常见铸造合金与铸件结构工艺性

机械制造基础制造学院金工教研室第3讲常见铸造合金及铸件结构工艺性第3讲铸造合金与铸件结构工艺性铸造合金掌握铸铁组织与性能的特点了解常见铸造合金的组织与性能的特点结构工艺性评价铸件结构工艺性的标准：保证铸件满足相关的力学性能、使用性能的要求制造成本最低对结构工艺性产生影响的因素铸造工艺的特殊要求合金铸造性能的要求生产批量（大：自动化，小：手工）铸件的结构工艺性不是一成不变的一、常见铸造合金黑色金属铸铁，根据碳的存在形式分为：白口铸铁碳以化合物（Fe3C）的形式存在硬、脆、难以加工，较少使用灰口铸铁碳多以石墨（纯碳相）形态存在是工业生产中最常用的铸造合金麻口铸铁大部分以化合物（Fe3C）的形式存在，少部分以石墨（纯碳相）形态存在硬、脆、难加工，不使用铸钢有色金属：铸造铜合金和铸造铝合金铁-石墨相图1.灰口铸铁（根据石墨的形态）普通灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁(1)普通灰铸铁组织特点：相当于钢的基体上分布有大量片状石墨，石墨对基体的割裂程度很高。由于石墨的存在，一方面使得基体承载的有效面积减少，另一方面在基体中容易造成应力集中现象，最终导致灰铸铁的抗拉强度和弹性模量均比钢低得多。普通灰铸铁的组织和性能机械性能σb＝120~250MPa，抗拉强度很差塑性、韧性差抗压强度与钢接近（应合理应用）特点：抗压不抗拉工艺性能铸造性能极好切削加工性能极好锻造性能极差焊接性能极差（焊缝区域易形成白口组织）热处理性能差灰铸铁的其他优良性能优良的减振性石墨松软，能吸振，并阻隔振动传播耐磨、减摩性好石墨本身是很好的润滑剂，剥落后形成的空洞可以储存润滑油缺口敏感性小石墨本身就相当于缺口（孔洞、微裂纹），外来缺口（如油孔、键槽、刀痕等）的作用则相对减弱灰铸铁的组织——石墨化一次结晶和共晶石墨化A＋石墨二次结晶和共析石墨化P+石墨－珠光体灰铸铁石墨细小、分布均匀强度硬度高、用于重要机件（P+F）+石墨－珠光体－铁素体灰铸铁石墨呈粗大片状强度略低、铸造性能极好、减振性好F+石墨－铁素体灰铸铁石墨过多、过于粗大，应用极少讨论铸铁麻口和白口铸铁是怎样形成的？化学成分影影响石墨化化（C%＋Si%）&壁厚I－白口IIa－麻麻口II－P基基IIb－PF基III－F基最佳：共晶晶C%=3%-3.5%Si％＝1.4%-2.4%S、P有害害，Mn有有益冷却速度影影响石墨化化快慢不同厚度－－不同组织织－不同性性能一包铁水C%=3.2%Si%=1.8%wc+wsi%=5.0%凝固后不同同厚度截面面上的组织织5mm：白口或麻麻口10mm：P基灰铸铁20mm：P基灰铸铁30mm：PF基灰铸铁40mm：F基灰铸铁薄了不行，，厚了更不不行510203040强化普通灰灰口铸铁的的手段孕育处理孕育剂：含含75％Si的硅铁（实为异质形形核，获P基灰口铸铁））适用于对强强度、硬度度和耐磨性性要求较高高的重要铸铸件，尤其其是厚大铸铸件，如床床身、凸轮轮、凸轮轴轴、气缸体体和气缸套套等牌号（GB5675-85）HT100（F基）、HT150（PF基）中、低载荷荷和不重要要的零件，如盖、外外壳、手轮轮、刀架、、工作台等等HT200、HT250（P基）较大应力和和较重要零零件，如气缸体体、机座、、床身、缸缸套、活塞塞等HT300、HT350（孕育）高应力及抗抗拉应力的的重要零件件，如齿轮、、凸轮、车车床卡盘、、高压液压压缸等普通灰口铸铸铁的生产特点共晶成分，，工艺简单单、1200～