第二章 常用铸造合金及其熔炼

1．电弧炉炼钢
利用电极与金属炉料间电弧产生的热量 来熔炼金属。 炼钢金属材料：废钢、生铁和铁合金等。 其它：造渣材料、氧化剂、还原剂和增 碳剂等。
处理，900~980℃，长时间保温。
可锻铸铁的石墨化退火工艺
2．组织、性能及应用
显微组织：
金属基体和团絮状石墨组成
a)铁素体可锻铸铁
b）珠光体可锻铸铁
性能：
①较高的冲击韧度和强度；
②适用于制造形状复杂、承受冲击 载荷的薄壁小件，壁厚<25mm。
用途：（表2-3）
低动载荷及静载荷、要求气密 性好的零件。
的产生。
3．球墨铸铁的用途
（表源自文库-4）
应用非常广泛。 如汽车、拖拉机底盘零件，阀体和 阀盖，机油泵齿轮；柴油机和汽油机 曲轴、缸体和缸；汽车拖拉机传动齿 轮等。 目前，球墨铸铁在制造曲轴方面正 在逐步取代锻钢。
4．球墨铸铁的热处理
常用的热处理：退火和正火。 ①退火的目的： 获得铁素体基体，提高球墨铸铁件 的塑性和韧度。 ②正火的目的： 获得珠光体基体，以提高材料的强 度和硬度。
碳是形成石墨和促进石墨化的元素。
硅是强烈促进石墨化的元素。
硫严重阻碍石墨化的元素。
锰能抵消硫的有害作用，故属于有 益元素。但过多则阻碍石墨化。 铸铁中锰的含量一般为0.6%~1.2%。
磷的影响不显著。
（2）冷却速度
铸件缓慢冷却，有利于石墨化； 同化学成分的铸铁，若冷却速度不 同，其组织和性能也不同。
灰铸铁 蠕墨铸铁 球墨铸铁
蠕 墨 铸 铁 球 墨 铸 铁
灰 铸 铁
灰铸铁
蠕墨铸铁
球墨铸铁
蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件 和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、 玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、 液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。
玻璃模具
制动鼓
（五）铸铁的熔炼
熔炼目的： 高生产率、低成本地熔炼出预定 成分和温度的铁液。 熔炼设备： 冲天炉、电弧炉、工频炉等，其中 以冲天炉的应用最为广泛。
第二章
常用铸造合金及其熔炼
目的：①掌握铸铁、铸钢、铸造铜
合金、铸造铝合金的牌号、性能、特 点及应用；②熟悉钢铁的生产过程； ③了解各种熔炼设备。
重点：常用铸铁、铸钢、铸造铜合
金、铸造铝合金的性能及应用。
难点：合金的熔炼。
常用合金：铸铁、铸钢和非铁 合金中的铝、铜合金。
主要介绍这几种合金的性能、 生产特点、应用及其牌号。
铸造性能优良，切削加工性能好， 减振能力为钢的5~10倍，是制造机 床床身、机座的主要材料；
耐磨性好，适于制造润滑状态下工 作的导轨、衬套和活塞环等。
3、影响性能的因素 :
控制铸铁的组织和性能，必须控制铸 铁的石墨化程度。
主要影响因素：化学成分和冷却速度。
（1）化学成分
碳和硅：碳和硅是铸铁中最主要的元 素，对铸铁的组织和性能起着决定性的 影响。
而球状石墨析出时的 膨胀力却很大，若铸 型的刚度不够，铸件 的外壳将向外胀大， 造成铸件内部金属液 的不足，在铸件最后 凝固的部位产生缩孔 和缩松。
防止措施：
①在热节处设置冒口、冷铁，对铸件 收缩进行补偿；
②增加铸型刚度，防止铸件外形扩大：
如增加型砂紧实度、采用干砂型或 水玻璃快干砂型，保证砂型有足够的 刚度，并使上下型牢固夹紧。
铁料的含碳量一般低于3.6%，故多 为增碳。
（3）硫 因吸收焦炭中的硫，使铸铁含硫量 增加50%左右。 （4）磷 基本不变。
炉料配制：
由于冲天炉内通常难以脱除硫和磷， 因此，欲得到低硫、磷铁液，主要依 靠采用优质焦炭和铁料来实现。
二、铸钢件的生产
铸钢优点：力学性能高，特别是塑 性和韧度比铸铁高： σb=400~650N/mm2，δ=10%~25%， αK=20~60J/cm2。 焊接性能优良，适于采用铸、焊联 合工艺制造重型机械。 但铸造性能、减震性和缺口敏感性 都比铸铁差。
①型砂的强度、耐火 度和透气性要高。 ②使用补缩冒口和冷 铁实现定向凝固。 ZG230-450齿圈的铸 造工艺方案：
