2-2常用合金铸件的生产

1、第二章 常用合金铸件的生产2-1 铸铁件生产2-2 铸钢件生产2-3 有色合金铸件生产复习题 用于铸造的金属材料种类繁多，有铸铁、铸钢、铸造铝合金等，其中铸铁件应用最多，占铸件总重量的4590。 1第一节 铸铁件生产铸铁(Cast iron)：主要由铁、碳、硅组成的含碳量大于2.11的合金的总称。在机械制造业中应用十分广泛。铸铁中C有两种存在形式：一种是碳化铁(Cementite)；另一种是石墨(Graphite)。铸铁中石墨形态又可分为片状石墨(Flakes)、球状石墨(Spheroids )、团絮状石墨(Rounded clumps)和蠕虫状石墨(Vermicular or Compact

2、ed )。 2下一页一、分类 根据碳的存在形式和石墨的形态不同 白口铸铁(White cast iron)：C主要以Fe3C形式出现的铸铁，断口呈银白色。性能：又硬又脆，不能进行切削加工，所以在机器零件中很少采用。主要用途：炼钢原料，也可处理成可锻铸铁。 灰铸铁（Grey cast iron）：C主要以片状石墨形式出现的铸铁，断口是灰色。 性能：具有良好的铸造性能、减振性能和减摩性能，广泛应用。 球墨铸铁(Nodular or ductile cast iron )：铁水经球化处理使石墨大部分或全部呈球状的铸铁。 性能：具有良好的力学性能。 可锻铸铁(Malleable cast iron )

3、：白口铸铁通过石墨化退火，使碳主要以团絮状石墨形式存在。 性能：有较高韧性的铸铁。实际是不能锻造的。 3白口铸铁球墨铸铁灰铸铁可锻铸铁后 退4蠕墨铸铁(Compacted or vermicular graphite cast iron )：大部分石墨为蠕虫状石墨的铸铁。是新发展起来的铸铁。 麻口铸铁(Motted cast iron)：一种介于白口铸铁和灰铸铁之间的铸铁。其中碳部分以碳化铁形式出现，部分以石墨形式出现的铸铁，断口灰、白色相间。它也很硬很脆，很少用。 5二、灰铸铁 (Gray cast iron)铸造性能最好，价格较低，适于制造形状复杂的底座、箱体类铸件。 C2.8%3.8；S

4、i1.22.7；Mn0.51.3；P0.3；S0.15 1.灰铸铁的成分、组织和性能化学成分：6金属基体Matrix:(铁素体-Ferrite，珠光体-Pearlite ) +片状石墨-Graphite flakes 。相当于在纯铁或钢的基体上嵌入大量石墨片。 根据基体组织不同，灰铸铁分为三类：铁素体灰铸铁(F)，铁素体珠光体灰铸铁(F-P)，珠光体灰铸铁(P) 。片状石墨是影响灰铸铁机械性能的决定性因素。灰铸铁的基体组织实际上就是纯铁、亚共析钢和共析钢的组织，但由于分布着大量石墨，使其性能与碳钢有很大不同。 显微组织(Structure )7力学性能较差： b20MPa，=0,布氏硬度约3H

5、BS，故其强度、硬度、塑性几乎都是趋于0。相当于在钢的基体上存在大量裂纹和空洞，在石墨片的尖角造成严重的应力集中。由于片状石墨对基体的割裂作用，使得灰铸铁的抗拉强度、塑性比碳钢要低的多。灰铸铁几乎没有什么塑性和韧性。由于石墨片对于灰铸铁承受压应力的影响比较小，所以灰铸铁的抗压强度和硬度与同样基体的碳钢差不多。 性能特点8工艺性能：铸造性能好(缺陷少)，铸造工艺简便，铸造后成品率比较高；切削加工性能好（excellent machinability）。由于石墨割裂了金属基体，在切削加工时灰铸铁的切削容易脆断，形成崩碎切屑。同时石墨是固体润滑剂，能够减轻刀具的磨损。灰铸铁硬度比较适中，便于进行切削

