球墨铸铁的工艺设计

1、球墨铸铁的工艺设计第一节 工艺特点1.1球墨铸铁的流动性与浇注工艺球化处理过程中球化剂的加入，一方面使铁液的温度降低，另一方面镁、稀土等元素在浇包及浇注系统中形成夹渣。因此，经过球化处理后铁液的流动性下降。同时，如果这些夹渣进入型腔，将会造成夹杂、针孔、铸件表面粗糙等铸造缺陷。 为解决上述问题，球墨铸铁在铸造工艺上须注意以下问题：（1）一定要将浇包中铁液表面的浮渣扒干净，最好使用茶壶嘴浇包。（2）严格控制镁的残留量，最好在0.06%以下。（3）浇注系统要有足够的尺寸，以保证铁液能做尽快充满型腔，并尽可能不出现紊流。（4）采用半封闭式浇注系统，根据美国铸造学会推荐的数据，直浇道、横浇道

2、与内浇道的比例为4：8：3。（5）内浇口尽可能开在铸型的底部。（6）在浇注系统中安放过滤网会有助于排除夹渣。（7）适当提高浇注温度以提高铁液的充型能力并避免出现碳化物。对于用稀土处理的铁液，其浇注温度可参阅我国有关手册。对于用镁处理的铁液，根据美国铸造学会推荐的数据，当铸件壁厚为25mm时，浇注温度不低于1315；当铸件壁厚为6mm时，浇注温度不低于1425。  1.2、球墨铸铁的凝固特性与补缩工艺特点     球墨铸铁与灰铸铁相比在凝固特性上有很大的不同，主要表现在以下方面：    （1）球墨铸铁的共晶凝固范围较宽。灰铸铁

3、共晶凝固时，片状石墨的端部始终与铁液接触，因而共晶凝固过程进行较快。球墨铸铁由于石墨球在长大后期被奥氏体壳包围，其长大需要通过碳原子的扩散进行，因而凝固过程进行较慢，以至于要求在更大的过冷度下通过在新的石墨异质核心上形成新的石墨晶核来维持共晶凝固的进行。因此，球墨铸铁在凝固过程中在断面上存在较宽的液固共存区域，其凝固方式具有粥状凝固的特性。这使球墨铸铁凝固过程中的补缩变得困难。    （2）球墨铸铁的石墨核心多。经过球化和孕育处理，球墨铸铁的石墨核心较之灰铸铁多很多，因而其共晶团尺寸也比灰铸铁细得多。    （3）球墨铸铁具有较大的共

4、晶膨胀力。由于在球墨铸铁共晶凝固过程中石墨很快被奥氏体壳包围，石墨长大过程中因体积增大所引起的膨胀不能传递到铁液中，从而产生较大的共晶膨胀力。当铸型刚度不高时，由此产生的共晶膨胀将引起缩松缺陷。    （4）在凝固过程中球墨铸铁的体积变化可以分为三个阶段:铁液浇入铸型后至冷却到共晶温度过程中的液态收缩，共晶凝固过程中由于石墨球的析出引起的体积膨胀，铁液凝固后冷却过程中的体收缩。    由于上述凝固特性，从补缩的角度考虑，球墨铸铁在铸造工艺上有以下特点：  （1）铸型要有高的紧实度，以使铸型有足够的刚度以抵抗球墨铸铁

5、共晶凝固时的共晶膨胀力。需要指出的是，此时要特别注意采取适当的措施提高铸型的透气性，同时要尽可能地降低型砂中的水份，以防止出现“呛火”。（2）合理设置浇冒口。球墨铸铁的冒口与普通钢及白口铁不同，球墨铸铁冒口设置的合理性在于它能够充分补充铁液的液态收缩，而当铁液进入共晶膨胀阶段时，浇注系统和冒口颈及时冷冻，使铸件利用石墨析出的膨胀进行自补缩。（3）砂箱应有足够的刚度，上箱和下箱之间应有牢固的紧固装置。 第二节 零件结构的铸造工艺性 铸件的生产，不仅需要采用合理的先进的铸造工艺和设备，而且还要求零件的设计结构适合铸造生产的要求。 在铸造生产中常碰到一些铸件的结构不合理，给生产带来困难，甚至有的很难

6、铸出，有的保证不了铸件的质量。所以铸造零件的设计结构除了应满足机器设备本身的使用性能和机械加工的要求外，还应满足铸造工艺的要求。这种对于铸造生产而言的铸件结构的合理性（包括形状、尺寸及其各部分的相互位置），叫铸件的“铸造工艺性”。 铸件的结构是否合理，和铸造合金的种类、产量的多少、铸造方法和生产条件等密切相关。下面从保证铸件质量、简化铸造工艺和铸造合金的特点等几个方面介绍铸造工艺对铸件结构的要求。2.1 铸件质量对零件结构的要求合理的零件结构可以消除许多铸造缺陷。为保证获得优质铸件，对零件结构的要求应考虑以下几个方面：1.铸件的最小壁厚 从保证合金液充型能力看，在设计铸件壁厚时，要考虑合金液的

7、流动性和铸件的轮廓尺寸。在一定的铸造条件下，铸造合金能充满铸型的最小厚度称为该铸造合金的最小壁厚。为了避免铸件的浇不到和冷隔等缺陷，应使铸件的设计壁厚不小于最小壁厚。对于砂型铸造各种铸造合金铸件的最小壁厚可参考表1-1表1-1 砂型铸造铸铁件最小壁厚 （单位：mm）铸铁种类 当铸件最大轮廓为以下值时<200200400400800800125012502000>2000灰铸铁344556688101012孕育铸铁5668810101212161620球墨铸铁34488101012含磷较高的铸铁2铸件的最小壁厚还和最小壁厚处所具有的面积有关。铸件的设计壁厚小于最小壁厚时，应采用特殊工

