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1、Teaching Materials/Yuandong Li1一、灰铸铁的铸造性能、流动性 1、定义：指金属液充填铸型的能力，一般用螺旋试样法测定。第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理Teaching Materials/Yuandong Li22、化学成分对流性的影响、化学成分对流性的影响 普通灰铸铁一般为亚共晶成分，其偏离共晶点不远，结晶普通灰铸铁一般为亚共晶成分，其偏离共晶点不远，结晶温度范围小，初生奥氏体枝晶不太发达，正常浇注温度下，温度范围小，初生奥氏体枝晶不太发达，正常浇注温度下，流动性良好。流动性良好。 随随C、Si量增加，量增加， 碳当量提高，愈接近共晶点，液相线温度碳当量提高，愈

2、接近共晶点，液相线温度愈低，在相同的浇注温度下，其流动性愈好。愈低，在相同的浇注温度下，其流动性愈好。Mn和和S对共晶对共晶度影响不大，主要以夹杂物形式存在，形成度影响不大，主要以夹杂物形式存在，形成MnS，粘度升高，粘度升高，降低流动性。降低流动性。P增加共晶度、形成低熔点共晶体，从而提高增加共晶度、形成低熔点共晶体，从而提高流动性。流动性。 第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理Teaching Materials/Yuandong Li33、浇注温度的影响、浇注温度的影响 第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理T浇注浇注t凝固凝固流动性流动性粘度粘度充填路径充填路径充型能力充型能力那么，是不是浇注温

3、度越高越好呢？那么，是不是浇注温度越高越好呢？Teaching Materials/Yuandong Li43、浇注温度的影响、浇注温度的影响浇注温度的选择浇注温度的选择 第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理过低的浇注温度过低的浇注温度会提高气孔的废品率会提高气孔的废品率; ;过高的浇注温度过高的浇注温度会导致金属的收缩增大，吸气增多，氧化严会导致金属的收缩增大，吸气增多，氧化严重，使铸件产生缩孔、缩松、气孔和粘砂等缺陷重，使铸件产生缩孔、缩松、气孔和粘砂等缺陷故只对薄壁复杂铸件或所用材质为流动性较差的合金铸件，故只对薄壁复杂铸件或所用材质为流动性较差的合金铸件，才采用提高浇注温度的方法来提高合金

4、的充型能力。一般情才采用提高浇注温度的方法来提高合金的充型能力。一般情况下，在保证液态合金有足够充型能力的前提下，浇注温度况下，在保证液态合金有足够充型能力的前提下，浇注温度不宜过高，通常控制的浇注温度为：不宜过高，通常控制的浇注温度为：灰铸铁灰铸铁1200120013801380凝固收缩阶段凝固收缩阶段 在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要是固液两相并存的凝固区的宽窄。是固液两相并存的凝固区的宽窄。第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理、收缩特征及其伴生现象、收缩特征及其伴生现象Teaching Materials/Yuandong Li5 纯金属和

5、共晶成分的合纯金属和共晶成分的合金在凝固中，因为不存在固金在凝固中，因为不存在固液两相并存的凝固区，所以液两相并存的凝固区，所以固体与液体分界面清晰可见固体与液体分界面清晰可见，一直向铸件中心移动。，一直向铸件中心移动。第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理、收缩特征及其伴生现象、收缩特征及其伴生现象Teaching Materials/Yuandong Li6 铸件在结晶过程中，当铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽，且铸件结晶温度范围很宽，且铸件截面上的温度梯度较小，则截面上的温度梯度较小，则不存在固相层，而是固液两不存在固相层，而是固液两相共存的凝固区贯穿整个区相共存的凝固区贯穿整个区域。合金

6、在凝固过程中先呈域。合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固糊状而后凝固 。第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理、收缩特征及其伴生现象、收缩特征及其伴生现象Teaching Materials/Yuandong Li7 大多数合金的凝固是介大多数合金的凝固是介于逐层凝固和糊状凝固之间于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。，称为中间凝固。第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理、收缩特征及其伴生现象、收缩特征及其伴生现象Teaching Materials/Yuandong Li8第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理、收缩特征及其伴生现象、收缩特征及其伴生现象Teaching Materials/Yuandong L