6、。灰铸铁很脆，又没有塑性，不能锻造。灰铸铁在焊接时容易产生白口组织和裂纹，故焊接性能很差。不能通过热处理来改变石墨的形态，所以灰铸铁不能用热处理来改善力学性能。 9耐磨性好（good resistance to adhesive wear and galling ）。石墨有润滑作用,而且石墨剥落后形成为微小的空洞，可以储存润滑油，因此灰铸铁的耐磨性能很好。适于导轨、衬套、活塞环等。 性能特点减振性好（outstanding sound and vibration damping characteristics ）。石墨割裂了金属的基体，就能阻碍振动的传播，并且吸收振动的能量，转化成热能消耗掉。

7、所以灰铸铁的减振性能比较好。适于机床床身、钢琴键盘的框架等。 10从铁水或铸铁组织中结晶出或析出石墨的过程。 2.影响灰铸铁组织和性能的因素（Effect of Various Factors on Structure and Properties of Gray Cast Iron ) 铸铁石墨化(Graphitization)性能决定于组织，铸铁组织中对性能起决定性作用的是石墨，包括石墨的形态，石墨的大小，还有它的数量和分布等。因此影响灰铸铁组织的因素就是影响石墨化的因素。 影响石墨化的因素主要是铁水的化学成分和冷却速度。 11化学成分对石墨化的影响(Composition)C和Si: 是

8、促进石墨化的元素。C是形成石墨的元素，但它只有在Si的促进作用下才能以石墨的形态析出。如果含Si量很低，0.5时，即使含碳量很高也不会析出石墨。铸铁中C和Si的含量越高，析出的石墨就越多，也就越粗大，基体中的铁素体也就越多，结果铸铁的强度和硬度就比较低。相反，C和Si的含量比较低，析出的石墨就比较少，也比较细小，基体中的珠光体就比较多，铸铁的强度和硬度比较高，但是C、Si含量过低就不能析出石墨，就会形成白口铸铁。 12化学成分对石墨化的影响(Composition) S：是强烈阻止石墨化的元素。使得铸铁形成白口组织。除此之外还增大铸铁的收缩率，降低铁水的流动性。所以S是有害元素，应该严格控制。

9、 Mn：是微弱阻止石墨化的元素。Mn还能起到脱S的作用来消除S的有害影响。因此在铁水中应保持Mn的一定含量。 P：促进石墨化元素，还可以降低铁水的粘度，提高流动性。但是P会使铸铁产生冷脆性，因此从整体说P也是一种有害元素，应该限制它的含量。 13冷却速度对石墨化的影响(Effect of cooling rate) 因为石墨的析出需要有一个C原子的迁移和聚集的过程，所以冷却速度慢，析出石墨多而粗和铁素体的基体。相反冷却速度比较快，吸收石墨比较少，这时比较容易得到细小的石墨片和珠光体的基体。但冷却速度太快，C原子来不及聚集和析出，就容易得到白口组织。与冷却速度直接有关的因素主要是铸件壁厚和铸型材

10、料。 14 在浇注前向铁水里加入少量促进石墨化的元素，人为添加大量晶核，获得均匀分布的细小片状石墨和细珠光体基体的一种处理工艺。3.灰铸铁的孕育处理孕育处理的目的：为了获得均匀分布的细小片状石墨和细珠光体基体组织。为了获得细珠光体基体组织就要适当降低C和Si的含量。为了防止低C低Si造成白口组织，就要进行孕育处理。孕育处理的实质：石墨化；细化石墨片和珠光体。孕育铸铁(又叫变质铸铁)：铁水经孕育处理后获得的灰铸铁。没有经过孕育处理的灰铸铁叫做普通灰铸铁。 15孕育铸铁性能特点 强度提高很多。 普通铸铁b150MPa，孕育铸铁b250350MPa。又称高强度灰铸铁。 冷却速度对其组织性能影响较小，

11、壁厚敏感性小。 性能均匀性好，即同一截面上性能一致性好。 16HT1004.灰铸铁的牌号及其生产特点灰铸铁的牌号(Grades of gray cast iron)HT150HT200、HT250HT300、HT350铁素体灰铸铁铁素体珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁孕育铸铁HT抗拉强度生产特点 冲天炉或感应电炉，不需进行炉前处理。铸型不需补缩冒口和冷铁。浇注温度较低。铸铁件不需热处理。17冲 天 炉冲天炉结构：炉身炉缸炉体，炉底，烟囱，加料口，火花罩，前炉（储存铁水），过桥（连接炉缸和前炉），出铁口，出渣口，支撑部分，加料系统，鼓风系统。 冲天炉熔炼工作原理 冲天炉熔炼过程 虽然冲天炉炼出的铁水质量