8、艺予以保证。2.铸件的临界壁厚在铸件结构设计时，为了充分发挥金属的潜力，节约金属，必须考虑铸造合金的力学性能对铸件壁厚的敏感性。厚壁铸件易产生缩孔、缩松、晶粒粗大、偏析和硬度低等缺陷，从而使铸件的力学性能下降。从这方面考虑，各种铸造合金都存在一个临界壁厚，铸件的壁厚超过临界壁厚以后，铸件的力学性能并不按比例地随着铸件厚度的增加而增加，二十显著地下降。因此，铸件的结构设计应科学地选择壁厚，以节约金属和减轻铸件重量。厚大的球墨铸铁件，易出现球化衰退现象，造成球化不良，使铸件的力学性能显著恶化，因此球墨铸铁的壁厚也不能过大。砂型铸造各种铸造合金铸件的临界壁厚可按其最小壁厚的三倍来考虑，也可按表1-2

9、来确定。 表12 砂型铸造各种铸造合金铸件的临界壁厚合金种类与牌号当铸件重量为下列值时0.12.5Kg2.510Kg>10Kg灰铸铁HT100、HT15081010152025HT200、HT250121512151218HT3001218151825HT3501520152025可锻铸铁KTH30006、KTH330086101012KTH35010、KTH370126101012球墨铸铁QT40015、QT4501010152050QT50007、QT600031418182060上述推荐的临界壁厚数值虽不相同，但可作为设计铸件壁厚时参考。很显然，临界壁厚的数值对于设计薄壁铸件具有直

10、接的参考价值；对于设计重型铸件也可参考临界壁厚数值，从选择合理的断面结构形状着手，以尽量避免过厚的断面。3.铸件的内壁厚度 砂型铸造时，散热条件差的铸件内壁，即使内壁厚度与外壁厚度相等，但由于它比外壁的凝固速度慢，力学性能往往比外壁的要低，同时在铸造过程中易在内外壁交接处产生热应力，致使铸件产生裂纹，对于凝固收缩大的铸造合金还易产生缩孔和缩松。因此，将铸件的内壁厚度设计得比外壁薄一些是合理的。 砂型铸造各种铸造合金件之内、外避厚度相差值可参考表13。外壁的模数一般应为内壁模数的1.11.4倍。表13 砂型铸造各种铸造合金件之内外壁厚度相差值合金种类铸铁铸钢铸铝铸铜铸件内壁比外壁厚度应减少的相对

11、值10202030102015204.铸件壁的过渡和连接一般情况下，铸件壁的断面尺寸不可能完全相同，同时，铸壁有类型各异的接头。壁的过渡形式和尺寸可参考表14，接头断面的类型大致可分为L形、T形、V形、Y形和十字形等五种形式。在接头处，凝固速度慢，容易产生应力集中、裂纹、变形、缩孔、缩松等缺陷。在接头形式的选用中，应注意优先选用L形接头，以减少或分散热节点，避免交叉连接。表1-4 壁厚的过渡形式与尺寸5.铸造斜度 非加工面上的铸铁壁的内、外两侧，沿着起模方向应该设计出适当的斜度，即结构斜度，以便于起模和简化铸造工艺。斜度的设计可参考表1-5.。表1-5 铸造斜度6.肋 为了增加铸件的力学性能、

12、减轻铸件重量、消除铸件的缩孔和防止铸件产生裂纹、变形、夹砂等缺陷，在铸件结构设计中大量采用肋。在肋的设计中，应考虑其合理的位置、形状和尺寸。在满足铸件使用要求的条件下，应考虑其铸造工艺性。设计肋时，要尽量分散与减少热节点，避免多条肋互相交叉，肋与肋和肋与壁的连接处要有圆角，垂直于分型面的肋应有铸造斜度。除此之外，还应考虑一下问题：应用肋来提高铸件质量和载荷性能，在设计铸铁件的加强肋时，应考虑铸铁的抗压强度是抗拉强度的34倍的特点，不应使肋处于拉应力状态下工作，而应使其在压应力状态下工作。肋的布置应减少热节点；肋的布置要尽量避免肋与肋的十字形交叉。肋与壁相交时，如有必要，可在热节点处开孔，以防止

13、缩松、裂纹。肋的尺寸 肋的厚度应小于铸件的壁厚，铸件内腔中肋的厚度应小于铸件的外肋的厚度。一般按下列关系式确定肋的尺寸： =0.8d =（0.6-0.7）d h<=5d式中 铸件外表面上肋的厚度 铸件内腔中肋的厚度； d与肋连接的铸壁的厚度 h肋的厚度7.凸台 铸件上凸台有用于安装螺栓、压力表、排气塞、油杯、测温计等的凸台和铸孔与窗口边缘的凸台（缘）。它们都会在铸件上造成金属局部堆积，对于凝固收缩大的合金，在凸台内易形成缩孔、缩松，降低铸件的质量。因此，在设计凸台时要选择正确的形状和尺寸。凸台之间的中心距较小时，应将凸台连成一整体，以便于铸造和切削加工。凸台与铸件垂直壁的距离小时，为便于

14、造型，应与垂直壁相连。有关凸台的设计可参考表16表1-8。表1-6 凸台尺寸关系 (单位：mm)表1-7 凸台间的中心距 （单位：mm）注：中心距A小于表中数值时，凸台应选为整体，如图b所示。 表1-8 孔边凸台8.提高铸件质量的合理结构 铸件结构应根据铸造合金凝固体收缩和线收缩特性、铸件结构形状特点进行设计。球墨铸铁件的结构：球墨铸铁以体积方式凝固，而且共晶石墨是在奥氏体包围下以共晶团形式长大，相邻共晶团的体积长大趋于将它们的中心距挤得更开，使其间的孔洞扩大，因而补缩性很差，产生分散缩松的倾向性大。球墨铸铁的弹性模量较灰铸铁高，残余应力大，加上相变应力，往往使其韧性降低很多，因此壁厚不均的球

