【知识篇】铸造合金材料及其熔炼

  铸造合金是高温合金合金化程度较高，不易变形而采用精密铸造成型的合金，属于高温合金中高温强度最高的一种；也是适于熔融状态下充填铸型获得一定形状和尺寸铸件毛坯的合金。在有色金属合金中，铜合金、铝合金、镁合金、锌合金等都可用于铸造。有色金属铸件普遍的使用于机器制造、航空、汽车、建筑等工业中。铸钢件在钢铁材料的使用中所占份额甚少，钢铁厂大多以钢材形式供货，因之冶炼厂大多和加工厂设于一地。有色金属铸件在有色金属材料的使用中所占份额很大(有时几近半数)，形成庞大复杂的铸造合金系列。

  灰铸铁通常是指具有片状石墨的灰口铸铁，这种铸铁具有一定的机械性能、良好的铸造性能以及其它多方面的优良性能，因而在机械制造业获得最广泛的应用。

  表2为灰铸铁的新的国家标准。该标准是以灰铸铁的抗拉强度作为分级依据的。由于灰铸铁对冷却速率的敏感性（壁厚效应），同一种牌号铸铁在不同铸件壁厚条件下的实际强度有很大的差别（薄壁与厚壁之间在强度上的差别达50-80MPa）。

  球墨铸铁和蠕墨铸铁一般是用稀土镁合金对铁液做处理，以改善石墨形态，从而得到比灰铸铁有更高机械性能的铸铁。

  球墨铸铁依照其基体和性能特点而分为六种：即铁素体（高韧性）球墨铸铁，珠光体（高强度）球墨铸铁，贝氏体（耐磨）球墨铸铁，奥氏体一贝氏体（耐磨）球墨铸铁，马氏体一奥氏体（抗磨）球墨铸铁及奥氏体（耐热、耐蚀）球墨铸铁。

  蠕墨铸铁具有不一样比例的珠光体—铁素体基体组织。铸铁性能与其石墨的蠕化程度（蠕化率）及基体有关。在石墨蠕化良好条件下，珠光体蠕墨铸铁的强度和硬度较高，耐磨性强。适于制造耐磨零件，如汽车的刹车鼓等。而铁素体蠕墨铸铁的导热性较好，在高温作用下，不存在珠光体分解问题，组织较稳定，适用于制造在高温下工作、需要有良好的抗热疲劳能力、导热性的零件，如内燃机汽缸盖、进排气岐管等。

  可锻铸铁是将白口铸铁通过固态石墨化热处理（包括有或无脱碳过程）得到的具有团絮状石墨的铁碳合金。采用不一样的热处理方法，能够获得具有不一样组织和性能的可锻铸铁，即黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁。

  当将白口铸铁毛坯件在密封的退火炉中进行热处理，即在中性炉气条件下退火时，得到的铸铁组织中有呈团絮状的石墨（退火碳）存在。这种石墨虽不很圆整和紧密，但它对基体的割裂作用则比灰铸铁中的片状石墨要小得多，因此它能使铸铁得到较高的强度及良好的韧性。铸铁的基体能够最终靠热处理来加以控制。使之成为铁素体或珠光体。用这种方法得到的铁素体基体可锻铸铁因组织中有石墨存在，因而铸铁的断面呈暗灰色，而在表层经常有薄的脱碳层呈浅灰色，故通称为黑心可锻铸铁。而珠光体可锻铸铁则是以其基体命名的。

  当将白口铸铁毛坯件在氧化性质的炉气条件下进行退火时，铸件断面上从外层到心部，发生强烈的氧化和脱碳。在完全脱碳层中无石墨存在，铸铁的组织为铸素体。实际上，在小断面尺寸条件下，铸铁的组织基本上为单一的铁素体和退火碳。而在大断面尺寸条件下，表层为铁素体，中间区域为珠光体和铁素体及退火碳，而心部区域则为珠光体及退火碳（间或有少量铁素体）。这种铸铁断面由于其心部区域有发亮的光泽，而表层色泽较暗，故通称为白心可锻铸铁。

  特种铸铁是指具有特殊使用性能的铸铁材料，最重要的包含抗磨铸铁、耐热铸铁和耐腐蚀铸铁。为了使铸铁具有这些特殊使用性能，需要使铸铁有一定的组织。特种铸铁中既有非合金铸铁（例如普通白口抗磨铸铁），也有低合金铸铁、中合金铸铁和高合金铸铁（如中锰抗磨用球墨铸铁及高铬抗磨用白口铸铁等）。

