常见铸造合金与铸件结构工艺性

机械制造基础制造学院金工教研室第3讲常见铸造合金及铸件结构工艺性第3讲铸造合金与铸件结构工艺性铸造合金掌握铸铁组织与性能的特点了解常见铸造合金的组织与性能的特点结构工艺性评价铸件结构工艺性的标准：保证铸件满足相关的力学性能、使用性能的要求制造成本最低对结构工艺性产生影响的因素铸造工艺的特殊要求合金铸造性能的要求生产批量（大：自动化，小：手工）铸件的结构工艺性不是一成不变的一、常见铸造合金黑色金属铸铁，根据碳的存在形式分为：白口铸铁碳以化合物（Fe3C）的形式存在硬、脆、难以加工，较少使用灰口铸铁碳多以石墨（纯碳相）形态存在是工业生产中最常用的铸造合金麻口铸铁大部分以化合物（Fe3C）的形式存在，少部分以石墨（纯碳相）形态存在硬、脆、难加工，不使用铸钢有色金属：铸造铜合金和铸造铝合金铁-石墨相图1.灰口铸铁（根据石墨的形态）普通灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁(1)普通灰铸铁组织特点：相当于钢的基体上分布有大量片状石墨，石墨对基体的割裂程度很高。由于石墨的存在，一方面使得基体承载的有效面积减少，另一方面在基体中容易造成应力集中现象，最终导致灰铸铁的抗拉强度和弹性模量均比钢低得多。普通灰铸铁的组织和性能机械性能σb＝120~250MPa，抗拉强度很差塑性、韧性差抗压强度与钢接近（应合理应用）特点：抗压不抗拉工艺性能铸造性能极好切削加工性能极好锻造性能极差焊接性能极差（焊缝区域易形成白口组织）热处理性能差灰铸铁的其他优良性能优良的减振性石墨松软，能吸振，并阻隔振动传播耐磨、减摩性好石墨本身是很好的润滑剂，剥落后形成的空洞可以储存润滑油缺口敏感性小石墨本身就相当于缺口（孔洞、微裂纹），外来缺口（如油孔、键槽、刀痕等）的作用则相对减弱灰铸铁的组织——石墨化一次结晶和共晶石墨化A＋石墨二次结晶和共析石墨化P+石墨－珠光体灰铸铁石墨细小、分布均匀强度硬度高、用于重要机件（P+F）+石墨－珠光体－铁素体灰铸铁石墨呈粗大片状强度略低、铸造性能极好、减振性好F+石墨－铁素体灰铸铁石墨过多、过于粗大，应用极少讨论铸铁麻口和白口铸铁是怎样形成的？①化学成分影响石墨化（C%＋Si%）&壁厚I－白口IIa－麻口II－P基IIb－PF基III－F基最佳：共晶C%=3%-3.5%Si％＝1.4%-2.4%S、P有害，Mn有益②冷却速度影响石墨化快慢不同厚度－不同组织－不同性能一包铁水C%=3.2%Si%=1.8%wc+wsi%=5.0%凝固后不同厚度截面上的组织5mm：白口或麻口10mm：P基灰铸铁20mm：P基灰铸铁30mm：PF基灰铸铁40mm：F基灰铸铁薄了不行，厚了更不行510203040强化普通灰口铸铁的手段孕育处理孕育剂：含75％Si的硅铁（实为异质形核，获P基灰口铸铁）适用于对强度、硬度和耐磨性要求较高的重要铸件，尤其是厚大铸件，如床身、凸轮、凸轮轴、气缸体和气缸套等牌号（GB5675-85）HT100（F基）、HT150（PF基）中、低载荷和不重要的零件，如盖、外壳、手轮、刀架、工作台等HT200、HT250（P基）较大应力和较重要零件，如气缸体、机座、床身、缸套、活塞等HT300、HT350（孕育）高应力及抗拉应力的重要零件，如齿轮、凸轮、车床卡盘、高压液压缸等普通灰口铸铁的生产特点共晶成分，工艺简单、1200～1350°C浇铸、时效处理(2)可锻铸铁黑心可锻铸铁珠光体可锻铸铁可锻铸铁常识生产特点：（1）先获取白口铸件（2）白口铸件经高温石墨化退火形成加热温度900～980°C，变成A＋Fe3C；第一阶段石墨化Fe3C高温下分解为A+石墨第二阶段石墨化A随炉冷却过程中不断析出多余的C，并依附在第一阶段形成的石墨上继续生长第三阶段石墨化略低于共析温度附近长时间的保温，使P分解为F+石墨可锻铸铁常识种类F可锻铸铁：上述三个阶段都完成P可锻铸铁：仅完成第一阶段石墨化性能抗拉σb＝300~400MPa有一定塑性韧性，但还是不可锻造牌号KTH300-06：黑心可锻铸铁KTZ650-02：珠光体可锻铸铁(3)球墨铸铁生产特点：（1）成分：高碳、高硅、低P、S；（2）浇注温度高；（3）球化处理：稀土镁合金；（4）孕育处理：含75％Si的硅铁。