15、墨铸铁件易产生裂纹。2.2 铸造工艺对零件结构的要求铸件的结构不仅应有利于保证铸件的质量，而且应考虑到模样制造、造型、制芯和清理等操作的方便，以利简化制造工艺过程，稳定产品质量，提高生存率和降低成本。其基本要求如下：1. 简化或减少分型面的铸件结构 2. 减少砂芯数量的铸件结构 铸件的内腔一般要用砂芯形成，这就增加制芯工时和工艺装备，而且使铸型装配复杂化和增加铸件的清理工作量，因此，铸件的结构应尽量不用或少用砂芯。3. 方便起模的铸件结构 合理地设计凸台、肋、凹槽等，可以方便起模和减少砂型的损坏。4. 有利于砂芯的固定和排气的铸件结构为了保证铸件的尺寸精度，防止偏芯和气孔等铸造缺陷，铸件的结构

16、应有利于砂芯固定和排气。应尽量避免悬臂砂芯、吊芯及使用芯撑的设计结构。5. 具有铸造工艺孔的铸件结构 具有封闭形状或半封闭形状内腔的铸件，要设计出铸造工艺孔。其作用是支持砂芯以形成内腔，便于砂芯排气以及挂链、吊运和清砂等。6. 有利于铸件清理的铸件结构 铸件的清理工作包括清砂、切割浇冒口、去除飞边毛刺、打磨休整、矫正变形和修补缺陷等。这部分的工作量很大，劳动条件差。因此，铸件的结构设计，应尽量为铸件的清理提供方便。 减少铸件的分型面、设计出清砂孔、减少铸造应力和防止变形等的铸件结构，均属于有利于铸件清理的结构。除此之外，铸件轮廓的设计应有利于清砂，有利于切割冒口和减少设置冒口的结构。7. 有利

17、于满足铸件尺寸公差的铸件结构 由于砂型铸造的铸件有较宽的尺寸公差带，铸件的结构与尺寸设计，只有考虑到铸件在铸造上的尺寸公差，才不至于生产出来的铸件在力学性能及尺寸上满足不了设计图样的要求。8. 铸件与其他零件的装配间隙 铸件与其他零件装配时，其铸造表面与其相邻零件之间的设计间隙，除应考虑铸件尺寸公差带外，还应参考表1-10选取，才不致因铸件尺寸的偏差而妨碍装配。表1-10 铸件表面与相邻零件间最小距离 (单位：mm)铸件最大尺寸最小间隙a相邻零件未加工相邻零件经过加工相邻零件是运动的<=500302832501125035 30371251315045374731506300554257

18、>63006548679. 退刀槽 为了便于转角部位的切割加工，零件结构上往往设计出退刀槽。设计退刀槽时，应将加工余量考虑进去，使退刀槽具有一定宽度。退刀槽如果狭窄，容易产生粘砂。粘砂不能完全去除时，在切削加工时易损伤刀具。退刀槽的尺寸可参考表1-11选取。表111 退刀槽尺寸 （单位：mm） 第三节 砂型铸造方法的分类与选择铸造生产中，砂型铸造应用最为广泛。世界各国用砂型生产的铸件占铸件总产量的80%以上。这是因为它生产率高，成本低，灵活性大，适应面广，而且相对来说技术也比较成熟。3.1 湿型砂机器造型方法1.高压造型 压实造型就是型砂借助于压头或模样所传递的压力坚实成型，按比压大小可

19、分为低压（0.150.4MPa）、中压（0.40.7Mpa）、高压（>0.7Mpa）三种。高压造型具有效率高，所得铸件尺寸精度高和表面质量较好。同时，由于砂型紧实度高，强度大，砂型受振动或冲击而塌落的危险性小，因而可以降低铸造缺陷。对于较大的砂型，例如砂箱内框尺寸为800mm*600mm 或更大时，可以应用无箱带的砂箱，造型和落砂都十分方便。所以，高压造型目前应用很普遍。特别是大批和大量生产的铸造车间，多采用高压造型。高压造型通常采用多触头高压造型机，以使砂型紧实度均匀化。随着造型设备的不断发展，目前多触头的压力已可以根据不同铸件（或模样的不同部位的要求进行调整，可以在同一砂型中得到不同

20、的砂型紧实度。因此其适应范围广，可以用于精度要求较高的、较复杂铸件的生产。2.射压造型 射压造型就是利用压缩空气将型砂以很高的速度射入砂箱而得到紧实。射压造型具有很多优点：紧实度分布均匀、工作无振动、无噪声、紧实速度快、机器结构比较简单等。射压造型也可以采用模板加压法或同时采用压板加压与模板加压（或称差动加压），以保证在模样复杂，具有很大砂胎的情况下，砂型也能获得均匀的紧实度。射压造型在精度要求不高、一般中小件的成批大量生产中获得了广泛的应用。3.气流紧实造型 气流紧实造型主要分为气流冲击造型和静压造型。气流冲击造型就是利用具有一定压力的气体瞬时膨胀释放出来的冲击波作用在型砂上使其紧实，且由于

