第二章 常用合金铸件的生产

  • 二、球墨铸铁 • 球墨铸铁是对一定成分的铸铁铁水进行球化和孕育处理 后得到的。与灰铸铁相比，球墨铸铁件的生产有如下特点。 • 1．严控原铁水的化学成分 • 制造球墨铸铁所用的铁水与灰铸铁原则相同，但成分要 求较严格，其硫含量愈低愈好．硫应控制在0.07％以下。 磷使球墨铸铁的塑性，韧性急剧降低，且易冷裂，因此， 含磷量应小于0.1％。有时还要求低的含锰量，低锰、低 磷可提高球墨铸铁的塑性和韧性。此外，铁水含碳量应高 些(一般为3.6％～4.0％)，以改善铸造性能和球化效果。 • 由于铁水经球化和孕育处理温度要降低50—1OO℃，为 防止浇注温度过低，出炉的铁水温度必须高达1400℃以上。

  • 四、蠕墨铸铁 • 制造蠕墨铸铁的原铁水和炉前处理与球铁类似， 炉前处理时，先加入蠕化剂再加入孕育剂。蠕化 剂一般都会采用稀土镁钛、稀土镁钙合金或镁钛合金， 加入量为铁水重量的1％一2％。蠕墨铸铁的研制 和应用历史较短，应用中的主体问题是蠕虫状石 墨是一种过渡形式，生产中难以控制。蠕化剂少 了，石墨不变形，仍保持片状，由于碳、硅含量 高，铸铁强度很低，铁水只能报废；蠕化剂多了， 石墨又变成球状，使原设计的铸型浇、冒口工艺 不合适，也会导致铸件报废。蠕墨铸铁的铸造性 能接近灰铸铁，缩孔、缩松倾向比球铁小，故铸 造工艺简便。

  • 第一节 铸铁件的生产 • 一、灰铸铁 • 按照铁水处理方法的不同，灰铸铁可分为普通灰 铸铁和孕育铸铁两大类。 • 1．普通灰铸铁 • 指出炉铁水不经任何处理而制成的铸铁，如 HTl00和HT150均属这类铸铁。普通灰铸铁也称 低强度灰铸铁，其碳、硅含量较高(3.0%～3.7%C， 1.8％～2.4％Si)。 • 普通灰铸铁的主要缺点是壁厚敏感性较大(表6— 1)，铸件壁愈大时，石墨片愈粗大，强度愈低。 当截面增加到lOOmm时，强度可下降50%左右。 故普通灰铸铁不宜制造壁厚较大的铸件，仅适用 于制造受力较小、形状复杂的中小型铸件。

  • 五、铸铁的熔炼 • 铸铁的熔炼是保证铸件质量的重要环节，熔炼的目的是 为获得预定化学成分，有足够温度的铁水。 • 铸铁的熔炼设备有：冲天炉、反射炉、电弧炉和工频炉 等，其中冲天炉应用最广泛。 • 冲天炉的熔炼过程 如图6-6

  • 2．铁水化学成分的控制 • 在熔化过程中，铁料与炽热的焦炭和炉气非间接接触，因 而，铁料的化学成分将发生某些变化。为了熔化出成分合 格的铁水，在冲天炉配料时一定要考虑以下变化。 • (1)碳 在熔化过程中，铁料中的碳，一方面可被炉气氧化 烧损，造成脱碳；另一方面，由于铁料与炽热的焦炭直接 接触吸收碳分，造成增碳。一般铁料经熔化后，其含碳量 总是增加的，通常为3.0％～3.4％。 • (2)硅和锰 在熔化过程中，由于炉气呈氧化性，所以铁水 中的硅、锰被部分烧损，一般硅被烧扔l0％～20％，锰被 烧损15％-25％。 • (3)磷 在熔化过程中，金属炉料中的磷基本上全进入铁水， 因此含磷量不变。 • (4)硫 在熔化过程中，铁水流经焦炭表面时，焦炭中的硫 会熔入铁水，而使铁水中的含硫量增加，通常增加50％左 右。 • 在实际生产中，应准确掌握碳、硅、锰，磷、硫5个元素 的变化规律，以便按照铁水化学成分的要求，通过配料计 算，来确定炉料的配比。

  对于薄壁或易产生裂纹的铸钢件，出于产生缩孔的可能性小，可采用同时凝固 原则，并常开设多道内浇口(图6-9)使钢水迅速、均匀地充满铸型。 铸钢的浇注温度必须严格掌握，勿使过高或过低。

