常用铸造合金及其熔炼.ppt

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1、1,第二章 常用铸造合金及其熔炼,2,本章主要内容与目的：了解铸钢、铸铁的生产过程。了解铸铁的分类。理解铸铁石墨化及影响因素。掌握普通灰口铁、孕育铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕虫铸铁的生产特点、牌号、性能。,钢铁的生产过程影片,3,第一节 钢铁的生产过程,钢铁的生产过程是一个由铁矿石练成生铁、由生铁练成钢液并浇注成钢锭的过程。,一、炼铁,铁矿石、焦炭、石灰石生铁钢水钢锭,在高炉中进行:,铁矿石+焦碳+石灰石 炉料 高炉,预热9001200 焦碳燃烧，产生CO 加热炉料，发生反应,4,还原反应:,造渣反应:,渗碳反应:,C、CO将FeO中氧分离还原Fe,CaO+SiO2=CaSiO3（炉渣）,Fe

2、吸收焦碳中C含C高，熔点低的生铁水,炼钢生铁用于炼钢（大多数）铸造生铁熔炼铸钢（少量）,5,平炉钢转炉钢电炉钢,按 炉 别 分,二、炼钢,1.钢的熔炼方法,钢与生铁在化学成分上主要区别：,钢含C量低（1.4%）,Si,Mn S,P杂质低,炼钢主要任务 生铁多余的C、杂质氧化物,沸腾钢镇静钢半镇静钢特殊镇静钢,按 脱 氧 程 度分,6,转炉炼钢冶炼普通低碳钢平炉炼钢普通优质碳素结构钢、低合金钢电炉炼钢优质钢（成本高）（感应电炉或电弧炉）,炼钢设备不同，分为,炼钢,7,沸腾钢：在冶炼时脱氧不充分，浇注时C与O反应发生沸腾。,镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低。优质钢，合金钢的钢锭,半镇静钢：介于

3、前两者之间。,特殊镇静钢,用途：这类钢一般为低碳钢，主要用于制造用量大的冷冲压零件，如汽车外壳、仪器仪表外壳等。,特点：其塑性好、成本低、成材率高，但不致密，,8,镇静钢：浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收缩率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。,镇静钢的缺点是有集中缩孔，成材率低，价格较高。,镇静钢材主要用于低温下承受冲击的构件、焊接结构及其他要求强度较高的构件。,9,半镇静钢：为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。半镇静钢钢锭的结构与沸腾钢钢锭相似，而性能却与镇静钢钢锭相近，

4、成分偏析小，综合机械性能好。,10,Fe-C 合金分类,工业纯铁 C%0.0218%,钢（0.0218%C%2.11%）,亚共析钢 0.77%共析钢 0.77%过共析钢 0.77%,白口铸铁（2.11%C%6.69%）,亚共晶白口铁 4.3%共晶白口铁 4.3%过共晶白口铁 4.3%,第二节 工业中常用的铸造合金及其熔炼,11,铸铁 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

5、，灰口铸铁又可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。,第二节 工业中常用的铸造合金及其熔炼,12,第二节 工业中常用的铸造合金及其熔炼,一、铸铁及其熔炼铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金，铸造合金中 应用最广。铸铁是以铁、碳和硅为主要元素 的多元合金。常用成分范围见下表。,铸铁的常用成分范围,13,铸铁的分类,根据C铸铁中存在形式的不同：,白口铸铁：Fe3C麻口铸铁：Fe3C+G灰口铸铁：G,铸铁,由于白口铸铁具有良好的耐磨性，所以有时也用来制造一些耐磨件，如轧辊、粉碎机锤头、衬板、球磨机磨球和犁铧等。,白口铸铁：,碳全部以Fe3C的形式存在，断口呈银色。,14,灰 铸 铁：片状球墨铸铁

6、：球状可锻铸铁：团絮状蠕墨铸铁：蠕虫状,灰口铸铁：（根据G形态）,碳大部或全部以石墨形式存在，断口呈暗灰色。,灰口铸铁：,根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：,15,4蠕墨铸铁：其石墨呈蠕虫状。如图d所示。,a,b,c,d,1普通灰铸铁：简称灰铸铁，其石墨呈片状。,2可锻铸铁：其石墨呈团絮状。如图b所示。,3球墨铸铁：其石墨呈球状。如图c所示。,16,17,组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻点，故而得名。,麻口铸铁：,普通铸铁合金铸铁含Si4%、Mn2%，或Ti，V，Mo，Cr,Cu等,根据铸铁的化学成分，铸铁分为：,18,铸铁中的石墨化过

