1 铸铁
铸铁通常占机器设备总重量的50%以上.(2.5~4.0%C)
一 分类
1 按C在铸铁中存在形式不同,可分三类:
1) 白口铸铁: C微量溶于F外,全部以Fe3C形式存在, 断面银白,硬,脆,难机械加工,很少用于制造零件.
仅用于不冲击,耐磨件. 如轧辊
主要用途: 炼钢原料. 也可处理成可锻铸铁.
2) 灰口铸铁: C微量溶于铁素体外,全部或大部以石墨形式存在,断口灰色,应用最广.
3) 麻口铸铁: 有石墨,莱氏体.属于白口铁和灰口铁之间的过渡组织,断口黑白相间,麻点.硬,脆,难加工
2 根据石墨形态的不同,灰口铁又分为:
1) 普通灰口铸铁: 石墨 片状
2) 可锻铸铁: 团絮状
3) 球墨铸铁: 球状
4) 蠕墨铸铁: 蠕虫状
3 按化学成分: 普通铸铁
合金铸铁: Si>4% Mn> 2% 或一定量的Ti Mo Cr Cu等
二 灰口铸铁:
占铸铁产品的80% 以上
1 性能
显微组织: 金属基体(铁素体,珠光体)+片状石墨
相当于在钢的基体上嵌入大量的石墨片
1) 机械性能: σb E↓ 塑,韧---0. 脆性(crispy)材料
∵ 石墨, 软 脆 强↓ 比重小
1) 由于石墨的存在,减少了承载的有效面积.
2) 石墨片的边缘形成缺口,应力集中,局部开裂,形成脆性断裂,基本强度只利用30~50%
∴ 石墨越多,越粗大,分布越不均或呈方向性,则对基体的割裂越严重,机械性能越差.
* 灰口铸铁的抗压强度受石墨的影响较小,与钢的抗压强度近似.
灰口铁的机械性能还与金属基体类别有关
(1) 珠光体灰口铁: 珠光体基体上分布细小,均匀的石墨.
∵ 石墨对基体割裂较轻,故机械性能好. 如齿轮
(2) 珠光体—铁素体灰口铁:
∵珠光体与铁素体混合基体上分布粗大石墨,∴ 强↓
适于一般机件,铸造性,切削加工性,减振性,均由于前者.如齿轮箱
(3) 铁素体灰口铁
∵铁素体基体分布多而粗大的石墨片
∴ 强 硬↓ 塑 ,韧性差(基体的作用远赶不上石墨对基体的割裂作用)
2) 工艺性能: 脆性材料 不能锻压; 可焊性差(易裂纹,焊区白口,难加工)
铸造性能好(缺陷少); 切削性能好(因石墨,崩碎切屑)
3) 减振性: ↑ ∵石墨有缓冲作用,阻止振动能量传播,适于机床床身等
4) 耐磨性: ↑∵1 石墨是润滑剂,脱落在磨擦面上.
2 灰口铁摩擦面上形成大量显微凹坑,能起储存润滑油的作用,是摩擦面上保持油膜连续.
∴ 适于 导轨 衬套 活塞环等
5) 缺口敏感性: ↓ ∵石墨已在铁素体基体上形成大量的缺口.所以,外来缺口(键槽,刀痕)对灰口铁的疲劳强度影响甚微,提高了零件工作的可靠性
2 影响铸铁组织和性能的因素
* 铸铁中的碳 可能以化合状态(Fe3C)或自由状态(石墨)存在.
灰铁中, 一方面分析:
C化合=0.8%时,为珠光体灰铁,石墨片细小,分布均匀,强 硬度高,可制造较重要的零件.
C化合 < 0.8%时,珠光体+铁素体灰口铁 强度低,适于一般机件,其铸造性能,切削加工性和减振性均优于前者.
C化合=0 时铁素体灰口铁 强 硬低 塑 韧 ↓ 很少用
另一方面分析:
铸铁的组织和性能与石墨化程度有关.
* 影响石墨化的主要因素:
1)化学成分: C↑ 石墨化↑
Si↑石墨化↑(Si与Fe结合力比与C强,能增大铁水和固态铸铁中碳原子的游离扩散能力)
∵ (1) C ,Si过高,形成铁素体灰铁,强↓↓
过低,易形成硬脆的白口组织,并给熔化和铸造增加困难.
∴合理含量: 2.5~4.0%C,1.0~3.0%Si
∵(2) S ↑ 石墨化↓ FeS—热脆 易形成白口
∴ 一般0.15% 以下.
(3)Mn↑ 石墨化↓ 合理含量: 0.5~1.4%
少量:Mn+S—MnS, Mn+ FeS—Fe+MnS, MnS比重小,进入溶渣.Mn溶于F,提高基体强度.
过多: 阻止石墨化.
