第二章常用合金铸件的生产

第二章常用合金铸件的生产•第一节铸铁件的生产•一、灰铸铁•按照铁水处理方法的不同，灰铸铁可分为普通灰铸铁和孕育铸铁两大类。•1．普通灰铸铁•指出炉铁水不经任何处理而制成的铸铁，如HTl00和HT150均属这类铸铁。普通灰铸铁也称低强度灰铸铁，其碳、硅含量较高(3.0%～3.7%C，1.8％～2.4％Si)。•普通灰铸铁的主要缺点是壁厚敏感性较大(表6—1)，铸件壁愈大时，石墨片愈粗大，强度愈低。当截面增加到1OOmm时，强度可下降50%左右。故普通灰铸铁不宜制造壁厚较大的铸件，仅适用于制造受力较小、形状复杂的中小型铸件。•2．孕育铸铁•为了进一步提高灰铸铁的力学性能，在生产上常采用孕育处理(也称变质处理)。其方法是：浇注前，往铁水中加入一定量的孕育剂(硅铁或硅钙合金)造成人为晶核，以改变铁水的结晶条件，使其获得细晶粒的珠光体基体组织和均匀细小片状的石墨。这种方法处理后的铸铁叫“孕育铸铁”或“变质铸铁”，也称高强度铸铁。•为了取得较好的孕育效果，必须从以下条件入手：•碳、硅含量均低的原始铁水(2.7％一3.3%C，1％一2％Si)•废钢加入量25％一50％•铁水出炉温度约为1400~1450℃•孕育剂含硅量为75％的硅铁，块度为3一lOmm，硅铁的加入量为铁水重量的0.25％—0.6％(厚壁铸件取下限)。•孕育处理后的铁水应尽快浇完，否则孕育效果衰退。•孕育铸铁的力学性能，特别是强度、硬度比普通灰铸铁有显著提高。其抗拉强度为250～400MPa、HB＝170~270，含碳愈少、石墨愈细小，强度、硬度愈高。由于孕育铸铁的石墨仍为片状，本质仍属于灰铸铁，所以其塑性、韧性仍然很低。•孕育铸铁的另一优点是，组织和性能的均匀性较高，壁厚敏感性很小；冷却速度对其组织和性能的影响较小，这就使得在铸件的厚大截面上的性能较均匀，如图6-1所示。•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的铸件，特别是厚大铸件，如机床床身、发动机气缸体等。•3．灰铸铁的铸造工艺特点•灰铸铁通常是在冲天炉内熔炼，且大多不需进行炉前处理直接浇注即可。灰铸铁的铸造性能优良，便于制出薄而复杂的铸件，一般也不需设置冒口和冷铁，使铸造工艺简化。•灰铸铁的浇注温度较低(1200～1350℃)，因而对型砂的要求比铸钢低，中小型铸件多采用经济、简便的湿型来铸造。•二、球墨铸铁•球墨铸铁是对一定成分的铸铁铁水进行球化和孕育处理后得到的。与灰铸铁相比，球墨铸铁件的生产有如下特点。•1．严格控制原铁水的化学成分•制造球墨铸铁所用的铁水与灰铸铁原则相同，但成分要求较严格，其硫含量愈低愈好．硫应控制在0.07％以下。磷使球墨铸铁的塑性，韧性急剧降低，且易冷裂，因此，含磷量应小于0.1％。有时还要求低的含锰量，低锰、低磷可提高球墨铸铁的塑性和韧性。此外，铁水含碳量应高些(一般为3.6％～4.0％)，以改善铸造性能和球化效果。•由于铁水经球化和孕育处理温度要降低50—1OO℃，为防止浇注温度过低，出炉的铁水温度必须高达1400℃以上。•2．选择恰当的球化剂和孕育剂这是制造球铁的关键，必须严格掌握。•球化剂的作用是使石墨结晶时呈球状析出。•球化剂：镁、稀土镁合金。•孕育剂：含硅量75%的硅铁•球化处理方法冲入法，如图6-2所示•型内球化法，如图6-3所示。•4．球墨铸铁的铸造工艺特点•球墨铸铁的凝固过程、铸造性能和灰铸铁有明显的不同，因而铸造工艺也不同。•(1)流动性比灰铸铁差。因为球化和孕育处理，使铁水温度大大下降。因此，球墨铸铁需要较高的浇注温度和较大的浇口尺寸。•(2)收缩较灰铸铁大。其主要原因是：球铁为糊状凝固特征，球铁含碳量高，近共晶成分，凝固收缩率低，但缩孔、缩松倾向较大。球铁在浇注后的一个时期内，截面上存在相当宽的液固共存的同时凝固区，凝固后的外壳强度甚低如图6-4(a)，而球状石墨析出时的膨胀值却很大(每析出1％的石墨，体积增加2％)。