12、比较差，成分不容易控制，铁水温度也比较低，但这种熔炼方法设备简单、投资少、操作方便，生产率也比较高，生产成本比较低，所以它的应用目前最广泛，占90左右。 18三、可锻铸铁（Malleable Cast Iron ）白口铸铁(White cast iron)经石墨化退火而成的一种铸铁。 钢的基体组织团絮状石墨（Clump or Popcorn G ） 铁素体（黑心）可锻铸铁、珠光体可锻铸铁、白心可锻铸铁。 1.可锻铸铁的组织、性能和用途 组织(Structure)KTH300-06KTH抗拉强度伸长率牌号(Grades) 19下一页可锻铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间。这是团絮状石墨对基体

13、的割裂作用介于片状石墨和球状石墨之间。可锻铸铁的塑性、韧性比灰铸铁高的多。其实它不能锻造。 性能(Properties)由于可锻铸铁的强度比灰铸铁高，又有一定的塑性和韧性，因此可锻铸铁应用于制造承受冲击、振动和载荷比较大的零件，如汽车后桥壳、阀门、管件等。 用途(Application) 20后 退汽车后桥壳刹车瓦21 铸出完全是白口组织的白口铸铁坯件。 这一点很重要，在铸造坯件时，如果出现片状石墨，就不可能再得到团絮状石墨，因此它的组织中不能有片状石墨。为了得到全白口的铸铁坯件，可锻铸铁的铁水中Si和C的含量一定要低，一般C 为2.42.8 Si为 0.81.4。凝固时C全部是以Fe3C（渗

14、碳体）的形态出现，因此可锻铸铁的流动性较差，收缩大，容易产生缩孔、缩松和裂纹等缺陷。 2.生产特点-生产过程分两步 所以铸造工艺上注意设置冒口和冷铁，砂型和砂芯应有较好的退让性，以防止裂纹。 22 进行石墨化退火。 作用是使渗碳体(Fe3C)分解，析出团絮状石墨，如果原先的组织不是完全白口存在片状石墨，那么退火时析出的石墨附着在片状石墨上，这样就得不到团絮状石墨。 可锻铸铁需要很长的石墨化退火时间。23四、球墨铸铁(Nodular or ductile cast iron ) 上世纪40年代发展起来的。它的出现使得铸铁的性能发生了质的飞跃。球墨铸铁的应用日益广泛。 碳钢基体组织球状石墨 1.球

15、墨铸铁的组织、性能和用途 组织球铁是铁水经过球化处理，使石墨大部分或全部为球状。is produced by treating liquid iron with Magnesium, which causes spheroidal graphite to grow during solidification, 由于球墨铸铁的化学成分、冷却速度和热处理不同，可以得到不同的基体组织。常用的是珠光体和铁素体基体的球墨铸铁。 24下一页力学性能：比灰铸铁高得多；抗拉强度与碳钢相当；屈服点比碳钢高得多，屈强比比碳钢高40；疲劳强度与中碳钢相近；塑性、韧性还不如碳钢。仍保持灰铸铁的优良性能：良好的耐磨性和

16、减振性；良好的铸造性能和切削加工性能等。 性能可以用来制造受力复杂，负荷较大的重要零件。比如曲轴、凸轮轴、轮毂等。 用途(Application) 由于石墨成球状，使得石墨对基体的割裂作用减小到最低限度。 QT400-18QT抗拉强度伸长率牌号(Grades) 25后 退汽车发动机曲轴轮毂262.球墨铸铁的生产特点 对原铁水的熔炼要求 严格控制原铁水的化学成分：C 3.64.0，Si 1.01.3，Mn不大于0.40.6，S不大于0.06，P不大于0.08。 特点：高碳、低硅、低锰、硫、磷。铁水出炉温度高：必须在14001420C以上。 这是因为经过球化处理以后，铁水温度大约降低50100C。

