件断面敏感性增大、内应力增加，强度下降，硬度上升加工困难。因此，必须选取合适的碳硅量，使灰铸铁碳当量控制在合适的范围内。10 2）锰和硫 锰和硫都是阻碍石墨化的元素，但两者共同存在时，会形成高熔点的MnS，不仅无阻碍石墨化的作用，而且可作为石墨化的非自发晶核。所以，锰能削弱硫的有害作用。此外，锰能促使珠光体形成并细化珠光体，从而提高灰铸铁的力学性能，灰铸铁中锰的质量分数一般为0.6%1.2%。 硫在高含量时有阻碍石墨化的作用，使铸件形成白口组织，同时还使奥氏体枝晶粗化，降低铸铁性能。硫还能使铁液的流动

6、性降低，收缩量增大，使铸铁有较大的热裂倾向。因此，硫作为有害元素应加以控制，一般质量分数控制在0.15%以下。但目前认为，为确保孕育效果，灰铸铁中含硫量亦非愈低愈好，一般质量分数不低于0.05%0.06%。113）磷 磷使铸铁的共晶点左移，其作用程度和硅相似，故计算碳当量时，应计入磷的含量。 当磷的质量分数大于0.3%时，会生成硬而脆，且熔点低的磷共晶，常以网状分布在晶界上，使铸铁脆性增加。降低铸铁的力学性能尤其是韧性和致密性。磷量高往往是铸件产生冷裂的原因。但磷共晶能提高铸件的耐磨性，且磷能降低铸铁的熔点和共晶温度，提高铁液的流动性，改善铸造性能。一般灰铸铁，磷的质量分数不应超过0.2%；高

7、强度灰铸铁的磷的质量分数应控制在0.12%以下；有致密性要求的，磷的质量分数需低于0.06%；有耐磨和高流动性要求的磷的质量分数可达0.3%1.5%。124）合金元素 灰铸铁的低合金化是提高其力学性能、使用性能及节省材料的重要途径，低合金灰铸铁可以含有一种或几种合金元素，其总的质量分数一般在3%以下，合金元素的作用主要有以下几方面：改善并显著提高铸铁的力学性能，增加硬度；增加铸件性能的均匀性，降低断面敏感性；改善铸件的塑性；改善铸铁的高温及低温性能；提高铸铁热处理的淬透性及改善耐磨性。 常用的合金元素有：铬、镍、钼、铜、钒、锡、钛、硼等。13（3）冷却速度对灰铸铁组织和性能的影响 在生产中可以

8、看到，同一铸件壁厚不同的部位，其组织往往不同，壁厚处呈灰口组织，而壁薄处常出现白口组织。这表明在化学成分不变的条件下，通过改变冷却速度，可以改变石墨化程度而得到不同的组织。当快速冷却时，铸铁中的碳部分或全部呈化合状态存在，而形成麻口组织或白口组织。缓慢冷却时，石墨能顺利析出，并不断长大，得到粗大片状石墨，而形成灰口组织。14图3-4 铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸铁组织的影响-白口铸铁区 -麻口铸铁区 -珠光体灰铸铁区 -珠光体加铁素体灰铸铁区 -铁素体灰铸铁区 15（4）孕育铸铁 向碳、硅含量较低的铁液中加入一定数量的孕育剂，造成人工晶核，改变铁液的结晶条件，从而细化共晶团，改善石墨的尺寸及

9、分布，提高灰铸铁的力学性能。这种灰铸铁叫孕育铸铁。 孕育铸铁生产的关键是原铁液化学成分的选择、孕育剂、孕育处理方法及炉前控制。161）原铁液化学成分的选择 选择适宜的碳、硅含量（碳当量）的原铁液，是生产孕育铸铁的关键。碳、硅含量过高不经孕育处理就是灰口组织，孕育处理反而造成石墨粗大，使强度下降；碳、硅含量过低，则增加熔炼困难，降低铸造性能，增加孕育剂消耗。因此，一般选择位于铸件组织图上麻口区内或白口区域边缘（靠近麻口区）的成分，在孕育处理后，就可使铸铁转入珠光体区域。见图3-3。一般原铁液的碳的质量分数为2.8%3.3%，硅的质量分数为1.0%1.6%。17白口区 a麻口区 、b. 灰口区图3

10、-3 铸件组织图 18 锰在孕育铸铁中的作用，除中和硫外，还能增加珠光体含量。所以，孕育铸铁锰的质量分数含量一般较高，为0.8%1.0%。 硫、磷作为有害元素，都会降低铸铁强度，应加以限制，一般硫的质量分数限制在0.1%以下，磷的质量分数限制在0.15%以下。192）孕育剂 孕育剂主要含有促进石墨化元素。孕育剂的种类很多，选用的原则是孕育效果好且价格低廉。 最常用的孕育剂是硅的质量分数为75%的硅铁合金。但有较多报告指出，对于片状石墨铸铁来说，纯硅或纯硅铁很少有，甚至没有孕育作用，真正起作用的是硅铁中一定含量的铝和钙，硅铁仅起到把铝和钙带入铁液的作用。除铝和钙外，能起孕育作用的元素还有锶、铈、

