第二章常用合金铸件的生产

第二章常用合金铸件的消费第一节铸铁件的消费一、灰铸铁按照铁水处置方法的不同，灰铸铁可分为普通灰铸铁和孕育铸铁两大类。1．普通灰铸铁指出炉铁水不经任何处置而制成的铸铁，如HTl00和HT150均属这类铸铁。普通灰铸铁也称低强度灰铸铁，其碳、硅含量较高(3.0%～3.7%C，1.8％～2.4％Si)。普通灰铸铁的主要缺陷是壁厚敏感性较大(表6—1)，铸件壁愈大时，石墨片愈粗大，强度愈低。当截面添加到1OOmm时，强度可下降50%左右。故普通灰铸铁不宜制造壁厚较大的铸件，仅适用于制造受力较小、外形复杂的中小型铸件。2．孕育铸铁为了进一步提高灰铸铁的力学性能，在消费上常采用孕育处置(也称蜕变处置)。其方法是：浇注前，往铁水中参与一定量的孕育剂(硅铁或硅钙合金)呵斥人为晶核，以改动铁水的结晶条件，使其获得细晶粒的珠光体基体组织和均匀细小片状的石墨。这种方法处置后的铸铁叫“孕育铸铁〞或“蜕变铸铁〞，也称高强度铸铁。为了获得较好的孕育效果，必需从以下条件入手：碳、硅含量均低的原始铁水(2.7％一3.3%C，1％一2％Si)废钢参与量25％一50％铁水出炉温度约为1400~1450℃孕育剂含硅量为75％的硅铁，块度为3一lOmm，硅铁的参与量为铁水分量的0.25％—0.6％(厚壁铸件取下限)。孕育处置后的铁水应尽快浇完，否那么孕育效果衰退。孕育铸铁的力学性能，特别是强度、硬度比普通灰铸铁有显著提高。其抗拉强度为250～400MPa、HB＝170~270，含碳愈少、石墨愈细小，强度、硬度愈高。由于孕育铸铁的石墨仍为片状，本质仍属于灰铸铁，所以其塑性、韧性依然很低。孕育铸铁的另一优点是，组织和性能的均匀性较高，壁厚敏感性很小；冷却速度对其组织和性能的影响较小，这就使得在铸件的厚大截面上的性能较均匀，如图6-1所示。孕育铸铁适用于静载荷下要求较高强度、高耐磨性或高气密性的铸件，特别是厚大铸件，如机床床身、发动机气缸体等。3．灰铸铁的铸造工艺特点灰铸铁通常是在冲天炉内熔炼，且大多不需进展炉前处置直接浇注即可。灰铸铁的铸造性能优良，便于制出薄而复杂的铸件，普通也不需设置冒口和冷铁，使铸造工艺简化。灰铸铁的浇注温度较低(1200～0℃)，因此对型砂的要求比铸钢低，中小型铸件多采用经济、简便的湿型来铸造。二、球墨铸铁球墨铸铁是对一定成分的铸铁铁水进展球化和孕育处置后得到的。与灰铸铁相比，球墨铸铁件的消费有如下特点。1．严厉控制原铁水的化学成分制造球墨铸铁所用的铁水与灰铸铁原那么一样，但成分要求较严厉，其硫含量愈低愈好．硫应控制在0.07％以下。磷使球墨铸铁的塑性，韧性急剧降低，且易冷裂，因此，含磷量应小于0.1％。有时还要求低的含锰量，低锰、低磷可提高球墨铸铁的塑性和韧性。此外，铁水含碳量应高些(普通为3.6％～4.0％)，以改善铸造性能和球化效果。由于铁水经球化和孕育处置温度要降低50—1OO℃，为防止浇注温度过低，出炉的铁水温度必需高达1400℃以上。2．选择恰当的球化剂和孕育剂这是制造球铁的关键，必需严厉掌握。球化剂的作用是使石墨结晶时呈球状析出。球化剂：镁、稀土镁合金。孕育剂：含硅量75%的硅铁球化处置方法冲入法，如图6-2所示型内球化法，如图6-3所示。4．球墨铸铁的铸造工艺特点球墨铸铁的凝固过程、铸造性能和灰铸铁有明显的不同，因此铸造工艺也不同。(1)流动性比灰铸铁差。由于球化和孕育处置，使铁水温度大大下降。