22金属工艺学课件

,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,*,第二章 常用合金铸件的生产,第一节 铸铁件生产,1.1,铸铁的石墨化过程及其组织,1.2,影响石墨化过程的因素,1.3,铸铁的分类,1.4,灰口铸铁,1.5,球墨铸铁的生产及其牌号,1.6,蠕墨铸铁的生产及其牌号,1.7,可锻铸铁的生产及其牌号,1.8,合金铸铁,1.9,熔炼设备,同钢一样，铸铁也是以,Fe,、,C,元素为主的铁基材料，其含碳量,Wc,2.11%,。铸铁成形只能用铸造方法，不能用锻或轧制方法。与钢相比，铸铁的强度低、塑性、韧性差，但具有优良的铸造和切削加工性能。,按碳元素在铸铁中存在的方式不同，可将铸铁分为白口铸铁、麻口铸铁和灰口铸铁。,根据石墨形状的不同，灰口铸铁又可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等多种。,白口铸铁,麻口铸铁,灰口铸铁,C,在铸件中存在的形式,碳以渗碳体的形式存在，大量莱氏体,很少用它来制造机械零件，主要用作炼钢的原料，故通常称它为生铁,组织中既存在石墨,又有莱氏体,也很少直接用它来制造机械零件,碳除微量溶于铁素体外,全部或大部以石墨形式存在。工业中应用最广泛的铸铁。,（普通）灰口铸铁,可锻铸铁,球墨铸铁,蠕墨铸铁,石墨形式,片状,团絮状,球状,蠕虫状,性能,在钢的基体上嵌入了大量石墨片,牌号,HT+,最低抗拉强度值,KTH+,最低抗拉强度值,-,延伸率,QT+,最低抗拉强度值,-,延伸率,1.1,铸铁的石墨化过程及其组织,铸铁组织中石墨的形成叫做“石墨化”过程。,在铁碳合金中，碳可能主要以两种形式存在，即化合状态的渗碳体和游离状态的石墨。,石墨的晶格形式为简单六方，如图所示。因其面间距较大，结合力弱，故其结晶形态易发展成片状，且强度、塑性和韧性极低，接近于零。,铁碳合金中，渗碳体不如石墨稳定。在铁碳合金结晶的过程中，因为渗碳体的含碳量较石墨的含碳量更接近合金成分的含碳量，故易形成渗碳体晶核。但在极其缓慢冷却条件下，或在合金中含有促进石墨化的元素时，在铁碳合金的结晶过程中，便会直接自液体或奥氏体中析出石墨相。因此，对铁碳合金的结晶过程来说，实际存在两种相图，即亚稳定状态的,Fe-Fe,3,C,相图和稳定的,Fe-G,相图,铸铁的石墨化过程,铁碳合金按照,Fe-G,相图进行结晶，则可分为如下三个阶段：,第一阶段：即在,1153,时通过共晶反应而形成石墨,第二阶段：即在范围内冷却过程中自奥氏体中不断析出二次石墨。,第三阶段：即在通过共析反应而形成石墨,一般，铸铁在高温冷却过程中，由于具有较高的原子扩散能力，故其第一和第二阶段的石墨化是较容易进行的，而在较低温度下的第三阶段的石墨化，则常因铸铁的成分及冷却速度等条件的不同，会被部分或全部抑制，从而得到三种不同的组织，即：,F+G,，,F+P+G,，,P+G,铸铁组织与石墨化进行程度之间的关系见表,3-18,1.2,影响石墨化过程的因素,1,化学成分的影响,铸铁中的碳、硅、锰、硫、磷等元素对石墨化有不同影响,其中碳、硅、磷是促进石墨化的元素，锰和硫是阻碍石墨化的元素,在一般铸造条件下，铸铁中较高的含碳量是石墨化的必要条件，而一定的含硅量是石墨化的充分条件，碳与硅含量越高越易石墨化；若碳、硅含量过低则易出现白口；如果碳、硅含量过高，将导致石墨数量多且粗大，基体内铁素体量多，铸铁的力学性能下降。故以碳含量,3%,3.5%,，硅含量为,1.452.4%,最为多见。,硫、磷作为有害杂质，一般限制在,0.1%0.15%,以下。,锰能抵消硫的有害作用；余量还可溶入铁素体和渗碳体，提高基体的强度和硬度；过多的锰则起阻碍石墨化作用。