11、钡、钛、锆等。因此，目前出现了许多按不同孕育需要加入不同元素的孕育剂，且许多都已商品化、系列化，如：钡硅铁、锶硅铁、稀土钙钡硅铁等。203）孕育处理方法 一般孕育处理的方法是将孕育剂均匀地加在出铁槽的铁液流上，使其随铁液冲入铁液包内。孕育剂的加入时间应占出铁时间的60%以上，并在出铁接近三分之一时加入，保证孕育剂与铁液均匀混合。出铁完毕后可适当搅拌。这种孕育处理方法又称炉前孕育或一次孕育。孕育处理后的铁液应在规定时间内浇完，以防孕育衰退。21 为缩短从孕育到凝固的时间，防止孕育衰退，加强孕育效果，减少孕育剂用量，目前已发展了许多瞬时孕育方法，如浇包漏斗随流孕育、硅铁棒孕育、喂丝孕育、型内孕育等

12、。 孕育剂的加入量应严格控制。孕育剂的加入量与铁液成分、铸件壁厚、孕育剂种类和孕育方式有关。一般炉前孕育的加入量为铁液重量的0.2%0.5%，瞬时孕育为0.08%0.2%。224）炉前控制 在生产过程中，为及时检查铁液的化学成分，确定孕育剂的加入量并检查孕育效果，避免浇注后出现废品，必须在炉前采取简单、迅速、较正确的检查，并据此采取相应的措施。 炉前常用的检查方法是三角试块白口检测。三角试块的形状和尺寸见图3-5。试块一般采用干型立浇。浇注后待其冷却至暗红色后放入水中激冷，然后敲断，观察断口处的颜色、晶粒大小，并测量白口宽度。白口宽度与铸铁牌号的对应关系见表3-2。23图3-5 三角试块的形状

13、及尺寸 表3-2 孕育前后的试块白口宽度 （单位：mm） 24 此外，炉前采用的检查方法还有炉前快速化学分析法、直读光谱分析法、热分析法、炉前快速金相法等。 5）孕育铸铁的组织和性能 孕育铸铁的组织，是在致密的珠光体基体上，均匀地分布着细小的片状石墨，所以孕育铸铁的强度、耐磨性等均比普通灰铸铁高。另一特点是断面敏感性小。但减震性、缺口敏感性略低于普通灰铸铁。由于碳、硅含量低，所以流动性差，收缩较大。25（5）灰铸铁的发展（自学） 目前，全世界铸铁生产中，灰铸铁约占60%80%以上。因此不断提高灰铸铁的力学性能，发展高强度灰铸铁时铸铁材质发展的重要方向之一。其途径有：加强孕育剂的研究和运用；调整

14、铁液的化学成分；附加合金元素；通过微量元素的变质行为改善石墨形态；增加废钢用量。262. 球墨铸铁（1）球墨铸铁的牌号及性能 根据GB1348-1988球墨铸铁件的规定，球墨铸铁的牌号及性能见表3-3。27表3-3 球墨铸铁单铸试块的牌号及性能 28图3-7 球墨铸铁组织a）珠光体球墨铸铁组织 b）铁素体球墨铸铁组织29 在球墨铸铁中，由于石墨呈球状或团粒状，对基体的割裂作用很小，因而金属基体的强度可以得到充分发挥，而且石墨的存在使球墨铸铁具有钢所不能及的减振和耐磨性，因此，球墨铸铁具有良好的力学性能。 在球墨铸铁的生产过程中，为了保证石墨球化，减少铸件缺陷和提高力学性能，要严格控制球墨铸铁的

15、化学成分，选择良好的球化剂和孕育剂，采用合理的球化处理工艺。30（2）化学成分的选择及其影响 球墨铸铁的化学成分对其组织、力学性能和铸造性能等有很大的影响，因此，必须合理地选择。31 1）碳和碳当量 碳对球墨铸铁性能的影响不仅与含量有关，还和碳当量的高低有关。 碳能促进石墨化，减少白口倾向。碳能促进镁的吸收，改善球化。由于石墨呈球状，适当提高含碳量并不削弱力学性能。碳当量高能改善流动性，增加凝固时的体积膨胀，当铸型刚度大时能促使铸件减少缩松，刚度小时则增加缩松。但碳当量过高时会引起石墨漂浮。因此，碳当量应控制在合适的范围内，在不出现石墨飘浮的前提下，应尽量提高碳当量，一般碳当量的质量分数选择在