7、程,石墨组织的形成，称为铸铁的石墨化过程。,铁碳合金中，C的存在方式有两种：Fe3C 和 G（graphite）Fe3C是一种亚稳定相，G是一种稳定的相。Fe3C 3 Fe+C（高温）由于条件的不同，铁碳合金存在两种相图：Fe-Fe3C 亚稳系状态图，Fe-G 稳定系状态图,19,铁碳双重相图,为了便于比较，习惯上把两个相图画在一起。此种合二为一的相图称铁碳双重相图,0.68,2.08,1154,738,L+G,A+G,F+G,E,C,4.26,S,A,B,C,D,F,G,H,J,N,K,P,P,S,Q,L,E,L+,第三阶段石墨化,21,第一阶段(液态阶段)：LC AE+G第二阶段：A G第

8、三阶段：AS FP+G,铸铁的石墨化过程,共晶石墨,二次石墨,共析石墨,22,石墨化后得到的组织,灰口铸铁,23,白口铸铁,共晶合金的石墨化过程,24,麻口铸铁,25,各类铸铁经不同程度石墨化后得到的组织,26,Fe-C合金结晶过程中为什么一般形成Fe-Fe3C而不是Fe-G？,从热力学上，G比Fe3C要稳定；从动力学上，渗碳体的成分与铁液更接近，Fe的排列与A也有相似之处。,因而，A中析出渗碳体较易形核，而G的晶体结构与A相差较大，不易从A中形核和长大。铁碳合金中，C以何种形式存在取决于化学成分和冷却速度。,27,成分促进石墨化元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co等）阻碍石墨化元素（Cr、

9、W、Mo、V、Mn、S等）工艺(1)冷却速度：快速冷却按 Fe-Fe3C相图转变 缓慢冷却按 FeG 相图转变，石墨化充分(2)温度：高温长时间保温有利于石墨化,影响石墨化的主要因素：,28,影响石墨化程度的主要因素,(1)、化学成分,碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的元素。含碳愈高，析出的石墨愈多、石墨片愈粗大。,硅是强烈促进石墨化的元素，随着含硅量的增加，石墨显著增多。,所以：当铸铁中碳、硅含量均高 时，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金属基体中铁素体增多，珠光体减少。,碳以石墨形式析出的现象称为石墨化。,1）碳和硅,29,3）锰,所以：硫含量限制在 0.1-0.15%以下，高强度铸铁则应更

10、低。,使铸铁铸造性能恶化（如降低流动性，增大收率）。,锰是弱阻碍石墨化元素，具有稳定珠光体，提高铸铁强度和硬度的作用。,MnS,一般控制在 0.61.2%之间,4）磷,磷对铸铁的石墨化影响不显著。含磷过高将增加铸铁的冷脆性。,限制在 0.5%以下，高强度铸铁则限制在 0.2 0.3%以下。,2）硫,硫是强烈阻碍石墨化元素。,30,渗碳体的成分（碳含量）更接近于液态铸铁，与G相比，结构亦更近于A，在快冷时易得到渗碳体；而G是一种更稳定的相，在缓冷时易得到G。,(2)冷却速度,铸铁壁厚（mm）,（wC+wSi）%,白口铸铁,麻口铸铁,灰口铸铁,白口铸铁：,灰口铸铁：,麻口铸铁：,珠光体灰口铸铁,珠

11、光体+铁素体灰口铸铁,铁素体灰口铸铁,P+Fe3C+Le,P+Fe3C+G+Le,珠光体灰口铸铁：,铁素体灰口铸铁：,珠光体+铁素体灰口铸铁：,P+G片,P+F+G片,F+G片,31,(2)冷却速度,在实际生产中，一般是根据铸件的壁厚（主要部位的壁厚），选择适当的化学成分（主要指碳、硅），以获得所需要的组织。,由此可知：随着壁厚的增加，石墨片的数量和尺寸都增大，铸铁强度、硬度反而下降。这一现象称为壁厚（对力学性能的）敏感性。,铸件壁愈厚，冷却速度愈慢，则石墨化倾向愈大，愈易得到粗大的石墨片和铁素体基体。,32,石墨的结晶特点,在简单六方晶体中,碳原子是分层排列同一层上的原子间距小(0.142n

