常用铸造合金和其熔炼专业知识讲座.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,文档来源于网络，文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,常用合金：,铸铁,、,铸钢,和,非铁合金,中的,铝、铜合金。,主要介绍这几种合金的,性能、,生产特点,、,应用,及其,牌号。,一、铸铁件的生产,铸铁：,含碳量大于,2.11%,的铁碳合金，铸造合金中应用最广。在实际应用中，铸铁是以,铁、碳,和,硅,为主要元素的多元合金。,铸铁成分:,C,(2.5-4.0)%、,Si,(1.0-3.0)%、,Mn,(0.5-1.4)%、P(0.01-0.5)%、S(0.02-0.20)%等，还可以加入一定量的,合金元素,以改善和提高铸铁的力学及物理化学性能。,应用：,1）农业机械中占4060；,2）汽车拖拉机中约占5070；,3）机床制造中约占6090。,铸铁特点：,1）生产设备和工艺,简单,、价格,便宜,；,2）有良好的,铸造性,、,切削加工性,及,减震性,等优良的使用性能和工艺性能。,分类,按碳的存在形式分,:,白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁。,按石墨存在形式分：,灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。,按成分分：,普通铸铁、合金铸铁。,石墨（G）的力学性能与作用,性能：,b,=20MPa、HB3,5、a,k,=0。,割裂作用：,减振、机械性能降低；断屑性能好。,尖端效应：,应力集中；,润滑作用,（自润滑和储油）：减摩和耐磨、切削性能好。,石墨（G）的形态,片状、球状、絮状。,（一）灰口铸铁,1、显微组织,金属基体（F、F+P、P）+片状石墨（G）,基体,连续性只有,60%,左右；,割裂作用和尖端效应较大,。,2、性能特点,b,约为,120,250MPa,，抗压强度与钢接近，一般可达,600,800MPa,，,塑性和韧度近于零,，属于脆性材料；,不能锻造和冲压；,焊接时产生裂纹的倾向大，,焊接性差,；,铸造性能优良,，切削加工性能好，,减振能力为钢的5,10倍,，是制造,机床床身、机座,的主要材料；,耐磨性好，适于制造润滑状态下工作的,导轨、衬套,和,活塞环,等。,3、影响性能的因素:,控制铸铁的组织和性能，必须控制铸铁的,石墨化程度,。,主要影响因素：,化学成分,和,冷却速度,。,（,1,）化学成分,碳和硅：,碳和硅是铸铁中最主要的元素，对铸铁的组织和性能起着决定性的影响。,碳,是形成石墨和,促进石墨化,的元素。,硅,是,强烈促进石墨化,的元素。,硫,严重阻碍石墨化,的元素。,锰,能抵消硫的有害作用，故属于,有益元素,。但过多则,阻碍石墨化,。,铸铁中锰的含量一般为0.6%,1.2%。,磷,的影响不显著。,（2）冷却速度,铸件,缓慢冷却,，,有利于石墨化,；,同化学成分的铸铁，若,冷却速度不同，其组织和性能也不同,。,利用激冷：,同一铸件的不同部位采用不同的铸型材料，使铸件各部分的组织和性能不同。,W,C,+,W,si,(%),铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响,（3）壁厚的影响：,壁厚不同,的铸件因,冷却速度的差异,，铸铁的组织和性能也随之而变；,因此，必须按照,铸件的壁厚,选定铸铁的化学成分和牌号。