17、27下一页球化处理 球化剂：能使石墨成为球状的添加剂。 我们国家普遍使用的是稀土硅铁镁合金。加入量大约是铁水总量的1.31.8。 球化处理的方法：冲入法。往铁水中进入球化剂，以便结晶出球状石墨的处理工艺。 28铁水铁水包草灰孕育剂球化剂把球化剂放在浇包的堤坝内，上面覆盖一层硅铁，然后再覆盖稻草灰等。出炉时把铁水冲向没有放置球化剂的一侧，首先冲入大约2/3的铁水，铁水深度不能小于200mm。冲入后铁水沸腾，大约持续24分钟，然后冲入其余铁水，补加铁水时还要同时加入孕育剂，经过搅拌，覆盖稻草灰，并且取样，检查球化合格以后立即进行浇注。 冲 入 法后 退29在球化处理同时，还要进行孕育处理孕育剂一般

18、采用75的硅铁，加入量在采用冲入法球化时是铁水重量的0.81.2，铁素体球铁取上限，珠光体球铁可以略少。 孕育处理的方法：冲入法球化时是进行炉前孕育，即把一部分孕育剂盖在球化剂的上面，其余的在第二次冲铁水时从出铁槽冲入铁水包中。 孕育处理的作用：促进石墨化，消除球化元素镁造成的白口倾向，并且细化球状石墨，增加共晶团的数量。 30球墨铸铁可以进行多种热处理 退火：为了获得铁素体基体。由于球状石墨对基体的割裂作用比较小，因而球墨铸铁可以通过热处理来改善基体组织，从而明显改善力学性能。常用的热处理方法有： 球墨铸铁铸态组织一般是铁素体珠光体球状石墨，退火的目的是使珠光体中的渗碳体分解，得到具有较高韧

19、性和塑性的铁素体球墨铸铁。所以退火主要用于铁素体球墨铸铁件的生产。 正火：为了增加珠光体含量。正火的目的是增加珠光体含量，使得组织细化，达到提高球墨铸铁强度、硬度和耐磨性的目的。正火主要用于珠光体球墨铸铁件的生产。 调质：为了获得比正火更好的综合力学性能。用于某些要求高或截面大的球墨铸铁件，如用于大型船用柴油机曲轴。 313.球墨铸铁的铸造性能与铸造工艺特点 实际充型能力比灰铸铁差 这是因为球化处理和孕育处理使得铁水温度大大降低，因此在铸造工艺上应该大大提高铁水的出炉温度和浇注温度，同时加大浇道尺寸。通常球铁件浇注系统的尺寸要比灰铁件加大1530。 32比灰铁易产生缩孔、缩松、夹渣等 这是因为

20、球墨铸铁的凝固是糊状凝固，它的凝固区比较宽，因此浇注后在比较长的时间内凝固的外壳不够结实。与此同时，球墨铸铁凝固时，由于石墨膨胀量比灰铸铁大，如果铸型刚度比较小，铸型就要发生膨胀，这样就使得铸件容易产生缩孔和缩松。因此一般要设冒口和冷铁，采用定向凝固原则，加强补缩；同时提高砂型紧实度，增加铸型刚度。 33五、蠕墨铸铁石墨呈短片状，片端钝而圆，类似蠕虫。 1.蠕墨铸铁的性能 介于片状和球状石墨之间的一种过渡组织。 力学性能：介于基体相同的灰铸铁和球墨铸铁之间，如抗拉强度优于灰铸铁，具有一定的塑性和韧性(b360440MPa，1.54.5)，但因石墨是相互连接的，强度和韧性都不如球铁。导热性：优于

21、球铁，而抗生长和抗氧化性较其它铸铁均高。同时，其断面敏感性较灰铸铁小故厚大截面上的性能较为均匀。耐磨性：优于孕育铸铁及高磷耐磨铸铁。 342.蠕墨铸铁的制取 原铁水和炉前处理与球墨铸铁类似。炉前处理时，先向铁水中加蠕化剂（稀土镁钛、稀土镁钙合金或镁钛合金，加入量为铁水重量的12），再加人孕育剂。蠕墨铸铁的铸造性能接近灰铸铁，缩孔、缩松倾向比球墨铸铁小，故铸造工艺较简便。35返 回3.蠕墨铸铁的应用 力学性能高，导热性和耐热性优良适于制造工作温度较高或具有较高温度梯度的零件。如大型柴油机气缸盖、排气管、制动盘、钢锭模、金属型等。由于其断面敏感性小、铸造性能好，故可用于制造形状复杂的大铸件。如重型