(4)P 促进石墨化,但不明显,多—冷脆 ∴ 合理量 0.3% 以下
2)冷却速度: 冷却速度增加 阻碍石墨化 灰口—麻口—白口
3 灰口铁的孕育处理
为了提高灰口铁的强度,硬度,尽量使石墨片细化,对其进行孕育处理.即加入许多外来质点,增加石墨结晶核心,得到珠光体灰铁,受冷却速度影响小
孕育铸铁(又叫变质铸铁),适于较高强度,高耐磨性,气密性铸件
常用孕育剂:令Si 75%的硅铁,加入量为铁水的0.25~0.6%.冲入孕育剂. 与Si对石墨化影响一致
4 灰口铸铁的生产特点
1) 冲天炉熔炼: ∵Si Mn易氧化.∴ 配料时增加含量. 为降低含S量,选优质铁料和焦炭,减少从焦炭中吸S.在熔炼高牌号铸铁时,加废钢以控制含C量.(如孕育铸铁,原铁水含C,Si低,防止加入孕育剂后石墨粗)
2) 铸造性能优良,便于铸出薄而复杂的铸件,(流动性好,收缩↓)
3) 一般不需冒口,冷铁,使工艺简化.
4) 一般不用热处理,或仅需时效.
5 牌号和用途
牌号: HT+三位数 HT—灰铁, 数—抗拉强度参考值 Mpa (N/mm2)
* 选牌号时必须参考壁厚
类别 铸件壁厚mm 抗拉强度Mpa 硬度HBS 类别 铸件壁厚mm 抗拉强度Mpa 硬度HBS
HT100 2.5~10 130 110~167 HT150 2.5~10 175 136~205
10~20 100 93~140 10~20 145 119~179
20~30 90 87~131 20~30 130 110~167
30~50 80 82~122 30~50 120 105~157
此表中的铸件壁厚为铸件工作时主要负荷处的平均厚度.
三 可锻铸铁(又叫马铁)
白口铁晶石墨化退火而成的一种铸铁
∵ 石墨呈团絮状,故抗拉强度↑ 且塑,韧↑
1 牌号及应用: KTH(KTZ)+3位数+2位数
KTH—F基体 黑心 KTZ---P基体
3位数—抗拉强度, 2位数---延伸率 如KTH300—06, KTZ450—06
应用: 形状复杂,承受冲击载荷的薄壁小件(KTH),曲轴,连杆,齿轮等(KTZ)
2 生产特点
生产过程: 白口铁—石墨化退火(920~980℃,保温10~20h)—团絮状石墨
∴必须采用C,Si含量低的铁水,防石墨化. 通常2.4~2.8%C, 0.4~1.4%Si
熔点比灰铁高,凝固温度范围大,流动性不好,液固两相区宽,砂型耐火性要求高. 周期长(40~70h),成本高.
四 球墨铸铁
铁水中加入球化剂,孕育剂
1 球铁的组织和性能
组织: 铁素体球铁: 塑性,韧性↑
铁素体+珠光体球铁: 两者之间
珠光体球铁: 强度,硬度↑
牌号: QT+三位数 + 两位数 数字含义与可锻铸铁相同
性能: 强度 塑性韧性远远超过灰铁,由于可铁,
铸造性,减振性,切削性,耐磨性等良好
疲劳强度语中碳钢接近
热处理性能好(退火,正火,调质等,淬火(等温淬火))
应用: 受力复杂,负荷较大的重要零件
∵铸造工艺比铸钢简单,成本低,性能好,代许多铸钢,可锻铸铁件
2 生产特点
(1)铁水: C↑(3.6~4.0%)接近共晶成分,可改善铸造性能和球化结果
S↑(<=0.07%)S易与和球化剂合成硫化物,浪费球化剂
P↓(<=0.1%)提高塑性,韧性
铁水出炉1400℃ 以防球化后温度过低.
(2)球化处理和孕育处理
球化剂(稀土镁合金), 使石墨呈球状析出
孕育剂: (硅铁75%Si)促使石墨化,防白口.使石墨细化,分布均匀
先用2/3铁水冲入球化剂,充分反应后,用1/3铁水冲入孕育剂,进行孕育.
处理后的铁水要及时浇注,保证球化效果.
(3)铸造工艺: 比灰铁易产生缩孔,缩松,夹渣等
a 热节上安冒口,冷铁—补缩
b 增加铸型刚度,防止铸件外形扩大—石墨膨胀
c S↓ 残余镁量↓ 降低型砂含水量—气孔↓(侵入)
Mg+H2O=MgO+H2↑ MgS + H2O = MgO+ H2S↑
D 浇注系统应使铁水平稳流入,并有良好的挡渣效果
(4)热处理: 退火: 铁素体基体,塑 韧↑QT420-10以上
正火: 珠光体基体 强度 硬↑ QT600-2以上.
§2 铸钢
钢铁件也是一种重要的铸造合金,产量仅次于灰铁,约为可铁和球铁的和.