,1）去内应力退火,（人工时效）,应用：,一些,形状复杂的铸件，,如机床床身，柴油机汽缸等。,灰铸铁件,汽缸套,活塞环,4、灰口铸铁的热处理,2）消除铸件白口退火,目的：,改善切削性能。,3）表面淬火,提高某些铸件的表面硬度；,中、高频感应加热、火焰加热。,例如，,机床导轨用,高（中）频淬火,时，表面基体淬硬层深度约为,1.1,2.5（3,4）mm,，硬度HRC50。,5、灰口铸铁的应用,机床,床身,、底座、电器壳体、,缸体,、,泵体,、盖、手轮等受力不大、耐磨、减震零件。,大型船用柴油机汽缸体(HT-300),重型机床床身(HT-250),变速箱体,6灰口铸铁的生产特点,主要在,冲天炉,内熔化，高质量的可用,电炉熔炼,。,铸造性能优良，工艺简单，便于制造出薄而复杂的铸件，多采用,同时凝固原则,，,不需要加补缩冒口,和,冷铁；,只有,高牌号铸铁,采用,定向凝固,原则。,主要用,砂型铸造,，浇注温度较低，对型砂的要求较低，中小件大多采用经济简便的,湿型铸造,。,一般,不需要,进行热处理，或仅需,时效处理,即可。,（二）球墨铸铁,1组织和性能特点,随着,化学成分、冷却速度,和,热处理,方法的不同，球墨铸铁可得到不同的基体组织（,F,、,F+P,、,P,）：,力学性能,比灰铸铁高得多，抗拉强度可以和钢媲美，塑性和韧度大大提高。,通常,b,=400,900MPa,，,=2%,18%,；,同时，仍保持灰铸铁某些优良性能，如良好的,耐磨性和减震性,，,缺口敏感性小,，,切削加工性能好,等。,焊接性能,和,热处理,性能都优于灰铸铁。,珠光体球墨铸铁,和,45号锻钢,的力学性能比较,性 能,45号锻钢（正火）,珠光体球墨铸铁（正火）,抗拉强度,b/MPa,690 815,屈服强度,0.2/MPa,410 640,屈强比,0.2/,b,0.59 0.785,伸长率,（%）26 3,疲劳强度,150 155,（有缺口试样）,-1/MPa,硬 度,/HBS 229 229,321,2生产特点,1）铁液,要有足够,高的含碳量,，低的硫、磷含量，有时还要求低的含锰量。,球化,和,孕育处理,使铁水温度要,降低,50,100,，为防止浇注温度过低，出炉的铁水温度必须高达,1400,以上,。,（2）球化处理和孕育处理,球化处理,和,孕育处理,是制造球墨铸铁的关键，必须严格控制。,球化剂,：我国广泛采用的球化剂是,稀土镁合金,。,孕育剂,：常用的孕育剂为,含硅,75%,的硅铁,。,球化处理,：,以,冲入法,最为普遍，球化处理后的铁液应,及时浇注,，以防孕育和球化作用的衰退。,（3）铸型工艺,凝固特性：,球墨铸铁,含碳量较高,，近共晶成分，凝固收缩率低，但,缩孔、缩松倾向较大。,凝固的,外壳强度较低,；,而球状石墨析出时的,膨胀力,却很大，若铸型的刚度不够，铸件的外壳将,向外胀大,，造成铸件内部金属液的不足，在铸件,最后凝固的部位产生,缩孔,和,缩松,。,防止措施：,在热节处设置,冒口、冷铁,，对铸件收缩进行补偿；,增加,铸型刚度,，防止铸件外形扩大：,如,增加型砂紧实度,、采用,干砂型,或,水玻璃快干砂型,，保证砂型有足够的刚度，并使上下型牢固夹紧。,存在问题：,缺陷：,球墨铸铁件容易出现,皮下气孔,，皮下,0.5,2mm,处，直径,1,2mm,；,原因：,是铁液中,过量的,Mg,或,MgS,与砂型表面,水分,发生如下化学反应生成气体而形成的：,防止,皮下气孔,措施,：,降低铁液中含,硫量,和,残余镁量；,降低型砂,含水量,或采用,干砂型；,使铁液,平稳地导入型腔,，并有良好的,挡渣,效果，以防铸件内夹渣的产生。