材料成型原理及工艺第二章常用液态成形合金及其熔炼

(3) 脱氧
经过氧化阶段，含碳量己基本符合要求，但钢水 中含有大量Fe0，若不去除，将使钢的塑性变坏， 故炼钢后期必须进行脱氧。常用的脱氧方法是向 炼钢炉或盛钢桶内加入锰、硅、铝等元素的脱氧 剂，使溶解于钢液中的FeO还原，脱氧剂的加入 顺序是，先加锰铁，再加硅铁，最后加纯铝，其 反应式为：
FeO+Mn=MnO+Fe (2-6)
白口铸铁组织中含有大量莱氏体，其性能 硬而脆，很难机械加工。因此，工业上很 少用它来制造机器零件，主要用做炼钢原 料或制造可锻铸铁的坯料。
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。
(2)灰口铸铁:其中碳除微量溶于铁素体 外，大部或全部以石墨形式存在，因 断口呈暗灰色而得名。它是工业中应 用最广泛的铸铁。
②造渣反应。石灰石分解出来的碱 性氧化物 CaO与脉石中的酸性氧化 物 脉石Si分02 开结。合成低熔点炉渣，将铁与
③渗碳反应。己还原的铁吸收焦炭 中的碳形成了含碳高、熔点较低的 生铁水。
炉渣的密度小，浮在铁水之上，它 们将分别从高炉下部的出渣口和出 铁口排出炉外。
炼铁过程中，同时被还原出来的硅、 锰及炉料带入的硫、磷也溶解在铁 水中。
高炉生铁主要用来炼钢，这种生铁 称为炼钢生铁。小部分供铸造车间 熔炼铸钢用，称为铸造生铁。
二、炼钢
钢和生铁在化学成分上的主要区别是：钢 的含碳量低(一般小于1.4%)，含硅、锰、 硫、磷等杂质低。
因此，炼钢的主要任务是将生铁中多余的 碳和其它杂质氧化成氧化物，并使其进入 炉气或炉渣中去除。
间接氧化是炼钢的主要反应形式，即氧首 先与铁水中的铁氧化，生成Fe0，然后再 通过FeO来氧化其它元素，有时亦可采用 氧与碳和其它杂质的直接氧化形式(如转炉 炼钢)的氧化反应。
(NO.2)
(2) 沸腾钢
它是仅用锰铁进行了部分脱氧的钢。 由于钢水中尚存有部分 Fe0，因此，浇 入钢锭模后，将与钢水中的碳发生如 下反应 ：
FeO+C =Fe +CO↑ (2-9)
当钢锭表面结壳后，CO气泡无法逸出， 在钢锭内形成许多气孔(这些气孔在轧 钢时自行焊合)，增大了钢的体积，弥 补了冷凝时的收缩，因此沸腾钢钢锭 头部没有缩孔，轧钢时不需切去头部 或切除甚少，故成材率高，成本低。 沸腾钢一般是低碳钢，因不用硅铁脱 氧，钢中含硅量比镇静钢低，这些都 使沸腾钢具有良好的塑性，常轧制成 薄板，用于制造冲压件。
(1) 转炉炼钢
转炉外形像一个缩口的大盛钢桶，其炼钢 所用的氧化剂一般是空气或纯氧，转炉炼 钢只能用液态金属炉料，常采用高炉或冲 天炉铁水。冶炼时，向炉内吹入压缩空气 或纯氧，将铁水中的碳、硅、锰、磷氧化， 并放出大量的热从而在较短的时间内获得 钢水。
转炉炼钢法的优点是：生产率高，投资少， 建厂快，不需外加燃料，炼钢的成本最低。 其缺点是：钢中氢、氮等气体含量高，氧 化剧烈，成分不易精确控制。主要用于冶 炼普通低碳钢。
为重要的机件。如图2-2c。
(NO.3)
图2-2
ab
2. 灰口铸铁的性能
灰口铸铁的组织结构如同在钢的基体上嵌 入大量石墨片。石墨的强度、硬度极低， 塑性近于零。石墨的存在相当于在基体上 分布大量孔洞，特别是片状石墨的尖角引 起应力集中。因此，灰口铸铁的抗拉强度 比钢低得多，通常σb 仅120~250MPa，为 钢件的 20%~30%，塑韧性近为零。但石 墨的存在也使得灰口铸铁具有良好的减振 性、良好的耐磨性以及低的缺口敏感性， 这是钢所不具备的。而且灰口铸铁具有良 好的铸造性能和切削加工性能，但焊接性 能较差，且不能用于锻造 。
黑心可锻铸铁如图2-3a，是铁素体基体， 具有良好的塑性和韧性，耐蚀性较 高， 适于制造承受振动和冲击、形状复杂 的薄壁小件，如各种水管接头、农机 件等。珠光体可锻铸铁的基体为珠光 体，其强度、硬度、耐磨性优良，并 可通过淬火、调质等热处理强化，可 取代锻钢制造小型连杆、曲轴等重要 件。如图2-3b。白心可锻铸铁在我国 极少使用。