1350°C浇铸、时效效处理(2)可锻铸铁黑心可锻铸铸铁珠光体可锻锻铸铁可锻铸铁常常识生产特点：：（1）先获取白白口铸件（2）白口铸件件经高温石石墨化退火火形成加热温度900～980°C，变成A＋Fe3C；第一阶段石石墨化Fe3C高温下分解解为A+石墨第二阶段石石墨化A随炉冷却过过程中不断断析出多余余的C，并依附在在第一阶段段形成的石石墨上继续续生长第三阶段石石墨化略低于共析析温度附近近长时间的的保温，使使P分解为F+石墨可锻铸铁常常识种类F可锻铸铁：：上述三个个阶段都完完成P可锻铸铁：：仅完成第第一阶段石石墨化性能抗拉σb＝300~400MPa有一定塑性性韧性，但但还是不可锻造牌号KTH300-06：黑心可锻铸铸铁KTZ650-02：珠光体可锻锻铸铁(3)球墨铸铁生产特点：：（1）成分：：高碳、高高硅、低P、S；（2）浇注注温度高；；（3）球化化处理：稀稀土镁合金金；（4）孕育育处理：含75％Si的硅铁。。球墨铸铁常常识牌号及用途途QT400－18（F）传动轴、飞飞轮、电动动机架、铁铁路机车轴轴瓦等QT500－7（F+P）载荷大、受受力复杂的的零件。汽汽车的连杆杆、曲轴、、凸轮轴和和气缸套等等，部分机机床主轴、、蜗杆等QT700－2（P）高强度齿轮轮，如汽车车后桥螺旋旋锥齿轮、、大减速器器齿轮、内内燃机曲轴轴、凸轮轴轴等QT900－2（B或M回）球墨铸铁常常识力学性能接接近于钢（（70～90％）抗拉强度可可达900MPa；延伸率18％，具有好好的塑性和和韧性。工艺性能铸造性能、、切削加工工性能和减减摩性能良良好。过冷倾向大大，易产生生白口热处理性能能退火：获得得F基球墨铸铁铁去应力退火火：500～600°C低温石墨化化退火（无无自由渗碳碳体存在））：720～760°C高温石墨化化退火（有有自由渗碳碳体存在，，即白口组组织）：900～950°C正火：高温正火：：900～950°C，获得细P基球墨铸铁铁低温正火：：820～860°C，获得P基＋分散F的球墨铸铁铁调质：S回＋球状石墨墨等温淬火：：B下＋A（少）＋M（少）＋球球状石墨(4)蠕墨铸铁生产特点：：（1）成分：：高碳、高高硅、低P、S；（2）浇注注温度高；；（3）球化化处理：稀稀土镁合金金；（4）孕育育处理：含75％Si的硅铁。。蠕墨铸铁常常识性能介于灰铸铁铁和球墨铸铸铁之间，，有良好的的综合性能能力学性能优优于灰口铸铸铁（抗拉拉强度、屈屈服点、延延伸率、疲疲劳强度等等）；导热性好、、抗氧化、、减振性、、耐磨性优优于球铁；；铸造性能、、切削加工工性能优于于球铁；牌号（GB5612-85）RuT-400：抗拉强度度应用气缸盖、气气缸套、钢钢锭模、液液压件等耐耐热件（5）合金铸铁铁耐热铸铁耐蚀铸铁（5）合金铸铁铁耐磨铸铁减摩铸铁—P基灰铁制造在润滑滑、受粘着着磨损条件件下工作的的零件机床导轨、、拖板、发发动机缸套套和活塞环环、各种滑滑块和轴承承等高磷铸铁（含0.4～0.7％P），形成磷磷共晶，断断续网状分分布在P基体上，形形成坚硬骨骨架，提高高耐磨性加入适量的的Cu、Cr、Mo、P、V、Ti等合金形成成合金减摩摩铸铁，如如磷铜钛铸铸铁、鉻钼钼铜铸铁等等抗磨铸铁制造在无润润滑、受磨磨料磨损条条件下工作作的铸件轧辊、磨球球机磨球、、抛丸机叶叶片、犁铧铧等白口铸铁加少量的Cu、Cr、Mo、V、B等合金形成成合金碳化化物，提高高抗磨性。。中锰球墨铸铸铁（含5～9.5％Mn，3.3～5.0％Si）铸态组织为为M、A、碳化物和和球状石墨墨（5）合金铸铁铁耐热铸铁制造在高温下使使用的，抗抗氧化或抗抗热生长性性能符合使使用要求的的铸件。