铸造第四讲.ppt

主编 清华大学严绍华主讲 张建学时 30 热加工工艺基础 工程材料及机械制造基础 第六节常用合金铸件的生产铸造合金 适用于铸造成形的合金 分类 铸铁 铸钢 铸造有色金属优点 有良好的铸造性能缺点 晶粒较粗大 存在脆性第二相 有较大的壁厚敏感性 力学性能差 杂质元素含量偏高 强度会降低 脆性会增加 解决 合适的化学成分 合理的熔炼工艺及炉前处理 合理的铸型工艺及热处理工艺 1 铸铁的结晶过程和石墨化结晶过程 按Fe Fe3C相图结晶 在C和Si含量较低 冷却速度很快的条件下结晶时 高碳相以Fe3C形式析出 生成白口铸铁 按Fe C相图结晶 在C和Si含量较高 冷却速度较慢的条件下结晶时 碳以石墨形式析出 生成灰铸铁和球墨铸铁 石墨化 1 一次结晶石墨和共晶石墨一次结晶 铸铁液从液态转变为固态时的结晶 特点 一次结晶决定石墨的形态 分布特征和共晶团的尺寸 数目 2 二次结晶石墨和共析石墨二次结晶 铸铁凝固后在继续冷却的过程中发生的组织转变 奥氏体不断析出碳 沉积在原有的共晶石墨上 奥氏体发生共析转变 可能生成铁素体和石墨 珠光体和石墨 铁素体加珠光体和石墨 3 影响铸铁石墨化的因素 化学成分碳 是形成石墨的元素 又是促进石墨化的因素 碳含量越高 石墨就愈多 愈粗大 铁素体也愈多 硅 是强烈促进石墨化的元素 含硅量愈多 石墨也愈多 硅含量过少 石墨化无法进行 反而形成白口组织 硫 会引起热脆 阻碍石墨化元素 促使白口化 磷 促进石墨化的元素 P超过0 3 出现冷脆 一般限制在0 2 以下 锰 是微弱阻止石墨化的元素 促进珠光体形成 提高铸铁的强度硬度部分 抵消硫的有害作用 冷却速度壁厚 h 和冷却速度 v 的关系 h v 冷却速度 减小冷却速度可以促进石墨化 壁厚 石墨化倾向 易得粗大石墨片 铁素体壁厚 石墨化倾向 易得细小石墨片 珠光体壁厚 白口化倾向 壁厚敏感性 铸铁的组织和性能随壁厚的变化而变化的现象 白口铸铁区 a 麻口铸铁区 球光体灰铸铁区 b 珠光体 铁素体灰铸铁区 铁素体灰铸铁区 表1 16铸铁的常用成分范围 2 灰铸铁 1 灰铸铁的组织 性能及应用组织 金属基体 F F P P 片状石墨 G 性能 力学性能差灰铸铁的抗拉强度比碳钢低得多 塑性韧性几乎近等于零 抗压强度和硬度与基体相近 原因 石墨的抗拉强度低 b 20MPa 塑性近于零 硬度极低 3HBS 工艺性能不能进行锻造冲压 焊接性能也很差 铸造性能和切削性能良好 减摩性好原因 石墨是一种润滑剂 石墨磨掉后的凹坑可存油 减震性好减震性 是材料在交变载荷作用下本身吸收振动的能力 缺口敏感性小缺口敏感性 材料有缺口的强度明显低于无缺口的强度的现象 应用 HT100低负荷和不重要的零件 如防护罩 小手柄 盖板和重锤等 HT150承受中等负荷的零件 如机座 支架 箱体 带轮 轴承座 法兰 泵体 阀体 管路 飞轮和电动机座等 HT200 HT250承受较大负荷的重要零件 如机座 床身 齿轮 汽缸 飞轮 齿轮箱 中等压力阀体 汽缸体和汽缸套等 HT300 HT350承受高负荷 要求耐磨和高气密性的重要零件 如重型机床床身 压力机床身 高压液压件 活塞环 齿轮和凸轮等 2 灰铸铁的牌号牌号 HT 其中 HT 表示 灰铁 二字的汉语拼音字首 而后面的 表示 30mm的单铸试棒的最低抗拉强度值 单位为MPa HT100 HT150 HT200为普通灰铸铁 HT250 HT300 HT350为孕育铸铁 生产特点 主要在冲天炉内熔化 一些高质量的灰铸铁可用电炉熔炼 生产中多采用同时凝固原则 铸型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 用砂型铸造 浇注温度较低 一般不需要进行热处理 或仅需时效处理即可 3 灰铸铁的分类 普通灰铸铁 熔炼时铁液不经任何处理获得的灰铸铁 特点 强度不高 壁厚敏感性较大 不宜做厚壁大件 孕育铸铁 即铁液经过孕育处理而得的铸铁 特点 组织是珠光体 细小石墨片 强度 硬度提高 耐磨性提高 但减震性下降 壁厚敏感性小 冷却速度对组织 性能影响较小 截面上机械性能齐一性好 