21、型砂受到急速的冲击产生触变（瞬时液化）,克服了粘土膜引起的阻力，提高了型砂的流动性。在冲击力和触变作用下迅速成形。其砂型特点是紧实度均匀且分布合理，靠模样出的紧实度高于铸型背面。其冲击气流可分为空气冲击和燃气冲击。空气冲击是采用普通压缩空气作为动力，通过调节压缩空气压力来调节砂型紧实度；燃气冲击是用天然气、丙烷气、甲烷和乙烷按一定比例和空气混合后，点火引爆。可通过调节风机转速来调节砂型紧实度。气流紧实静压造型的过程包括：（1）在砂箱内填砂（模板上有通气塞）。（2）对型砂施以压缩空气进行气流加压（一般0.3s）通入的压缩空气穿过型砂经通气塞排出。此时越靠近模板处型砂密度越高。（3）用压实板在型砂

22、上部压实，使其上下紧实度均匀。此法砂箱吃砂量较小，起模斜度较小。4.震压造型 震压造型，即震击和加压使型内砂子紧实。其砂型密度的波动范围小，可获得紧实度较高的砂型。一般应用较多的是微震压实造型方法，其振动频率400500Hz,振幅小，可同时微震压实，也可先微震后压实，比单纯压实可获得较高的砂型紧实度，均匀性也较高。可用于精度要求较高、较复杂铸件的成批大量生产。 由于震压造型机的振动大，噪声大，生产率低等原因，现正逐渐被高压、射压、气流紧实等高效率造型机所取代。5.抛砂造型 抛砂造型是用机械的方法将砂团以高速抛入砂箱，使砂层在高速砂团的冲击作用下得到紧实。砂团的速度越大，砂型紧实度越高。若供砂情

23、况和抛头移动的速度稳定，则砂型各部分紧实度均匀。抛砂造型和其他实砂方法相比，有以下特点：（1）适应性强，只要在抛头的工作范围内，不同砂箱尺寸的砂型都可以用抛砂机造型。特别对于小批量生产的中、大型铸件，其适应性更好。（2）填砂与紧实同时进行，两套机构合一，对于造大的砂型来说，抛砂机的结构简单，对工艺设备要求不高，甚至可以使用木模样。（3）能量消耗小，直接利用机械能紧实型砂。 但抛砂造型也有一定缺点，主要是（1）砂型顶部还需补充紧实，浪费人工。(2)不适宜造过小的砂型，否则撒落砂过多。（3）对型砂质量要求较高，型砂中严禁有铁钉、铁块等金属杂物。（4）抛头叶片磨损严重，备件要多，更换麻烦。(5)操作

24、工要求熟练，一般要经过严格的训练。（6）大型抛砂机工人，要求坐在抛砂机座椅上操作，振动对工人有不利的影响。抛砂造型即可以用来紧实砂型，也可以用来制芯。既适用于中大件的砂箱造型，也可用于地坑造型。单件、小批成批均可使用，但铸件的精度较低，并存在上述缺点，目前应用较少。3.2 自硬树脂砂造型、制芯自硬树脂砂工艺系指在室温下，通过向型、芯砂加入一定量的液体树脂砂粘结剂及固化剂，使之在芯盒或砂箱中在一定时间内能自行硬化成形的一种造型、制芯工艺。此工艺的主要优点有：3.3 水玻璃砂造型制芯3.4 干型和表干型3.5 实型铸造3.6 负压造型3.7 手工造型3.8 制芯方法的分类和选择 第四节 铸造工艺方

25、案的确定4.1 浇注位置的确定4.2 分型面的选择4.3 砂箱中铸件数量和排列的确定 第五节 工艺参数5.1 铸件尺寸公差5.2 铸件重量公差5.3 机械加工余量5.4 铸件线收缩率与模样放大率5.5 起模斜度5.6 非加工壁厚的负余量5.7 最小铸出孔和槽5.8 工艺肋5.9 反变形量5.10 工艺补正量5.11 分型负数 第六节 砂芯设计6.1砂芯的分类6.2 砂芯设置的基本原则6.3 砂芯的固定和定位6.4 芯头的尺寸和间隙6.5 砂芯负数6.6芯撑和芯骨6.7 砂芯的排气、拼合及预装配第七节 浇注系统的设计7.1 浇注系统的类型及特点7.2 浇注系统引入位置的确定7.3 浇注系统尺寸结

26、构的确定7.4 球墨铸铁浇注系统尺寸的确定第八节 冒口设计一、冒口模数的定义与计算：一定的液态球铁铸件的冷却速度及其凝固所需要的时间取决于铸型的热性质、所浇注的合金、浇注温度以及铸件的形状和尺寸。假定铸型的性质和浇注温度不变，则冷却和凝固速度完全取决于铸件。其尺寸的影响能用简单的比例关系来正确地描述：这个比例称做模数，用M表示。因为体积是用cm3或in3度量以及面积是用cm2或in2度量，所以模数的单位是cm或in。根据J.Jamar的意见，模数的几何计算只是在定向放热(无限大的板、无限长的圆棒和球)时提供正确数值。其它形状所计算的模数和放热速度真正成比例的理论值相比要小百分之三十。然而Ber

27、ry等人以及Karsay的试验工作发现对于球体、圆柱体和矩形形状，其几何的和“实际的”模数之间并无明显差别。由于在实际应用中几何模数已足够准确，所以下文中用之。为了设计冒口，无论重量或壁厚都不能像模数那样准地代表铸件。对于形状简单的铸件其模数计算是简单的。下图中给出了几个例子。1.立方体aM= a /6t2.平板水平尺寸至少比“t”大5倍M= t /23.正方形棒bM= b /4 （长度>5b）4.圆棒dM= d /4 （长度>5d）5.矩形棒fe(f<5e)M=ef/(2e+2f)（长度<5e） 图3-1简单形状铸件模数计算比较复杂的形状需要用假想的表面分割为一些简单