,3球墨铸铁的用途,（表2-4）,应用非常广泛。,如汽车、拖拉机,底盘零件,，阀体和阀盖，机油泵齿轮；柴油机和汽油机,曲轴、缸体和缸；,汽车拖拉机,传动齿轮,等。,目前，球墨铸铁在制造,曲轴,方面正在逐步取代锻钢。,4球墨铸铁的热处理,常用的热处理：,退火,和,正火,。,退火的目的：,获得铁素体基体，提高球墨铸铁件的,塑性和韧度,。,正火的目的：,获得珠光体基体，以提高材料的,强度和硬度,。,（三）可锻铸铁,白口铸铁通过,石墨化退火,处理得到的一种,高强韧铸铁,。,有较高的强度、塑性和冲击韧度，,可以部分代替碳钢,。,铁素体,F,基体,（,黑心,）可锻铸铁,珠光体,P,基体,可锻铸铁；,F+P,基体,（,白心,）可锻铸铁少用,。,1生产特点,第一步：,先,铸造出白口铸铁,，随后退火使,Fe,3,C分解,得到团絮状石墨。,第二步：,进行长时间的,石墨化退火处理,，900,980，长时间保温。,可锻铸铁的,石墨化退火,工艺,2组织、性能及应用,显微组织：,金属基体和,团絮状石墨,组成,a),铁素体可锻铸铁,b,）珠光体可锻铸铁,性能：,较高的冲击韧度和强度；,适用于制造,形状复杂、承受冲击载荷的薄壁小件,，壁厚,25mm,。,用途：,（表,2-3,）,低动载荷及静载荷、要求气密性好的零件。,问题：,生产周期长,、,工艺复杂,，应用和发展受到一定限制；,某些传统的可锻铸铁零件，已,逐渐被球墨铸铁所代替,。,（四）蠕墨铸铁,1生产：,在一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂进行,蠕化处理,而成的。,蠕化处理：,是将,蠕化剂,放入经过,预热的堤坝,或,铁液包,内的一侧，从另一侧冲入铁液，利用高温铁液将蠕化剂熔化的过程。,蠕化剂：,镁钛合金、稀土镁钛合金,或,稀土镁钙合金,等。,2性能及应用,石墨形态：,比灰铸铁中的石墨片的,长厚比要小的,片状，端部较钝、较圆，介于,片状和球状之间,的一种石墨形态：,牌号：,RuT420,、,RuT380,、,RuT340,、,RuT300,、,RuT260,蠕墨铸铁中的石墨,珠光体基体,铁素体基体,蠕墨铸铁的,强度,、,塑性,和,抗疲劳性能,优于灰铸铁，其,力学性能,介于灰铸铁与球墨铸铁之间。,灰铸铁,灰铸铁,蠕墨铸铁,蠕墨铸铁,球墨铸铁,球墨铸铁,灰铸铁,蠕墨铸铁,球墨铸铁,蠕墨铸铁,常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。,如,钢锭模,、,玻璃模具,、,柴油机汽缸,、,汽缸盖,、排气阀、液压阀的阀体、,耐压泵的泵体,等。,玻璃模具,制动鼓,（五）铸铁的熔炼,熔炼目的：,高生产率、低成本地熔炼出,预定成分和温度,的铁液。,熔炼设备：,冲天炉、电弧炉、工频炉等，其中以,冲天炉,的应用最为广泛。,冲天炉组成：,炉底,、,炉缸,、,炉身,和,前炉,四大部分。,1冲天炉的熔炼过程,燃料：,焦炭。,金属炉料：,铸造生铁锭、回炉料（浇冒口、废机件）、废钢、铁合金（硅铁、锰铁）等。,熔剂：,石灰石和氟石,。,过程：,高温,炉气上升,、,炉料下降,，在两者,逆向运动,中产生如下过程：,底焦燃烧,；,金属炉料被,预热,、,熔化,和,过热,；,冶金反应,使铁液发生变化。,因此，金属在,冲天炉内,并非简单的熔化，实质上是一种,熔炼过程,。