7、i9Teaching Materials/Yuandong Li10第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理、收缩特征及其伴生现象、收缩特征及其伴生现象收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。收缩是铸造合金本身程中，其体积或尺寸缩减的现象。收缩是铸造合金本身的物理性质。的物理性质。分为三类，液态收缩、凝固收缩和固态收缩。分为三类，液态收缩、凝固收缩和固态收缩。铸件温度降低铸件温度降低浇注温度浇注温度室温室温凝固终止温度凝固终止温度开始凝固温度开始凝固温度液态收缩液态收缩凝固收缩凝固收缩固态收缩固态收缩 体积收缩体积收缩线收线收缩缩T

8、eaching Materials/Yuandong Li11第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理、收缩特征及其伴生现象、收缩特征及其伴生现象 灰铸铁的收缩包括液收缩、凝固收缩和固态收缩三部分。灰铸铁的收缩包括液收缩、凝固收缩和固态收缩三部分。1、液态收缩液态收缩 液液： 从浇注温度到液相线温度之间发生的收缩。从浇注温度到液相线温度之间发生的收缩。 T浇浇，C碳碳 液液2、凝固收缩、凝固收缩 凝凝：凝固期间发生的收缩以及由于析出石墨而产：凝固期间发生的收缩以及由于析出石墨而产生的膨胀的总和。生的膨胀的总和。 凝凝=6.9%-0.9C-2G C、G分别为铁液中碳量和凝固析出的石墨。分别为铁液中碳量和

9、凝固析出的石墨。 凝凝有可能为负值。有可能为负值。Teaching Materials/Yuandong Li12第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理、收缩特征及其伴生现象、收缩特征及其伴生现象3、缩松、缩孔：、缩松、缩孔：与与液液+凝有关。凝有关。 (液液+凝凝)倾向倾向4、固态收缩固态收缩固固：铸件凝固后期在铸件内形成连续的固相骨架：铸件凝固后期在铸件内形成连续的固相骨架开始一直到室温阶段内所发生的固态收缩。常以线收缩表示。开始一直到室温阶段内所发生的固态收缩。常以线收缩表示。随之会产生热裂、内应力、变形和冷裂。随之会产生热裂、内应力、变形和冷裂。Teaching Materials/Yuan

10、dong Li13第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理、收缩特征及其伴生现象、收缩特征及其伴生现象 收缩的实质：收缩的实质：液态金属浇入铸型后，由于铸型液态金属浇入铸型后，由于铸型的吸热，的吸热，金属温度下降，空穴数量减少，原子间金属温度下降，空穴数量减少，原子间距离缩短，液态金属的体积减小距离缩短，液态金属的体积减小。温度继续下降。温度继续下降, ,液态金属凝固液态金属凝固, ,原子间距离进一步缩短。金属凝固原子间距离进一步缩短。金属凝固完毕后，在固态下继续冷却时，原子间距离还要完毕后，在固态下继续冷却时，原子间距离还要缩短。缩短。 Teaching Materials/Yuandong Li1

11、4第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理、收缩特征及其伴生现象、收缩特征及其伴生现象在铸件的固态收缩阶段会引起铸造应力。在铸件的固态收缩阶段会引起铸造应力。内应力：内应力：是在没有外力的条件下，平衡于物体内是在没有外力的条件下，平衡于物体内部的应力。部的应力。铸造应力铸造应力相变应力相变应力热应力热应力机械应力机械应力（收缩应（收缩应力）力）（1 1）、收缩应力（机械应力）、收缩应力（机械应力） 是铸件的固态收缩是铸件的固态收缩受到铸型、型芯、浇注受到铸型、型芯、浇注系统、冒口或箱挡的阻系统、冒口或箱挡的阻碍而产生的应力。一般碍而产生的应力。一般这种应力是暂时的，打这种应力是暂时的，打箱后便可消失。