28、的部分。对每个分割的部分其体积份额以1的分数来汁算，每个分体的模数也要计算，根据计算值绘制累积体积份额与模数图。图中的每个部分应按其在铸件上的实际次序来排列。这样的图形可以像阶梯形如图3-2（A）所示，或者几个厚大断面被割开，如图3-2(B)所示。M1M2M3M4M51.0累积的体积份额Minchcm0Minchcm(A)1.00累积的体积份额Minchcm123456(B)图 3-2 累积的体积份额模数图当有的分体形状仍然比较复杂时，应该以近似尺寸的简单立方体积来代表其形状和尺寸。应着重记住，分割各个部分的假想表面并非冷却面，所以对各部分的模数进行计算时，不应该计入这些面。图3-3中虚线表示

29、这些假想的分剖面，而各分割部分则以罗马数字来表示。例1 模数与体积份额图的绘制（尺寸用毫米计，图3-3）图3-3 例1的铸件图3-3的分体I。因为它的截面尺寸比其圆周长度要小得多，所以这一部分可以看作是截面为0.8×1.0cm的无限长的杆。模数（简化为横截面积被圆周除来计算）：。（注意：分割面并非冷却表面）图3-3的分体II。实际体积和冷却表面积按简化的进行计算，其内径是冷却表面积由此：图3-3的分体III按无限长的、截面为3×1cm2、冷却表面积为3+3=6cm（由周长代替）的杆计算其模数（分割面为非冷却表面）。体积III（已简化）模数MIII =3/6=0.5cm图3-

30、3的分体IV近似体积假定这一分体是一块无限大的平板，计算其模数。MIV =1.2/2=0.6cm图3-3的分体V近似为一根无限长的杆。体积模数冒口模数为1.2×0.74=0.89cm，体积计算为118cm3。体积份额为：VI+VII+VIII+VIV+VV+VR=1223.2cm3，由此式VI ：=0.01VII ：=0.06VIII ：=0.07VIV ：=0.42VV ：=0.34VR ：=0.10用于绘制模数与体积份额图所需要的全部计算现已全部完成。这个图形示于图3-4。冒口I 0.010.270.51.0模数cm00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0I

31、I 0.060.59III 0.030.3750.60IV0.440.74V0.360.840.10体积份额图3-4图3-3铸件换算为模数与体积份额图用例1来说明绘制模数与体积份额图的一个重要步骤。这个图形总是把冒口看作是铸件与冒口增合体的必须部分。为此必须先知道冒口的体积与模数,模数的计算结果及其分布是与冷却和凝固顺序相一致的。二、实用冒口设计从球铁浇注完到凝固开始所经过的时间(平方根)是：。以及，同样的铸件从浇注完到凝固结束所需要的时间（平方根）是：式中：M：模数；Tp：浇注温度；单位用：t：分；M（厘米）=（时/2.54）；Tp（）只有当球铁浇入湿型时，这两个方程式才都有效。只要冒口的模

32、数大于它所连接着的铸件的分体的模数(表示为Ms或ML)则冒口保持为液体的时间比铸件分体的要长，这个观点需要立即说明。铸件或其任何部分是不会同对凝固的，下面就这个问题将进一步讨论。说到冒口(明冒口或暗冒口)最重要的是冒口中所包含的液体要与外部大气保持连通。图3-5所示是完全背离正常冒口设计原则的。楔形冒口(示于上模板)首先在其顶部凝结，而顶部凝固的冒口与大气不连通，因而冒口不能发挥其作用。结果铸件产生缺陷。图3-5 形状不正确的冒口通常冒口的形状应使体积与冷却表面的比值(模数)达到最大值。这并不是说推荐冒口应该是球形的，显然球形具有最大的模数。甚至在小冒口中，热流把比较热的(低比重的)液体带到冒

33、口顶部，帮助顶部区域保持为液态。冒口底部温度要稍低一些，也需要有措施以防止冒口颈冻结。所以，一个设计好的冒口其高大于直径，而且冒口下部延伸到冒口颈以下，以便使冒口受热。而且冒口的水平截面通常是圆形的，虽然并非必须这样。因为若用一个冒口补给几个铸件是可以用其它形状的。 由于以上以及其他许多理由，冒口形状不能标准化。然而，在许多设计中可以采用标准的冒口形状，这样可以明显地减少冒口的体积和模数的计算时间。图3-6表示了所推荐的冒口形状以及其和模数有关系的直径和体积的计算公式。注意图3-6中每一个冒口的顶部都可看到一个局部剖视，都表示了冲向冒口图3-6 标准冒口形状内部的“凹窝”。这个凹窝的底部充分受

34、热，从而防止哪怕是很薄的凝固层产生，所以使冒口中液体继续保持与大气接触。楔形或单独插入的(大气压冒口)坭芯可以达到同样的目的。上述讨论使人想起一种几乎过时的冒口设置方法，即采用所谓的压边冒口。图3-7所示是从四个不同角度照的，压边胃口(边常为矩形)搭接于铸件上。这种方法不仅降低铸件的工艺出品率，而且增加治理车间的成本。图3-7 压边冒口与此相反，采用易割芯片则冒口易去除，而且降低清理车间的成本。要是铸造中采用易割芯片，那么坭芯的厚度以及孔口的直径的选择应不减少其有效的连接面积。根据Wlodawer的文章，具有下列关系：表3-1冒口模数、坭芯厚度及孔口直径选择冒口模数坭芯厚度孔口直径cmincm

35、incmin1.00.40.420.161.950.772.00.790.840.333.901.533.01.191.260.505.92.324.01.601.700.677.83.105.01.972.100.839.73.82现在可以从生产陶瓷的厂商买到非常薄的易割芯片，这种易割芯片可以减小所需要的孔口的直径(见图3-8)。而且这种易割芯片也可与预制的暗冒口保温壳一起组装好造入铸型内，这种方法可以适用于所有生产场合(图3-9)。图3-8 陶瓷易割芯片图3-9 预制的配有陶瓷易割芯片的暗冒口保温壳三、控制压力冒口这是实用冒口设计的第三种也是最后一种方法，它同样也是利用了膨胀的好处。控制压