因此，球墨铸铁需求较高的浇注温度和较大的浇口尺寸。(2)收缩较灰铸铁大。其主要缘由是：球铁为糊状凝固特征，球铁含碳量高，近共晶成分，凝固收缩率低，但缩孔、缩松倾向较大。球铁在浇注后的一个时期内，截面上存在相当宽的液固共存的同时凝固区，凝固后的外壳强度甚低如图6-4(a)，而球状石墨析出时的膨胀值却很大(每析出1％的石墨，体积添加2％)。假设铸型的刚度不够，铸件的外壳将向外胀大，呵斥金属液的缺乏，于是在铸件最后凝固的部位产生缩孔和缩松如图6-4(a)。为防止上述缺陷，可采取以下措施。①在铸件热节部位安顿冒口或冷铁，对铸件进展补缩。②添加铸型刚度，防止铸件外形扩展。如添加型砂紧实度，采用干型或水玻璃快干型，保证砂箱有足够的刚度，并使砂箱间结实地夹紧。三、可锻铸铁可锻铸铁是将白口铸铁坯件经长时间高温退火而得到的一种具有较高塑性和韧性的铸铁。1.白口铸件的消费为了获得合格的可锻铸铁件，关键是必需保证浇铸出的铸件坯料组织全部是白口，否那么，即使铸件组织中有少量的片状石墨，也会影响退火后可锻铸铁件的组织和性能。为此，出炉的铁水必需具备低碳、低硅、低硫和低磷。例如，KTH350—10的化学成分为Wc=2.4％—2.8％，Wsi＝0.9％—1.4％，Ws<0.18％，Wp<Z0.2％。用来制造可锻铸铁的白口铸件，熔点高、结晶间隔大，且凝固收缩率高，铸件易产生浇缺乏、冷隔、缩孔、缩松、裂纹等缺陷。可锻铸铁只适用于消费薄壁小件。壁厚不超越25mm，否那么铸造时难以获得白口铸铁组织。另外铸件太厚时，使退火时间过长。2．白口铸铁件的石墨化退火石墨化退火是制造可锻铁的主要过程，图6-5为黑心可锻铸铁的退火工艺曲线。其方法是将清理后的白口坯料叠放在退火箱中，将箱盖用泥封好后送入退火箱中，缓慢加热到900-980℃，保温15h左右，使渗碳体分解为奥氏体加团絮状石墨。然后缓慢冷却，随温度的降低，过饱和的碳自奥氏体内逐渐析出，团絮状石墨不断长大。当温度降到共析转变温度范围(750～720℃)并以缓慢速度(3-5℃／h)冷却时，奥氏体直接转化为铁素体和石墨，最终获得铁素体的黑心可锻铸铁。假设在经过共析转变时冷却速度较快，那么奥氏体转变为珠光体和石墨，最终获得珠光体可锻铸铁。可锻铸铁退火时间长(总周期为40-70小时)，消费过程复杂，耗费能源大，本钱高，且铸件的壁厚和大小遭到限制，因此，许多可锻铸件已被球墨铸铁所取代。四、蠕墨铸铁制造蠕墨铸铁的原铁水和炉前处置与球铁类似，炉前处置时，先参与蠕化剂再参与孕育剂。蠕化剂普通采用稀土镁钛、稀土镁钙合金或镁钛合金，参与量为铁水分量的1％一2％。蠕墨铸铁的研制和运用历史较短，运用中的主要问题是蠕虫状石墨是一种过渡方式，消费中难以控制。蠕化剂少了，石墨不变形，仍坚持片状，由于碳、硅含量高，铸铁强度很低，铁水只能报废；蠕化剂多了，石墨又变成球状，使原设计的铸型浇、冒口工艺不适宜，也会导致铸件报废。蠕墨铸铁的铸造性能接近灰铸铁，缩孔、缩松倾向比球铁小，故铸造工艺简便。五、铸铁的熔炼铸铁的熔炼是保证铸件质量的重要环节，熔炼的目的是为获得预定化学成分，有足够温度的铁水。铸铁的熔炼设备有：冲天炉、反射炉、电弧炉和工频炉等，其中冲天炉运用最广泛。冲天炉的熔炼过程如图6-62．铁水化学成分的控制在熔化过程中，铁料与炽热的焦炭和炉气直接接触，因此，铁料的化学成分将发生某些变化。为了熔化出成分合格的铁水，在冲天炉配料时必需思索以下变化。