如果铸型的刚度不够，铸件的外壳将向外胀大，造成金属液的不足，于是在铸件最后凝固的部位产生缩孔和缩松如图6-4(a)。为防止上述缺陷，可采取以下措施。•①在铸件热节部位安置冒口或冷铁，对铸件进行补缩。•②增加铸型刚度，防止铸件外形扩大。如增加型砂紧实度，采用干型或水玻璃快干型，保证砂箱有足够的刚度，并使砂箱间牢固地夹紧。•三、可锻铸铁•可锻铸铁是将白口铸铁坯件经长时间高温退火而得到的一种具有较高塑性和韧性的铸铁。•1.白口铸件的生产•为了获得合格的可锻铸铁件，关键是必须保证浇铸出的铸件坯料组织全部是白口，否则，即使铸件组织中有少量的片状石墨，也会影响退火后可锻铸铁件的组织和性能。为此，出炉的铁水必须具备低碳、低硅、低硫和低磷。例如，KTH350—10的化学成分为Wc=2.4％—2.8％，Wsi＝0.9％—1.4％，Ws0.18％，WpZ0.2％。•用来制造可锻铸铁的白口铸件，熔点高、结晶间隔大，且凝固收缩率高，铸件易产生浇不足、冷隔、缩孔、缩松、裂纹等缺陷。•可锻铸铁只适用于生产薄壁小件。壁厚不超过25mm，否则铸造时难以获得白口铸铁组织。另外铸件太厚时，使退火时间过长。•2．白口铸铁件的石墨化退火•石墨化退火是制造可锻铁的主要过程，图6-5为黑心可锻铸铁的退火工艺曲线。其方法是将清理后的白口坯料叠放在退火箱中，将箱盖用泥封好后送入退火箱中，缓慢加热到900-980℃，保温15h左右，使渗碳体分解为奥氏体加团絮状石墨。然后缓慢冷却，随温度的降低，过饱和的碳自奥氏体内逐渐析出，团絮状石墨不断长大。当温度降到共析转变温度范围(750～720℃)并以缓慢速度(3-5℃／h)冷却时，奥氏体直接转化为铁素体和石墨，最终获得铁素体的黑心可锻铸铁。如果在通过共析转变时冷却速度较快，则奥氏体转变为珠光体和石墨，最终获得珠光体可锻铸铁。•可锻铸铁退火时间长(总周期为40-70小时)，生产过程复杂，耗费能源大，成本高，且铸件的壁厚和大小受到限制，因此，许多可锻铸件已被球墨铸铁所取代。•四、蠕墨铸铁•制造蠕墨铸铁的原铁水和炉前处理与球铁类似，炉前处理时，先加入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％。蠕墨铸铁的研制和应用历史较短，应用中的主要问题是蠕虫状石墨是一种过渡形式，生产中难以控制。蠕化剂少了，石墨不变形，仍保持片状，由于碳、硅含量高，铸铁强度很低，铁水只能报废；蠕化剂多了，石墨又变成球状，使原设计的铸型浇、冒口工艺不合适，也会导致铸件报废。蠕墨铸铁的铸造性能接近灰铸铁，缩孔、缩松倾向比球铁小，故铸造工艺简便。•五、铸铁的熔炼•铸铁的熔炼是保证铸件质量的重要环节，熔炼的目的是为获得预定化学成分，有足够温度的铁水。•铸铁的熔炼设备有：冲天炉、反射炉、电弧炉和工频炉等，其中冲天炉应用最广泛。•冲天炉的熔炼过程如图6-6•2．铁水化学成分的控制•在熔化过程中，铁料与炽热的焦炭和炉气直接接触，因而，铁料的化学成分将发生某些变化。为了熔化出成分合格的铁水，在冲天炉配料时必须考虑以下变化。•(1)碳在熔化过程中，铁料中的碳，一方面可被炉气氧化烧损，造成脱碳；另一方面，由于铁料与炽热的焦炭直接接触吸收碳分，造成增碳。一般铁料经熔化后，其含碳量总是增加的，通常为3.0％～3.4％。•(2)硅和锰在熔化过程中，由于炉气呈氧化性，所以铁水中的硅、锰被部分烧损，一般硅被烧扔l0％～20％，锰被烧损15％-25％。•(3)磷在熔化过程中，金属炉料中的磷基本上全进入铁水，因此含磷量不变。•(4)硫在熔化过程中，铁水流经焦炭表面时，焦炭中的硫会熔入铁水，而使铁水中的含硫量增加，通常增加50％左右。•在实际生产中，应准确掌握碳、硅、锰，磷、硫5个元素的变化规律，以便按照铁水化学成分的要求，通过配料计算，来确定炉料的配比。•第二节铸钢及有色合金铸件的生产•一、铸钢件的生产•1．熔炼设备•铸钢生产中的熔炼设备多采用三相电弧炉。因为三相电弧炉炼出的钢液质量好，每炼一炉钢约为2-4小时。炉子容量一般为1-5t，三相电弧炉的构造如图6-7所示。