,2铁液化学成分的控制,（1）硅和锰,炉气氧化使铁液中的硅、锰产生熔炼损耗；,通常的,熔炼损耗,为：硅,10%,20%,，锰,15%,25%,。,（2）碳,铁液含碳量变化总是趋向于,共晶含碳量,（即饱和含碳量）；,当含碳量,低于3.6%,时，将以,增碳为主,；,高于3.6%,时，则以,脱碳为主,。,铁料的含碳量一般低于3.6%，故多为,增碳,。,（3）硫,因吸收焦炭中的硫，使铸铁含硫量增加,50%,左右。,（,4,）磷,基本不变。,炉料配制：,由于冲天炉内通常,难以脱除硫和磷,，因此，欲得到低硫、磷铁液，主要依靠采用,优质焦炭和铁料,来实现。,二、铸钢件的生产,铸钢优点：,力学性能高，特别是塑性和韧度比铸铁高：,b,=400,650N/mm,2,，,=10%,25%,，,K,=20,60J/cm,2,。,焊接性能优良，适于采用,铸、焊,联合工艺制造,重型机械,。,但,铸造性能,、,减震性,和,缺口敏感性,都比铸铁差。,铸钢用途：,承受,重载荷及冲击载荷,的零件，如铁路车辆上的摇枕、侧架、车轮及车钩，重型水压机横梁，大型轧钢机机架、齿轮等。,铸钢分类：,碳素铸钢,、,低合金铸钢,和,高合金铸钢,等。,（一）铸钢的铸造工艺特点,铸造性能差：,熔点高，钢液易氧化；流动性差；收缩较大，,体收缩,和,线收缩,约为灰铸铁的,3,倍,和,2,倍,。,铸造工艺复杂：,为保证铸件质量，避免出现缩孔、缩松、裂纹、气孔和夹渣等缺陷，必须采取更为,复杂的工艺措施：,型砂的,强度,、,耐火度,和,透气性要高,。,使用,补缩冒口,和,冷铁,实现,定向凝固,。,ZG230-450,齿圈的铸造工艺方案：,防止,浇注温度,过高或过低。,低碳钢：,流动性较差、薄壁小件或结构复杂不容易浇满的铸件，应取,较高的浇注温度,；,高碳钢：,流动性较好、大铸件、厚壁铸件及容易产生热裂的铸件，应取,较低的浇注温度,。,一般为,1500,1650,。,（二）铸钢的热处理,1、目的：,细化晶粒、消除魏氏组织、消除铸造应力、提高力学性能。,2,、工艺：,退火,和,正火,处理。,铸钢,正火后的力学性能较高,，生产效率也较高，但残留,内应力较大,。,可采用,正火加高温回火,。,铸钢件,不宜淬火,，淬火时极易开裂。,（三）铸钢的熔炼,冶炼设备：,电弧炉、平炉和感应电炉等；,电弧炉,用得,最多；,平炉,仅用于,重型铸钢件,；,感应电炉,主要用于,合金钢中、小型铸件,的生产。,1电弧炉炼钢,利用,电极,与,金属炉料间,电弧,产生的热量来熔炼金属。,炼钢金属材料：,废钢、生铁和铁合金,等。,其它：,造渣材料、氧化剂、还原剂,和,增碳剂,等。,2感应电炉炼钢,在,精密铸造,和,高合金钢,铸造中应用最普遍。,利用感应线圈中,交流电的感应作用,，使,坩埚内,的金属炉料及钢液产生感应电流,发出热量,使炉料熔化的。,优点：,加热速度较快,，,热量散失少,，,热效率较高,，氧化熔炼损耗较小，吸收气体较少；,缺点：,炉渣,温度较低,，化学性质不活泼，,不能充分发挥炉渣在冶炼过程中的作用,，基本上是,炉料的重熔,过程。,感应电炉炉体构造图,类型：,高频感应电炉,中频感应电炉,工频感应电炉,三、非铁合金铸件的生产,（一）铸造铜合金,分类：,紫铜（纯铜）、黄铜,和,青铜,。,1,、紫铜：,熔点为,1083,，导电性、导热性、耐腐蚀性及塑性良好；,强度、硬度低,且,价格较贵,，,极少用它来制造机械零件,，,广泛使用,的是铜合金。,2、黄铜：,铜和锌的合金,。