对厚壁铸件尤其重要 应用 适于静载荷下要求强度高 耐磨性好 或气密性好的铸件 特别厚大铸件 4 孕育处理孕育处理 是向铁液中冲入硅铁合金孕育剂 然后进行浇注的处理方法制造工艺 须熔炼出碳 硅含量均低的原始铁液 wC 2 7 3 3 wSi 1 2 孕育剂为含硅75 的硅铁FeSi75 加入量为铁液质量的0 25 0 60 孕育处理时 应将硅铁均匀地加入到出铁槽中 由出炉的铁液将其冲入浇包中 由于孕育处理过程中铁液温度要降低 故出炉的铁液温度必须高达1400 1450 3 球墨铸铁球墨铸铁 是铁液经过球化处理后使石墨大部分或全部呈球状 有时少量为团絮状的铸铁 1 球墨铸铁的组织 性能特点及应用显微组织 金属基体 球状石墨性能特点 基体强度的利用率可达70 90 因此球墨铸铁具有比灰铸铁高得多的力学性能 抗拉强度可以和钢媲美 塑性和韧度大大提高 通常 b 400 900 MPa 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 球墨铸铁的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 2 球墨铸铁的制造 化学成分足够高的含碳量 低的硫 磷含量 有时还要求低的含锰量 高碳 3 6 4 0 可改善铸造性能和球化效果 低的锰 磷可提高球墨铸铁的塑性与韧度 硫易与球化剂化合形成硫化物 使球化剂的消耗量增大 并使铸件易于产生皮下气孔等缺陷 铁液温度球化和孕育处理使铁水温度要降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 球化处理 以冲入法最为普遍 如图 将加入量一般为铁水质量的1 0 1 6 的稀土镁合金球化剂放在铁液包的堤坝内 上面铺硅铁粉和稻草灰 以防球化剂上浮 并使其缓慢作用 开始时 先将铁液包容量2 3左右的铁液冲入包内 使球化剂与铁液充分反应 尔后 将孕育剂放在冲天炉出铁槽内 用剩余的1 3包铁液将其冲入包内 进行孕育 也有用型内球化法 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 孕育剂 促进铸铁石墨化 防止球化元素造成的白口倾向 使石墨球圆整 细化 改善球铁的力学性能 常用的孕育剂为含硅75 的硅铁 加入量为0 4 1 0 铸造工艺球墨铸铁流动性差 收缩较大 需要较高的浇注温度及较大的浇注系统尺寸 多应用冒口 冷铁 采用顺序凝固原则 热处理铸态球墨铸铁的基体多为珠光体 铁素体混合组织 有时还有自由渗碳体 形状复杂件还存在残余内应力 因此 多数球墨铸铁件要进行热处理 以保证应有的力学性能 常用的热处理为退火和正火 退火的目的是获得铁素体基体 以提高球墨铸铁件的塑性和韧度 正火的目的是获得珠光体基体 以提高材料的强度和硬度 冲入法型内球化法 4 蠕墨铸铁 1 蠕墨铸铁的组织 性能及应用组织 金属基体 蠕虫状石墨 石墨片比灰铸铁中的石墨片的长厚比要小 端部较钝 较圆 介于片状和球状之间的一种石墨形态 牌号 根据JB4403 87 蠕墨铸铁的牌号以RuT表示 RuT 是 蠕铁 二字的拼音字首 所跟的数字表示最低抗拉强度 性能 力学性能较高 强度接近于球墨铸铁 具有一定的韧度 较高的耐磨性 同时又兼有良好的铸造性能和导热性 应用 生产汽缸盖 汽缸套 钢锭模 轧辊模 玻璃瓶模和液压阀等铸件 蠕墨铸铁的牌号 JB4403 87 2 蠕墨铸铁的制造制造 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 所谓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 蠕化剂为镁钛合金 稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等 5 可锻铸铁可锻铸铁 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 1 可锻铸铁的分类 组织 性能及用途分类 第一类 石墨化退火可锻铸铁 