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、
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- 常用 铸造 合金 及其 熔炼
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