  对任何一种特种铸铁而言，首先是要求具备一定的使用性能，如抗磨、耐热等。但由于是用来制造机器零件，就需要保证有一定的机械性能，主要是强度和塑性，为此需要在铸铁的化学成分设计上，考虑同时满足特定的使用性能和一定的机械性能这两方面的要求。

  由于特种铸铁中含有大量合金元素，使得其在熔炼和铸造性能方面，与非合金化的铸铁有显著的差别。大多数合金元素降低铸铁的铸造性能，而含有大量合金元素的特种铸铁的铸造性能通常是很差的，在铸造过程中易产生多种铸造缺陷，因此就需要针对各种铸铁在熔炼和铸造方面的特性，采取适当的工艺措施，防止缺陷的发生，以保证铸件的质量。

  熔炼铁液是生产铸铁件的重要环节。铸件质量包括内在质量、外观品质还有是不是形成缺陷等，这些都与铁液方面因素有直接的关系。如铁液的流动性、薄壁和结构较为复杂铸件的成型性以及冷隔缺陷等受铁液温度的影响，而熔炼的铁液化学成分是不是满足要求，则对铸件的机械性能有直接的影响。铁液中的气体和非金属夹杂物含量不仅影响铸铁的强度和铸件的致密度，而且还与铸件形成气孔、裂纹等缺陷有关。随机械制造科学的发展，对铸铁提出薄壁、高强度的要求，铸件的最小壁厚由过去4~6mm减小至2~3mm，这要求相应提高铁液浇注温度。铁液温度还对铸铁件的内在质量有重要的影响，如灰铸铁件的质量指标（GZ），即与铁液温度有显明的关系。在球墨铸铁生产方面，熔炼出铁液的温度及原始含硫量成为球化及孕育处理有否成功的先决条件。

  不同牌号灰铸铁件的浇注温度范围大致为1330-14100C。在正常的情况下，铁液的出炉温度至少比浇注温度提高500C，故根据铸铁牌号（自HT100至HT350）和铸件结构条件的详细情况，铁液出炉温度应不低于1380-14600C。当需要浇注特薄（2-4mm）铸件时，出炉温度还应提高20-300C。为满足浇注铸件的需要，不一样的牌号可锻铸铁的出炉温度应不低于1460-14800C。对球墨铸铁及其它变质处理的铸铁，在其球化一孕育处理过程中铁液的温度会有显著的下降，为了补偿铁液的温度损失，需相应提高铁液的出炉温度。

  用冲天炉熔炼时，配料计算是保证铁水化学成分合乎要求的首要环节。即根据铁水化学成分的要求，考虑冲天炉在熔炼过程中元素的变化和炉料的真实的情况，计算出各种金属炉料的配合比例。

  e) 炉料含磷量 磷在熔炼过程中变化不大，P炉料=P铁水0.25%

  a) 回炉料的配比:主要根据废品率和成品率，它随具体生产情况而变化。此处取20%。

  b) 新生铁和废钢配比:设新生铁为χ%，则废钢为80%-χ%。按炉料所需含碳量为3.2%，新生铁、废钢、回炉料的含碳量各为4.19%、0.15%、3.28%，可列出下式：

  得出χ=60.0%。故铁料配比为：Z15生铁60%、废钢20%、回炉料20%。

  a) 硅铁加入量 今缺硅量0.67%，亦即每100公斤炉料需加硅0.67公斤。所用硅铁含硅量为45%，故每100公斤炉料需加硅铁量为0.67/0.45=1.5公斤

  b) 锰铁加入量 同上法计算，每100公斤炉料需加入含锰75%的锰铁为：0.12/0.75=0.16公斤。

  根据配比和层铁量，确定每批炉料中各种炉料的重量，写出配料单。设已知层铁500公斤，可算得每批铁料的组成为：生铁：500´60%=300公斤、废钢：500´20%=100公斤、回炉料：500´20%=100公斤、45%硅铁：500´1.5%=7.5公斤、75%锰铁：500´0.16%=0.8公斤。

  铸铁熔炼过程中，必须将有害的元素成分（磷、硫以及其它干扰铸铁正常结晶和组织控制的微量元素等），控制在限量以下。

  1）脱硫 冲天炉熔炼中铁液中硫的来源，一是炉料中固有的硫，二是从焦碳中吸收的硫。酸性冲天炉不具有脱硫能力，碱性冲天炉能在某些特定的程度上起到脱硫的作用。

  炉渣碱度在一些范围内提高时，有利于降低铁液含硫量；温度提高时，铁液在熔炼过程中增硫量减少；炉气氧化性强时，渣中FeO含量增高，不利于脱硫反应的进行。适当提高焦铁比，减小送风强度，有利于脱硫。但当生产球墨铸铁件时，除了用热风冲天炉进行炉内脱硫外，还常采用炉外脱硫的措施。炉外脱硫的基本要点是尽量扩大脱硫剂与铁液之间的接触面积，以加强脱硫效果。常用方法有：利用电石脱硫的摇动包脱硫法、喷射脱硫法、机械脱硫法、机械搅拌脱硫法和多空塞脱硫法等。