一 铸钢的类别和性能
二类: 铸造碳钢 应用广泛: ZG+两位数(含C万分之几)
铸造合金钢
性能: 强 塑 韧 可焊性↑
应用: 适于制造形状复杂的,强和韧性要求高的零件
铸—焊大件 火车轮 锻锤机架等
二 生产特点
1 熔炼: 电弧炉(多用),感应炉(合金钢中小件),平炉等
电弧炉:利用电极与金属炉料间电弧产生热量熔炼金属.
优点:钢液质量高,熔炼速度快(一炉2~3h)温度容易控制,适于各类铸钢件
原料:废钢 生铁 铁合金等 造渣材料 氧化剂 增碳剂等
感应炉: 利用感应圈中交流电的感应作用,使金属炉料(钢液)产生感应电流,产生热量.
优点: 加热速度快,热量散失少.氧化轻.
2 铸造工艺:
∵ 钢浇注温度高,流动性差,易吸气,氧化.体积收缩约为铸铁的三倍,易产生缺陷(气孔缩松 变形 裂纹等)
∴ 型砂: 高耐火性 强 透气 退让性↑ 加冒口,冷铁—消耗大量钢水
3 热处理
∵ 晶粒粗大.组织不均,内应力,强 塑↓
∴ 正火: 机械性能↑ 成本↓ 内应力↑
退火: 机械性能↓ 成本↑ 内应力↓ 形状复杂,易裂纹的铸件,或易硬化的钢退火为宜.
§3 有色金属
一 铜及铜合金
1 纯铜: 导电 导热↑ 塑↑(面心) 强 硬↓
2 黄铜: Cu + Zn—普通黄铜 Cu + Zn + Pb,Al,Si等 特殊黄铜
可铸可锻
3 青铜: 除黄铜,白铜(铜镍合金)以外的,铜与其它元素组成.
锡青铜: Sn + Cn 耐磨 耐蚀 铝青铜: 耐磨 耐蚀
4 铸造工艺
1) 熔炼: 易氧化 吸气
①防氧化: 液面盖上溶剂(碎玻璃,苏打,鹏砂)
②脱氧:Cu+O2-Cu2O(氧化亚铜)塑↓加磷铜 脱氧 普通黄铜和铝青铜因有Zn能脱氧
③除气: 锡青铜: 吹N2, N2 上浮带出H2 . 铝青铜: 吹N2 黄铜: 沸腾法Zn(907℃)蒸汽带出H2
④精炼除渣:铝青铜液中有AL2O3,加碱性溶剂(苏打,莹石等)精练,造出比重小,熔点低的溶渣. 熔炼用坩埚炉
2) 铸造: ①细砂铸型—光洁 减少切削量,粘砂
②浇注时勿断流—防氧化
③浇注系统使液流平稳流入—防飞溅
④加冒口—补缩(锡青铜出外)
二 铝及铝合金
1 纯铝: 导电↑ 导热↑ 塑↑ 抗蚀↑(Al2O3) L1 L2……L7 号大,越不纯
2 铝合金: 比重轻 熔点低 导电 导热 耐蚀↑
铸造铝合金分四类:
① 铝硅合金(硅铝明): 机械性能↑ 耐蚀性,铸造性↑ 适于形状复杂或气密性要求高的零件. 如 内燃机气缸
② 铝铜合金: 强,耐热↑ 比重大,铸造性↓(热裂纹↑疏松↑)
应用: 高强度,高温件 如活塞 牌号: ZL201
③ 铝镁合金:强度↑ 耐蚀↑ 耐热↓ 铸造性↓
应用: 受冲击载荷 耐蚀件,形状简单
④ 铝锌合金: 强较高 抗蚀↓ 热裂纹↑
应用:汽车 拖拉机发动机零件,日用品.
3 铸造工艺
1) 熔炼: 除气(H2)除渣(Al2O3)
常用方法,用钟罩压入六氯乙烷(C2Cl6)
3C2Cl6 + 2Al---2AlCl3↑+3C2Cl4↑ AlCl3沸点183℃, C2Cl4 沸点121℃ 带出H2
或3ZnCl2 + 2Al=3Zn + 2AlCl3↑
防氧化: 加KCl NaCl 溶剂
2) 铸造:与铜合金相同
第三章 砂型铸造
目前,铸件生产的主要方法,砂型铸件占铸件总量的90%以上,可生产各种铸钢,灰铁,球铁,可锻铸铁,有色金属等.用于铸造各种机械零件
砂型铸造生产过程:
配砂→造型→烘干
制模 熔化 浇注→落砂→清理→检验
配砂→造芯→烘干
造型操作顺序:
1安放铸模 2套下箱,撒防粘材料 3盖上面砂 4铲填背砂 5用尖头砂冲舂砂 6用平头砂冲舂砂 7刮去多余型砂 8翻转下型 9撒分型砂 10吹去铸模上的分型砂 11撒防粘材料 12加面砂 13填上型 14扎通气孔 15去上型 16 起模 17挖浇口 18合箱浇注.
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