,0.6-1.2%,铸件的冷却速度对石墨化的影响也很大，即冷却愈慢，愈有利于扩散，对石墨化便愈有利，而快冷则阻止石墨化,在铸造时，除了造型材料和铸造工艺影响冷却速度以外，铸件的壁厚不同也会具有不同的冷却速度，也会得到不同的组织。如图所示,2,温度及冷却速度的影响,1.3,铸铁的分类,工业上使用的铸铁种类很多,按照石墨的形态和组织性能,铸铁可分为,:,普通灰铸铁,球墨铸铁,蠕墨铸铁,可锻铸铁,合金铸铁,1.4,灰口铸铁,1,灰口铸铁的化学和组织特征,2,灰口铸铁的牌号、性能及用途,3,灰铸铁的孕育处理,1,灰口铸铁的化学和组织特征,在生产中，为使铸铁浇注后得到灰口，且不至含有过多和粗大的片状石墨，通常把铸铁的成分控制在：,w,C,=2.5%4.0%,，,w,Si,=1.0%3.0%,，,w,Mn,=0.25%1.0%,，,w,S,=0.02%0.2%,，,w,P,=0.05%0.5%,。,具有上述成分范围的铁液在进行缓慢冷却凝固时，将发生石墨化，析出片状石墨，其断口呈黑灰色。,若铁水中的碳、硅含量低，铸件容易出现白口组织，白口组织往往出现在铸件的表面层和薄壁处。普通灰口铸铁的组织是由片状石墨和钢的基体两部分组成的。,根据不同阶段石墨化程度的不同，灰口铸铁有三种不同的基体组织，如下图所示,2,灰口铸铁的牌号、性能及用途,从表可以看出，在同一牌号中，随铸件壁厚的增加，其抗拉强度降低。因此，根据零件的性能要求选择铸铁牌号时，必须同时注意到零件的壁厚尺寸。,灰口铸铁的性能与碳钢相比，具有如下特点：,（,1,）力学性能低,其抗拉强度和塑性、韧性都远远低于钢。这是由于灰口铸铁中片状石墨的存在，不仅在其尖端处引起应力集中，而且破坏了基体的连续性。石墨片的量愈多，尺寸愈大其影响也愈大。但是，石墨的存在对抗压强度影响不大，其抗压强度是抗拉强度的,2.54,倍。所以常用灰口铸铁制造机床床身、底座等耐压零部件。,（,2,）耐磨性与减振性好，缺口敏感性小,由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所以耐磨性好。同样，由于石墨的存在，灰铸铁的减振性优于钢。,灰口铸铁的减振性好，减震能力是钢的,5-10,倍，是制造床身、机座的好材料。,（,3,）工艺性能好,由于灰铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故熔点比较低，流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件。另外，由于石墨使切削加工时易断屑。所以灰铸铁的可切削加工性优于钢,3,灰铸铁的孕育处理,表中,HT250,、,HT300,、,HT350,属于较高强度的孕育铸铁（也称变质铸铁），这是普通铸铁通过孕育处理而得到的。由于在铸造之前向铁液中加入了孕育剂（或称变质剂），因此结晶时石墨晶核数目增多，石墨片尺寸变小，更为均匀地分布在基体中。所以其显微组织是在细珠光体基体上分布着细小片状石墨。铸铁变质剂或孕育剂一般为硅铁合金或硅钙合金小颗粒或粉，加入量为铁水总量的,0.4%,，当变质剂加入铸铁液内后立即形成,SiO2,的固体小质点，铸铁中的碳以这些小质点为核心形成细小的片状石墨。,铸铁经孕育处理后不仅强度有较大提高，而且塑性和韧性也有所改善。,由于孕育剂的加入，还可使铸铁对冷却速度的敏感性显著减少，使各部位都能得到均匀一致的组织。,孕育铸铁常用来制造力学性能要求较高、截面尺寸变化较大的铸件,1.5,球墨铸铁,在浇注前向铁液中加入一定量的球化剂（如镁、稀土或稀土镁）和少量的孕育剂（硅铁和硅钙）进行球化处理和孕育处理，在浇注后可获得具有球状石墨结晶铸铁，称为,球墨铸铁,，简称“球铁”,1,球墨铸铁的化学成分和组织特征,2,球墨铸铁的牌号、性能特点及用途,1,球墨铸铁的化学成分和组织特征,球墨铸铁的大致化学成分范围是：,w,C,=3.6%3.9%,，,w,Si,=2.0%3.0%,，,w,Mn,=0.3%0.8%,，,w,P,0.1%,，,w,S,0.07%,，,w,Mg,=0.03%0.08%,球墨铸铁的成分特点是：,碳当量较高（一般在,4.34.6%,），含硫量较低。