如炉底板、、烟道挡板板、传递链链构件等热生生长由于氧化性气体沿着石墨片的边界和裂纹，渗入铸铁内部所造成的氧化以及由于渗碳体分解生成石墨而引起的体积膨胀。加Al、Si、Cr等合金元素，使之在高温下，在铸铁表面形成一层致密的氧化膜，如Al2O3、SiO2、Cr2O3。单相组织使铸铁在高温下不存在渗碳体分解而析出石墨的可能性石墨最好程球状，独立分布，不易形成氧化性气体的渗入通道F基球墨铸铁具有较好的耐热性（5）合合金金铸铸铁铁耐蚀蚀铸铸铁铁制造造具具有有一一定定力力学学性性能能，，且且在在酸酸、、碱碱条条件件下下有有抗抗腐腐蚀蚀能能力力加入入Al、Si、Cr等合合金金元元素素，，使使之之在在高高温温下下，，在在铸铸铁铁表表面面形形成成一一层层致致密密的的氧氧化化膜膜加入入鉻鉻硅硅、、钼钼、、铜铜、、镍镍、、磷磷等等合合金金元元素素，，提提高高F的电电位位以以提提高高耐耐蚀蚀性性通过过合合金金化化，，获获得得单单项项组组织织，，以以减减少少铸铸铁铁中中的的微微电电池池，，从从而而提提高高耐耐蚀蚀性性如高硅硅耐耐蚀蚀铸铸铁铁，含含1.4％C，10～18％SI，组组织织为为含硅硅合合金金铁铁2.铸钢钢应用用广广泛泛强度度高高、、塑塑性性韧韧性性优优良良、、焊焊接接性性能能好好铸－－焊焊联联合合结结构构：：重重型型机机械械制制造造加入入10％各各种种合合金金元元素素耐磨磨、、耐耐腐腐蚀蚀、、耐耐热热铸造造性性能能差差：：糊状状凝凝固固浇注注温温度度高高、、流流动动性性差差收缩缩率率大大、、一一定定要要定定向向凝凝固固铸钢钢件件的的铸铸造造工工艺艺示示例例3.铝及及其其铝铝合合金金工业业纯纯铝铝杂质质含含量量密度小；导电性好；导热性；抗大气腐蚀性好；强度低，塑性好，无磁性、无火花。铝合金形变铝合金单相固溶体，塑性好，部分可热处理强化防锈铝合金：Al-Mn系、Al-Mg系；硬铝合金：Al-Cu-Mg系；超硬铝合金：Al-Cu-Mg－Zn系；锻铝合金：Al-Cu-Mg－Si系铸造铝合金3.铸造造铝铝合合金金共晶晶组组织织，，熔熔点点低低，，流流动动性性好好铝硅硅合合金金粗大的共晶体体（α＋Si），需变质处处理加以细化化ZL101、ZL102，砂型、金属属型和压力铸铸造零件，工工作温度低于于200℃，如飞机、仪仪表的零件，，抽水机壳体体ZL105，砂型、金属属型和压力铸铸造零件，工工作温度低于于225℃，如风冷发动动机的气缸头头等ZL108，砂型、金属属型铸造要求求高温强度及及低膨胀系数数的耐热零件件，如内燃机机活塞铝铜合金ZL201、ZL202,砂型铸造工作作温度在175～300℃的零件，如铝镁合金ZL301,砂型铸造大气或海水中工作的零件，工作温度小于150℃铝锌合金ZL401，压力铸造结构复杂的零件，工作温度小于200℃3.铸造铝合金生产特点收缩率高，氧氧化、吸气严严重（1）铸造铝合金金熔点低、流流动性好、对对型砂耐火度度要求不高，，可用细砂造造型，以减小小铸件表面粗粗糙度值，还还可浇注薄壁壁复杂铸件。。（2）为防止铝液液在浇注过程程中的氧化和和吸气，通常常采用开放式式浇注系统及及应用，蛇形形直浇道和缝缝隙内浇道等等。（3）应能造成合合理的温度分分布，使铸型型进行定向凝凝固，并在最最后凝固部分分设置冒口进进行补缩，以以消除缩孔和和缩松。工艺方法坩埚炉熔炼，用NaCl、KCl做熔剂精炼驱氢ZnCl2（或C2Cl6）:3ZnCl2+2Al=3Zn+2AlCl3↑（熔点183°C）坩埚炉4.