铸造合金及其熔炼(铸铁)

第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)1第三章铸造合金及其熔炼第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)2培训要点：重点掌握各种铸造合金的牌号及性能；化学成分对灰铸铁、球墨铸铁性能的影响；孕育铸铁、球墨铸铁的生产技术；冲天炉熔炼操作工艺、一般过程和基本原理；熔炼配料计算方法；了解各种铸造合金的发展趋势；了解铸钢和非铁合金的熔炼过程及主要设备。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)3第一节铸铁及其熔炼一、铸铁铸铁是一种以铁、碳、硅为基础的多元合金，此外，还含有锰、磷、硫等元素。有时为了改善铸铁的性能，还可加入铜、铬、钼等合金元素。铸铁碳的质量分数一般在2.4%～4.0%。常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)41.灰铸铁（1）灰铸铁的牌号及性能抗拉强度是灰铸铁最主要的力学性能，灰铸铁的牌号是按其大小来区分的，根据GB9439-1988《灰铸铁件》的规定，按单铸φ30mm试棒的抗拉强度值将灰铸铁分为六种牌号，见表3-1。牌号抗拉强度σb/MPa≥牌号抗拉强度σb/MPa≥HT100100HT250250HT150150HT300300HT200200HT350350表3-1按单铸试棒性能分类第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)5灰铸铁的力学性能是由金属基体组织及石墨形态决定的。分为以下三种：1)铁素体灰铸铁在铁素体基体上分布着粗大的片状石墨，其强度、硬度都较低；2)铁素体-珠光体灰铸铁在铁素体和珠光体基体上分布着细小的片状石墨，其强度、硬度都比铁素体灰铸铁为高；3)珠光体灰铸铁在珠光体基体上分布着细小的片状石墨，具有较高的硬度，在灰铸铁中强度最高。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)6图3-1灰铸铁的组织a)铁素体灰铸铁b)铁素体-珠光体灰铸铁c)珠光体灰铸铁灰铸铁中存在的片状石墨，一方面减少了金属基体的承载面积，另一方面石墨片的尖角处造成了应力集中，所以，灰铸铁的抗拉强度较差，塑性较低。由此可见片状石墨的数量大小和分布状况是影响灰铸铁性能的主要因素。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)7（2）化学成分对灰铸铁组织和性能的影响灰铸铁的化学成分除了含有碳、硅、锰、磷、硫五种主要元素外，还含有一些其它元素，各种元素及其含量都对灰铸铁的性能产生不同影响。铸铁的组织取决于石墨化程度，研究化学元素对灰铸铁组织的影响，主要研究化学元素对石墨化的影响。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)8铸铁中的元素按其对石墨化影响的不同，可分为促进石墨化和阻碍石墨化两大类。促进石墨化元素阻碍石墨化元素Al，C，Si，Ti，Ni，Cu，P，Co，Zr，Nb，W，Mn，Mo，S，Cr，V，Fe，Mg，Ce，B＋————————————————○———————————————————－左边的元素促进石墨化，右边的元素阻碍石墨化，距铌越远作用越强烈。由此可知，铸铁中的含量较多的碳、硅、锰、磷、硫都会影响石墨化的进行第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)91）碳和硅碳和硅都是强烈促进石墨化的元素，通过调整碳和硅的含量可以控制灰铸铁的组织和性能。灰铸铁碳的质量分数大多在2.6%～3.6%，硅的质量分数在1.2%～3.0%。碳是构成石墨的元素，铁液中碳的质量分数越高，石墨的数量也就越多。硅是促进石墨化的元素。当硅的质量分数在1.0%～2.0%范围内增加时，硅促进石墨化的作用特别强烈。一般以碳当量综合考虑碳和硅的影响。碳当量过高，促使灰铸铁石墨片变粗、数量增多，基体中铁素体量增多，强度和硬度下降。碳当量过低，铸铁易出现麻口或白口组织，会导致灰铸铁铸造性能降低、铸件断面敏感性增大、内应力增加，强度下降，硬度上升加工困难。因此，必须选取合适的碳硅量，使灰铸铁碳当量控制在合适的范围内。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)102）锰和硫锰和硫都是阻碍石墨化的元素，但两者共同存在时，会形成高熔点的MnS，不仅无阻碍石墨化的作用，而且可作为石墨化的非自发晶核。所以，锰能削弱硫的有害作用。此外，锰能促使珠光体形成并细化珠光体，从而提高灰铸铁的力学性能，灰铸铁中锰的质量分数一般为0.6%～1.2%。硫在高含量时有阻碍石墨化的作用，使铸件形成白口组织，同时还使奥氏体枝晶粗化，降低铸铁性能。硫还能使铁液的流动性降低，收缩量增大，使铸铁有较大的热裂倾向。