第二章 常用合金铸件的生产

各种管件
螺丝扳手、减速器壳、转向节壳、制动器、曲 轴、凸轮轴、连杆、万向接头
三、球墨铸铁
向出炉的铁水中加入球化剂和孕育剂而得到的 球状石墨铸铁。 1．球墨铸铁的组织和性能 强度和韧性高; 可热处理(退火、正火、调质、高频淬火、等 温淬火等)使基体形成不同组织，如铁素体、珠光 体及其它淬火、回火组织; 球墨铸铁还兼有接近灰铸铁的优良铸造性能。
铸型材料：导热能力越强，铸件的冷却速度 快，致使石墨化受到严重阻碍，铸件容易产生白 口组织。 在铸型材料相同的条件下，不同壁厚的铸件 因冷却速度的差异，铸铁的组织也随之而变(参见 图2—14)，因此，必须按照铸件的壁厚选定铸铁的 化学成分和牌号。
图 2
— 14 冷 却 速 度 对 铸 铁 组 织 的 影 响
1．铜合金的熔化
铜合金在液态下极易氧化，形成的氧化物(Cu20)因溶 解在铜内而使合金的性能下降。为防止铜的氧化，熔化青 铜时应加熔剂以覆盖铜液。为去除已形成的Cu20，最好在 出炉前向铜液中加入0．3％～0．6％磷铜来脱氧。由于黄 铜中的锌本身就是良好的脱氧剂，所以熔化黄铜时不需另 加熔剂和脱氧剂。 2．铝合金的熔化
2．蠕墨铸铁的制取
原铁水和炉前处理与球墨铸铁类似(高碳)。炉前处理时， 先向铁水中加蠕化剂，再加入孕育剂。蠕化剂一般采用稀 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％。 蠕墨铸铁的铸造性能接近灰铸铁，缩孔、缩松倾向比 球墨铸铁小，故铸造工艺较简便。 3．蠕墨铸铁的应用 适于制造工作温度较高或具有较高温度梯度的零件， 如大型柴油机气缸盖、制动盘、钢锭模、金属型等。 制造形状复杂的大铸件，如重型机床和大型柴油机机 体等。用蠕墨铸铁代替孕育铸铁既可提高强度，又可节省 许多废钢（缩孔倾向小）。
铸造铝合金分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金及铝 锌合金四类。铝硅合金又称硅铝明，其流动性好、线收缩 率低、热裂倾向小、气密性好，又有足够的强度，所以应 用最广，约占铸造铝合金总产量的50％以上。铝硅合金适 用于形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的铸件，如内燃 机气缸体、化油器、仪表外壳等。铝铜合金的铸造性能较 差，如热裂倾向大，气密性和耐蚀性较差，但耐热性较好， 主要用于制造活塞、气缸头等。表2—8所示为几种铸造铝 合金的牌号、成分、性能和用途举例。
图 2 16 球 墨 铸 铁
球墨铸铁目 前已成功地取 代部分可锻铸 铁件、铸钢件， 也取代部分负 荷较重但受冲 击不大的锻钢 件，因此是很 有发展前途的 铸造合金。汉铁镢金相照片
柴油机汽油机曲轴 磨床铣床车床的主轴
阀门
汽车拖拉机传动齿轮
球墨铸铁的牌号：QT+两组数字
4．灰铸铁的牌号及其生产特点 (1) HT+数字 灰铸铁共分为HTl00、HTl50、HT200、 HT250、HT300、HT350六个牌号。选择铸 铁牌号时必须考虑铸件的壁厚。
二、可锻铸铁
可锻铸铁又称玛铁（钢）。它是将 白口铸铁经石墨化退火而成的一种铸铁。 抗拉强度得到显著提高，且有着相当高 的塑性与韧性(但不可锻)。 种类：黑心可锻铸铁（铁素体基体， KTH，强度、硬度较珠光体可锻铸铁 低。 ） 珠光体可锻铸铁 白心可锻铸铁
铝合金在液态下也极易氧化，形成的氧化产物A1203 的熔点高达2050℃，密度稍大于铝，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。
表2—7为几种铸造铜合金的牌号、名称、成分、性能 和用途。
表2-7 几种铸造铜合金的牌号、名称、成分、性能和用涂
1.本表摘自 GB 1176 –87 2.力学性能指砂型铸造件。`
铜与锌以外的元素所组成的合金统称青铜。其 中，铜和锡的合金是最普通的青铜，称锡青铜。锡 青铜的线收缩率低，不易产生缩孔，其耐磨性和耐 蚀性优于黄铜，但易产生显微缩松，故适用于致密 性要求不高的耐磨、耐蚀件。除锡青铜外，铝青铜 有着优良的力学性能和耐磨、耐蚀性，但铸造性较 差，故仅用于重要的耐磨、耐蚀件。 二、铸造铝合金 铝合金的密度小，熔点低，导电性、导热性和 耐蚀性优良，因此也常用来制造铸件。
