常用合金铸件的生产.ppt

1、1.3 常用合金铸件的生产 除了特别难熔的合金之外，几乎所 有的合金都能用于铸件生产。 常用铸造合金 铸铁 铸造有色 金属 铸造铝合金 铸造铜合金 . 铸钢 1.3.1 铸铁件的生产 一、概述 含碳量大于 2.11% 或具有共晶组 织的铁碳合金，通常组织中含有石墨。 铸铁铸造性能良好，加工性能好， 减摩性能好，成本低廉。占机器总质量 的 45 90 与钢相比，强度与韧性较低。 一）铸铁及其分类 1、 铸铁 ：碳含量为 (2.44.0)%的铁碳合金，此外，还含有硅 、 锰、 磷和硫等元素。 2、分类： A.根据碳的存在形式不同分为 v 白口铸铁 ：碳以 渗碳体 的形式存在。 v 麻口铸铁 ：碳以

2、 渗碳体和石墨 两种形式存在。 v 灰口铸铁 ：碳以 石墨 形式存在。 B.根据石墨的形态不同 灰口铸铁 又进一步分为 灰铸铁 ：石墨呈 片状 ，石墨片越细小，其强度越 高。 球墨铸铁 ：石墨呈 球状 ，对基体的割裂作用最小 。 蠕墨铸铁 ：石墨呈 蠕虫状 ，介于片状和球状之间 。 可锻铸铁 ：石墨呈 团絮状 ，由渗碳体在高温下分 解 获得。 Fe-C 相图 二） Fe-C双重相图 图中虚线表示稳 定系统铁石墨 状态图，实线表 示亚稳定系统铁 渗碳体状态图 ，而有些线如 ABC、 JE、 GP 、 PQ等，所表示 的相变与高碳相 的存在形式基本 上无关，其相变 的临界线都相互 重合。 Fe-C

3、合金为何有双重相图？ Fe-Graphite 稳定系 Fe-Fe3C 介稳定系 Fe3C 含炭量 6.67% Graphite 含炭量 100% 热力学 石墨较 Fe3C更稳定 （ Fe3C Fe+ Graphite ） 动力学 Fe3C较 石墨 更易形成 铸铁在实际结晶时，是按稳定系还是按 亚稳定系进行，这主要取决于结晶时的条 件和过冷度的大小。 以共晶结晶为例，当结晶温度 tC 1154 时为液态；当结晶温度在 1148 t C 1154 时按铁石墨稳定系结晶 ，形成 A G； 而当结晶温度降至 tC 1148 ， 过冷度较大时，则按铁一渗碳体 亚稳定系结晶，形成 A FeC。 二、铸铁的

4、强化 强化途径： 1、铸铁的石墨化 2、改变石墨的大小和形状 3、改变基体组织 1、铸铁的石墨化 1）概念 铸铁按稳定系结晶，析出石墨的过 程称为石墨化过程 共晶反应阶段析出石墨过程称为一 次石墨化 共析反应阶段析出石墨过程称为二 次石墨化 2）影响铸铁石墨化的主要因素 化学成分 C、 Si能促进第一第二阶段石墨化程度 C 、 Si 石墨化程度 ； 含 S 石墨化程度 ； Mn对 石墨化程度的作用是双重的（阻碍石墨化，脱 S） ； Cu P促进第一反对第二阶段石墨化 ； 碳当量 把各 元素按其对石墨化的影响程度折算成碳的相当含 量的总和 ： WCE=WC+1/3(WSi+WP)100 当 WC