(2) 电炉炼钢
电炉炼钢中常用感应电炉或电弧炉，它是 利用工频、中频或高频感应电流对金属炉 料(固态或液态均可)加热或利用电极与炉料 引燃的电弧热(类似电弧焊引弧)熔炼钢水， 用铁矿石(或辅助吹氧)作氧化剂。
电炉炼钢的成分和温度控制均优于转炉及 平炉，钢水质量最好，一般用于优质结构 钢、工具钢、高合金钢及铸钢件的冶炼。 但电炉的耗电量大，炼钢成本高。
( 二 ) 灰口铸铁的生产特点及牌号选用
1. 灰口铸铁件的生产特点
灰口铸铁一般在冲天炉中熔炼，且大 多不需炉前处理，成本低廉。而且灰 口铸铁的化学成分接近共晶点，凝固 过程中又有石墨化膨胀补偿收缩，故 流动性好，收缩小，铸件的缩 孔、缩 松、浇不足、热裂、气孔倾向均小， 具有良好的铸造性能。
灰口铸铁一般不通过热处理来提高 其性能，这是因为灰口铸铁组织中 粗大石墨片对基体 的破坏作用不能 通过热处理来改善和消除。生产中 仅对要求高的铸件进行时效处理， 以消除内应力，防止加工后变形。
(3)麻口铸铁:这种铸铁组织中既存在石 墨，又有莱氏体，是介于自口铸铁和 灰口铸铁之间的过渡组织，因断口处 有黑白相间的麻点，故得名。麻口铸 铁像白口铸铁一样既硬又脆，很难机 械加工，同时，它又不具备灰口铸铁 的优点，故在生产中应用很少。
根据铸铁中石墨形态的不同灰口 铸铁又可分为：
①普通灰口铸铁，简称灰口铸铁， 其石墨呈片状；
§2-2 铸铁件生产
铸铁是碳的质量分数为2.5%～ 4.0%的铁碳合金。 铸铁常用来制 造机架、床身、箱体、曲轴、缸套 等，是工程材料中最重要的液态成 形合金。
根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可 分为：白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁
(1) 白口铸铁 所含碳除极少溶于铁素体外， 全而部称以为白Fe口3C铸形铁式。存在，断口呈银白色，故
高炉
当料钟下降时炉料沿料钟锥面滑入炉 内，形成料柱，加料完毕，料钟上升， 将炉顶关闭。被热风炉预热到900～ l200 ℃的热风，由炉壁上的风口吹入 高炉下部，使焦炭燃烧，产生大量的 一氧化碳炉气。炽热的炉气在炉内上 升，加热炉料，并与之发生化学反应。
①还原反应。焦炭中的碳和一氧化 碳将氧化铁中的氧分离出来使铁还 原。
第二章 常用液态成形合金及其熔炼
§ 2-1 钢铁的冶炼
钢铁的冶炼，包括从铁矿石炼成生铁，由 生铁炼成钢水，并浇注成钢锭等过程，如 图2-1所示。
图2-1
一、高炉炼铁
炼铁多在高炉中进行，其原理如下： 将铁矿石(大部分为氧化铁状态存在， 并混有一定数量的脉石)、焦炭和石灰 石(熔剂)等，按一定比例配成一批批炉 料，由加料车送到高炉炉顶，炉顶为 可上、下升降的圆锥形活门，称为料 钟。
2. 灰口铸铁的牌号选用
灰口铸铁的牌号用汉语拼音 “HT” 和一组 数字表示，数字表示其最低抗拉强度(MPa)。 其中：HT100、 HT150、 HT200 属于普通 灰口铸铁，广泛用于一般机件； HT250~HT350 是 经 过 孕 育 处 理 的 孕 育 铸 铁，用于要求更高的重要件。
当铁水温度升到1450 ℃左右时，开始 迅速进行脱碳反应，反应式为：
FeO+C=Fe +CO↑(放热) (2-3)
直到含碳量符合要求时才终止脱碳反 应。脱碳反应不仅使生铁变成了钢， 而且，反应所放出的热使钢水温度大 大提高。生成的CO自钢水中逸出时， 使熔池产生沸腾，形成强烈的搅拌， 促使钢水中的气体和非金属夹杂物上 浮排除，有利钢水温度和成分均匀， 因此，脱碳是炼钢最重要的过程。
ωP≤ 0.3% 。
灰口铸铁的组织由基体和片状石墨组 成。按照基体组织的不同，灰口铸铁 又可分为以下三类 ：铁素体灰口铸铁、 铁素体—珠光体灰口铸铁、珠光体灰 口铸铁
(1)铁素体灰口铸铁：是在铁素体基 体上分布着粗大的石墨片，这种铸 铁抗拉强度和硬度低，易加工，铸 造性能好，常用来制造性能要求不 高的铸件和一些薄壁件。如图2-2a.