铸造铜合金铜及铜合金按其成分不同同可分为紫铜铜、黄铜、青青铜和白铜紫铜工业纯铜，熔熔点为1083℃，无同素异构构转变，相对对密度为8.9（为镁的五倍倍）。比普通通钢还重约15%。其具有玫瑰瑰红色，表面面形成氧化膜膜后呈紫色，，故一般称为为紫铜。塑性好，但强强度、硬度较较差；具有优优良的导电性性、导热性、、延展性和耐耐蚀性。主要要用于制作发发电机、母线线、电缆、开开关装置、变变压器等电工工器材和热交交换器、管道道、太阳能加加热装置的平平板集热器等等导热器材黄铜黄铜是由铜和和锌所组成的的合金。只由由铜、锌组成成的黄铜称为为普通黄铜。。由二种以上上的元素组成成的多种合金金就称为特殊殊黄铜。如由由铅、锡、锰锰、镍、铅、、铁、硅组成成的铜合金。。黄铜有较强的的耐磨性能。。特殊黄铜又又叫特种黄铜铜，它强度高高、硬度大、、耐化学腐蚀蚀性强。还有有切削加工的的机械性能也也较突出。由由黄铜所拉成成的无缝铜管管，质软、耐耐磨性能强。。黄铜无缝管管可用于热交交换器和冷凝凝器、低温管管路、海底运运输管。制造造板料、条材材、棒材、管管材以及铸造造零件等。含含铜在62%～68%，塑性强，制制造耐压设备备等如含锌低于36％的黄铜合金金由固溶体组组成﹐具有良好的冷冷加工性能﹐如含锌30％的黄铜常用用来制作弹壳壳﹐俗称弹壳黄铜铜或七三黄铜铜4.铸造铜合金白铜铜与镍的合金金，镍含量一一般为25%纯铜加镍能显显著提高强度度、耐蚀性、、硬度、电阻阻和热电性，，并降低电阻阻率温度系数数。因此白铜铜较其他铜合合金的机械性性能、物理性性能都异常良良好，延展性性好、硬度高高、色泽美观观、耐腐蚀、、富有深冲性性能广泛用于造船船、石油化工工、电器、仪仪表、医疗器器械、日用品品、工艺品等等领域，还是是重要的电阻阻及热电偶合合金。白铜的的缺点是主要要添加元素——镍属于稀缺的的战略物资，，价格比较昂昂贵。青铜铜和除锌、镍镍以外的其他他金属组成的的合金。常见见的有锡青铜铜、铅青铜。。熔点低（约800°C）、硬度大、、铸造性能好好、耐磨、耐耐腐蚀、色泽泽光亮等特点点，适用于铸铸造各种器具具、机械零件件、轴承、齿齿轮等3.铸造铜合金生产特点极易氧化，形形成氧化物（（Cu2O）使合金力学学性能下降铸造工艺（1）铸造黄铜熔点低、结晶晶温度窄（30℃-70℃），流动性好好、对型砂耐耐火度要求不不高，可用细细砂造型，以以减小铸件表表面粗糙度值值、减小加工工余量，并可可浇注薄壁铸铸件。由于黄铜中的的锌本身就是是良好的脱氧氧剂，所以熔熔化黄铜时，，不需另加熔熔剂和脱氧剂剂。但其收缩缩率大、容易易产生集中缩缩孔，铸造时时应配置较大大的冒口3.铸造铜合金生产特点极易氧化，形形成氧化物（（Cu2O）使合金力学学性能下降铸造工艺（2）青铜易氧化，熔化化时加熔剂（（如玻璃、硼硼砂等）以覆覆盖铜液。为为去除已形成成的Cu2O，在出炉前可可向铜液中加加入0.3%-0.6%的磷铜（Cu3P）脱氧。常用开放式及及底注式浇注注系统，使金金属液流动平平稳、防止飞飞溅锡青铜的凝固温度宽宽（150℃-200℃），凝固收缩缩和线收缩率率小，易出现现枝晶偏析与与缩松，降低低铸件的致密密度。这种缩缩松便于储存存润滑油，适适宜制造滑动动轴承。壁厚不大的锡锡青铜铸件常常采用同时凝凝固原则，锡锡青铜适合采采用金属型铸铸造，利用快快速冷却与补补缩，铸件结结晶细小致密密。3.铸造铜合金铝青铜凝固温度范围围小，有利于于提高流动性性和铸件组织织致密度，是是青铜的代用用材料，广泛泛应用于制造造重要的齿轮轮、轴套、蜗蜗杆和阀体等等铸件。