36、力冒口试图控制膨胀所产生的压力，使铸型不致发生塑性交形。这种方法自从球墨铸铁一开始生产就有采用的，但是，它的应用是根据失败、成功等反复试验以及学习了铸造工作者的经验。这是当前应用最普遍的冒口设计方法，只有在下述条件时才不必采用控制压力冒口：a)当铸件模数小于0.4cm(0.16in)时(膨胀所产生的压力不应使湿型变形)。 b)当湿型铸件厚壁处内部允许有缩松时。c)当铸型强度高，能够抵抗膨胀压力而不产生塑性变形时。因为大部分铸铁件采用湿型或壳型都是强度比较低的，而铸件壁厚(至少部分厚度)往往超过10mm或0.4in，因此，大部分铸件需要用控制压力冒口的方法。它比直接实用冒口设计方法的铸件工艺出品

37、率要低，但是在上述情况时，为完全消除缩松，就必须适用它。四、冒口颈设计冒口颈的有效模数应当等于MT，但是它的尺寸总是小于几何形状和大小相同但分开铸造的单体。主要是由于在铸件与冒口相连接处没有冷却表面而获得了好处。实际上，这两个非冷却表面从邻接的铸件和冒口中获得并将热量传送给冒口颈。延长冒口颈冷却和凝固时间的第二个影响因素是在它附近地区的砂型被炽热。其温度高于铸件和冒口处的砂型，冒口颈愈短，则其温度愈高。内绕道连接冒口(热冒口)也得到类似的及附加的热效果。通过一个简单的实例很容易得出主要影响的程度，让冒口颈断面为方形，而长度为。有效模数(一次近似)很容易看到，上面的公式与无限长的方棒的模数相同。

38、这公式也可用在当冒口颈长度等于a，即为一立方体时。同样尺寸的立方体如果单独分开铸造的话：图3-1)或 同样，更精确的计算也证明冒口颈的有效模数为同样大小、形状的单体模数的1.52倍，因为单体向所有方向散热冷却。前面所谈的第二个影响因素一定要更增加有效模数值()。但是因为不容易定量，它们将被省略不计，只是把的数值简化为0.6。总之，两个方向散热的冒口颈模数的选择为，或(考虑了冒口颈区域冷却较慢)： 。冒口颈在造型条件允许的限度内应尽量短一些。因为取决于冶金质量，所以也是如此。在大多数生产情况下值为铸件关键部分模数的3555，这不仅是足够的而且也是安全的。冶金质量越是好，则能够选得更小一些。在减小

39、安全系数、使用方形冒口颈的条件下，以上冒口颈设计原则得到了充分的考验。图3-10表示设计中的一例，铸件的断面(图3-10B)清楚地表明了它的成功。（A）（B）图3-10 控制压力冒口采用立方形冒口颈（A：带冒口的铸件 B：铸件最大部分的断面）第三节 工艺案例下面介绍一些在考虑到球墨铸铁铸造性能的情况下，制定一些铸件的铸造工艺案例。图3-11 75型泥浆泵轴承座及其简明铸造工艺 2. 轧煤机转盘。它的外形尺寸为：直径400mm，高度140mm。单重58公斤。图3-12 轧煤机转盘及其简明铸造工艺图3-13 Z6312D抛砂机大臂迥转缸体及其简明铸造工艺3-39 车刀刀杆及其简明铸造工艺3-40

40、WGZ-35/39锅炉上接头及其简明铸造工艺3-41 S400钻机上接头及其简明铸造工艺3-42 30型泥浆泵活塞体及其简明铸造工艺3-43 30型泥浆泵十字头及其简明铸造工艺3-44 LG-10/7空压机飞轮及其简明铸造工艺3-45 蜗轮及其简明铸造工艺3-46 ZL300减速机齿轮及其简明铸造工艺3-47 S400钻机大伞齿轮及其简明铸造工艺3-48 1250吨水压机蜗轮齿圈及其简明铸造工艺3-49 S400钻机拔块及其简明铸造工艺3-50 滑管及其简明铸造工艺第四章 球墨铸铁的热处理第一节 固态相变 虽然，钢和铸铁都可以进行热处理，但二者的影响因素有明显区别，简述如下： (1)确定热处理

41、规范时，钢主要是根据含碳量，铸铁则主要是根据含硅量，因为铸铁含碳量比钢高得多，而硅比碳对奥氏体临界温度的影响更大，所以按含硅量确定奥氏休化温度更能保证基体完全奥氏体化。 (2)铸铁含有更多的C、Mn元素，由于它们对奥氏体有更大的稳定化作用，而是铸铁比铸钢有更好的淬透性。 (3)铸铁件结构比铸钢件更复杂，更要注意缓慢加热和延长保温时间，以避免加热不均匀引起内应力和变形。 (4)铸铁中的石墨起着碳库作用，温度超过共析临界范围时，碳溶入奥氏体直到饱和。当以较快速度冷却时碳来不及析出，富碳奥氏体即转变为珠光体；若冷却速度缓慢，碳来得及析出，贫碳奥氏体即转变为铁素体。碳从奥氏体中析出的推动力是温度和含硅