,高碳当量是为了使它得到共晶左右的成分，具有良好的流动性；而低硫则是因为硫与球化剂（,Mg,及,RE,）具有很强的亲和力，会消耗球化剂，从而造成球化不良。由于球化剂的加入将阻碍石墨化，并使共晶点右移造成流动性下降，所以必须严格控制其含量。,球墨铸铁的显微组织由球形石墨和金属基体两部分组成。,随着成分和冷却速度的不同球墨铸铁在固态下的金属基体可分为铁素体、铁素体,+,珠光体、珠光体三种。,2,球墨铸铁的牌号、性能特点及用途,在球墨铸铁中，由于球形石墨对金属基截面削弱作用较小，使得基体比较连续。而且，在拉伸时，应力集中明显减弱，从而使基体强度利用率可达,7090%,，而在灰口铸铁中基本的强度利用率仅为,3050%,，故球墨铸铁的,强度、塑性和韧性都超过灰口铸铁,，球铁的刚性也比灰口铸铁好。球墨铸铁不仅具有远远超过灰口铸铁的机械性能，而且同样也具有灰口铸铁的一系列优点，如良好的铸造性，耐磨性，切削加工性及低的缺口敏感性等；甚至在某些性能方面可与锻钢相媲美，如疲劳强度大致与中碳钢相近，耐磨性优于表面淬火钢等。但球铁的减振能力比灰铸铁低很多。,由于球铁中金属基体是决定球铁力学性能的主要因素，所以球铁可通过合金化和热处理强化的方法进一步提高它的力学性能。因此，球铁可以在一定条件下代替铸钢、锻钢等，用以制造受力复杂、负荷较大和要求耐磨的铸件。,1.6,蠕墨铸铁,蠕墨铸铁是近年来发展起来的一种新型工程材料。它是由铁液经,变质处理和孕育处理,冷却凝固后所获得的一种铸铁。通常采用的变质元素（又称蠕化剂）有稀土硅铁镁合金、稀土硅铁合金、稀土硅铁钙合金或混合稀土等。然后加入少量的孕育剂（硅铁）以促进石墨化，使铸铁中的石墨具有介于片状和球状间的形态,1,蠕墨铸铁的化学成分和组织特征,2,蠕墨铸铁的牌号、性能特点及用途,1,蠕墨铸铁的化学成分和组织特征,蠕墨铸铁的化学成分一般为,w,C,=3.4%3.6%,，,w,Si,=2.4%3.0%,，,w,Mn,=0.4%0.6%,，,w,S,0.06%,，,w,P,0.07%,。,蠕墨铸铁的石墨形态介于片状和球状石墨之间。蠕墨铸铁的石墨形态在光学显微镜下看起来像片状，但不同于灰铸铁的是其片较短而厚、头部较圆（形似蠕虫）。所以可以认为蠕虫状石墨是一种过渡型石墨,2,蠕墨铸铁的牌号、性能特点及用途,蠕墨铸铁的牌号、力学性能及用途如表所示。,牌号中“,RuT,”,是“蠕铁”二字汉语拼音的大写字头，为蠕墨铸铁代号；在“,RuT,”,后面的数字表示最低抗拉强度。,表中的“蠕化率”为在有代表性的显微视野内，蠕虫状石墨数目与全部石墨数目的百分比,1.7,可锻铸铁,可锻铸铁中是由,白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火而获得的一种具有团絮状石墨的高强度铸铁，又叫马铁,。,由于可锻铸铁中石墨呈团絮状，所以明显减轻了石墨对基体金属的割裂。与灰铸铁相比，可锻铸铁的强度和韧性有明显提高。,应该指出可锻铸铁不能用锻造方法制成零件 。,1,可锻铸铁的化学成分和组织特征,2,可锻铸铁的牌号、性能特点及用途,1.,可锻铸铁的化学成分和组织特征,可锻铸铁的生产过程是：先铸造成白口铸铁。再进行“石墨化”退火,如果铸铁没有完全白口化而出现了片状石墨，则在随后的退火过程中，则会因为从渗碳体中分解出的石墨沿片状石墨析出而得不到团絮状石墨。所以可锻铸铁的碳、硅含量不能太高，以促使铸铁完全白口化；但碳、硅含量也不能太低，否则使石墨化退火困难，退火周期增长。