5、E=4.28， 共晶成分 ； 当 WCE4.28， 过共晶成分 。 冷却条件 浇注温度 石墨化程度 冷却速度 石墨化程度 铸型导热性 石墨化程度 铸件壁厚 石墨化程度 2、改变石墨的大小和形状 实践表明： 石墨削弱基体性能的程度，随其形态趋于 球化及尺寸的细化而减轻 。 改变 石墨 的大 小和 形状 1.冷却速度 石墨呈粗大片状 普通灰铸铁 2.孕育处理 （ 铁水 75 Si-Fe） 石墨呈细小片状 孕育铸铁 3.球化处理 （ 铁水球化剂） 石墨呈粗 大片状 球墨铸铁 孕育 处理 4.蠕化处理 （ 铁水蠕化剂 ) 石墨呈 蠕虫状 蠕墨铸铁 孕育 处理 5.白口铸铁石墨化退 火 （使 Fe3C

6、Fe+ Graphite ） 石墨呈 团絮状 可锻铸铁 3、改变基体组织（进行热处理） 铸铁的硬度与抗压强度，基本上不受石墨影响，主要 由基体组织决定。 1、改变石墨化程度； 2、进行强化热处理。 三、常用铸铁 1） 分类 （ 1） 普通灰铸铁： v碳含量：（ 3.03.7） % ； v硅含量：（ 1.82.4） % ； v石墨片粗大； v抗拉强度低，壁厚敏感 性大，如 HT100（ F）， HT150（ P） （ 2）高强度（孕育） 灰铸铁 v 碳含量：（ 2.83.2） %； v 硅含量：（ 1.02.0） %； v 石墨片细小均匀； v 壁厚敏感性小； v 性能特点： 组织和性能的齐一性

7、好，适 合生产厚壁铸件； 耐磨性更好，但减振性稍差 ； 铸造性能稍差（亚共晶）， 应提高浇温，安放冒口、补 贴和冷铁实现顺序凝固。 牌号： HT200以上 1. 灰铸铁 2） 灰铸铁的牌号 以 HT # 表示 牌号 抗拉强度 /MPa 牌号 抗拉强度 /MPa HT100 100 HT250 250 HT150 150 HT300 300 HT200 200 HT350 350 直径为 30毫米拉伸试棒的最低 抗拉强度，单位是兆帕（ MPa ） 灰铸铁 3）性能： 好铸、易切、消振、耐磨、低敏感、 怕拉不怕压、难焊不可锻、冲压象炸 弹 。 （ 1）灰铸铁的组织及机械性能 石墨 A型石墨 D型石

8、墨 E型石墨 基体 珠光体 铁素体 珠光体 -铁素体 灰铸铁的机械性能 灰铸铁的机械性能首先 取决于石墨的形状 、 数量 、 尺 寸与分布，其次取决于基体组 织。 提高灰铸铁机械性能的途径 a.合理选定化学成分 C、 Si、 Mn、 P、 S的作用 选择合适的碳当量，碳当量保持不 变，适当提高 Si/C比，适当提高 Mn 含量。 选择低碳当量 不同壁厚灰铸铁的化学成分 牌号 铸 件壁厚 (mm) 化学成分 (%) C Si Mn P S HT150 20-30 3.4-3.6 2.0-2.3 0.4-0.6 0.4 0.15 HT200 20-30 3.2-3.4 1.8-2.2 0.6-0.

9、8 0.3 0.12 牌号 铸 件壁 厚 (mm) 化学成分 (%) C Si Mn P S HT350 20-30 2.9-3.1 1.2-1.6 0.8-1.0 0.15 0.10 铁水高温过热 加入一定量孕育剂 b.进行孕育处理 Si-Fe SiFe(Ca,Ce,Ba,Ti) c.低合金化 强化珠光体，细化石墨。 Cu Cr Ni Mo Sn Sb 灰铸铁的热处理 低温退火 消除应力 高温退火 降低硬度 提高 加工性 530-550 900-950 （ 2） 灰铸铁的铸造性能 灰铸铁的流动性良好 线收缩较小： 0.91.3% 石墨的析出使铸铁产生 “自补缩 ” 产生应力 、 发生变形和开