42、量，含硅量越高，碳在奥氏体中的溶解度越小，碳越容易以石墨形式析出。相反，如含有锰、铬、锡及游离的硫则阻碍碳以石墨形式析出。(5)铸铁的共析反应和钢不同，由于第三组元素的存在，使铸铁的共析反应在一个温度范围内完成，不像钢那样在一个温度线上完成。此外，其它元素如P、Mn、Ni也影响共析转变温度，下表4-1列出几个元素对共析转变温度的影响。表4-1 元素对共析临界温度的影响元素含量范围（%）每1%含量对上临界点的影响/每1%含量对下临界点的影响/硅磷锰镍0-0.20-1.00-1.0+37+220-37-17+29+220-130-24铸铁的热处理原理：奥氏体转变是共析反应的核心，根据纯Fe-C合金

43、的等温转变图，共析转变产物与冷却速度有关，缓慢冷却的转变产物为铁素体、珠光体，较快冷却转变为贝氏体，很快冷却转变为马氏体。铸铁的时效处理：用加热方法消除内应力所依据的原理与蠕变概念有关，当金属被加热时其强度、硬度下降，材料松弛或应力降低，这种使材料应力减少的热处理称为时效。虽然降低铸件冷却速度，减少冷却过程的收缩障碍都能减少一部分内应力，但时效能达到最大的应力松弛效果。铸件内应力被消除的程度取决于：原始应力水平；高温保温时间；加热冷却循环周期；化学成分及显微组织。一般原始应力水平越高，时效温度越高，保温时间越长消除内压力的效果越好。结果表明，短时高温时效比长时低温时效降低应力的效果好得多。铸铁

44、的退火：退火是一种使铸件缓慢冷却通过共析临界温度范围、基体转变为铁素体的热处理工艺。经过退火处理的铸件强度、硬度降低，塑性韧性提高。退火还兼有消除内应力的功效。完全退火包括两个阶段：第一阶段在临界温度以上完成碳化物分解、基体均匀化和消除元素偏析；第二阶段在临界温度以下完成碳脱溶，把基体转变为铁素体。铸铁退火不仅包括基体铁素体化过程，同时也伴随固态石墨化过程，因此又称为石墨化退火。为了进行有效的退火必须注意以下几点：(1)加热速度。为了减少温差过大产生的不良后果，应缓慢加热铸件，对厚壁不均的复杂件可缓慢预热到500左右，然后再移到温度更高的加热炉，从室温到退火温度可按100/h加热速度控制。(2

45、)保温时间。为了消除非合金铸铁中的大量共晶碳化物，建议保温时间(13)小时，再按每25mm壁厚加1小时计算。如果含Cr、Mo、V等稳定化元素则应在更高的温度上延长保温时间，才可能使复杂碳化物分解。(3)冷却速度。如果期望铸件得到最大的软化并有最好的加工性能，冷却速度要缓慢到允许完全铁素体化，避免出现热梯度，重新产生内库力。冷却速度一般控制在50/h以内。(4)注意微量元素的影响。许多元素对碳化物和珠光体有稳定化作用，当它们的浓度达到一定程度时将使铸铁完全退火发生困难。如下表所示，有些元素哪怕含量很少也完全阻碍珠光体或碳化物分解。表4-2 阻碍完全退火的微量元素浓度碳化物稳定元素珠光体稳定元素C

46、r005V005在灰口铸铁中的S没有被Mn平衡B0.005灰口铸铁中有NA0.02%Sn0.02%Cu0.05Cr0.05Ni0.1Mo005Mn未被平衡，特别是在厚大铸件中未被平衡灰口铸铁中的硫没有被锰平衡铸铁的退火规范和原始组织有密切关系，碳化物是原始组织中最稳定的非金属相，其数量越多需要分解的温度越高，需要分解的温度越高，如果没有碳化物，石墨化退火的温度就可以大大降低。第一种完全石墨化退火工艺，适用于于三种不同的组织情况。如果有碳化物，尤其是晶间碳化物存在，为了使它们分解必须采用(900950)高温石墨化退火，第一阶段高温保温时间2小时，再按铸件壁厚每25mm加1小时。如果只有少量分散的

47、碳化物则用(820900)中温石墨化退火规范，对于灰口铸铁或无碳化物的球墨铸铁可以不用第一阶段石墨化退火而用亚临界铁素体化退火或低温石墨化退火工艺，办法是把铸件加热到共析温度下限以下，即(730790)保温，保温时间按壁厚25mm1小时计算，通过扩散而不是相变完成珠光体向铁素体的转变。铸件冷却可按炉冷(约550/h)方式缓慢冷却到315(灰口铸铁)或345(球墨铸铁)，然后空冷至室温。第二种完全石墨化退火工艺，其特点是铸件完成第一阶段石墨化后快速冷却到共析温度以下保温，完成第二阶段石墨化。第三种完全石墨化退火工艺又叫两段石墨化退火，适用于灰口铸铁或仅含分散碳化物的球墨铸铁，第一阶段加热到(87

48、0900)奥氏体化，快冷至675以下，再加热到700保温，进行第二阶段石墨化，最后空冷。由于两段石墨化退火不用缓慢通过共析区冷却而缩短了退火周期，并获得比较好的力学性能。以上三种完全石墨化工艺都能达到基体完全铁素体化的目的，但是由于退火过程不同，它们的组织性能和生产效率有所区别。高温石墨化退火是生产可锻铸铁必不可少的工序，白口铁坯件经过高温石墨化退火将碳化物和珠光体分解，得到由铁素体和退火石墨组成的显微组织，性能由低强度、无塑性、无韧性变为中等强度、高塑性、高韧性，由不可加工变为好加工。铸铁的正火-回火：正火就是把铸件加热到共析临界温度以上，保温一段时间完成奥氏体化，然后空冷得到全珠光体组织的