(1)碳在熔化过程中，铁料中的碳，一方面可被炉气氧化烧损，呵斥脱碳；另一方面，由于铁料与炽热的焦炭直接接触吸收碳分，呵斥增碳。普通铁料经熔化后，其含碳量总是添加的，通常为3.0％～3.4％。(2)硅和锰在熔化过程中，由于炉气呈氧化性，所以铁水中的硅、锰被部分烧损，普通硅被烧扔l0％～20％，锰被烧损15％-25％。(3)磷在熔化过程中，金属炉料中的磷根本上全进入铁水，因此含磷量不变。(4)硫在熔化过程中，铁水流经焦炭外表时，焦炭中的硫会熔入铁水，而使铁水中的含硫量添加，通常添加50％左右。在实践消费中，应准确掌握碳、硅、锰，磷、硫5个元素的变化规律，以便按照铁水化学成分的要求，经过配料计算，来确定炉料的配比。第二节铸钢及有色合金铸件的消费一、铸钢件的消费1．熔炼设备铸钢消费中的熔炼设备多采用三相电弧炉。由于三相电弧炉炼出的钢液质量好，每炼一炉钢约为2-4小时。炉子容量普通为1-5t，三相电弧炉的构造如图6-7所示。近年来感应电炉炼钢开展也很快，感应电炉炼钢加热速度快、能源耗费少，氧化烧损较少，钢水质量高，且能炼各种高级合金钢及含碳极低的钢，适于小型铸钢件的消费。在重型机械厂中，也有运用平炉进展炼钢，平炉容量普通在l00t以下，适于浇注重型铸件。2．铸造工艺钢的浇注温度高、比艰苦、流动性差，熔炼时易氧化和吸气。钢的体积收缩率均为铸铁的3倍，因此铸造困难，容易产生浇缺乏、气孔、缩孔、缩松、热裂、粘砂等铸造缺陷。根据铸钢件的特点，要求型砂(芯砂)的耐火性、强度、透气性和退让性都比较高。铸钢普通用颗粒大而均匀的石英砂，大铸件常采用人工破碎的石英砂。为防止粘砂，铸型外表还要涂以石英粉或锆砂粉涂料。为降低铸型资料的发气性、提高强度、改善填充条件，大件多采用干型或水玻璃快干型。铸钢件的浇注系统和冒口安顿对铸件质量影响很大，必需使之既能防止缩孔、缩松，又能防止裂纹。普通说来，铸钢件都要安顿冒口和冷铁，使之实现顺序凝固。如图6-8所示的大型铸钢齿轮，对于薄壁或易产生裂纹的铸钢件，出于产生缩孔的能够性小，可采用同时凝固原那么，并常开设多道内浇口(图6-9)使钢水迅速、均匀地充溢铸型。铸钢的浇注温度必需严厉掌握，勿使过高或过低。二、有色合金铸件的消费常用的铸造有色金属有铝、铜、镁、锌、铅、锡、钍等，其中铜及其合金是最古老的金属，由于其导电性、导热性、抗腐蚀性和耐磨性好，故运用很广，产量及耗用量仅决于铝及其合金．铝合金是比铜、铁、钢运用时间较晚的金属，它既具有铜合金的某些优点，又有很高的比强度(抗拉强度／比重)，因此在工业上获得迅速开展。1．铝、铜合金的熔炼设备为了减少熔炼时金属元素的烧损和吸气，对铝、铜合金的根本要求是：能使炉料快速升温暖熔化；金属料不与燃料接触；炉温便于调理和控制；操作简便。图6-10为用焦炭加热的坩埚炉。铝铜合金熔炼设备种类较多，其分类见表6-2。2．铝合金铸件的消费特点(1)铝合金的熔炼铝合金在液态下也极易氧化，其氧化产物A1203,的熔点高达2050℃，比重稍大于铝，所以熔化搅拌时容易进入铝液，呈非金属夹渣。铝液还极易吸收氢气，使铸件产生针孔缺陷。为了减缓铝液的氧化和吸气，可向坩埚内参与KCI、NaCI等作为熔剂，熔剂熔化后覆盖在铝液上，使铝液与炉气隔离。为驱除铝液中已吸收的氢气，防止针孔产生，在铝液出炉之前应进展驱氢精炼。