10、裂的倾 向小 2. 球墨铸铁 含有球状石墨的铸铁称为 球墨 铸铁 球墨铸铁可发挥基体性能的 70- 90% 机械性能接近或超过钢，但铸 造性能良好 成本低，应用的广泛性仅次于 灰铸铁 1） 灰铸铁的牌号 以 QT # #表示 试棒的最低抗拉强度（ MPa） 球墨铸铁 试件最低延伸率 牌 号 抗拉强度 MPa 屈服强度 Mpa 伸长率 % 硬度 HB QT400-18 400 250 18 130-180 QT400-15 400 250 15 130-180 QT450-10 450 310 10 160-210 QT600-3 600 370 3 190-270 QT900-2 900 60

11、0 2 280-360 2） 性能特点（与灰铸铁和碳钢相比） （ 1）珠光体球铁，如 QT600-3； QT700-2； QT800-2等 n 与灰铸铁相比其抗拉强度和硬度高；且较高的疲劳强度； n 与碳钢相比更耐磨、减振且缺口敏感性低； n 其铸造性能和切削性能介于灰铸铁和碳钢之间。 总之，在很多地方可代替铸钢如曲轴，带轮等。 （ 2）铁素体球铁 ,如 QT400-18； QT450-10等，具有较高的塑性和冲击韧性 ，可代替可锻铸铁制造汽车的后桥。 3）球铁的铸造特点（与灰铸铁相比） （ 1） 流动性差 ， 应适当提高浇注温度，加大浇口尺寸。 （ 2） 收缩大， （糊状结晶和石墨膨胀引起）

12、 （ 3） 应采取的工艺措施 v 采用刚性大的铸型； v 采用顺序凝固的原则进行补缩； v 采用半封闭、过滤网和集渣包等挡渣措施。 石墨 4) 球墨铸铁的组织及性能 石墨 球状石墨的球化等级 球化等级 说 明 1 75%呈球状，余为团状 2 45%呈球状和团状，余为团虫状 3 60%呈团状，余为球状和团虫状 4 大部分呈团虫状和团状，余为 球状和蠕虫状 球状石墨的大小 级别 3 4 5 6 7 8 石墨 直径 (mm) 25- 50 12- 25 6- 12 3- 6 1.5 -3 1.5 球状石墨的大小分级 （ 100） 基体 铁素体 珠光体 +铁素体 基体 机械性能 材料名称 抗拉强度 M

13、Pa 屈服强度 Mpa 伸长率 % 硬度 HB 铁素体球铁 450-550 320-420 10-28 110-170 珠光体球铁 600-900 420-600 2-8 240-310 贝氏体球铁 900-1100 600-850 1-4 38-50 HRC 退火 25钢 430-490 210-290 18-19 120-140 正火 45钢 650-850 400 14-16 180-190 5)球墨铸铁的结晶 球墨晶核 奥氏体 球状石墨 奥氏体 球状石墨 生核 共晶 凝固完毕 球状石墨形成条件 凝固时有较大过冷度 铁液与石墨间有较大的 界面张力 铁液中有一定的球化元 素残留量 良好的石

14、墨形核条件 6) 球墨铸铁的生产 化学成分选定 高碳，低硅 、 锰 、 磷 、 硫。 铁水温度高： 应高于 14001420 1) 碳含量（ 3.64.0） %； 2) 硅含量（ 2.63.1） %； 3) 锰含量（ 0.40.6） %； 4) 磷含量小于 0.1%； 5) 硫含量小于 0.06%。 球化处理 冲入法 1)采用稀土镁作球化 剂； 2)加入量为处理铁水量 的（ 1.31.8） %； 3)加入方法为冲入法 孕育处理 孕育衰退 多次孕育 型内孕育 1) 目的：消除球化剂的白口倾向；并可细化石墨球， 增加共晶团数目。 2) 加入量：对珠光体球铁为处理铁水的（ 0.51.0） % 对铁素

