常用铸造合金及其熔炼

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 的产生。
3．球墨铸铁的用途 （表2-4）
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。
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。
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
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℃。
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%； 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。
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。
பைடு நூலகம்
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
1、显微组织
金属基体（F、F+P、P）+片状石墨（G）
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。
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。
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
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。
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。
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：
①型砂的强度、耐火 度和透气性要高。
灰铸铁 蠕墨铸铁 球墨铸铁
球 墨 铸 蠕铁 墨 灰铸 铸铁 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
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。
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。
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。
□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：
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。
（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 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。
蠕化剂：镁钛合金、稀土镁钛合金或 稀土镁钙合金等。
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。
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。
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。
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
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。
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：
硬 度/HBS
﹤229
229~321
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。
（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。
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 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
45号锻钢（正火） 珠光体球墨铸铁（正火）
690
815
410
640
0.59
0.785
26
3
150
155
（有缺口试样）-1/MPa
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；
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。
（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；
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。 ③按成分分：普通铸铁、合金铸铁。
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。
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。
用途：（表2-3）
低动载荷及静载荷、要求气密 性好的零件。
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。
❖ 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；
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；
▲ 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。 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）；
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。
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
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。