49、一种最简单的热处理方法。正火的目的是提高强度、硬度、耐磨性，并具有适当的加工性。 正火温度由含硅量决定，一般按共析临界上限温度加50计算。具体温度可按铸铁种类划分如下：可锻铸铁 (800830)高强度灰口铸铁 (810870)低强度灰口铸铁 (840900)球墨铸铁 (820900) 冷却速度对正火组织影响很大，没有足够的冷却速度就不可能得到足够多的珠光体，中小件可用空冷，厚大件必须用风冷甚至雾冷。为避免冷却过程产生变形、开裂等缺陷，要注意铸件均匀冷却。合金铸铁有比较好的淬透性，采用比非合金铸铁更慢的冷却速度也能得到满意的正火效果。正火过程的快速冷却会引起内应力，因此正火处理后必须进行时效处理

50、(即回火)。回火过程伴随着硬度降低，所以考虑回火温度应注意铸件的硬度要求。通常回火温度为(500650) ，然后炉冷到300出炉。正火铸件的性能可通过控制加热温度、保温时间、冷却速度、回火规范来调整。许多元素能提高淬透性，因而对正火有很好的组织及性能效应，使厚大件正火也能得到更细的珠光体或针状组织。试验表明，多元合金比单一合金的硬化效果更好，相对提高厚壁铸件的硬度尤其显著。由于合金铸铁的强度、硬度、刚度比较大，其回火温度应取上限，一般为(500625)。回火保温时间按1h/25mm计算。根据铸铁正火处理的奥氏体化程度可分为完全奥氏化正火和部分奥氏体化正火两种工艺。完全奥氏体化正火国内生产球墨铸

51、铁由于原材料含有较多的稳定化元素，铁水温度偏低或用稀土含量较高的球化剂而使铁水白口倾向增大，原始组织往往含有5%以上碳化物，在这种情况下必须采取完全奥氏体化正火工艺，第一阶段为(930950) /(23)小时分解碳化物，第二阶段为(880930)/(0.51.0)小时奥氏体均匀化，空冷后经(550650)回火处理，以降低硬度、消除内应力、改善加工性能。对原组织没有碳化物的铸件，尤其是球墨铸铁件可采用快速正火工艺，能大大缩短生产周期，提高材料的综合性能。其理论根据是球墨铸铁含硅量较高，奥氏体化过程十分迅速，试验发现一般壁厚加热900，500s或930，100s即可全部完成奥氏体化转变，而且从表面

52、到中心的温度基本一致，而且由于高温停留时间短，奥氏体的固溶碳量少(约(0.550.65)%C)，这种低碳奥氏体的正火组织更加均匀，综合性能更好。 部分奥氏体化正火利用铸铁含硅量比较高，存在共析转变区的特点，把铸件加热到共析区内即得到部分奥氏体十铁素体十石墨三个平衡相，在正火过程中唯独只有奥氏体转变为珠光体，其余铁素体和石墨仍保留其原来结构。不过，经过这样处理获得的铁素体不是块状而是碎块状。 形成碎块状铁素体的原因是硅在奥氏体枝晶内偏聚，在奥氏体一次或多次枝晶内有不同的硅浓度，进入三相平衡区后，硅浓度最高的微区最早转变为铁素体，它在正火过程中不再转变，其余硅浓度低的区域仍保留奥氏体组织，在正火过

53、程转变为珠光体。部分奥氏体化温度越低，碎块状铁素体越多。由于奥氏体是树枝状结构，所以三相干衡区形成的铁素体具有分散分布的特征。部分奥氏体化正火有两种规范： (1)把工件加热到共析临界下限温度以上(2050)，即+(2050)或(820840)，保温(12)小时便部分组织转变为奥氏体，另一部分组织转变为碎块状铁素体，空冷后使得到珠光体十碎块状铁素体十石墨组织。 (2)把铸件首先实现完全奥氏体化，加热到+(3050)即(880920)保温12小时，然后降到-(2030)，即(780790)保温0.52.0小时，实现部分奥氏体化。部分奥氏体化正火得到复相组织，故综合性能好，强度韧性都比较适中，球墨铸

54、铁部分奥氏体正火后的性能b(800900)MPa，(47)，k(4964)J/cm2。缺点是部分奥氏体化温度范围窄，工业上较难准确控制。铸铁的淬火-回火：如果铸铁完成奥氏体化以后不是在空气中而是在冷却速度很大的液体介质(如水、油等)中冷却，这种热处理称为淬火。由于冷却速度很快，铸件的冷却曲线不与S型曲线相交，冷却过程不转变为珠光体或贝氏体，而是马氏体。而马氏体十分坚硬，很难加工，必须进行回火处理，降低硬度，以便获得足够的强度、硬度和可加工性。所以，淬火及回火是不可分割的工艺过程。淬火-回火的目的是为了获得比正火-回火更高的力学性能，通常适用于球墨铸铁的热处理。 球墨铸铁的马氏体开始转变温度Ms

55、点约为230，转变终了温度Mf点位于负温区，故奥氏体冷却到室温不可能全部转变为马氏体，得到的淬火组织为马氏体十残余奥氏体。过冷奥氏体在Ms点以下向马氏体转变属无扩散相变，奥氏体在这样低的温度下其碳原子不能充分扩散，铁原子只能作不超过原子间距的错动，面心立方晶格的奥氏体转变为一种变态的体心立方晶格过饱和固溶体，即马氏体。马氏体的含碳量与母相奥氏体的含碳量完全相同。铸铁的马氏体形态呈片状，每一片都是一个单晶体，它由非常细的成叠的孪晶组成。马氏体的生长速度极快，形核后可在10-4秒内完成结晶。回火过程是马氏体分解或过饱和固溶体析出过量碳原子并形成碳化物的过程，同时也是残余奥氏体继续完成其相变的过程。马氏体在回火过程的分解程度与回火温度有关。 (1)(140250)低