12、m),结合力强层间原子间距大(0.340nm)结合力弱,容易形成片状石墨,石墨的晶体结构,（1）石墨对灰铸铁性能的影响,1.灰铸铁,33,力学性能,Fe3C 硬而脆,硬度800HB，能轻易划破玻璃，塑性几乎为零。,G 抗拉强度约为20MPa、伸长率和韧性几乎为零，硬度仅为3HB。,铸铁的力学性能主要取决于基体组织及石墨的数量、形状、大小和分布。,分布于基体上的石墨可视为空洞或裂纹.,34,切削性能好。,力学性能低。,铸铁的性能特点,G 分布于基体中 空洞、裂纹 有效承载面积降低、受力时石墨尖端处产生应力集中 力学性比碳钢,石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油。,石墨可以吸收振动能量，对振动的传

13、递起削弱作用。,铸铁的成分接近共晶成分，因此铸铁的熔点低（约为1200左右），液态流动性好,石墨强度、硬度、塑性低。,耐磨性能好。,消振性能好。,铸造性能好。,35,灰铸铁的成分、组织：,成分：2.54.0%C；1.02.5%Si；少量Mn、S、P 等。组织：F+G（片）；F+P+G(片)；P+G(片)；,普通灰铸铁的成分靠近共晶点，熔点低，具有良好的流动性，且收缩率小，不易产生缩孔的缺陷。铸造性好,36,灰铸铁的显微组织对比,F+G,P+G,F+P+G,37,灰铸铁性能特征：,机械性能抗拉强度、弹性模量较低MPa 塑性、韧性近于零脆性材料 但抗压强度与钢相近（600 800MPa）石墨愈多、

14、愈粗大机械性能愈差工艺性能脆性材料，不能锻造和冲压，可焊性较差，但铸造性能优良，切削加工性能好（崩碎切屑）减震性减震能力为钢的510倍 机床床身、机座耐磨性石墨润滑作用，比钢好导轨、衬套，活塞环等缺口敏感性低，疲劳强度影响小。,38,普通灰铸铁的主要缺点不仅仅是石墨片粗大，力学性能低，更重要的是铸件组织对冷却速度很敏感。,同一铸件薄截面上可能出现白口或麻口组织，而厚截面上则可能出现大量的石墨片或过量的F，结果力学性能不均匀。,为了解决麻口问题，生产上采用孕育处理或称变质处理,（2）灰铸铁的孕育处理,39,孕育处理熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳（2.7%3.3%）、低硅（1.02.0）的高温铁

15、水，向铁水中冲入细颗粒的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然提高，从而得到在细晶粒珠光体上均匀的分布着细片状石墨的组织。孕育铸铁（变质铸铁）,40,常用的孕育剂为:,Si-Fe合金或Si-Ca合金,含硅75%的硅铁(或硅钙）合金，加入量为铁水重量的0.25-0.6%。,41,孕育铸铁的组织,孕育铸铁的组织为细P基体上加细小均匀分布的片状石墨。并使铸件各部位得到均匀一致的组织。,孕育铸铁组织：P细+G细片,性能：b=250-400Mpa，HB=170-270，0,42,冷却速度对其组织和性能的影响很小。,43,静载荷下，要求较高强度、硬度、耐磨性或气密性的铸件，特别

16、是厚大截面铸件。如重型机床床身，汽缸体、缸套及液压件等。,必须指出：孕育铸铁原铁水的碳、硅含量不能太高；原铁水出炉温度不应低于1400；经孕育处理后的铁水必须尽快浇注，以防止孕育作用衰退。,孕育铸铁适用于:,44,灰铸铁的牌号选用,灰铸铁的牌号用汉语拼音“HT”和一组数字表示，数字表示其最低抗拉强度b（Mpa）。,灰铸铁件的生产特点,1）灰铸铁一般在冲天炉中熔炼，成本低廉；,2）具有良好的铸造性能。,3）灰口铸铁一般不通过热处理来提高其性能。,（3）灰铸铁生产特点及牌号选用,45,按照GB/T9439-1988规定，灰铸铁的牌号用,牌号,HT,如：HT150灰口铸铁，最低抗拉强度为150MPa