,可锻铸铁的化学成分大致为：,w,C,=2.5%3.2%,，,w,Si,=0.6%1.3%,，,w,Mn,=0.4%0.6%,，,w,P,=0.10.26%,，,w,S,=0.05%1.0%,铁素体基体,+,团絮状石墨的可锻铸铁断口呈黑灰色，俗称,黑心可锻铸铁,，这种铸铁件的强度与延展性均较灰铸铁的高，非常适合铸造薄壁零件，是最为常用的一种可锻铸铁。,珠光体基体或珠光体与少量铁素体共存的基体,+,团絮状石墨的可锻铸铁件断口呈白色俗称,白心可锻铸铁,，这种可锻铸铁应用不多 。,退火后白口铁中的渗碳体分解为团絮状石墨，得到铁素体基体,+,团絮状石墨或珠光体（亦或珠光体及少量铁素体）基体,+,团絮状石墨。,可锻铸铁的石墨化退火是将白口铸铁件加热到,900980,温度，一般保温,6080h,。炉冷使其中渗碳体分解，让“第一阶段石墨化”充分进行，形成团絮状石墨。,待炉冷至,770650,，再长时间保温，让“第二阶段石墨化”充分进行，这样处理后获得“黑心可锻铸铁”。,若取消第二阶段的,770650,长时间保温，只让第一阶段石墨化充分进行，炉冷后便获得珠光体基体或珠光体与少量铁素体共存的基体,+,团絮状石墨的“白心可锻铸铁”,2,可锻铸铁的牌号、性能特点及用途,可锻铸铁的牌号、性能特点及用途见表。牌号中的“,KT”,是“可铁”二字汉语拼音的大写字头，为可锻铸铁代号，“,H”,表示“黑心”，“,Z”,表示珠光体基体；后面的两组数字分别表示最低抗拉强度和最低延伸率,可锻铸铁的力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间，有较好的耐蚀性，但由于退火时间长，生产效率极低，使用受到限制，故一般用于制造形状复杂、承受冲击，并且壁厚,25mm,的铸件（如汽车、拖拉机的后桥壳、轮彀等）,可锻铸铁亦适用于制造在潮湿空气、炉气和水等介质中工作的零件，如管接头、阀门等,1.8,合金铸铁,在普通铸铁的基础上加入一定时的合金元素，制成特殊性能铸铁（合金铸铁）。它与特殊性能钢相比，熔炼简便，成本较低。缺点是脆性较大，综合力学性能不如钢。合金铸铁具有一般铸铁不具备的耐高温、耐腐蚀、抗磨损等特性,1,耐磨铸铁,2,耐热铸铁,3,耐蚀铸铁,1.9,铸铁熔炼设备,熔炼铸铁的设备有：冲天炉、反射炉、电弧炉、工频炉等，其中以,冲天炉,应用最广。,铸钢的熔炼必须采用炼钢炉，如电弧炉、感应电炉、平炉。,在一般铸造车间中，铜、铝合金多采用以焦碳为燃料的,坩埚炉,来熔化 。,a,） 堤坝式包底冲入法,b),型内球化法,第二节 铸钢件的生产,铸钢也是一种重要的铸造合金。铸钢件的年产量仅次于灰铸铁件，约为可锻铸铁件和球墨铸铁件的总和。,一、铸钢的类别和性能,按照化学成分，铸钢可分为铸造碳钢和铸造合金钢两大类,。,其中铸造碳钢应用较广，约占铸钢件总产量的,80,以上。表,26,所示为常用铸造碳钢的牌号、成分和力学性能。,铸钢的铸造性能和工艺特点,铸钢的综合机械性能高于各类铸铁。,因而，适于制造形状复杂、强度和韧性要求都高的零件。如锻锤机架和砧座、轧辊等。,铸钢的焊接性能好,，便于采用铸,焊联合结构制造形状复杂的巨型铸件。,铸钢的铸造性能低于灰口铸铁。,体现为浇注温度高，流动性差，收缩率大。所以，铸钢件生产中，一般来说，都要安置冒口和冷铁，使之实现顺序凝固。铸钢件必须进行正火或退火处理。,二、铸钢件的生产特点,1,钢的熔炼,铸钢的熔炼必须采用炼钢炉。,如电弧炉、感应电炉等。,2,铸造工艺,钢的浇注温度高、流动性差，钢水易氧化和吸气，同时，其体积收缩率约为灰铸铁的,2,3,倍，因此，铸造性能差，容易产生浇不足、气孔、缩孔、缩松、热裂、粘砂等缺陷。为防止上述缺陷的产生，必须在工艺上采取相应的措施。,铸钢用型砂应有高的耐火度和抗粘砂性，以及高的强度、透气性和退让性，通常要采用颗粒大而均匀的硅砂，型腔表面要涂以硅粉或锆石粉涂料，大件多采用干砂型或水玻璃砂快干型。此外，型砂中还常加入糖浆、木屑等，以提高强度和退让性。