  • 二、有色合金铸件的生产 • 常用的铸造有色金属有铝、铜、镁、锌、铅、锡、 钍等，其中铜及其合金是最古老的金属，由于其 导电性、导热性、抗腐蚀性和耐磨性好，故应用 很广，产量及耗用量仅决于铝及其合金．铝合金 是比铜、铁、钢应用时间较晚的金属，它既具有 铜合金的某些优点，又有很高的比强度(抗拉强度 ／比重)，因此在工业上获得快速地发展。 • 1．铝、铜合金的熔炼设备 • 为减少熔炼时金属元素的烧损和吸气，对铝、 铜合金的基础要求是：能使炉料快速升温和熔化； 金属料不与燃料接触；炉温便于调节和控制；操 作简便。图6-10为用焦炭加热的坩埚炉。

  • 一、铸钢件的生产 • 1．熔炼设备 • 铸钢生产中的熔炼设备多采用三相电弧炉。因为三相电弧 炉炼出的钢液质量好，每炼一炉钢约为2-4小时。炉子容 量一般为1-5t，三相电弧炉的构造如图6-7所示。

  • 近年来感应电炉炼钢发展也很快，感应电 炉炼钢加热速度快、能源消耗少，氧化烧 损较少，钢水质量高，且能炼各种高级合 金钢及含碳极低的钢，适于小型铸钢件的 生产。 • 在重型机械厂中，也有使用平炉进行炼钢， 平炉容量一般在l00t以下，适于浇注重型铸 件。

  • 2．铝合金铸件的生产特点 • (1)铝合金的熔炼 • 铝合金在液态下也极易氧化，其氧化产物A1203,的熔点高 达2050℃，比重稍大于铝，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KCI、NaCI 等作为熔剂，熔剂熔化后覆盖在铝液上，使铝液与炉气隔 离。为驱除铝液中已吸收的氢气，防止针孔产生，在铝液 出炉之前应进行驱氢精炼。驱氢精炼的方法有多种，较为 简便的是钟罩向铝液中压入氧化锌 (ZnCl2)，六氯乙烷 (C2CL6)等氯盐或氯化物，于是发生如下反应； • 3ZnCl22Al＝3Zn2AICl3 • 3C2CL62Al=3C2Cl42AlCI3 • 反应生成的AICl3沸点仅183℃，故形成气泡，而氢在 AICI3气泡中的分压力等于霉，所以铝液中的氢向气泡中 扩散，被上浮的气泡带出液面．与此同时，上浮的气泡还 将Al2O3夹杂一并带出。

  • 2．白口铸铁件的石墨化退火 • 石墨化退火是制造可锻铁的主要过程，图6-5为黑心可 锻铸铁的退火工艺曲线。其方法是将清理后的白口坯料叠 放在退火箱中，将箱盖用泥封好后送入退火箱中，缓慢加 热到900-980℃，保温15h左右，使渗碳体分解为奥氏体 加团絮状石墨。然后缓慢冷却，随温度的降低，过饱和的 碳自奥氏体内逐渐析出，团絮状石墨不断长大。当温度降 到共析转变温度范围(750～720℃)并以缓慢速度(3-5℃／ h)冷却时，奥氏体直接转化为铁素体和石墨，最 终获得铁 素体的黑心可锻铸铁。如果在通过共析转变时冷却速度较 快，则奥氏体转变为珠光体和石墨，最终获得珠光体可锻 铸铁。 • 可锻铸铁退火时间长(总周期为40-70小时)，生产的全部过程 复杂，耗费能源大，成本高，且铸件的壁厚和大小受到限 制，因此，许多可锻铸件已被球墨铸铁所取代。

  • 孕育铸铁的力学性能，特别是强度、硬度比普通 灰铸铁有显著提高。其抗拉强度为250～400MPa、 HB＝170~270，含碳愈少、石墨愈细小，强度、 硬度愈高。由于孕育铸铁的石墨仍为片状，本质 仍属于灰铸铁，所以其塑性、韧性仍然很低。 • 孕育铸铁的另一优点是，组织和性能的均匀性较 高，壁厚敏感性很小；冷却速度对其组织和性能 的影响较小，这就使得在铸件的厚大截面上的性 能较均匀，如图6-1所示。 • 孕育铸铁适用于静载荷下要求比较高强度、高耐磨 性或高气密性的铸件，特别是厚大铸件，如机床 床身、发动机气缸体等。

  • 2．铸造工艺 • 钢的浇注温度高、比重大、流动性差，熔炼时易氧化和 吸气。钢的体积收缩率均为铸铁的3倍，因此铸造困难， 易产生浇不足、气孔、缩孔、缩松、热裂、粘砂等铸造 缺陷。 • 根据铸钢件的特点，要求型砂(芯砂)的耐火性、强度、透 气性和退让性都比较高。铸钢一般用颗粒大而均匀的石英 砂，大铸件常采用人工破碎的石英砂。为防止粘砂，铸型 表面还要涂以石英粉或锆砂粉涂料。为降低铸型材料的发 气性、提高强度、改善填充条件，大件多采用干型或水玻 璃快干型。 • 铸钢件的浇注系统和冒口安置对铸件质量影响很大，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和冷铁，使之实现顺序凝固。 • 如图6-8所示的大型铸钢齿轮，