17、,46,47,制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。,用途,48,2、可锻铸铁,可锻铸铁是先将铁水浇铸成白口铸铁，然后经石墨化退火，使渗碳体发生分解形成团絮状石墨的一种韧性铸铁。可锻铸铁的延伸率可达=12%,可锻铸铁的生产分为两步：,浇注成纯白口铸铁,石墨化退火,49,（1）可锻铸铁的生产特点,浇注成纯白口铸铁,1）碳、硅含量要低。通常为2.42.8%C，1.41.8%Si。,2）冷却速度要快。壁厚不得太厚、铸件尺寸不能太大。,石墨化退火,920-980,720,650,P+G团,F+G团,石墨化退火的总周期一般为4070小时,高温阶段的石墨化退火时间需10-20小

18、时,50,生产特点：,碳，硅含量低，凝固温度范围大流动性 冷隔、浇不足等缺陷。浇注温度没有石墨化膨胀阶段收缩大产生缩孔、缩松、变形与裂纹。定向凝固、设置冒口、冷铁和提高铸型、型心的退让性。生产过程复杂，周期长，能耗大，铸件成本高。,51,（2）可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用,可锻铸铁的组织,根据基体组织的不同，可分为铁素体（黑心）可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。,52,性能及用途,其强度、硬度、耐磨性优良，并可通过淬火、调质等热处理强化。可取代锻钢制造小型连杆、曲轴等重要件。,2）珠光体（P+G团）：,具有良好的塑性和韧性，耐蚀性较高，适于制造承受振动和冲击、形状复杂的薄壁小件，如汽车拖拉机的底盘

19、类零件、各种水管接头、农机件等。,1）铁素体（黑心）可锻铸铁（F+G团）：,53,可锻铸铁的牌号,可锻铸铁的牌号用汉语拼音和两组数字表示，第一组数字表示其最低抗拉强度b（Mpa），第二组数字表示其最低伸长率。,KTH300 06,KTZ450 06,主要用于生产形状复杂、承受冲击载荷的薄壁小件。,54,55,56,球墨铸铁(ductile cost iron)是向高温的铁液中加入一定量的球化剂和孕育剂，直接得到球状石墨而得到的铸铁.,3、球墨铸铁,(1)球墨铸铁的生产,控制原铁水化学成分,较高的铁水温度,出炉温度应高于1400。,a）应严格控制 S0.07%、P0.1%。,b）适当提高含碳量（

20、3.64.0%C，2.02.8%Si），以改善铸造性能。,57,球化处理和孕育处理,稀土镁合金,球化剂加入量一般为铁水重量的1.0 1.6%。,促使石墨在结晶时呈球状析出。,a）球化处理,3 球墨铸铁,球化剂的作用：,b）孕育处理,常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水重量的0.41.0%。,促进铸铁石墨化，防止球化元素所造成的白口倾向。,孕育剂的作用：,58,球化处理工艺有冲入法和型内球化法。,59,2球墨铸铁的组织、性能、牌号及用途,1）珠光体球墨铸铁（P+F少+G球）,其性能特点是：,a）强度高。特别是屈服强度高，屈、强比（0.2/b0.70.8）高于45号钢（0.2/b0.6)。

21、,b）疲劳强度较高,c）硬度和耐磨性远比高强度灰铸铁高,因此，珠光体球墨铸铁可代替碳钢制造某些受较大交变负荷的重要件，如曲轴、连杆、凸轮、蜗杆等。,b=600800 MPa;=2%,球墨铸铁的热处理,退火、正火及其它热处理（淬火、回火等）。,60,我国主要用于代替可锻铸铁制造汽车、拖拉机底盘类零件，如后桥壳等。国外则大量用于铸管，如上、下水管道及输气管道等。,2）铁素体球墨铸铁（F+P少+G球）,其性能特点：,b=450500 MPa;=17%,球墨铸铁的牌号用汉语拼音“QT”和两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。,61,62,它是介于球状石墨和片状石墨之间的一种石墨形态。,4