,铸造黄铜有相当高的,力学性能,：b=250,450MPa,=7%,30%，HBS=60,120，,而,价格却较青铜低,。,3、青铜,除黄铜与白铜外的铜合金。,1,）锡青铜：,铜和锡构成的的合金。,适于致密性要求不高的,耐磨、耐蚀件,。,2）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,重要用途的耐磨、耐蚀件,。,（二）铸造铝合金,铝合金：,密度低，熔点低，导电性和耐蚀性优良,，因此也用来制造铸件。,铸造铝合金：,包括,铝硅、铝铜、铝镁,及,铝锌,合金。,代号：,Z L,（铸铝）,+,序号,（,1-,硅系,；,2-,铜系,；,3-,镁系,；,4-,锌系,）,例，,ZL109,：,表示铸造,铝硅合金,。,常用铸造铝合金,牌号、性能和应用,铝铸件,代号,性能,应用,ZL109,硅铝明,硅系,铸造性好、,力学性能低,b,=140MPa,、=4%。,形状复杂的零件,：仪表、气缸体,、水（油）泵壳,体等。,ZL201,铜系,具有较高的,耐热强度。,内燃机气缸盖、,活塞等高温（,300以下）工,作的构件。,活塞(裙部为铝硅合金),汽缸头,ZL301,镁系,具有较好的耐,蚀性能、高强,度，但铸造性,和耐热性差。,泵体、船舰配,件等大气或海,水中工作的构,件。,ZL401,锌系,具有较高的强,度、铸造性好,、价格便宜，,但耐热性差。,汽车、飞机上,形状复杂的构,件。,鼓风机密封件等(ZL102、301),大型空压机活塞(ZL401,),（三）铜、铝合金铸件的生产特点,熔化特点：,金属炉料,不与燃料直接接触,，可减少金属的损耗、保持金属液的纯净。,铜、铝合金多采用以,焦炭为燃料,或,以电为能源,的,坩锅炉,来熔化。,焦炭坩埚炉,电阻坩埚炉,1铜合金的熔炼,铜合金,极易氧化,，形成的,氧化物,（,Cu,2,O,）而使合金的力学性能下降。,为防止铜的氧化，熔化青铜时应加熔剂（如,玻璃、硼砂,等）以,覆盖铜液,。,为去除已形成的Cu,2,O，最好在出炉前向铜液中加入0.3%,0.6%的,磷铜,（Cu,3,P）来,脱氧,。,由于黄铜中的,锌本身就是良好的脱氧剂,，所以熔化黄铜时，不需另加熔剂和脱氧剂。,2铝合金的熔炼,铝合金的氧化物,Al,2,O,3,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,。,防止氧化和吸气：,向坩埚炉内,加入KCl、NaCl,等作为熔剂，将铝液与炉气,隔离,。,为,驱除,铝液中已吸入的,氢气、防止针孔,的产生，在铝液,出炉之前,应进行,驱氢精炼,。,如用钟罩向铝液中压入,氯化锌,（,ZnCl,2,）、,六氯乙烷,(C,2,Cl,6,),等,氯盐或氯化物,，发生如下反应：,AlCl,3,沸点仅为,183,，故形成气泡，而氢在AlCl,3,气泡中的,分压力等于零,，所以,铝液中的氢向气泡中扩散,，被上浮的气泡带出液面。,上浮的气泡还,将Al,2,O,3,夹杂一并带出,。,3铸造工艺,为减少,机械加工余量,，应选用,粒度较小的细砂,来造型。,铜合金铸件：,合金的比重大、流动性好，若采用,粗砂,，铜液容易渗入砂粒间隙，产生,机械粘砂，,使铸件,清理的工作量加大,。,铜、铝合金,的,凝固收缩率大,，,除锡青铜,外一般多,需加冒口,使铸件实现,定向凝固,，以便补缩。,为,防止铜液和铝液的氧化,，浇注时,勿断流。,浇注系统应能,防止金属液的飞溅,，以便将,金属液平稳地导入型腔,。,结 束,