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铸造知识

第一章铸造工艺基础

§1液态合金的充型

充型:

液态合金填充铸型的过程.

充型能力:

液态合金充满铸型型腔,获得形状完整,轮廓清晰的铸件的能力

充型能力不足:

易产生:

浇不足:

不能得到完整的零件.

冷隔:

没完整融合缝隙或凹坑,机械性能下降.

           一合金的流动性

  液态金属本身的流动性----合金流动性

    1流动性对铸件质量影响

1）   流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件.

2）   流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮,排除.

3）   流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩.

    2测定流动性的方法:

  以螺旋形试件的长度来测定:

如灰口铁:

浇铸温度1300℃试件长1800mm.

铸钢:

          1600℃       100mm

    3影响流动性的因素

 主要是化学成分:

1）   纯金属流动性好:

一定温度下结晶,凝固层表面平滑,对液流阻力小

2）   共晶成分流动性好:

恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点低,过热度大.

3）    非共晶成分流动性差:

结晶在一定温度范围内进行,初生数枝状晶阻碍液流

                    二浇注条件

   1浇注温度:

t↑合金粘度下降,过热度高.合金在铸件中保持流动的时间长,

∴ t↑提高充型能力.但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不宜过高

   2充型压力:

液态合金在流动方向上所受的压力↑充型能力↑

如砂形铸造---直浇道,静压力.压力铸造,离心铸造等充型压力高.

                    三铸型条件

 1铸型结构:

若不合理,如壁厚小,直浇口低,浇口小等 充↓

 2铸型导热能力:

导热↑金属降温快,充↓ 如金属型

 3铸型温度:

t↑充↑  如金属型预热

 4铸型中气体:

排气能力↑充↑减少气体来源,提高透气性,少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力,有利于充型.

§2铸件的凝固和收缩

      铸件的凝固过程如果没有合理的控制,铸件易产生缩孔,缩松

              一铸件的凝固

      1凝固方式:

 铸件凝固过程中,其断面上一般分为三个区:

1—固相区2—凝固区3—液相区

对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄,依此划分凝固方式.

1）    逐层凝固:

纯金属,共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区,断面液,固两相由一条界限清楚分开,随温度下降,固相层不断增加,液相层不断减少,直达中心.

2）    糊状凝固

合金结晶温度范围很宽,在凝固某段时间内,铸件表面不存在固体层,凝固区贯穿整个断面,先糊状,后固化.故---

3）    中间凝固

大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间.

       2影响铸件凝固方式的因素

1）   合金的结晶温度范围

范围小:

凝固区窄,愈倾向于逐层凝固

如:

砂型铸造,低碳钢逐层凝固,高碳钢糊状凝固

2）   铸件的温度梯度

合金结晶温度范围一定时,凝固区宽度取决于铸件内外层的温度梯度.

温度梯度愈小,凝固区愈宽.（内外温差大,冷却快,凝固区窄）

                 二合金的收缩

  液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体积和尺寸减少的现象---.是铸件许多缺陷（缩孔,缩松,裂纹,变形,残余应力）产生的基本原因.

      1收缩的几个阶段

1）   液态收缩:

从金属液浇入铸型到开始凝固之前.液态收缩减少的体积与浇注温度质开始凝固的温度的温差成正比.

2）   凝固收缩:

从凝固开始到凝固完毕.同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如:

35钢,体积收缩率3.0%,45钢4.3%

3）    固态收缩:

凝固以后到常温. 固态收缩影响铸件尺寸,故用线收缩表示.

       2影响收缩的因素

1）    化学成分:

铸铁中促进石墨形成的元素增加,收缩减少.如:

灰口铁C,Si↑,收↓,S↑收↑.因石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩.

2）   浇注温度:

温度↑液态收缩↑

3）   铸件结构与铸型条件

铸件在铸型中收缩会受铸型和型芯的阻碍.实际收缩小于自由收缩.∴铸型要有好的退让性.

       3缩孔形成

在铸件最后凝固的地方出现一些空洞,集中—缩孔.纯金属,共晶成分易产生缩孔

*产生缩孔的基本原因:

铸件在凝固冷却期间,金属的液态及凝固受缩之和远远大于固态收缩.