22、、蠕墨铸铁,是向高温、低硅、低磷的铁液中加入蠕化剂进行蠕化处理，再加入孕育剂进行孕育处理，凝固后石墨的形态不再呈片状，而是呈蠕虫状。,向铁水中加入的能使石墨改变形状为蠕虫状的变质元素称为蠕化剂。蠕化元素主要是镁和稀土元素等。稀土元素和镁加入到铁水中后，能与铁水中的S、O发生作用，反应产物进入渣中，使铁水净化；残余稀土和残余镁对石墨产生变质作用。,63,蠕墨铸铁的性能特点：,（1）力学性能（强度和韧性）比灰铸铁高，与铁素体球墨铸铁相近。,（2）壁厚敏感性比灰铸铁小得多。,（3）导热性和耐疲劳性比球墨铸铁高得多，与灰口铸铁相近。,（4）耐磨性比灰口铸铁好，为HT300的2.2倍以上。,（6）工艺性

23、能良好，铸造性能近于灰口铸铁，切削加工性能近于球墨铸铁。,（5）减振性比球墨铸铁高，但比灰口铸铁低。,保持了球墨铸铁塑、韧性好的特点。又具有灰铸铁良好的铸造性能及耐热性。,64,蠕墨铸铁主要用来代替高强度灰铸铁、合金铸铁、铁素体球墨铸铁和铁素体可锻铸铁生产复杂的大型铸件。如大型柴油机机体、大型机床立柱等，更适合制造在热循环作用下工作的零件，如大型柴油机汽缸盖、排汽管、制动盘、钢锭模及金属型等,牌号：“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。,65,66,二、铸钢及其熔炼,1、铸钢的分类、性能、牌号及应用,碳素钢,合金钢,1）低碳钢,2）

24、中碳钢,3）高碳钢,C0.25%,C=0.250.45%,C=0.500.60,1）低合金钢,2）高合金钢,Me5%,Me5%,ZGMn13,铸造性能差、较少用。常用于 机电零件（软磁特性）,铸造性能较好、应用广泛。,铸造性能差；塑性、韧性差，仅用于少量耐磨件。,加入少量合金元素后，铸钢的强度、耐磨性、耐热性都明显提高。,67,性能,碳素铸钢的强度与球铁相当。但塑性、韧性、疲劳强度比球铁高。因此，承受较复杂的交变应力和较大冲击载荷的铸件。铸钢比球铁好。,ZG 200-400,铸钢汉语拼音第一字母,屈服强度值(MPa),抗拉强度值(MPa),牌号及应用,69,2、铸钢的熔铸工艺特点,1）.铸钢的

25、铸造性能差,浇注温度高，易氧化、流动性差、收缩大。,铸造要顺序凝固安放冒口和冷铁；,必须严格控制浇注温度；,铸件的壁不能太薄，两壁交接处设防裂肋；,2）.铸钢的热处理,退火：C 0.35%，或形状复杂的铸钢件,正火：C 0.35%,3）.铸钢的熔炼,电炉,70,三、铸造有色合金,1、铸造铜合金,1）铸造黄铜,(Cu-Zn),铸造黄铜有相当高的力学性能，如b=250450Mpa，=730%，HBS=60120。因其含铜量低，价格低于铸造青铜，而且它的凝固温度范围小，有优良的铸造性能。所以铸造黄铜常用于生产重载低速下或一般用途下的轴承、衬套、齿轮等耐磨件和阀门及大型螺旋桨等耐蚀件等。,71,2铸造

26、青铜,青铜是指除了铜锌合金以外的其它铜合金。,铸造锡青铜：力学性能虽低于黄铜，耐磨、耐蚀性优于黄铜;锡青铜特别适合制造高速滑动轴承和衬套。除锡青铜外，还有铝青铜、铅青铜、铍青铜等.铝青铜:有优良的力学性能和耐磨、耐蚀性，但铸造性能较差，仅用于重要用途的耐磨、耐蚀件。,72,2、铸造铝合金,1 铝硅合金（Al-Si）,铝硅合金流动性好、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。常用于制造形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的铸件，如内燃机缸体、化油器、仪表外壳等。,2 铝铜合金（Al-Cu）,铝铜合金的铸造性能差，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、汽缸头等。,73,3 铝镁合金（Al-Mg）,4 铝锌合金（Al-Zn）,铝镁合金是所有铝合金中比强度最高的，主要用于航天、航空或长期在大气、海水中工作的零件等。,74,75,图 焦炭坩埚炉,图2-11 电阻坩埚炉,三、铸造铜合金、铝合金的熔炼,