12、箱后便可消失。 防止措施防止措施是改善铸型是改善铸型和型芯的退让性。和型芯的退让性。受应力作用轴套铸受应力作用轴套铸件件退让性：退让性： 合金在凝固和冷却过程中会收缩，此时要求铸型相关部合金在凝固和冷却过程中会收缩，此时要求铸型相关部位发生变形或退让，位发生变形或退让， 以不阻碍铸件收缩而获得应力小而不以不阻碍铸件收缩而获得应力小而不产生裂纹的铸件，这种型砂随着铸件收缩而减小其体积的能产生裂纹的铸件，这种型砂随着铸件收缩而减小其体积的能力称为力称为退让性退让性，也称，也称容让性容让性。 退让性小时，铸件收缩困难，会使铸件内产生应力退让性小时，铸件收缩困难，会使铸件内产生应力 甚至开裂。型砂退让

13、性主要取决于该型砂的热强度。热强甚至开裂。型砂退让性主要取决于该型砂的热强度。热强度高，抵抗合金液机械作用的能力强，但退让性差。粘土度高，抵抗合金液机械作用的能力强，但退让性差。粘土型砂随粘土和水分含量的增加退让性下降。在型砂中加入型砂随粘土和水分含量的增加退让性下降。在型砂中加入木屑、焦炭粒等附加物时有助于提高退让性，尤其以木屑木屑、焦炭粒等附加物时有助于提高退让性，尤其以木屑作用最为显著。在要求有较高退让性的砂芯（如管类铸件作用最为显著。在要求有较高退让性的砂芯（如管类铸件的砂芯）中，常使用稻草绳，铸件收缩时，草绳已烧掉，的砂芯）中，常使用稻草绳，铸件收缩时，草绳已烧掉，砂芯就不会阻砂芯就

14、不会阻 碍铸件的收缩，清砂也比较容易。碍铸件的收缩，清砂也比较容易。 热应力的形成热应力的形成 + + 表示拉应力表示拉应力 - - 表示压应力表示压应力固态金属在再结晶温度以固态金属在再结晶温度以上时，处于塑性状态，此上时，处于塑性状态，此时，在较小的应力作用下时，在较小的应力作用下，便可发生塑性变形（即，便可发生塑性变形（即永久变形），其内应力在永久变形），其内应力在变形后可自行消除。在再变形后可自行消除。在再结晶温度以下，金属呈弹结晶温度以下，金属呈弹性状态，此时，在应力作性状态，此时，在应力作用下，仅能产生弹性变形用下，仅能产生弹性变形，变形后应力仍然存在。，变形后应力仍然存在。应力框

15、中粗杆、细杆的冷却曲线如图所示。由图可见，杆应力框中粗杆、细杆的冷却曲线如图所示。由图可见，杆与杆与杆的截面厚度不同，冷却速度不一致，使两杆的收的截面厚度不同，冷却速度不一致，使两杆的收缩不一致，因而产生了内应力。其具体形成过程可分为三缩不一致，因而产生了内应力。其具体形成过程可分为三个阶段进行。个阶段进行。第一阶段（第一阶段（t0t0t1t1）。杆）。杆与与杆杆的温度均高于的温度均高于T T再，均处再，均处于塑性状态，尽管两杆的冷速于塑性状态，尽管两杆的冷速不同，收缩不一致，但瞬时的不同，收缩不一致，但瞬时的应力均可通过塑性变形而自行应力均可通过塑性变形而自行消除。消除。第二阶段（第二阶段（

16、t1t1t2t2）。杆）。杆已已冷却至冷却至T T再以下，进入弹性状再以下，进入弹性状态，杆态，杆的温度仍在的温度仍在T T再以上再以上，呈塑性状态。此时因杆，呈塑性状态。此时因杆的的冷速大于杆冷速大于杆，收缩亦大于杆，收缩亦大于杆，杆，杆受拉伸，杆受拉伸，杆受压缩受压缩，形成了暂时的应力。但内应，形成了暂时的应力。但内应力也会随杆力也会随杆的塑性变形（缩的塑性变形（缩短）而消除，使杆短）而消除，使杆与杆与杆同同时缩短至时缩短至L1L1。 第三阶段（第三阶段（t2t2t3t3）。因）。因塑性变形而缩短的杆塑性变形而缩短的杆也也冷却至冷却至T T再以下并呈弹性状再以下并呈弹性状态。此时，杆态。此