球墨铸铁常识牌号及用途QT400－18（F）传动轴、飞轮、电动机架、铁路机车轴瓦等QT500－7（F+P）载荷大、受力复杂的零件。汽车的连杆、曲轴、凸轮轴和气缸套等，部分机床主轴、蜗杆等QT700－2（P）高强度齿轮，如汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器齿轮、内燃机曲轴、凸轮轴等QT900－2（B或M回）球墨铸铁常识力学性能接近于钢（70～90％）抗拉强度可达900MPa；延伸率18％，具有好的塑性和韧性。工艺性能铸造性能、切削加工性能和减摩性能良好。过冷倾向大，易产生白口热处理性能退火：获得F基球墨铸铁去应力退火：500～600°C低温石墨化退火（无自由渗碳体存在）：720～760°C高温石墨化退火（有自由渗碳体存在，即白口组织）：900～950°C正火：高温正火：900～950°C，获得细P基球墨铸铁低温正火：820～860°C，获得P基＋分散F的球墨铸铁调质：S回＋球状石墨等温淬火：B下＋A（少）＋M（少）＋球状石墨(4)蠕墨铸铁生产特点：（1）成分：高碳、高硅、低P、S；（2）浇注温度高；（3）球化处理：稀土镁合金；（4）孕育处理：含75％Si的硅铁。蠕墨铸铁常识性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，有良好的综合性能力学性能优于灰口铸铁（抗拉强度、屈服点、延伸率、疲劳强度等）；导热性好、抗氧化、减振性、耐磨性优于球铁；铸造性能、切削加工性能优于球铁；牌号（GB5612-85）RuT-400：抗拉强度应用气缸盖、气缸套、钢锭模、液压件等耐热件（5）合金铸铁耐磨铸铁耐热铸铁耐蚀铸铁（5）合金铸铁耐磨铸铁减摩铸铁—P基灰铁制造在润滑、受粘着磨损条件下工作的零件机床导轨、拖板、发动机缸套和活塞环、各种滑块和轴承等高磷铸铁（含0.4～0.7％P），形成磷共晶，断续网状分布在P基体上，形成坚硬骨架，提高耐磨性加入适量的Cu、Cr、Mo、P、V、Ti等合金形成合金减摩铸铁，如磷铜钛铸铁、鉻钼铜铸铁等抗磨铸铁制造在无润滑、受磨料磨损条件下工作的铸件轧辊、磨球机磨球、抛丸机叶片、犁铧等白口铸铁加少量的Cu、Cr、Mo、V、B等合金形成合金碳化物，提高抗磨性。中锰球墨铸铁（含5～9.5％Mn，3.3～5.0％Si）铸态组织为M、A、碳化物和球状石墨（5）合金铸铁耐热铸铁制造在高温下使用的，抗氧化或抗热生长性能符合使用要求的铸件。如炉底板、烟道挡板、传递链构件等热生长由于氧化性气体沿着石墨片的边界和裂纹，渗入铸铁内部所造成的氧化以及由于渗碳体分解生成石墨而引起的体积膨胀。加Al、Si、Cr等合金元素，使之在高温下，在铸铁表面形成一层致密的氧化膜，如Al2O3、SiO2、Cr2O3。单相组织使铸铁在高温下不存在渗碳体分解而析出石墨的可能性石墨最好程球状，独立分布，不易形成氧化性气体的渗入通道F基球墨铸铁具有较好的耐热性（5）合金铸铁耐蚀铸铁制造具有一定力学性能，且在酸、碱条件下有抗腐蚀能力加入Al、Si、Cr等合金元素，使之在高温下，在铸铁表面形成一层致密的氧化膜加入鉻硅、钼、铜、镍、磷等合金元素，提高F的电位以提高耐蚀性通过合金化，获得单项组织，以减少铸铁中的微电池，从而提高耐蚀性如高硅耐蚀铸铁，含1.4％C，10～18％SI，组织为含硅合金铁素体＋石墨＋Fe3Si（或FeSi）2.铸钢应用广泛强度高、塑性韧性优良、焊接性能好铸－焊联合结构：重型机械制造加入10％各种合金元素耐磨、耐腐蚀、耐热铸造性能差：糊状凝固浇注温度高、流动性差收缩率大、一定要定向凝固铸钢件的铸造工艺示例3.