③防止浇注温度过高或过低。
低碳钢：流动性较差、薄壁小件或 结构复杂不容易浇满的铸件，应取 较高的浇注温度； 高碳钢：流动性较好、大铸件、厚 壁铸件及容易产生热裂的铸件，应 取较低的浇注温度。 一般为1500~1650℃。
5、灰口铸铁的应用
机床床身、底座、电器壳体、缸 体、泵体、盖、手轮等受力不大、 耐磨、减震零件。 变速箱体
重型机床床身(HT-250)
大型船用柴油机汽缸体(HT-300)
6．灰口铸铁的生产特点
主要在冲天炉内熔化，高质量的可 用电炉熔炼。 铸造性能优良，工艺简单，便于制 造出薄而复杂的铸件，多采用同时凝 固原则，不需要加补缩冒口和冷铁； 只有高牌号铸铁采用定向凝固原则。
③按成分分：普通铸铁、合金铸铁。
石墨（G）的力学性能与作用
①性能： σb=20MPa、HB3~5、δ、ak = 0。
②割裂作用：减振、机械性能降低； 断屑性能好。
③尖端效应：应力集中；
④润滑作用（自润滑和储油）：减 摩和耐磨、切削性能好。
石墨（G）的形态
片状、球状、絮状。
（一）灰口铸铁
因此，金属在冲天炉内并非简单 的熔化，实质上是一种熔炼过程。
2．铁液化学成分的控制 （1）硅和锰
炉气氧化使铁液中的硅、锰产生熔 炼损耗； 通常的熔炼损耗为：硅10%~20%， 锰15%~25%。
（2）碳
铁液含碳量变化总是趋向于共晶含 碳量（即饱和含碳量）； 当含碳量低于3.6%时，将以增碳为 主；高于3.6%时，则以脱碳为主。
（三）可锻铸铁
白口铸铁通过石墨化退火处理得到 的一种高强韧铸铁。 有较高的强度、塑性和冲击韧度， 可以部分代替碳钢。 铁素体F基体（黑心）可锻铸铁 珠光体P基体可锻铸铁； F+P基体（白心）可锻铸铁少用。
1．生产特点
第一步：先铸造出白口铸铁，随后
退火使Fe3C分解得到团絮状石墨。
第二步：进行长时间的石墨化退火
一、铸铁件的生产 铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳
合金，铸造合金中应用最广。在 实际应用中，铸铁是以铁、碳和 硅为主要元素的多元合金。
铸铁成分:
C(2.5-4.0)%、Si(1.0-3.0)%、 Mn(0.5-1.4)%、P(0.01-0.5)%、 S(0.02-0.20)%等，还可以加入一 定量的合金元素以改善和提高铸 铁的力学及物理化学性能。
（二）铸钢的热处理
1、目的：
细化晶粒、消除魏氏组织、消除铸造 应力、提高力学性能。
2、工艺：
退火和正火处理。 铸钢正火后的力学性能较高，生产效 率也较高，但残留内应力较大。 可采用正火加高温回火。 铸钢件不宜淬火，淬火时极易开裂。
（三）铸钢的熔炼
冶炼设备： 电弧炉、平炉和感应电炉等； 电弧炉用得最多； 平炉仅用于重型铸钢件； 感应电炉主要用于合金钢中、小 型铸件的生产。
（2）球化处理和孕育处理
球化处理和孕育处理是制造球 墨铸铁的关键，必须严格控制。 球化剂：我国广泛采用的球化 剂是稀土镁合金。
孕育剂：常用的孕育剂为含硅 75%的硅铁。
球化处理：
以冲入法最为普 遍，球化处理后 的铁液应及时浇 注，以防孕育和 球化作用的衰退。
（3）铸型工艺
凝固特性：球墨铸铁 含碳量较高，近共晶成 分，凝固收缩率低，但 缩孔、缩松倾向较大。 凝固的外壳强度较低；
2．性能及应用
石墨形态：
比灰铸铁中的石墨片的长厚比要 珠光体基体 小的片状，端部较钝、较圆，介于 片状和球状之间的一种石墨形态：
牌号：RuT420、RuT380、RuT340、
RuT300、RuT260
铁素体基体
蠕墨铸铁中的石墨
蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸 铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。
问题：
①生产周期长、工艺复杂，应用 和发展受到一定限制； ②某些传统的可锻铸铁零件，已 逐渐被球墨铸铁所代替。
（四）蠕墨铸铁
1．生产：在一定成分的铁液中加入
适量的蠕化剂进行蠕化处理而成的。 蠕化处理：是将蠕化剂放入经过预 热的堤坝或铁液包内的一侧，从另一 侧冲入铁液，利用高温铁液将蠕化剂 熔化的过程。 蠕化剂：镁钛合金、稀土镁钛合金 或稀土镁钙合金等。