16、共晶点附近（4.6%4.7%），碳的质量分数尽量高一些，一般为3.5%3.9%。32 2）硅 硅明显促进石墨化，以孕育剂方式添加的硅作用更显著。因此，球墨铸铁在选定碳当量后，原铁液应采用高碳低硅的原则，终硅量以孕育剂方式添加。增加含硅量可增加铁素体量，铁素体球墨铸铁的终硅量比珠光体球墨铸铁高一些。但硅使常温冲击韧度降低，脆性转变温度提高，因此，硅不宜过高，特别是在低温下工作的零件，其含硅量应低一些为好。通常珠光体球墨铸铁的硅的质量分数为1.7%2.6%，铁素体球墨铸铁的硅的质量分数为2.5%3.2%。 33 3）锰 与灰铸铁不同的是，球墨铸铁中的含硫量很低，锰已较少起中和硫的作用。在球墨铸铁中

17、，锰主要起合金化作用，即稳定及细化球光体，但锰易产生边界偏析，使球墨铸铁的塑性及韧性降低。因此，即使是珠光体球墨铸铁，亦认为锰的质量分数以不超过0.4%0.6%为宜，而推荐用铜或用热处理工艺保证珠光体组织。铁素体球墨铸铁的锰的质量分数要求控制在0.4%以下。34 4）磷 磷是球墨铸铁中的有害元素，极易偏析，在晶界上产生磷共晶，严重降低球墨铸铁的塑性和韧性，不仅使常温冲击韧性降低同时使脆性转变温度急剧提高，造成低温脆性。所以，球墨铸铁中的含磷量要求愈低愈好。一般质量分数应控制在0.1%以下。对于有高韧性要求的铁素体球墨铸铁或在野外低温环境下工作的球墨铸铁，磷的含量越低越好。 35 5）硫 球化剂

18、中的镁、稀土等球化元素与硫有很强的亲和力，加入铁液后首先脱硫，然后才起球化作用。所以，硫高必然会消耗较多的球化剂，严重影响球化。而且，产生的硫化物是球墨铸铁形成夹杂缺陷的主要原因之一。硫还会引起铸件产生皮下气孔。因此，应尽力降低原铁液的含硫量。一般要求冲天炉熔炼时硫的质量分数小于0.06%0.1%，电炉熔炼时硫的质量分数小于0.04%。原铁液硫量的高低对提高质量十分关键，亦是我国与国外的主要差距之一。目前，许多工厂在生产高质量球墨铸铁时都进行脱硫处理。脱硫后原铁液硫的质量分数小于0.02%。 36 6）残余镁量及稀土量 为了保证石墨球化，镁和稀土在中和了硫等反球化元素的作用后，应有一定的残留量

19、。采用纯镁作球化剂时，一般残余镁的质量分数约为0.03%0.08%，但过高反而会降低球化率。在有稀土的情况下，残余镁量可以适当低一些。 稀土元素有脱硫、去气、净化铁液和球化等有利作用，但白口倾向很大，而且偏析严重，降低球墨铸铁的力学性能，特别是塑性和韧性。残余稀土的质量分数常控制在0.02%0.04%左右。37 7）合金元素 球墨铸铁通过合金强化基体组织，可以更好地发挥基体的潜能，提高其综合力学性能。合金元素的作用体现在：一方面，对于需要热处理的球墨铸铁，合金元素对热处理工艺起辅助作用，使球墨铸铁能更好地通过热处理得到所需的组织与性能；另一方面，合金元素可以使球墨铸铁直接在铸态下得到所需的组织

20、与性能，不用热处理就可生产出铸态球墨铸铁件，降低生产成本。常用的合金元素有：镍、铜、铬、钼、钛、钒、钨、锑、锡、铋等。38（3）球化处理技术 1）熔炼要求 由于球化处理一般要降温50100，因此为了保证浇注温度，铁液必须有较高的出炉温度，至少在14001420以上，最好在14501500以上。 其次，必须满足球墨铸铁对化学成分的严格要求，即较高的碳量，低的硅、锰、磷和硫量。39 2）球化剂及球化处理 球化剂就是含有球化元素，能使石墨成球状的添加剂。球化能力强的元素有镁、稀土（铈、镧、钇等）等。球化处理的工艺取决于球化剂的类型。 镁是一种良好的球化剂。镁的密度为3，熔点为651，沸点为1107，