铸钢用型砂应有高的耐火度和抗粘砂性，以及高的 强度、透气性和退让性，通常要采用颗粒大而均匀的硅 砂，型腔表面要涂以硅粉或锆石粉涂料，大件多采用干 砂型或水玻璃砂快干型。此外，型砂中还常加入糖浆、 木屑等，以提高强度和退让性。
铸钢件的浇注系统和冒口的安置对铸件质量有很大 影响，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，有时还需冷铁，使之 实现定向凝固。 3．铸钢件的热处理
铸造合金钢具有耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能，一般加 入超过10％的合金元素。例如，ZGMnl3为铸造耐磨钢，常 用来制造坦克和推土机的履带板、火车道岔、破碎机颚板等。 又如，ZGlCrl8Ni9为铸造镍铬不锈钢，这种钢耐蚀性甚佳， 常用来制造耐酸泵等石油、化工用机器设备。
二、铸钢件的生产特点
1．钢的熔炼 铸钢的熔炼必须采用炼钢炉，如电弧炉、感应电炉等。 2．铸造工艺 钢的浇注温度高、流动性差，钢水易氧化和吸气，同时， 其体积收缩率约为灰铸铁的2~3倍，因此，铸造性能差，容 易产生浇不足、气孔、缩孔、缩松、热裂、粘砂等缺陷。为 防止上述缺陷的产生，必须在工艺上采取相应的措施。
石墨呈短片状， 片端钝而圆，类 似蠕虫(图2—18)， 是介于片状和球 状石墨之间的一 种过渡组织。
图 2 18 蠕 墨 铸 铁
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1．蠕墨铸铁的性能
蠕墨铸铁的力学性能介于基体相同的灰铸铁和 球墨铸铁之间，强度和韧性都不如球铁。 蠕墨铸铁的突出优点是导热性优于球铁，同时， 其断面敏感性较灰铸铁小，故厚大截面上的性能较 为均匀。此外，蠕墨铸铁的耐磨性优于孕育铸铁及 高磷耐磨铸铁。 蠕墨铸铁的牌号：RuT+三位数字
铸造性能好
切削加工性能优良
优良的减振性 由于石墨对机械振动起缓冲作用，从 而阻止振动能量的传播。机器底座的好材料。 耐磨性好 石墨本身是一种良好的润滑剂，而石墨剥 落后又可使金属基体形成储存润滑油的凹坑，故灰铸 铁的耐磨性优于钢，适于制造机器导轨、衬套、活塞 环等。 缺口敏感性小 由于石墨已使金属基体形成了大量缺 口，因此，外来缺口对灰铸铁的疲劳强度影响甚微， 从而增加了零件工作的可靠性。
三、铜、铝合金铸件的生产特点 铜、铝合金的熔化特点是金属料与燃料不直接接触， 以减少金属的损耗和保证金属的纯洁。在一般铸造车间， 铜、铝合金多采用以焦炭为燃料的坩埚炉来熔化。
表 2-8 几种铸造铝合金的牌号、代号、成分、性能和用途举例
注：1.本表摘自 GB 1173——86
2.力学性能指铸态下的砂型铸件。 3.代号中“ZL”表示“铸铝”。首位数字表示合金的类别：1— —铝硅合金； 2——铝铜合金；3——铝镁合金；4——铝锌合金。 后两位数字为合金顺序序号。
第二章 常用合金铸件的生产
本章介绍各种铸铁的组织、性能、生产特点及其应用， 同时，简介铸钢和铸造铜、铝合金及其生产特点。
第一节 铸铁件生产
白口铸铁：碳大部以渗碳体形式存在 灰口铸铁：碳大部以片状石墨形式存在 可锻铸铁：碳大部以团絮状石墨形式存在
球墨铸铁：碳大部以球状石墨形式存在
蠕墨铸铁：碳大部以蠕虫状石墨形式存在
硫：引起铸铁的热脆性，阻碍石墨的析 出，增加白口倾向。 磷：增加铸铁的冷脆性，但对石墨化基 本没有影响。
锰：可部分抵消硫的有害作用，并可增 加铸铁的强度，属有益元素。但含锰过多将 阻碍石墨的析出，增加铸铁的白口倾向。
(2)冷却速度
冷却速度越慢，石墨析出越多、越 粗大；反之，石墨的析出受到抑制。 影响冷却速度的因素：铸型材料、 铸件的壁厚。
冲入法：
图 2-17 冲入法球化处理
(3) 工艺 球墨铸铁较灰铸铁容易产生缩孔、缩松、皮下气 孔和夹渣等缺陷，因此在热节上安置冒口、冷铁，同时， 应增加铸型刚度，防止因铸件外形扩大所造成的缩孔和缩 松。 (4)热处理 常用的热处理是退火和正火。退火可获得铁素 体基体，正火可获得珠光体基体。