•近年来感应电炉炼钢发展也很快，感应电炉炼钢加热速度快、能源消耗少，氧化烧损较少，钢水质量高，且能炼各种高级合金钢及含碳极低的钢，适于小型铸钢件的生产。•在重型机械厂中，也有使用平炉进行炼钢，平炉容量一般在l00t以下，适于浇注重型铸件。•2．铸造工艺•钢的浇注温度高、比重大、流动性差，熔炼时易氧化和吸气。钢的体积收缩率均为铸铁的3倍，因此铸造困难，容易产生浇不足、气孔、缩孔、缩松、热裂、粘砂等铸造缺陷。•根据铸钢件的特点，要求型砂(芯砂)的耐火性、强度、透气性和退让性都比较高。铸钢一般用颗粒大而均匀的石英砂，大铸件常采用人工破碎的石英砂。为防止粘砂，铸型表面还要涂以石英粉或锆砂粉涂料。为降低铸型材料的发气性、提高强度、改善填充条件，大件多采用干型或水玻璃快干型。•铸钢件的浇注系统和冒口安置对铸件质量影响很大，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和冷铁，使之实现顺序凝固。•如图6-8所示的大型铸钢齿轮，对于薄壁或易产生裂纹的铸钢件，出于产生缩孔的可能性小，可采用同时凝固原则，并常开设多道内浇口(图6-9)使钢水迅速、均匀地充满铸型。铸钢的浇注温度必须严格掌握，勿使过高或过低。•二、有色合金铸件的生产•常用的铸造有色金属有铝、铜、镁、锌、铅、锡、钍等，其中铜及其合金是最古老的金属，由于其导电性、导热性、抗腐蚀性和耐磨性好，故应用很广，产量及耗用量仅决于铝及其合金．铝合金是比铜、铁、钢应用时间较晚的金属，它既具有铜合金的某些优点，又有很高的比强度(抗拉强度／比重)，因此在工业上获得迅速发展。•1．铝、铜合金的熔炼设备•为了减少熔炼时金属元素的烧损和吸气，对铝、铜合金的基本要求是：能使炉料快速升温和熔化；金属料不与燃料接触；炉温便于调节和控制；操作简便。图6-10为用焦炭加热的坩埚炉。•铝铜合金熔炼设备种类较多，其分类见表6-2。•2．铝合金铸件的生产特点•(1)铝合金的熔炼•铝合金在液态下也极易氧化，其氧化产物A1203,的熔点高达2050℃，比重稍大于铝，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。•为了减缓铝液的氧化和吸气，可向坩埚内加入KCI、NaCI等作为熔剂，熔剂熔化后覆盖在铝液上，使铝液与炉气隔离。为驱除铝液中已吸收的氢气，防止针孔产生，在铝液出炉之前应进行驱氢精炼。驱氢精炼的方法有多种，较为简便的是钟罩向铝液中压入氧化锌(ZnCl2)，六氯乙烷(C2CL6)等氯盐或氯化物，于是发生如下反应；•3ZnCl2+2Al＝3Zn+2AICl3•3C2CL6+2Al=3C2Cl4+2AlCI3•反应生成的AICl3沸点仅183℃，故形成气泡，而氢在AICI3气泡中的分压力等于霉，所以铝液中的氢向气泡中扩散，被上浮的气泡带出液面．与此同时，上浮的气泡还将Al2O3夹杂一并带出。•(2)铝合金的铸造工艺特点•铝合金的铸造性能和化学成分密切相关，其中Al-Si合金接近共晶成分，铸造性能最好，和灰铸铁相似．其他铸造铝合金都远离共晶点，铸造性能差，其中AI-Mg、A1-Zn合金较差，A1-Cu合金最差，但比铸钢好些。在实际生产中，铝铸件都要冒口补缩，A1-Si合金的结晶范围小，冒口补缩率高，易获得组织致密的铸件。其他类铸造铝合金的结晶范围大，冒口补缩效率低，铸件致密性差。•3．铜合金铸件的生产特点•(1)铜合金的熔炼特点•铜合金在熔炼时突出的问题是容易氧化和吸气，因此常采用下列措施来保证铜合金液的纯净度。•①熔剂覆盖铜合金液面，常用熔剂有木炭、碎玻璃、苏打和硼砂等。•②脱氧•③除气•④精炼除渣•(2)铜合金的铸造性能•常用的铸造铜合金是黄铜、铝青铜和锡青铜。•铜合金的熔点低，流动性好，可浇注壁厚3mm的铸件。对于型砂和芯砂的耐火度要求不高，可采用细砂造型，以提高铸件精度和表面质量。•铝青铜结晶温度范围窄，流动性好，易获得致密铸件，但其收缩大，易产生集中缩孔，需增设冒口。并且因其吸气和氧化，浇注系统宜采用底注式。•锡青铜