  2）脱磷 磷对铸铁的机械性能，特别是对球墨铸铁和可锻铸铁的韧性有害，因此要严控铸铁的含磷量。冲天炉熔炼的脱磷能力很弱。因此对铁液的含磷量只可以通过配料来控制。应采用特殊的比例的低磷生铁和废钢进行配料。

  为了将冲天炉熔炼中形成的夹杂物从铁液中去除，常在熔炼过程中按照炉料重量，加入一定量的石灰石CaCO3 作为溶剂。石灰石在高温下分解，与泥沙、灰分等化合形成低熔点的复杂化合物——熔渣。熔渣易于与铁液分离便于去除。当熔渣粘度高时，可加入一些萤石（CaF2），以降低炉渣熔点。

  熔炼铸铁的方法依照所用的熔炉设备而分为冲天炉熔炼，感应电炉熔炼，电孤炉熔炼，反射炉熔炼，以及由某些方法的联合，如冲天炉一电孤炉、冲天炉一感应电炉双联法等。

  （1）冲天炉构造冲天炉的基本构造示如图4。炉身、风箱及烟道等用钢板焊成。炉身内部通常砌以耐火砖层，以便抵御焦碳燃烧产生的高温作用。为了储存铁液，多数冲天炉都配有前炉。

  （2）冲天炉熔炼原理在熔炼过程中，炉身的下部装满焦碳，称为底焦。在底焦的上面交替装有一批批的铁料（生铁、废钢、回炉料、铁合金等）、焦碳及熔剂（石灰石、萤石等）。通过鼓风，使底焦强烈燃烧，产生的高温炉气沿炉身高度方向上升，使其上面一层铁料熔化。

  （3）冲天炉熔炼的优缺点及其应用冲天炉是最普遍应用的铸铁熔炼设备。它用焦炭作燃料，焦炭燃烧产生的热量直接用来熔化炉料和提高铁液温度，在能量消耗方面比电孤炉和其它熔炉节省。而且设备最简单，大小工厂皆可采用。但冲天炉也存在一定的缺点，主要是由于铁液直接与焦炭接触，故在熔炼过程中会发生铁液增碳和增硫的过程。

  采用了冲天炉一电孤炉双联熔炼法或冲天炉一感应电炉双联熔炼法，以充分的利用冲天炉熔化效率较高、电孤炉和感应电炉对铁液过热能力强及化学成分控制容易的优点。

  （1）感应电炉构造及工作原理感应电炉是利用电流感应产生热量来加热和熔化铁料的熔炉。炉子的构造分为有芯式（图5）和无芯式两种，在无芯式感应电炉中，坩埚内的铁料在交变磁场的作用下产生感应电流，并因此产生热量，而将其自身熔化和使铁液过程热。在有芯式感应电炉中，需要加入用其它熔炉（如冲天炉）熔化的铁液，在环形铁芯内产生的交变磁场使沟槽内的铁液过程，并利用沟槽中铁液与其上面熔池中的铁液循环作用而加热全部铁液。无芯式感应电炉具有熔化固体炉料的能力，而有芯感应电炉只能过热已熔化的铁液，但在过热铁液的电能消耗方面，则以有芯感应电炉更为节省。

  1—感应线）感应电炉熔炼的优缺点及其应用与冲天炉熔炼相比，感应电炉熔炼的优点是熔炼过程中不会有增碳和增硫现象，而且熔炼过程可以造渣覆盖铁液，在某些特定的程度上能防止铁液中硅、锰及合金元素的氧化，并减少铁液从炉气中吸收气体，从而使铁液比较纯净。这种熔炼方法的缺点是电能耗费大。

  感应电炉适用于熔炼高质量灰铸铁、合金铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁等。无芯感应电炉能够直接熔化固体炉料，而且开炉及停炉较为方便，适合于间断性生产条件。有芯感应电炉开炉及停炉不便，适合于连续性生产。这种炉子熔化固体炉料的热效率低，而对过热铁液的热效率高，故适于与冲天炉配合使用。目前这两种形式的感应电炉在铸铁生产上都得到应用。

  （1）电弧炉构造及工作原理电弧炉熔炼是利用石墨电极与铁料（铁液）之间产生电弧所发生的热量来熔化铁料和使铁液进行过热的。生产上广泛使用的是三相电弧炉，其炉体部分的构造示于图6。在电弧炉熔炼过程中，当铁料熔清后，进一步地提高温度及调整化学成分的冶炼操作是在熔渣覆盖铁液的条件下进行。电弧炉依照炉渣和炉衬耐火材料的性质而分为酸性和碱性两种。碱性电弧炉具有脱硫和脱磷的能力。