但铝铝青铜的收缩缩较大，易产产生集中缩孔孔，为此需安安置冒口、定定向凝固。又又因液态铝青青铜易氧化吸吸气，故宜采采用开放式及及底注式浇注注系统，且浇浇注时不能断断流。此外，，浇注系统中中还应安放过过滤网以除去去浮渣。铅青铜浇注时，因铅铅体积质量大大会下沉，故故需控制浇注注温度，且浇浇注前应充分分搅拌，并加加快铸件冷却却以减小偏析析。小结铸造工艺基础础流动性/充型能力/缩孔缩松/铸造应力/裂纹铸造缺陷防止止常见铸造合金金四种铸铁铸钢铸造铜铝合金金：铸造有点点难讨论：－关于于壁厚与强度度铸造厂生产了了一批灰铸铁铁件。经检测测，随炉单个个挠注的Φ30试试棒的的抗拉拉强度度为205－2l0MPa，，符合合图纸纸提出出的HT200的要要求。。用户户验收收时，，在铸铸件不不同部部位取取样，，检测测结果果表明明，铸铸件上上壁厚厚为：：8mm处的的σb为200MPa15mm处处的σb为196MPa25mm处处的σb为175MPa30mm处处的σb为168MPa。。据此，，用户户认为为该批批铸件件不合合格，，理由由是：：1）铸铸件机机械性性能不不符合合HT200要要求2）铸铸件整整体强强度不不均匀匀试判断断用户户的意意见是是否正正确，，为什什么?二、铸铸造工工艺对对结构构的影影响铸件外外形：：——便于取取模外部不不应有有不必必要的的凸缘缘分型面面尽量量为平平面尽量减减少分分型面面的数数目凸台、、肋等等结构构应便便于起起模结构斜斜度铸件内内腔：：尽量少少用或或不用用型芯芯便于型型芯的的固定定和排排气利于型型芯的的去除除便于取取模-尽量减减少分分型面面数目目外部不不应有有不必必要的的凸缘缘取模方方向三箱造造型便于取取模-尽量减减少分分型面面数目目套筒的的结构构设计计便于取取模-尽量减减少分分型面面数目目便于取取模-分型面面应尽尽量为为平面面便于取取模-分型面面应尽尽量为为平面面便于取取模-分型面面应尽尽量为为平面面摇臂结结构（（保证证3个孔的的位置置关系系）设设计便于取取模-凸台与与筋板板的设设计便于取取模-凸台与与筋板板的设设计便于取取模-凸台与与筋板板的设设计便于取取模-凸台与与筋板板的设设计分散凸凸台的的改进进铸件垂垂直壁壁上凸凸台的的设计计便于取取模-非加工工表面面应有有结构构斜度度便于取取模-非加工工表面面应有有结构构斜度度缝纫机机边脚脚铸件件的结结构斜斜度结构斜斜度和和起模模斜度度便于取取模-尽量减减少活活块或或型芯芯的数数量发动机机散热热片的的结构构设计计托架的的结构构设计计便于取取模-尽量减减少型型芯数数目铸件外外形及及内腔腔的设设计便于取取模-尽量减减少型型芯数数目轴承座座的结结构设设计避免水水平大大平面面避免容容易热热变形形的结结构避免容容易热热变形形的结结构不用或或少用用型芯芯自带型型芯便于型型芯固固定和和定位位加强型型芯头头强度度加强型型芯头头强度度三、合合金铸铸造性性能对对铸件件结构构工艺艺性的的影响响铸件的的壁厚厚合适的的壁厚厚，防防止浇浇不足足、冷冷隔壁厚力力求均均匀，，避免免形成成缩孔孔、缩缩松和和裂纹纹内壁和和外壁壁壁厚厚设计计，应应使整整个铸铸件均均匀冷冷却或符合合顺序序凝固固原则则壁的连连接结构圆圆角相交壁壁设计计原则则壁厚不不均匀匀时，，应采采用过过渡结结构壁的设设计应应考虑虑防止止变形形和裂裂纹的的要求求1.