四、蠕墨铸铁
一、灰铸铁 金属基体+片状石墨 1．灰铸铁的性能 抗拉强度低， 塑性、韧性差，通常σb仅120～250 MPa，δ 、ak近 于零。
灰铸铁的抗压强度受石墨的影响较小，并与钢相近。
图 2-12 灰铸铁的显微组织
铸造性能好，价格低、 生产简单，强度低， 减磨，耐磨，减振， 石墨膨胀，作承受压 力的机床底座，床身 和不重要的构件、零 件如：端盖、凸轮等 导轨、缸体
铸钢件的晶粒粗大、组织不均，且常存有残余内应 力，致使铸件的强度、特别是塑性和韧性不够高。为此， 铸后必须进行正火或退火。
图 2-19 铸钢齿圈的铸造工艺
第三节 铜、铝合金铸件生产
铜、铝合金具有优良的物理性能和化学性能，因此也 常用来制造铸件。
一、铸造铜合金
纯铜俗称紫铜，其导电性、导热性、耐蚀性及塑性均 优，但强度、硬度低，且价贵，因此极少用它来制造机件。 机械上广泛应用的是铜合金。 黄铜是以锌为主加元素的铜合金。随着含锌量增加， 合金的强度和塑性显著提高，但超过47％之后其力学性能 将显著下降，故黄铜的含锌量小于47％。铸造黄铜除含锌 外，还常含有硅、锰、铝、铅等合金元素。铸造黄铜的力 学性能多比青铜高，而价格却较青铜低。铸造黄铜常用于 一般用途的轴瓦、衬套、齿轮等耐磨件和阀门等耐蚀件。
2．影响铸铁组织和性能的因素
珠光体基：强度、硬度相对较高，重要件
珠光体—铁素体基：其铸造性、减振性均佳，且
便于熔炼
铁素体基：强度、硬度差，很少应用。
石墨化：碳以石墨方式析出
影响石墨化因素: (1)化学成分 碳：含碳愈高，析出的石墨数量愈多、愈 粗大，而基体中铁素体增加、珠光体减少；反 之，含碳降低，石墨减少，且细化。 硅：强烈促进石墨化的元素，随着含硅量 的增加，石墨显著增多。铸铁若含硅量过少， 即使含碳量甚高石墨也难以形成。
图 2 15 黑 心 可 锻 铸 铁
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应用：可锻铸铁通常用于制造形状复杂、 承受冲击载荷的薄壁小件。这些小件若用一 般铸钢制造困难较大；若用球墨铸铁，质量 上又难保证。
工艺：缓慢加热到920～980℃的高温， 保温10～20h。石墨化退火的总周期一般为 40～70h。可锻铸铁的生产过程复杂，退火周 期长，能源耗费大，铸件的成本较高。
第二节，铸钢件生产
机械性能好，有优良的塑性和韧性，焊接性能好。
一、铸钢的类别和性能 分铸造碳钢和铸造合金钢 两大类，其中铸造碳钢应用较 广，约占铸刚件总产量的80％ 以上。表2—6所示为常用铸造 碳钢的牌号、成分和力学性能。
表 2-6 一般工程用铸造碳钢件（GB 11352- 89）
注：1.牌号表示意义：“ZG”系铸钢二字汉语拼音的第一个字母， 后 面的数字，第一组代表屈服强度值，第二组代表抗拉强度值。 2.表列性能适用于厚度为100mm以下的铸件。 3.断面收缩率和冲击韧性根据合选择：如需方无要求，由制造 厂选择其一 。
3．灰铸铁的孕育处理 原铁水：含碳(2．7％～3．3％)、硅(1％～2％)均 低。 孕育剂：含硅量75％的硅铁，加入量为铁水重量 的0．25％～0．6％。 孕育处理的铸铁石墨细小、均匀，并获得珠光体 基体。孕育铸铁的强度、硬度较普通灰铸铁均高，其 塑性和韧性仍然很低，故其本质仍属灰铸铁。 孕育铸铁对冷却速度的敏感性降低，因此，厚大 截面铸件上的性能较为均匀。孕育铸铁适用于静载荷 下要求较高强度、高耐磨性或高气密性铸件，特别是 厚大件。
表2-5 球墨铸铁的主要牌号、力学性能和用途举例
2．球墨铸铁的生产特点
(1)铁水 制造球墨铸铁所用的铁水含碳要高(3．6％ 一4．0％)，但硫、磷含量要低。出炉的铁水温度必须 高达1400℃以上。 (2)球化处理和孕育处理
球化剂：作用是使石墨呈球状析出，我国广泛采 用的球化剂是稀土镁合金。稀土镁合金中的镁和稀土 都是球化元素，其含量均小于10％，其余为硅和铁。 以稀土镁合金作球化剂，减少了镁的用量，还能改善 球墨铸铁的质量。 孕育剂：作用是促进石墨化，防止球化元素所造 成的白口倾向。常用的孕育剂为含硅量75％的硅铁， 加入量为铁水重量的0．4％～1．0％。