  （2）弧炉熔炼的优缺点及其应用电弧炉熔炼的优点是熔化固体炉料的能力强，而且铁液是在熔渣覆盖条件下进行过热和调整化学成分的，故在某些特定的程度上能避免铁液吸气和元素的氧化。这为熔炼低碳铸铁和合金铸铁创造了良好的条件。电弧炉的缺点是耗电能多，从熔化的角度看不如冲天炉经济，故铸铁生产上常采用冲天一电弧炉双联法熔炼。由于碱性电弧炉衬耐急冷急热性差，在间歇式熔炼条件下，炉衬寿命短，导致熔炼成本高，故多采用酸性电弧炉与冲天炉相配合。

  铸造铝合金的密度比铸铁和铸钢小，而比强度则较高。因此在承受同样载荷条件下采用铝合金铸件，能减轻结构的重量，故在航空工业及动力机械和运输机械制造中，铝合金铸件得到普遍的应用。

  铝合金有良好的表面光泽，在大气及淡水中拥有非常良好的耐腐的能力，故在民用器皿制造中，具有广泛的用途。纯铝在硝酸及醋酸等氧化性酸类介质中拥有非常良好的耐蚀性，因而铝铸件在化学工业中也有一定的用途。纯铝及铝合金有良好的导热性能，放在化工生产中使用的热交换装置，以及动力机械上要求拥有非常良好导热性能的零件，如内燃机的汽缸盖和活塞等，也适于用铝合金来制造。

  铝合金拥有非常良好的铸造性能。由于熔点较低（纯铝熔点为660.230C，铝合金的浇注温度一般约在730～750oC左右），故能广泛采用金属型及压力铸造等铸造方法，以提高铸件的内在质量，尺寸精度和表面光洁程度以及生产效率。铝合金由于凝固潜热大，在重量相同条件下，铝液的凝固过程时间延续比铸钢和铸铁长得多，放流动性良好，有利于铸造薄壁和结构较为复杂的铸件。

  铝合金按照加工方法的不同分为两大类，即压力加工铝合金和铸造铝合金（分别以YL和ZL表示）。在铸造铝合金中又依主要加入的合金元素的不同而分为四个系列，即铸造铝硅合金、造铝铜合金、铸造铝镁合金和铸造铅锌合金（分别以 ZL1X X，ZL2 X X，ZL3 X X和ZL4 X X表示），在每个系列中又按照化学成分及性能的不同而分为若干牌号。表3中列出了铸造铝合金国家标准所包括的几种铝合金的牌号。

  铸造铜合金是工业上大范围的应用的一种铸造合金材料。铜基合金因拥有非常良好的对淡水、海水及某些化学溶液的耐蚀性能而大量用于造船及化学工业。铜基合金又由于拥有非常良好的导热性及耐磨性，故也常用于制造各种机器上承受重负荷及高速运转轴的滑动轴瓦轴套等。

  除了铸铝合金和铸铜合金以外，还有很多种铸造有色合金。其中很常用的是铸造镁合金、铸造钛合金和铸造锌合金。镁合金和钛合金由于具有高的比强度，故多用于航空工业。其中钛合金还对多种腐蚀性介质具有很强的耐蚀性，故也用来制造石油化学工业设备上经受腐蚀作用的铸件。锌合金具有比较高的强度和优良的铸造性能，故大范围的使用在制造薄壁的和结构较为复杂的铸件。

  在铜合金铸造中，采用金属型铸造方法，以加速合金的凝固，对提高铸件质量，减少铸造缺陷，具备极其重大的作用。金属型铸造可细分晶粒（特别对于铝青铜和锰黄铜），减少气孔，提高合金的机械性能和气密性（对锡青铜很重要），在铅青铜等高含铅量铜合金中，采用金属型（以及水冷金属型）铸造，能防止铜成分的偏析。又由于铜合金铸件中，筒形零件（轴承、衬套）等较多，故采用离心铸造方法较多。此外，大型铸铜件（如大型船用螺旋桨）还可采用低压铸造方法，以提高合金的致密度，并减少铸件在浇注过程中产生的夹杂物。某些铜合金（如铅黄铜）还可采取了压力铸造方法。

  熔炼工艺对有色合金铸件的性能和缺陷有很大影响。多数有色合金易产生气孔和夹杂，尤其是钛合金、铝合金、镁合金和某些铜合金。一般的熔炼工艺流程是：

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