驱氢精炼的方法有多种，较为简便的是钟罩向铝液中压入氧化锌(ZnCl2)，六氯乙烷(C2CL6)等氯盐或氯化物，于是发生如下反响；3ZnCl2+2Al＝3Zn+2AICl33C2CL6+2Al=3C2Cl4+2AlCI3反响生成的AICl3沸点仅183℃，故构成气泡，而氢在AICI3气泡中的分压力等于霉，所以铝液中的氢向气泡中分散，被上浮的气泡带出液面．与此同时，上浮的气泡还将Al2O3夹杂一并带出。(2)铝合金的铸造工艺特点铝合金的铸造性能和化学成分亲密相关，其中Al-Si合金接近共晶成分，铸造性能最好，和灰铸铁类似．其他铸造铝合金都远离共晶点，铸造性能差，其中AI-Mg、A1-Zn合金较差，A1-Cu合金最差，但比铸钢好些。在实践消费中，铝铸件都要冒口补缩，A1-Si合金的结晶范围小，冒口补缩率高，易获得组织致密的铸件。其他类铸造铝合金的结晶范围大，冒口补缩效率低，铸件致密性差。3．铜合金铸件的消费特点(1)铜合金的熔炼特点铜合金在熔炼时突出的问题是容易氧化和吸气，因此常采用以下措施来保证铜合金液的纯真度。①熔剂覆盖铜合金液面，常用熔剂有木炭、碎玻璃、苏打和硼砂等。②脱氧③除气④精炼除渣(2)铜合金的铸造性能常用的铸造铜合金是黄铜、铝青铜和锡青铜。铜合金的熔点低，流动性好，可浇注壁厚3mm的铸件。对于型砂和芯砂的耐火度要求不高，可采用细砂外型，以提高铸件精度和外表质量。铝青铜结晶温度范围窄，流动性好，易获得致密铸件，但其收缩大，易产生集中缩孔，需增设冒口。并且因其吸气和氧化，浇注系统宜采用底注式。锡青铜的结晶温度范围宽、流动性差、补缩困难，易产生枝晶偏析与缩松，使铸件的致密度降低。黄铜的铸造性能介于铝青铜和锡青铜之间。第三章砂型铸造第一节外型方法的选择一、手工外型方法的特点和运用手工外型操作灵敏，工艺配备(容貌、芯盒和砂箱等)简单，消费预备时间短，顺应性强，可用于各种大小、外形的铸件。但是，手工外型对工人的技术程度要求较高，消费率低，劳动强度大，铸件质量不稳定，故主要用于单件、小批消费。根据铸件构造、消费批量和消费条件，手工外型的详细工艺是多种多样的。图7-2所示为压环及其分型面。由于压环的内径大、高度小，这样便可利用起模后构成的砂垛(即自带型芯)制出铸件内腔，不需另制型芯。但在不同消费条件下，采用的外型方法也将有所不同。单件、小批消费由于铸件尺寸较大，又属回转体，故在单件，小批消费的条件下宜采用刮板一地坑外型(图7-3)。2．成批消费当铸件的消费批量较大，又缺乏机械化的条件下，上述压环仍可采用手工外型。根据压环构造，宜采用整模外型(木模或金属模)两箱外型。二、机器外型(造芯)1．机器外型(造芯)根本任务原理机器外型是将紧砂和起模等主要工序实现了机械化。如图7-4所示图7-5是射压外型机的任务原理。图7-6是抛砂机的任务过程图7—7所示为射芯机的任务原理。近些年来，由于采用以合成树脂为粘结剂的树脂砂来造芯，使机器造芯工艺发生了变革。此时，采用电热的芯盒(或其他硬化措施)，使射入芯盒内的树脂砂快速硬化，这不仅省去了型芯骨和烘干工序、降低了型芯本钱，而且由于型芯是在硬化后才从芯盒中取出，因此，型芯变形小，精度高．2．机器外型的工艺特点机器外型的工艺特点通常是采用模板进展两箱外型。模板是将容貌、浇注系统沿分型面与模底板联接成一整体的公用模具。外型后，模底板构成分型面，容貌构成铸型型腔，而模底板的厚度并不影响铸件的外形与尺寸。由于机器外型的紧砂方式不能紧实型腔穿通的中箱，故不能进展三箱外型，同时也应防止活块。