15、体球铁为处理铁水的（ 0.81.6） % 炉前检验 7) 球墨铸铁的热处理 1)对一般的珠光体球铁，应进行正火 +中温回火处 理；对高强度的如 QT800-2和 QT900-2还应进行调 质或等温淬火处理； 2)对铁素体球铁，应进行退火处理。 7) 球墨铸铁的热处理 Si使球墨铸铁的共析反应 在一个温度区间内进行 奥氏体 -贝氏体球墨铸铁 ADI(Austempered ductile iron) 基体贝氏体 +残余奥氏体 热处理可以控制球墨铸铁中的奥 氏体含量 -部分奥氏体化处理 抗拉强度可达 900-1400MPa 延伸率 可达 2-10%。 铸件加热至 Ac1以上 30-50 保温 ，随

16、后淬入 270-300 的盐浴中， 空冷。 主要用途：曲轴、机车车轮、齿 轮、轧辊 奥氏体 -贝氏体球墨铸铁 ADI(Austempered ductile iron) 3、可锻铸铁、可锻铸铁 (玛钢玛钢 /玛铁）玛铁） 1）牌号： KTH或 KTZ 2） 组织： 珠光体或铁素体基体 +团絮状石墨。 3） 性能特点： 难铸，塑、韧性好，耐蚀性高，不可锻。 4）用途：制造形状复杂，承受冲击载荷 的薄壁小件。 5） 生产特点 （ 1） 首先获得白口组织的毛坯；（按铁 -渗碳体相 图结晶） （ 2） 对白口毛坯进行退火处理： v 对铁素体可锻铸铁的退火工艺 n 加热到 950度以上，保温 30小时，

17、 形成奥 氏体 +团絮状石墨 ； n 冷却到 710730度时，保温 20小时 ，获得 铁素体 +团絮状石墨； n 炉冷到 500600度时 ，出炉冷却。 v 对珠光体可锻铸铁的退火工艺 n 加热到 950度以上，保温 30小时， 形成奥 氏体 +团絮状石墨 ； n 炉冷到 820880度 ，出炉冷却。 4、蠕墨铸铁 牌号： RuT 性能：界于球铁和灰铁之间，具有良 好的导热性、抗氧化性、耐磨性。 四 . 铸铁的熔炼 1) 感应电炉熔炼 原理 电能 热能 感应电炉按其频率高低可分为： 工频 感应电炉工作频率为 50Hz， 容单在 100kg 10t， 由单相、两相和三相电源 供电； 中频 感应

18、电炉，频率在 6O 1000OHz， 其常用工作频率在 150 4000Hz之间， 容量为 50 1000kg； 高频 感应电炉，其工作频率为 2105 3105Hz， 其容量为 10 100kg。 按其结构特点可分为： 有芯 感应电炉和 无芯 感应电炉 两种。 有芯 感应电炉主要用于非铁合 金熔炼和铸铁 保温 时使用，炼 钢中极少应用； 无芯 感应电炉应用较为广泛。 中频感应炉 感应炉熔炼特点 a. 铁水化学成分变化小 元素 C Si Mn P S 变化率 % -5 10 +5 10 -5 不变 不变 b. 铁水温度高 c. 熔化率低，成本高 感应炉熔炼特点 2) 冲天炉熔炼 熔炼原理 无焦

19、冲天炉 冲天炉熔炼特点 a. 铁水化学成分变化大 元素 C Si Mn P S 变化率 ,% +5 10 -10 15 -15 20 不变 +50 75 b. 铁水过热困难 炉内最高温度 1700 1800 出炉铁水温度 1380 1420 c. 熔化效率高 熔化设备 炉内径 mm 熔化率 T/h 工频感应电 炉 600 0.5 0.75 冲天炉 600 2.5 3 d.双联法熔炼铸铁 冲天炉感应电炉 优点： 节约能源 温度高 化学成分易控制 1.3.2.铸钢件的生产 一、铸钢件的生产 1、铸钢种类： 按化学成分有 铸造碳钢 和 铸造合金钢 两 大类，碳钢以中碳钢为主，即： ZG25ZG45；