22、机床和大型柴油机机体等。用蠕墨铸铁代替孕育铸铁既可提高强度，又可节省许多废钢。36第二节 铸钢件（Steel castings)生产下一页 铸钢件有铸造碳钢件和合金钢铸件两大类。铸造的产量大约占铸件总产量的15左右，铸钢件也是一种重要的铸造合金。 一、铸钢的组织、性能和用途 1.组织 铸造碳钢是C0.6的亚共析钢。组织是铁素体F珠光体P，无石墨。 2.力学性能 比铸铁好，强度高，尤其是塑性、韧性比铸铁好得多。 3.用途 铸造碳钢主要用于制造承受重载及冲击载荷而形状又比较复杂的零件，如水压机横梁、轧钢机机架等。 37后 退38二、铸钢件的生产特点 对型砂和砂型要求高。因为铸钢熔点高，所以型砂的耐

23、火性高，强度高，透气性和退让性好。常用干型。采用顺序凝固原则，设置冒口、冷铁，防止缩孔。因为铸钢收缩量比较大。 严格控制浇注温度，一般在15001650C范围内。 铸钢件必须进行退火或正火。达到细化晶粒，均匀组织，消除残余应力，提高力学性能。 1.铸钢件的熔炼方法由于铸钢的含碳量低，熔点高，化学成分的控制比较严格，所以不能用冲天炉来熔炼，要用电炉和平炉。2.铸钢件的铸造生产特点 返 回39第三节 有色合金铸件（Non-ferrous Metal Castings)生产铝、镁、钛、铍等轻金属具有相对密度小、比强度高等特点，广泛用于航空航天、汽车、船舶和军事领域；银、铜、金（包括铝）等贵金属具有优

24、良导电导热和耐蚀性，是电器仪表和通讯领域不可缺少的材料；镍、钨、钼、钽及其合金是制造高温零件和电真空元器件的优良材料；还有专用于原子能工业的铀、镭、铍；用于石油化工领域的钛、铜、镍等。40一、铸造铜合金(Copper Alloys)1.黄铜 以锌为主加元素的铜合金。含锌量小于47。随着含锌量增加，合金的强度和塑性显著提高，但超过47之后其力学性能将显著下降。铸造黄铜的力学性能多比青铜高，而价格却较青铜低。常用于一般用途的轴瓦、衬套、齿轮等耐磨件和阀门等耐蚀件。 纯铜俗称紫铜，其导电性、导热性、耐蚀性及塑性均优，但强度、硬度低，且价贵，因此极少用它来制造机件。机械上广泛应用的是铜合金。41黄铜以

25、锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。 黄铜铸件黄铜棒42单相黄铜塑性好。常用牌号有H80、H70、H 68（铜均百分含量的数字 ）。适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。两相黄铜热塑性好, 强度高.常用牌号有H59、H62。适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。冷凝器管汽车机油泵衬套432.青铜 铜与锌以外的元素所组成的合金。锡青铜的线收缩率低，不易产生缩孔，其耐磨性和耐蚀性优于黄铜，但易产生显微缩松。故适用于致密性要求不高的耐磨、耐蚀件。铝青铜有着优良的力学性能和耐磨、耐蚀性，但铸造性较差，故仅用于重要的耐磨、耐

26、蚀件。44除黄铜和白铜外的其他铜合金统称为青铜。 加工青铜的牌号为：Q +主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量如QSn4-3(含4%Sn、3%Zn).常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。 青铜制品45二、铸造铝合金(Aluminium Alloys)1.硅铝明流动性好、线收缩率低、热裂倾向小、气密性好，又有足够的强度，所以应用最广，约占铸造铝合金总产量的50以上。适用于形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的铸件，如内燃机气缸体、化油器、仪表外壳等。铝合金的密度小，熔点低，导电性、导热性和耐蚀性优良，因此也常用来制造铸件。铸造铝合金分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金及铝锌

27、合金四类。46在普通铸造条件下， ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上通常用钠盐变质剂进行变质处理, 得到细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，以提高性能。未变质处理 经变质处理 ZL102的铸态组织47加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂(或特殊)硅铝明。Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。 活塞(裙部为铝硅合金)用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。48 Al-Cu系铸造铝合金这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。汽缸头常用代号有ZL201 (ZAlCu5M