第二节浇注位置与分型面的选择铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型腔内所处的位置，而铸件的分型而是指分开铸型便于取模的接合面。一、浇注位置的选择原那么铸件浇注位置正确与否，对铸件的质量影响很大。选择浇注位置时应思索以下原那么。1．铸件的重要加工面应朝下。图7-8所示为车床床身铸件的浇注方案．由于床身导轨面是关键外表，不允许有明显的外表缺陷，而且要求组织致密，因此通常都将导轨面朝下浇注。图7-9为起重机卷扬筒的浇注位置方案。由于卷扬筒的圆周外表质量要求高，不允许存在明显的铸造缺陷，假设采用卧式铸造，圆周外表的质量难以保证，反之假设采用立式铸造，由于全部圆周外表均处于侧立位置，其质量均匀一致，较易获得合格铸件。2，铸件的大平面应朝下。由于大平面朝上，型腔外表的面积较大，浇注时遭到液态金属长时间烘烤，导致型腔开裂，易产生夹砂、夹渣、砂眼、气孔等缺陷。图7-l0所示为平板铸件的浇注位置。3．铸件的薄壁部分应放在下部或侧面这样就可防止铸件薄壁部分产生冷隔、浇缺乏等缺陷，如图7-11所示。4.铸件的厚大部位置于上方或侧立这样便于在铸件厚处直接安顿冒口。使之实现自下而上的顺序凝固方式。如前述铸钢卷扬筒<参见图7—9)的两种浇注位置，图7—9(b)铸件厚端放在上部是合理的；反之，厚端在下部难以补缩，故不合理。二、铸件分型面的选择原那么铸件分型面的选择正确与否是铸造工艺合理性的关键之一。选择分型面时应留意以下原那么。1．应便于起模，使外型工艺简化。图7-12为一同重臂铸件，按图中所示的分型而为一平面，故采用较简便的分模外型。假设选用顶视图所示的弯曲分型面，那么需采用挖砂或假箱外型，在大量消费中会使模板的制造费用添加。图7-13所示的三通铸件孔内腔必需采用一个T字型芯来构成，但不同的分型方案，其分型面数量不同。当中心线ab呈垂直时如图7-13(b)，铸型必需有三个分型面才干取出模型，即采用四箱外型。当中心线cd呈垂直时如图7-13(c)，铸型有两个分型面，必需采用三箱外型。当中心或ab与cd都呈程度位置时如图7-13(d)，因铸型只需一个分型面，采用两箱外型即可。显然，后者才是合理的分型方案。必需指出，并非型芯数目愈少，铸件的本钱愈低。如图7-14所示的轮形铸件，由于轮的圆周而存有内凹，在批量不大的消费条件下，多采用三箱来外型。但在大批量消费条件下，由于采用机器外型，故应改用图中所示的环状型芯使铸型简化成只需一个分型面。在实践消费中，分型面的选择还要视铸件构造而定，对一些大而复杂或具有特殊要求的铸件，有时采用两个以上的分型面，反而有利于保证铸件质量和简化工艺。2．应尽量使铸件全部或大部分置于一个砂箱内，以保证铸件精度。图7-15为一床身铸件的两种分型方案。图7-15(a)在妨碍起模的凸台处添加了外部型芯，因采用整模外型使加工面和基准面在同一砂箱内，故能保证铸件精度，是大批量消费时的合理方案．而图7-15(b)，假设有错箱将影响铸件精度。思索在单件、小批消费条件下，铸件的尺寸偏向在一定范围内可用划线来纠正，故在相应条件以下图7-15(b)也可采用。3．为便于外型、下芯、合箱和检验铸件壁厚，应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。但下箱型腔也不易过深，并尽量防止运用吊芯和大的吊砂。机床床腿分型面的选择方案如图7-16所示。方案Ⅰ和Ⅱ同样便于下芯时检查铸件壁厚，但方案Ⅱ的型腔及型芯大部分位于