1. 炼钢的冶金反应
(1)碳、硅、锰的氧化
硅、锰与氧的亲和力较强，在炼钢 初期便己被氧化，其反应式为： 2FeO+Si=2Fe+Si02(放热) (2Βιβλιοθήκη Baidul)
FeO +Mn =Fe+MnO(放热) (2-2)
反应生成的Si02、MnO进入炉渣之中。 反应为放热反应，使铁水温度升高。
(NO .1)
由于可锻铸铁的石墨呈团絮状，大 大减轻了对基体的割裂作用，故抗 拉 强 度 显 著 提 高 ， σb 一 般 达 300~400MPa，最高达 700MPa 。 尤为可贵的是这种铸铁己具有一定 的塑性和韧性，" 可锻铸铁 " 就是由 此而得名，但它并不能真正用于锻 造。
按退火方法的不同，可锻铸铁可分 为黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁 和白心可锻铸铁三种。其牌号分别 用汉语拼音 “KTH” 、“KTZ” 、 “KTB” 及两组数字表示，数字分别 表示其最低抗拉强度和伸长率。
2FeO+Si=Si02+2Fe (2-7) 3FeO+2Al=Al203+3Fe (2-8) 脱氧产物MnO、Si02和A1203进入炉渣中而去除. 此外，在合金钢熔炼时，还需加入合金元素。为
防止易氧化合金元素的烧损，通常也是在炼钢后 期与脱氧结合进行。
2. 钢的冶炼分类
依炼钢设备不同，钢的冶炼可分为转 炉、平炉、电炉(电弧炉、感应电炉)炼 钢法。又根据所用炉衬材料性质不同， 每种炼钢法又可分为酸性法和碱性法， 碱性法有利于脱磷、硫。
(2) 磷、硫的脱除
硫、磷来源于铁矿石、焦炭等原料， 是钢中的有害杂质，炼钢中应尽量脱 除。 磷、硫在钢铁中分别以Fe2P和FeS 形式存在，炼钢炉内的脱磷及脱硫反 应如下：
2P+5FeO+4CaO=4Ca0·P2O5+5Fe(放热)(2-4)
FeS+CaO=CaS+FeO(吸热)
(2-5)
3. 镇静钢与沸腾钢
炼好的钢水，少部分浇入连续铸造机铸成 “ 钢坯 ”直接用于轧钢，大部分浇注到钢 锭模中，铸成一定形状和尺寸的钢锭，浇 注钢锭的钢水可分为两类：
(1)镇静钢
镇静钢是经锰铁、硅铁和纯铝完全脱氧的 钢。这种钢浇注后凝固平稳，成分较均匀， 组织较致密，质量好，常用于优质钢和合 金钢的钢锭。但镇静钢钢锭上部的缩孔较 深，轧钢 前须先切除钢锭头部，使钢的成 材率降低。
(2) 铁素体-珠光体灰口铸铁：其组织是在铁 素体和珠光体的基体上分布着粗大的石墨 片。此种铸铁强度亦较低，但可满足一般 机件要求，且其铸造性能、切削加工性能
和减振性 较好，因此应用较广。如图22b 。
(3) 珠光体灰口铸铁：其组织是在珠光体的 基体上，分布着较细小均匀的石墨片。这 种铸铁强度和硬度较高，主要用来制造较
反应产物Ca0·P205(磷酸钙)及CaO均 可稳定地存在于炉渣之中，可通过不 断扒渣，将磷、硫脱出炉外。
脱磷与脱硫的条件是不同的。
由反应式(2-4)可知，脱磷的条件是： 有足够的FeO和过剩的CaO，故应加强 炉内氧化性，采用碱性炼钢法，以造 出有过剩CaO碱性炉渣。同时，因脱 磷反应为放热反应，要使反应式(2-4) 易于向右进行，脱磷操作必须在炼钢 初期(氧化期)、炉温不高时及时进行。
由反应式(2-5)可知，脱硫的条件与脱 磷相同之处在于必须有足够的Ca0，其 不同之处为，为了利于脱硫反应向右 进行，要求炉内里还原性，以减少FeO 的含量。并且脱硫是吸热反应，宜在 炼钢后期(还原期)、炉温较高时进行。
必须指出，炼钢中进行的脱硫、磷反 应难以彻底进行，钢中最终仍有 0.02%～0.05%的微量磷、硫难以脱 出，它们的含量将直接影响钢的质量。
②可锻铸铁，其石墨呈团絮状； ③球墨铸铁，其石墨呈球状； ④蠕墨铸铁，其石墨呈蠕虫状。
一、灰口铸铁
( 一 ) 灰口铸铁的化学成分、组织和性 能
1. 灰口铸铁的化学成分与组织 灰口铸铁的化学成分一般为： ωC=2.6%~3.6%，ωSi=1.2%~3.0%， ω Mn=O .4%~1.2%，ωS ≤ 0.15%，
必须指出，因灰口铸铁的性能不仅取决于 化学成分，还与铸件壁厚有关，所以在选 择铸铁牌号时，亦必须考虑铸件壁厚。
二、可锻铸铁·
可锻铸铁俗称玛钢或玛铁，它是将白 口铸铁件经长时间的高温石墨化退火， 使白口铸铁中的渗碳体分解，获得在 铁素体或珠光体的基体上分布着团絮 状石墨的铸铁。
1. 可锻铸铁的性能、牌号及选用