20、 合金钢 又分低合金钢（合金元素的总和小于 5%）和高合金钢 （合金元素的总和大于 10%）； 2、铸钢的牌号 （ 1） 碳钢 牌号： ZG （ 2） 合金钢 的牌号如： v 低合金钢 ZG40Mn 、 ZG30MnSi v 高合金钢 ZGMn13 、 ZG1Cr18Ni9Ti 、 ZG1Cr13 抗拉强度（ MPA） 屈服强度（ Mpa ） 3、铸钢件的铸造工艺特点 1）熔点高，钢液易氧化，对型砂性能 (强度、耐火 性、透气性）要求高； 2） 流动性差，收缩大，工艺上一般采用顺序凝固 原则，对薄壁或易产生裂纹的铸件采用同时凝固原 则； 3）应严格控制浇注温度 (低碳钢、薄壁小件高温浇 注，高

21、碳钢（流动性好）、厚（大）壁件低温浇注 ）； 4、 铸钢的熔炼 电弧炉、感应电炉、平炉 5. 铸造碳钢的热处理 热处理的目的 细化晶粒 消除魏氏体 消除铸造应力 主要热处理方法 退火 正火 正火加回火 1)碳含量大于（或等于）碳含量大于（或等于） 0.35%的、或结构复杂的的、或结构复杂的 铸钢件应进行退火处理；铸钢件应进行退火处理； 2)碳含量小于碳含量小于 0.35%的铸钢件应进行正火的铸钢件应进行正火 +高温回火高温回火 的处理；的处理； 3)铸钢不能进行淬火处理。铸钢不能进行淬火处理。 v铸造碳钢的性能及应用 铸钢 牌号 屈服 强 度 MPa 抗拉 强 度 MPa 伸 长 率 % ZG

22、200-400 200 400 25 ZG270-500 270 500 18 ZG340-640 340 640 10 QT600-3 370 600 3 主要应用 轧钢机架 机车车轮 车钩 v铸造碳钢的化学成分 铸钢 牌号 C Si Mn P S ZG200-400 0.2 0.5 0.8 0.01ZG270-500 0.4 0.9 ZG340-640 0.6 0.6 v铸造碳钢的使用温度 铸造碳钢基体 铁素体 +珠光体 温度过低铁素体脆化，温度过高珠 光体分解 通常 使用温度 -40 400 v铸造碳钢的结晶与铸态组织 1)结晶过程 一次结晶 A 二次结晶 F+A 2)铸态组织 晶粒粗大

23、 魏氏组织 F 钢中的魏氏组织 中等含炭量，冷速较快 v影响铸造碳钢力学性能的主 要因素 化学成分 C Si Mn P S 气体和夹杂物 钢中的气体主要为： 氢 、 氮 、 氧 。危害最大的是氢 “ 氢脆 ” 夹杂物主要为：硫化物 、 氧化铝 、 硅酸盐类 、 球状氧化物。 沿晶界分布的硫化物和氧化铝夹 杂对钢基体割裂最大，球状氧化物 影响最小。 铸件壁厚 v碳钢的铸造性能 流动性 体收缩率与缩孔率 含炭量 含炭量 温度 缩 孔 总 体 积 分散缩孔体积 集中缩孔体积 线收缩率 类别 铁素体 渗碳体 奥氏体 Wc=1.4% 珠光体 Wc=0.9% 马氏体 Wc=1.4 % 石墨 Wc=100