21、球化处理时，采用压力加镁的方法。但这种方法需专用设备，处理工艺复杂，操作不便，危险性较大，现已很少采用。40 稀土不仅能起球化作用，而且能抵抗干扰元素的反球化作用。稀土的球化能力较镁差些，单独使用时石墨球不太圆整，且稀土元素的沸点大都高于铁液温度，单独采用稀土处理时，完全没有沸腾，无搅拌作用，球化元素不能均匀分布。一般和镁同时使用。稀土镁硅铁合金是目前常用的球化剂。合金中镁的质量分数为7%9%，稀土的质量分数为4%6%。随着熔炼质量不断提高，原铁液含硫量不断降低，稀土镁硅铁合金逐渐向低镁低稀土方向发展。41 用稀土镁硅铁合金作球化剂时，多采用冲入法球化处理工艺。见图2-3。球化剂加入量视原铁液

22、含硫量而定，一般原铁液硫的质量分数在0.08%左右时，加入量（质量分数）为1.4%1.6%。处理时，先将球化剂放入浇包底部一侧专门设置的堤坝或凹坑内，并在球化剂上面覆盖铁屑、细硅铁粒等并压紧，以延缓球化反应时间，防止球化剂上浮，提高其吸收率。出铁时，将铁液冲入浇包的另一侧，并同时进行炉前孕育。反应完毕后搅拌、扒渣，经炉前检查合格后即可浇注。42图3-8 冲入法球化处理工艺 1铁液 2铁液包 3堤坝4铁屑 5球化剂433）孕育剂及孕育处理 对球化处理后的铁液进行孕育处理，以目前的认识来看，至少有以下几个目的： 消除球化元素造成的白口倾向，获得铸态无自由渗碳体的铸件。 细化球状石墨，增加石墨球数，

23、提高石墨球的圆整度，改善球化率。 减少晶间偏析程度，改善力学性能，提高伸长率和冲击韧性。 增加铁素体数量，获得铸态铁素体基体。44 常用的孕育剂是硅的质量分数为75%的硅铁合金。目前，球墨铸铁的孕育剂根据不同需要，也已商品化和系列化。 除炉前采用一次孕育处理外，质量要求较高的铸件，在浇注时还要采用瞬时孕育处理工艺。对于生产铸态铁素体球墨铸铁，还采用多次孕育。454）炉前检验 球化处理后的铁液经炉前检验，判断球化质量，发现问题可及时采取补救措施，避免造成铸件报废。常用的炉前检验方法有以下几种：三角试块法 火苗检查法 炉前快速金相检验法 46 三角试块法。三角试块球化判断方法见表3-4。球化处理良

24、好的铁液，浇出的三角试块断口见图3-9。图3-9 三角试块断口 47表3-4 三角试块球化判断法 48 火苗检查法。球化后的铁液表面有火苗窜出，这是镁蒸气逸出燃烧的现象。火苗越多，越长，越有力，说明球化越好。 炉前快速金相检验法。在炉前浇注20mm20mm的试块，凝固激冷后，在砂轮上磨去表面，经粗磨和抛光后，用显微镜直接观察球化情况。这种方法可在2min内完成，快速、科学、准确。但需要一套专用设备和操作人员。 此外，还有铁液表面膜观察法、热分析法、比电阻法等。 495）球墨铸铁的常见缺陷疏松球化不良皮下气孔夹渣石墨漂浮铸造工（高级）P94506）球墨铸铁的发展（自学）目前，从球墨铸铁的材质性能

25、看，对强度和塑性的要求已普遍提高，各国新标准都相继增加了高牌号级别。生产高强度、高韧性的球墨铸铁是球墨铸铁材质发展的重要方向。此外，铸态球墨铸铁品种的扩大生产也是不容忽视的发展方向之一。大力发展铸态球墨铸铁1）铸态珠光体球墨铸铁2）铸态铁素体球墨铸铁3）铸态贝氏体球墨铸铁发展高强度高韧性的球墨铸铁发展特殊性能球墨铸铁513. 蠕墨铸铁（自学） 蠕墨铸铁的石墨呈蠕虫状，介于片状和球状之间，因而它的力学性能也介于同基体的灰铸铁和球墨铸铁之间。根据JB4403-1987蠕墨铸铁件的规定，蠕墨铸铁分五种牌号，见表3-5。图3-10 蠕墨铸铁组织52表3-5 蠕墨铸铁的牌号 53 蠕墨铸铁的化学成分对其性能的影响也是不同的，碳和锰主要影响蠕墨铸铁的力学性能，硅和磷则主要影响其伸长率和冲击韧性，而硫的影响与球墨铸铁非常相似。对于蠕墨铸铁的化学成分要求，从目前的资料看来，和球墨铸铁的成分要求基本相似，即高碳、低硫、低磷，一定的硅、锰含量。544. 可锻铸铁（自学） 可锻铸铁除有较高的强度、塑性和韧性外，与球墨铸铁相比，它还具有成本低、质量稳定、铁液处理简便等优点。 可锻铸铁