,铸钢件的浇注系统和冒口的安置对铸件质量有很大影响，必须使之既能防止缩孔、缩松，又能防止裂纹。一般说来，铸钢件都要安置冒口，有时还需冷铁，使之实现定向凝固。,ZG25,齿圈的铸造工艺方案,该齿圈尽管壁厚均匀，但因壁厚较大,(80 mm),，心部仍有可能产生缩孔和缩松，故需采用,冒口,使其定向凝固。由于冒口的补缩距离有限，为此，在各冒口之间还需安置,冷铁,，使齿圈形成三个补缩区。此时，浇入的钢水首先在冷铁处凝固，形成朝着冒口方向的定向凝固，使齿圈上各部分的收缩都能得到金属液的补充。可以看出，铸钢件的冒口将消耗大量的钢水,(,一般为铸件重量的,25,50,),，并增大造型和切割冒口的工作量。,3,铸钢件的热处理,铸钢件的晶粒粗大、组织不均，常存有残余内应力，致使铸件的强度、特别是塑性和韧性不够高。,铸后必须进行,正火或退火,。,第三节 铜、铝合金铸件生产,铜、铝合金具有优良的物理性能和化学性能，因此也常用来制造铸件。,一、铸造铜合金,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（,黄铜、青铜,）。,黄铜,黄铜,是以,锌,为主加元素的铜合金。,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，故黄铜的含锌量小于,47,。,铸造黄铜除含锌外，还常含有硅、锰、铝、铅等合金元素。,铸造黄铜的,力学性能,多比青铜高，而价格却较青铜低。,铸造黄铜常用于一般,用途,的轴瓦、衬套、齿轮等耐磨件和阀门等耐蚀件。,青铜,青铜,是铜与锌以外的元素所组成的合金统称。,锡青铜：,铜,和,锡,的合金是最普通的青铜，称锡青铜。,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、耐蚀件。,二、铸造铝合金,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、铝镁合金及铝锌合金四类。,铝硅合金又称硅铝明，其流动性好、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。铝硅合金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。铝铜合金的铸造性能较差，如热裂倾向大，气密性和耐蚀性较差，但耐热性较好，主要用于制造活塞、气缸头等。,三、铜、铝合金铸件的生产特点,铜、铝合金的熔化特点是金属料与燃料不直接接触，以减少金属的损耗和保证金属的纯洁。在一般铸造车间，,铜、铝合金多采用以焦炭为燃料的坩埚炉来熔化。,1,铜合金的熔化,铜合金在液态下极易氧化，形成的氧化物,(Cu,2,0),因溶解在铜内而使合金的性能下降。为防止铜的氧化，熔化青铜时应加熔剂以覆盖铜液。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,磷铜来脱氧。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,铝合金的熔化,铝合金在液态下也极易氧化，形成的氧化产物,Al,2,0,3,的熔点高达,2 050,，密度稍大于铝，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，可向坩埚内加入,KCl,、,NaCl,等作为熔剂，以便将铝液与炉气隔离。为了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,。,简便的方法是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，反应后生成,AlCl,3,气泡，这些气泡在上浮过程中可将氢气及部分,Al,2,0,3,夹杂一并带出铝液。,