24、% 密度 , g.cm-3 7.88 7.68 7.981 7.776 7.657 2.200 比容 , cm3.g-1 0.1271 0.1302 0.1253 0.1286 0.1306 0.4545 各种组织的性能 热裂倾向 含炭量 0.2%左右热裂倾向最小 含硫量 严重影响热裂 含锰量 可抵消硫的作用防止热裂成 含氧量 钢液中氧以 FeO形式存在，凝固 时在晶界析出，降低高温强度，促使热裂 形成。 冷裂倾向 含炭量 塑性好，冷裂倾向小 含硫量 严重影响冷裂 含锰量 可抵消硫的作用防止热 裂成 含氧量 钢液中氧以 FeO形式存在 ，增大冷裂形成。 含磷量 增大冷裂的形成甚于硫 铸造碳钢的

25、焊接性 碳恶化钢的焊接性 6. 碳钢 的熔炼 炼钢设备 1)电弧炉 炼钢设备 2)感应电炉 炼钢要求 钢水达到一定温度 化学成分准确 含气夹杂少 1.3.3 有色金属铸件的生产 常用铸造 有色金属 铝 较高的比强度（ b/比重） 铜 锌 优良的导热、导电性，抗蚀性，耐磨性 镁 铅 锡 一、铝合金铸件的生产 1、分类及性能 n 铝 -硅合金：又称硅铝明，铸造性能最好，用的最多； n 铝 -铜合金：耐热、强度高，但铸造性能差； n 铝 -镁合金：抗蚀性和机械性能好，有光泽； n 铝 -锌合金：虽然在铸态下强度高，但易开裂，已不采用 。 2、铸造工艺特点 n 易吸气和氧化，收缩大，充型过程应平稳，避

26、免搅动； n 由于铝合金的熔点低，特别适合于采用特种铸造方法中的 金属型铸造和压力铸造方法来生产铸件。 3、铝合金的熔炼特点： 由于铝在高温下极易氧 化（形成：高熔点的三氧化二铝夹渣）和吸气 （氢气），所以熔炼的关键是除渣和排气。具 体为： n 用六氯乙烷（或氯化锌）进行精炼； n 采用 坩埚炉或感应炉 进行熔炼。 二、铜合金铸件的生产 1、分类 （详细内容见课本 16页） n 纯铜（紫铜）：用其好的导电性和导热性； n 铜 -锡合金（锡青铜）：有很好的耐磨性和耐腐蚀性； n 铜 -铝合金（铝青铜）：强度和塑性均高于锡青铜； n 铜 -铅合金（铅青铜）：有很好的耐磨性； n 铜 -锌合金（黄铜

27、）：强度高，成本低，铸造性能好。 2、铜合金的铸造特点 n 锡青铜 ：结晶温度范围宽，铸造性能差；但不易氧化 。 n 铝青铜或铝黄铜 ：结晶温度范围窄，属于逐层凝固倾向于形成 缩孔；但由于铝容易氧化，形成氧化夹渣，所以应采取挡渣措 施。 n 黄铜： 铸造性能好，在锡青铜和铝青铜之间。其中硅黄铜的铸 造性能在特殊黄铜中是属于最好的，可采用顺序凝固的工艺措 施进行补缩。所以铸造黄铜的应用更广泛。 3、铜合金的熔炼特点、铜合金的熔炼特点 ：由于铜易氧化和吸：由于铜易氧化和吸 气，所以，应采取以下措施气，所以，应采取以下措施 （多采用（多采用 坩埚炉或感应炉坩埚炉或感应炉 熔炼）熔炼） 1）用木炭、碎玻璃、苏打或硼砂覆盖液）用木炭、碎玻璃、苏打或硼砂覆盖液 面；面； 2）脱氧（磷、铝和锌）；）脱氧（磷、铝和锌）； 3）除气（氢气）方法：吹氮气、加氯盐）除气（氢气）方法：吹氮气、加氯盐 或沸腾法；或沸腾法； 4）精炼：如铝青铜应用苏打、萤石、冰）精炼：如铝青铜应用苏打、萤石、冰 晶石等碱性熔剂精炼。晶石等碱性熔剂精炼。 谢 谢！