        4影响缩孔容积的因素（补充）

1）   液态收缩,凝固收缩↑缩孔容积↑

2）   凝固期间,固态收缩↑,缩孔容积↓

3）   浇注速度↓ 缩孔容积↓

4）   浇注速度↑ 液态收缩↑易产生缩孔

        5缩松的形成

 由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足,或者,因合金呈糊状凝固,被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所至.

1）   宏观缩松

肉眼可见,往往出现在缩孔附近,或铸件截面的中心.非共晶成分,结晶范围愈宽,愈易形成缩松.

2）   微观缩松

凝固过程中,晶粒之间形成微小孔洞---

凝固区,先形成的枝晶把金属液分割成许多微小孤立部分,冷凝时收缩,形成晶间微小孔洞. 凝固区愈宽,愈易形成微观缩松,对铸件危害不大,故不列为缺陷,但对气密性,机械性能等要求较高的铸件,则必须设法减少.（先凝固的收缩比后凝固的小,因后凝固的有液,凝,固三个收缩,先凝固的有凝,固二个收缩区----这也是形成微观缩松的基本原因.与缩孔形成基本原因类似）

        6缩孔,缩松的防止办法

 基本原则:

制定合理工艺—补缩,缩松转化成缩孔.

 顺序凝固:

冒口—补缩

 同时凝固:

冷铁—厚处.减小热应力,但心部缩松,故用于收缩小的合金.

l            安置冒口,实行顺序凝固,可有效的防止缩孔,但冒口浪费金属,浪费工时,是铸件成本增加.而且,铸件内应力加大,易于产生变形和裂纹.∴主要用于凝固收缩大,结晶间隔小的合金.

l            非共晶成分合金,先结晶树枝晶,阻碍金属流动,冒口作用甚小.

l            对于结晶温度范围甚宽的合金,由于倾向于糊状凝固,结晶开始之后,发达的树枝状骨状布满整个截面,使冒口补缩道路受阻,因而难避免显微缩松的产生.显然,选用近共晶成分和结晶范围较窄的合金生产铸件是适宜的.

§3铸造内应力,变形和裂纹

 凝固之后的继续冷却过程中,其固态收缩若受到阻碍,铸件内部就发生内应力,内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因.（有时相变膨胀受阻,负收缩）

                   一内应力形成

       1热应力:

铸件厚度不均,冷速不同,收缩不一致产生.

 塑性状态:

金属在高于再结晶温度以上的固态冷却阶段,受力变形,产生加工硬化,同时发生的再结晶降硬化抵消,内应力自行消失.（简单说,处于屈服状态,受力—变形无应力）

 弹性状态:

低于再结晶温度,外力作用下,金属发生弹性变形,变形后应力继续存在.

举例:

a）凝固开始,粗细处都为塑性状态,无内应力

∵两杆冷速不同,细杆快,收缩大,∵受粗杆限制,

不能自由收缩,相对被拉长,粗杆相对被压缩,结果

两杆等量收缩.

b）细杆冷速大,先进如弹性阶段,而粗杆仍为塑性阶段,随细杆收缩发生塑性收缩,无应力.

c）细杆收缩先停止,粗杆继续收缩,压迫细杆,而细杆又阻止粗杆的收缩,至室温,粗杆受拉应力（+）,（-）

 由此可见,各部分的温差越大,热应力也越大,冷却较慢的部分形成拉应力,冷却较快的部分形成压应力.

预防方法:

1壁厚均匀2同时凝固—薄处设浇口,厚处放冷铁

优点:

省冒口,省工,省料

缺点:

心部易出现缩孔或缩松,应用于灰铁锡青铜,因灰铁缩孔、缩松倾向小，锡青铜糊状凝固，用顺序凝固也难以有效地消除其显微缩松。

        2机械应力

合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应力。

机械应力是暂时的,落砂后,就自行消失.*机械应力与热应力共同作用,可能使某些部位增加了裂纹倾向.

预防方法:

提高铸型和型芯的退让性.