是将白口铸铁坯件在中性气氛中进行石墨化退火而得到的可锻铸铁 黑心可锻铸铁 是经高温石墨化退火 使全部分解 形成团絮状石墨和铁素体组织的可锻铸铁 其断口中心呈暗黑色 珠光体可锻铸铁 是石墨化退火得到团絮状石墨和珠光体组织的可锻铸铁 第二类 脱碳退火可锻铸铁 白心可锻铸铁 即将白口铸铁坯件在氧化气氛中进行长时间脱碳退火而得到的可锻铸铁 组织 金属基体和团絮状石墨组成 如下图 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 铸件壁厚一般不超过25mm 用途 低动载荷及静载荷 要求气密性好的零件 如管道配件 中低压阀门 弯头 三通等 农机犁刀 车轮壳和机床用扳手等 较高的冲击 振动载荷下工作的零件 如汽车 拖拉机上的前后轮壳 制动器 减速器壳 船用电动机壳和机车附件等 承受较高载荷 耐磨和要求有一定韧度的零件 如曲轴 凸轮轴 连杆 齿轮 摇臂 活塞环 犁刀 耙片 闸 万向接头 棘轮扳手 传动链条和矿车轮等 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 2 可锻铸铁的制造第一步 先铸造出白口铸铁 随后退火使Fe3C分解得到团絮状石墨 为保证在通常的冷却条件下铸件能得到合格的白口组织 其成分通常是WC 2 2 2 8 WSi 1 2 2 0 WMn 0 4 1 2 WP 0 1 WS 0 2 第二步 黑心可锻铸铁经过两个阶段的石墨化退火 第一阶段 将白口铸铁坯件加热到大于或等于950 保温30h左右 第二阶段 降温至710 730 保温20h左右 使共析渗碳体全部石墨化 随炉冷却至500 600 出炉空冷 珠光体可锻铸铁高温保温后随炉冷至820 880 出炉空冷 6 特种性能铸铁 1 减摩铸铁指能减小摩擦系数的铸铁 分类 含磷铸铁 钒钛铸铁 硼铸铁 2 耐磨铸铁指能抵抗磨料磨损的铸铁 分类 普通白口铸铁 铬系白口铸铁 低 中 高 3 耐热铸铁指在高温条件下具有一定的抗氧化和抗生长性能 并能承受一定载荷的铸铁 分类 中硅耐热铸铁 含铝耐热铸铁 含铬耐热铸铁 几种常用耐热铸铁的牌号 成分 使用温度及用途 4 耐热铸铁是指可以耐受周围介质的化学及电化学作用破坏的铸铁 分类 高硅耐热铸铁 含铝耐热铸铁 高铬耐热铸铁 高镍耐热铸铁 常用耐蚀铸铁的成分及用途 7 铸铁的熔炼基本要求 铁液质量好 化学成分合格 浇注温度高 纯净度高 熔化速度快 各类耗损低 操作方便 分类 冲天炉熔炼法 感应电炉熔炼法 双联熔炼法 冲天炉熔炼法的优点 结构简单 设备费用少 电能消耗低 生产率高 成本低 操作和维修方便 并能连续进行生产等 电炉熔炼法的优点 可以准确地控制铸铁的成分和获得高温铁液 具有铁液质量好 劳动强度低 环境污染少等 能适应和满足现代铸铁生产的要求 并为获得优质铸铁创造良好的条件 二 铸钢件生产优点 力学性能高 特别是塑性和韧度比铸铁高 如 b 400 650N mm2 10 25 KU 20 60J cm2 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 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 1 铸钢的种类 1 碳素铸钢 2 低合金铸钢 3 高合金铸钢 2 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 体收缩约为灰铸铁的三倍 线收缩约为灰铸铁的两倍 因此铸钢较铸铁铸造困难 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 铸造工艺特点 1 型砂的强度 耐火度和透气性的要求高 原砂要采用耐火度很高的人造石英砂 中 大件的铸型一般都采用强度较高的CO2硬化水玻璃砂型和粘土干砂型 为防止粘砂 铸型表面应涂刷一层耐火涂料 2 使用补缩冒口和冷铁 实现定向凝固 3 严格掌握浇注温度 防止过高或过低 一般为1500 1650 4 铸后需热处理目的 细化晶粒 消除魏氏组织 消除铸造应力 提高力学性能 工艺 退火和正火处。