17、时，杆的温度较的温度较高，还会有较大的收缩；高，还会有较大的收缩；而杆而杆的温度较低，收缩的温度较低，收缩已趋停止。因此，杆已趋停止。因此，杆的的收缩必然受到杆收缩必然受到杆的强烈的强烈阻碍，结果，杆阻碍，结果，杆受弹性受弹性拉伸，杆拉伸，杆受弹性压缩。受弹性压缩。冷却到室温时，框中就产冷却到室温时，框中就产生了残余内应力。生了残余内应力。（3 3） 相变应力相变应力 ：热处理过程中由于工件各部位相转变的不同时性所引起的应力。 （4 4） 应力测定应力测定 ：测定合金铸造应力试样测定合金铸造应力试样-应力框应力框（4 4） 应力测定应力测定 ：合金自由线收缩试样简图合金自由线收缩试样简图-动态

18、测定仪动态测定仪1固定端金属杆固定端金属杆 2砂型砂型 3自由端金属杆自由端金属杆 4滑杆滑杆 5导轮导轮 6千分表千分表 实例实例 机床床身由于其导轨面较厚，其侧面较薄，因机床床身由于其导轨面较厚，其侧面较薄，因而在冷却过程中厚薄两部分产生温差，致使而在冷却过程中厚薄两部分产生温差，致使导轨导轨面受拉应力，侧面受压应力面受拉应力，侧面受压应力。变形的结果，导轨。变形的结果，导轨面向下凹，薄壁侧面向下凸，如下图所示。面向下凹，薄壁侧面向下凸，如下图所示。 机床床身变形示机床床身变形示意图意图 热应力引起的变形热应力引起的变形铸件的裂纹铸件的裂纹 当内应力超过合金的强度极限时，当内应力超过合金的

19、强度极限时，铸件就会产生裂纹。根据裂纹产生的温度不同，把铸件就会产生裂纹。根据裂纹产生的温度不同，把裂纹分为热裂和冷裂两种。裂纹分为热裂和冷裂两种。 a a）热裂）热裂 是铸件在高温下形成的裂缝，外形形状曲折是铸件在高温下形成的裂缝，外形形状曲折而不规则，断口呈氧化色。热裂是铸件在凝固末期形成的。而不规则，断口呈氧化色。热裂是铸件在凝固末期形成的。是铸钢和铸铝常见的缺陷。是铸钢和铸铝常见的缺陷。vb b）冷裂）冷裂 是铸件处于弹性状态时，其热应力和机械应是铸件处于弹性状态时，其热应力和机械应力总值超过合金强度极限而形成的。其外形呈连续直线状力总值超过合金强度极限而形成的。其外形呈连续直线状或圆

20、滑曲线状，断口干净，具有金属光泽或称轻微氧化色。或圆滑曲线状，断口干净，具有金属光泽或称轻微氧化色。 铸件热裂的外观特征铸件热裂的外观特征 热裂沿晶粒边界穿过热裂沿晶粒边界穿过 Teaching Materials/Yuandong Li33第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理二、灰铸铁的热处理二、灰铸铁的热处理1、消除内应力的低温退火，即热时效。、消除内应力的低温退火，即热时效。2、降低硬度的高温退火、降低硬度的高温退火 第四节第四节 灰铸铁的铸造性能和热处理灰铸铁的铸造性能和热处理二、灰铸铁的热处理二、灰铸铁的热处理一般来说，热处理能在很大程度上改善铸造合金的组织和性一般来说，热处理能在很大程度上改善铸造合金的组织和性能，但在能，但在HT条件下，热处理所发挥的作用相对较小。在条件下，热处理所发挥的作用相对较小。在HT中，石墨对铸铁性能的影响较大，而任何的热处理方法中，石墨对铸铁性能的影响较大，而任何的热处理方法都不能改变石墨的形态和分布，故不能通过热处理来有效都不能改变石墨的形态和分布，故不能通过热处理来有效地提高地提高HT的性能。只能在某些特殊场合下进行热处理。主的性