铸件的的壁厚厚最小壁壁厚限限制浇不足足、冷冷隔合理壁壁厚：：避免免厚大大截面面并非越越大越越好“丁、、工””字形形、槽槽形、、箱形形、加加强筋筋铸件常常用的的截面面形状状大型铸铸件的的壁厚厚仅15mm用加强强筋减减小壁壁厚平板铸铸件的的结构构设计计合理壁壁厚：：壁厚厚均匀匀顶盖的的结构构设计计合理壁壁厚：：壁厚厚均匀匀合理壁壁厚：：壁厚厚均匀匀合理壁壁厚：：顺序序凝固固与同同时凝凝固收缩明明显的的合金金：顺顺序凝凝固收缩小的的合金：：同时凝固固合理壁厚厚：便便于实实现顺序序凝固，，补缩铸造合金金钢壳体体的结构构设计2.壁的过渡渡与连接接圆角过渡渡－金属属结晶圆角过渡渡－半径径(a+b)/2≤88-1212-1616-2020-2727-3535-4545-60铸铁466810121620铸钢6681012162025几种铸件件壁的连连接形式式及有关关尺寸锐角过渡渡转角结构构防裂筋减缓轮辐辐收缩阻阻碍轮辐的设设计避免大的的水平面面罩壳的设设计合理布置置筋板位位置避免阻碍碍铸件收收缩总结各种铸造造工艺方方法的适适用范围围均有限限结构工艺艺性与铸造方方法有关关与合金铸铸造性能能有关圆角和结结构斜度度如图圆角角合理吗吗？如图的结结构斜度度方向有有问题“结构斜斜度”还还是“起起模斜度度”？三个小问问题空心球铸铸造容易易吗？操作不易易：不易易下芯裂纹：型型芯阻止止收缩下水道的的井盖为为什么有有网状花花纹收缩、强强度砂箱箱带带的条纹纹下水道井井盖结构问题题不加工面面的结构构斜度圆角过渡渡均匀壁厚厚9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。21:04:2121:04:2121:0412/28/20229:04:21PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2221:04:2221:04Dec-2228-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。21:04:2221:04:2221:04Wednesday,December28,202213、乍见翻疑梦梦，相悲各问问年。。12月-2212月-2221:04:2221:04:22December28,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。28十二月月20229:04:22下午21:04:2212月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月229:04下下午午12月月-2221:04December28,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/2821:04:2221:04:2228December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。9:04:22下午午9:04下午午21:04:2212月-229、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。21:04:2221:04:2221:0412/28/20229:04:22PM11、成功就是日日复一日那一一点点小小努努力的积累。。。12月-2221:04:2221:04Dec-2228-Dec-2212、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。21:04:2221:04:2221:04Wednesday,December28,2