        3相变应力

 冷却过程中,固态相变时,体积会发生变化.如A—P,A—P体积会增大,Fe3C—石墨,体积↑. 若体积变化受阻.则产生内应力---

铁碳合金三种应力在铸件不同部位情况如下表:

铸件部位

热应力

相变应力

机械应力

共析转变

石墨化

落砂前

落砂后

薄或外层

-

   +

 +

+

 0

厚或内层

+

   -

 -

 +

 0

前面讲过预防应力方法,若产生应力,还可通过自然时效和人工时效的方法消除应力.

              二变形与防止

 铸件通过自由变形来松弛内应力,自发过程.铸件厂发生不同程度的变形.

举例:

平板铸件

∵平板中心散热慢,受拉力.平板下部冷却慢.

∴发生如图所示变形

 防止方法:

1壁厚均匀,形状对称,同时凝固.2反变形法（长件,易变形件）

残余应力:

 自然时效, 人工时效---低温退火 550—650℃

              三铸件的裂纹与防止

 铸件内应力超过强度极限时,铸件便发生裂纹.

  1热裂纹:

高温下形成裂纹

  特征:

裂纹短,缝宽,形状曲折.缝内呈氧化色,无金属光泽,裂缝沿晶粒边界通过,多发生在应力集中或凝固处. 灰铁,球铁热裂少,铸钢,铸铝,白口铁大.

  原因:

1 凝固末期,合金呈完整骨架+液体,强,塑↓

        2  含S—热脆  3 退让性不好

预防:

 设计结构合理, 改善退让性,  控制含S量

   2冷裂纹:

 低温下裂纹

 特征:

裂纹细,连续直线状或圆滑曲线,裂口表面干静,具有金属光泽,有时里轻微氧化色

 原因:

复杂大工件受拉应力部位和应力集中处易发生;材料塑性差; P—冷脆

 预防:

合理设计,减少内应力,控制P含量,提高退让性

§4 铸件中的气体

      常见缺陷,废品1/3.气体在铸件中形成孔洞.

             一气孔对铸件质量的影响

 1破坏金属连续性  

 2较少承载有效面积

 3气孔附近易引起应力集中,机械性能↓αk σ-1 ↓

 4弥散孔,气密性↓

              二分类（按气体来源）

 1侵入气孔:

砂型材料表面聚集的气体侵入金属液体中而形成.

    气体来源:

造型材料中水分,粘结剂,各种附加物.

       特征:

多位于表面附近,尺寸较大,呈椭圆形或梨形孔的内表面被氧化.

    形成过程:

浇注---水汽（一部分由分型面,通气孔排出,另一部分在表面聚集呈高压中心点）—气压升高.溶入金属---一部分从金属液中逸出—浇口,其余在铸件内部,形成气孔.

   预防:

降低型砂（型芯砂）的发起量,增加铸型排气能力.

 2析出气孔:

溶于金属液中的气体在冷凝过程中,因气体溶解度下降而析出,使铸件形成气孔.

     原因:

金属熔化和浇注中与气体接触（H2 O2 NOCO等）

      特征:

分布广,气孔尺寸甚小,影响气密性

 3反应气孔:

金属液与铸型材料,型芯撑,冷铁或溶渣之间,因化学反应生成的气体而形成的气孔.

         如:

冷铁有锈  Fe3O4+C–Fe+CO↑ ∴冷铁附近生成气孔

   防止:

冷铁型芯撑表面不得有锈蚀,油污,要干燥.

                    §5铸件质量控制

  1合理选定铸造合金和铸件结构.

  2合理制定铸件技术要求（允许缺陷,具有规定）

  3模型质量检验（模型合格—铸件合格）

  4铸件质量检验（宏观,仪器）

  5铸件热处理:

消除应力, 降低硬度,提高切削性,保证机械性能,退火,正火等

　                                      第二章 常用铸造合金

                                      §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Si75%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:

∵SiMn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

10~20

20~30

30~50

130

100

90

80

110~167

93~140

87~131

82~122

HT150

2.5~10

10~20

20~30

30~50

175

145

130

120

136~205

119~179

110~167

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

cS↓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