铝及其铝合金工业纯铝杂质含量小于3%，熔点660°C，面心立方晶格，无同素异构转变密度小；导电性好；导热性；抗大气腐蚀性好；强度低，塑性好，无磁性、无火花。铝合金形变铝合金单相固溶体，塑性好，部分可热处理强化防锈铝合金：Al-Mn系、Al-Mg系；硬铝合金：Al-Cu-Mg系；超硬铝合金：Al-Cu-Mg－Zn系；锻铝合金：Al-Cu-Mg－Si系铸造铝合金3.铸造铝合金共晶组织，熔点低，流动性好铝硅合金粗大的共晶体（α＋Si），需变质处理加以细化ZL101、ZL102，砂型、金属型和压力铸造零件，工作温度低于200℃，如飞机、仪表的零件，抽水机壳体ZL105，砂型、金属型和压力铸造零件，工作温度低于225℃，如风冷发动机的气缸头等ZL108，砂型、金属型铸造要求高温强度及低膨胀系数的耐热零件，如内燃机活塞铝铜合金ZL201、ZL202,砂型铸造工作温度在175～300℃的零件，如支臂、挂架梁、内燃机气缸头、活塞等铝镁合金ZL301,砂型铸造大气或海水中工作的零件，工作温度小于150℃铝锌合金ZL401，压力铸造结构复杂的零件，工作温度小于200℃3.铸造铝合金生产特点收缩率高，氧化、吸气严重（1）铸造铝合金熔点低、流动性好、对型砂耐火度要求不高，可用细砂造型，以减小铸件表面粗糙度值，还可浇注薄壁复杂铸件。（2）为防止铝液在浇注过程中的氧化和吸气，通常采用开放式浇注系统及应用，蛇形直浇道和缝隙内浇道等。（3）应能造成合理的温度分布，使铸型进行定向凝固，并在最后凝固部分设置冒口进行补缩，以消除缩孔和缩松。工艺方法坩埚炉熔炼，用NaCl、KCl做熔剂精炼驱氢ZnCl2（或C2Cl6）:3ZnCl2+2Al=3Zn+2AlCl3↑（熔点183°C）坩埚炉4.铸造铜合金铜及铜合金按其成分不同可分为紫铜、黄铜、青铜和白铜紫铜工业纯铜，熔点为1083℃，无同素异构转变，相对密度为8.9（为镁的五倍）。比普通钢还重约15%。其具有玫瑰红色，表面形成氧化膜后呈紫色，故一般称为紫铜。塑性好，但强度、硬度较差；具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机、母线、电缆、开关装置、变压器等电工器材和热交换器、管道、太阳能加热装置的平板集热器等导热器材黄铜黄铜是由铜和锌所组成的合金。只由铜、锌组成的黄铜称为普通黄铜。由二种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜。如由铅、锡、锰、镍、铅、铁、硅组成的铜合金。黄铜有较强的耐磨性能。特殊黄铜又叫特种黄铜，它强度高、硬度大、耐化学腐蚀性强。还有切削加工的机械性能也较突出。由黄铜所拉成的无缝铜管，质软、耐磨性能强。黄铜无缝管可用于热交换器和冷凝器、低温管路、海底运输管。制造板料、条材、棒材、管材以及铸造零件等。含铜在62%～68%，塑性强，制造耐压设备等如含锌低于36％的黄铜合金由固溶体组成﹐具有良好的冷加工性能﹐如含锌30％的黄铜常用来制作弹壳﹐俗称弹壳黄铜或七三黄铜4.铸造铜合金白铜铜与镍的合金，镍含量一般为25%纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、硬度、电阻和热电性，并降低电阻率温度系数。因此白铜较其他铜合金的机械性能、物理性能都异常良好，延展性好、硬度高、色泽美观、耐腐蚀、富有深冲性能广泛用于造船、石油化工、电器、仪表、医疗器械、日用品、工艺品等领域，还是重要的电阻及热电偶合金。白铜的缺点是主要添加元素——镍属于稀缺的战略物资，价格比较昂贵。青铜铜和除锌、镍以外的其他金属组成的合金。常见的有锡青铜、铅青铜。熔点低（约800°C）、硬度大、铸造性能好、耐磨、耐腐蚀、色泽光亮等特点，适用于铸造各种器具、机械零件、轴承、齿轮等3.铸造铜合金生产特点极易氧化，形成氧化物（Cu2O）使合金力学性能下降铸造工艺（1）铸造黄铜熔点低、结晶温度窄（30℃-70℃），流动性好、对型砂耐火度要求不高，可