  • 2．孕育铸铁 • 为了进一步提升灰铸铁的力学性能，在生产上常采用孕育 处理(也称变质处理)。其方法是：浇注前，往铁水中加入 一定量的孕育剂(硅铁或硅钙合金)造成人为晶核，以改变 铁水的结晶条件，使其获得细晶粒的珠光体基体组织和均 匀细小片状的石墨。这种方法处理后的铸铁叫“孕育铸铁” 或“变质铸铁”，也称高强度铸铁。 • 为了取得较好的孕育效果，必须从以下条件入手： • 碳、硅含量均低的原始铁水(2.7％一3.3%C，1％一2％Si) • 废钢加入量25％一50％ • 铁水出炉温度 约为1400~1450℃ • 孕育剂含硅量为75％的硅铁，块度为3一lOmm，硅铁的 加入量为铁水重量的0.25％—0.6％(厚壁铸件取下限)。 • 孕育处理后的铁水应尽快浇完，否则孕育效果衰退。

  • 2．选择恰当的球化剂和孕育剂 这是制造 球铁的关键，必须严格掌握。 • 球化剂的作用是使石墨结晶时呈球状析出。 • 球化剂：镁、稀土镁合金。 • 孕育剂：含硅量75%的硅铁 • 球化处理方法 冲入法，如图6-2所示 • 型内球化法，如图6-3所示。

  • 4．球墨铸铁的铸造工艺特点 • 球墨铸铁的凝固过程、铸造性能和灰铸铁有明显的不同， 因而铸造工艺也不同。 • (1)流动性比灰铸铁差。因为球化和孕育处理，使铁水温度 大幅度下降。因此，球墨铸铁需要较高的浇注温度和较大的 浇口尺寸。 • (2)收缩较灰铸铁大。其根本原因是：球铁为糊状凝固特征， 球铁含碳量高，近共晶成分，凝固收缩率低，但缩孔、缩 松倾向较大。球铁在浇注后的一个时期内，截面上存在相 当宽的液固共存的同时凝固区，凝固后的外壳强度甚低如 图6-4(a)，而球状石墨析出时的膨胀值却很大(每析出1％ 的石墨，体积增加2％)。如果铸型的刚度不够，铸件的外 壳将向外胀大，造成金属液的不足，于是在铸件最后凝固 的部位产生缩孔和缩松如图6-4(a)。为防止上述缺陷，可 采取以下措施。 • ① 在铸件热节部位安置冒口或冷铁，对铸件进行补缩。 • ② 增加铸型刚度，防止铸件外形扩大。如增加型砂紧实 度，采用干型或水玻璃快干型，保证砂箱有足够的刚度， 并使砂箱间牢固地夹紧。

  • (2)铝合金的铸造工艺特点 • 铝合金的铸造性能和化学成分紧密关联， 其中Al-Si合金接近共晶成分，铸造性能最 好， 和灰铸铁相似．其他铸造铝合金都远 离共晶点，铸造性能差，其中AI-Mg、A1Zn合金较差，A1-Cu合金最差，但比铸钢 好些。在实际生产中，铝铸件都要冒口补 缩，A1-Si合金的结晶范围小，冒口补缩率 高，易获得组织致密的铸件。其他类铸造 铝合金的结晶范围大，冒口补缩效率低， 铸件致密性差。

  • 三、可锻铸铁 • 可锻铸铁是将白口铸铁坯件经长时间高温退火而得到的 一种具有较高塑性和韧性的铸铁。 • 1.白口铸件的生产 • 为了获得合格的可锻铸铁件，关键是一定要保证浇铸出的 铸件坯料组织全部是白口，否则，即使铸件组织中有少量 的片状石墨，也会影响退火后可锻铸铁件的组织和性能。 为此，出炉的铁水一定要具有低碳、低硅、低硫和低磷。例 如，KTH350—10的化学成分为Wc=2.4％—2.8％，Wsi＝ 0.9％—1.4％，Ws0.18％，WpZ0.2％。 • 用来制造可锻铸铁的白口铸件，熔点高、结晶间隔大，且 凝固收缩率高，铸件易产生浇不足、冷隔、缩孔、缩松、 裂纹等缺陷。 • 可锻铸铁只适用于生产薄壁小件。壁厚不超过25mm，否 则铸造时难以获得白口铸铁组织。另外铸件太厚时，使退 火时间过长。

  • 3．灰铸铁的铸造工艺特点 • 灰铸铁通常是在冲天炉内熔炼，且大多不 需进行炉前处理直接浇注即可。灰铸铁的 铸造性能优良，便于制出薄而复杂的铸件， 一般也不需设置冒口和冷铁，使铸造工艺 简化。 • 灰铸铁的浇注温度较低(1200～1350℃)， 因而对型砂的要求比铸钢低，中小型铸件 多采用经济、简便的湿型来铸造。