主要用砂型铸造，浇注温度较低， 对型砂的要求较低，中小件大多 采用经济简便的湿型铸造。 一般不需要进行热处理，或仅需 时效处理即可。
（二）球墨铸铁
1．组织和性能特点 随着化学成分、冷却速度和热处理 方法的不同，球墨铸铁可得到不同的 基体组织（F、F+P、P）：
力学性能比灰铸铁高得多，抗拉强度 可以和钢媲美，塑性和韧度大大提高。 通常σb=400~900MPa，δ=2%~18%；
1、显微组织
金属基体（F、F+P、P）+片状石墨（G）

基体连续性只有60%左右；
割裂作用和尖端效应较大。
2、性能特点
σb约为120~250MPa，抗压强度与 钢接近，一般可达600~800MPa，塑 性和韧度近于零，属于脆性材料； 不能锻造和冲压；
焊接时产生裂纹的倾向大，焊接 性差；
存在问题：
缺陷：球墨铸铁件容易出现皮下气孔 ，皮下0.5~2mm处，直径1~2mm；
原因：是铁液中过量的Mg或MgS与砂型 表面水分发生如下化学反应生成气体 而形成的：
防止皮下气孔措施：
①降低铁液中含硫量和残余镁量；
②降低型砂含水量或采用干砂型；
③使铁液平稳地导入型腔，并有良 好的挡渣效果，以防铸件内夹渣
应用：
1）农业机械中占40～60％； 2）汽车拖拉机中约占50～70％；
3）机床制造中约占60～90％。
铸铁特点：
1）生产设备和工艺简单、价 格便宜；
2）有良好的铸造性、切削加
工性及减震性等优良的使用性能 和工艺性能。
分类
①按碳的存在形式分: 白口铸铁、 灰口铸铁和麻口铸铁。 ②按石墨存在形式分：灰口铸铁、 可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。
同时，仍保持灰铸铁某些优良性能， 如良好的耐磨性和减震性，缺口敏感性 小，切削加工性能好等。
焊接性能和热处理性能都优于灰铸铁。
珠光体球墨铸铁和45号锻钢的力学性能比较
性 能 45号锻钢（正火） 珠光体球墨铸铁（正火）
抗拉强度b/MPa
屈服强度0.2/MPa 屈强比0.2/b 伸长率δ（%） 疲劳强度
铸钢用途：
承受重载荷及冲击载荷的零 件，如铁路车辆上的摇枕、侧架、 车轮及车钩，重型水压机横梁， 大型轧钢机机架、齿轮等。
铸钢分类：
碳素铸钢、低合金铸钢和高 合金铸钢等。
（一）铸钢的铸造工艺特点
铸造性能差：熔点高，钢液易氧化； 流动性差；收缩较大，体收缩和线收 缩约为灰铸铁的3倍和2倍。 铸造工艺复杂：为保证铸件质量， 避免出现缩孔、缩松、裂纹、气孔和 夹渣等缺陷，必须采取更为复杂的工 艺措施：
利用激冷：同一铸件的不同部位采 用不同的铸型材料，使铸件各部分的 组织和性能不同。
铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响
WC + Wsi (%)
（3）壁厚的影响： 壁厚不同的铸件因冷却速度的 差异，铸铁的组织和性能也随之 而变；
因此，必须按照铸件的壁厚选 定铸铁的化学成分和牌号。
4、灰口铸铁的热处理
1）去内应力退火（人 工时效） 应用：一些形状复杂 的铸件，如机床床 身，柴油机汽缸等。
汽 缸 套
灰铸铁件
活 塞 环
2）消除铸件白口退火
目的：改善切削性能。
3）表面淬火
提高某些铸件的表面硬度； 中、高频感应加热、火焰加热。
例如，机床导轨用高（中）频 淬火时，表面基体淬硬层深度 约为1.1~2.5（3~4）mm，硬 度HRC50。
（有缺口试样）-1/MPa
690
410 0.59 26 150 ﹤229
815
640 0.785 3 155 229~321
硬
度/HBS
2．生产特点
1）铁液
要有足够高的含碳量，低的硫、磷 含量，有时还要求低的含锰量。 球化和孕育处理使铁水温度要降低 50~100℃，为防止浇注温度过低，出 炉的铁水温度必须高达1400℃以上。
□冲天炉组成：
炉底、炉缸、 炉身和前炉四
大部分。
1．冲天炉的熔炼过程
燃料：焦炭。 金属炉料：铸造生铁锭、回炉料 （浇冒口、废机件）、废钢、铁合金 （硅铁、锰铁）等。 熔剂：石灰石和氟石。 过程：高温炉气上升、炉料下降， 在两者逆向运动中产生如下过程：
▲ 底焦燃烧； ▲ 金属炉料被预热、熔化和过热； ▲ 冶金反应使铁液发生变化。