因此，硫作为有害元素应加以控制，一般质量分数控制在0.15%以下。但目前认为，为确保孕育效果，灰铸铁中含硫量亦非愈低愈好，一般质量分数不低于0.05%～0.06%。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)113）磷磷使铸铁的共晶点左移，其作用程度和硅相似，故计算碳当量时，应计入磷的含量。当磷的质量分数大于0.3%时，会生成硬而脆，且熔点低的磷共晶，常以网状分布在晶界上，使铸铁脆性增加。降低铸铁的力学性能尤其是韧性和致密性。磷量高往往是铸件产生冷裂的原因。但磷共晶能提高铸件的耐磨性，且磷能降低铸铁的熔点和共晶温度，提高铁液的流动性，改善铸造性能。一般灰铸铁，磷的质量分数不应超过0.2%；高强度灰铸铁的磷的质量分数应控制在0.12%以下；有致密性要求的，磷的质量分数需低于0.06%；有耐磨和高流动性要求的磷的质量分数可达0.3%～1.5%。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)124）合金元素灰铸铁的低合金化是提高其力学性能、使用性能及节省材料的重要途径，低合金灰铸铁可以含有一种或几种合金元素，其总的质量分数一般在3%以下，合金元素的作用主要有以下几方面：改善并显著提高铸铁的力学性能，增加硬度；增加铸件性能的均匀性，降低断面敏感性；改善铸件的塑性；改善铸铁的高温及低温性能；提高铸铁热处理的淬透性及改善耐磨性。常用的合金元素有：铬、镍、钼、铜、钒、锡、钛、硼等。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)13（3）冷却速度对灰铸铁组织和性能的影响在生产中可以看到，同一铸件壁厚不同的部位，其组织往往不同，壁厚处呈灰口组织，而壁薄处常出现白口组织。这表明在化学成分不变的条件下，通过改变冷却速度，可以改变石墨化程度而得到不同的组织。当快速冷却时，铸铁中的碳部分或全部呈化合状态存在，而形成麻口组织或白口组织。缓慢冷却时，石墨能顺利析出，并不断长大，得到粗大片状石墨，而形成灰口组织。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)14图3-4铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸铁组织的影响Ⅰ-白口铸铁区Ⅱ-麻口铸铁区Ⅲ-珠光体灰铸铁区Ⅳ-珠光体加铁素体灰铸铁区Ⅴ-铁素体灰铸铁区第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)15（4）孕育铸铁向碳、硅含量较低的铁液中加入一定数量的孕育剂，造成人工晶核，改变铁液的结晶条件，从而细化共晶团，改善石墨的尺寸及分布，提高灰铸铁的力学性能。这种灰铸铁叫孕育铸铁。孕育铸铁生产的关键是原铁液化学成分的选择、孕育剂、孕育处理方法及炉前控制。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)161）原铁液化学成分的选择选择适宜的碳、硅含量（碳当量）的原铁液，是生产孕育铸铁的关键。碳、硅含量过高不经孕育处理就是灰口组织，孕育处理反而造成石墨粗大，使强度下降；碳、硅含量过低，则增加熔炼困难，降低铸造性能，增加孕育剂消耗。因此，一般选择位于铸件组织图上麻口区内或白口区域边缘（靠近麻口区）的成分，在孕育处理后，就可使铸铁转入珠光体区域。见图3-3。一般原铁液的碳的质量分数为2.8%～3.3%，硅的质量分数为1.0%～1.6%。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)17Ⅰ—白口区Ⅱa—麻口区Ⅱ、Ⅱb.Ⅲ—灰口区图3-3铸件组织图第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)18锰在孕育铸铁中的作用，除中和硫外，还能增加珠光体含量。所以，孕育铸铁锰的质量分数含量一般较高，为0.8%～1.0%。硫、磷作为有害元素，都会降低铸铁强度，应加以限制，一般硫的质量分数限制在0.1%以下，磷的质量分数限制在0.15%以下。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)192）孕育剂孕育剂主要含有促进石墨化元素。孕育剂的种类很多，选用的原则是孕育效果好且价格低廉。最常用的孕育剂是硅的质量分数为75%的硅铁合金。但有较多报告指出，对于片状石墨铸铁来说，纯硅或纯硅铁很少有，甚至没有孕育作用，真正起作用的是硅铁中一定含量的铝和钙，硅铁仅起到把铝和钙带入铁液的作用。除铝和钙外，能起孕育作用的元素还有锶、铈、钡、钛、锆等。因此，目前出现了许多按不同孕育需要加入不同元素的孕育剂，且许多都已商品化、系列化，如：钡硅铁、锶硅铁、稀土钙钡硅铁等。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)203）孕育处理方法一般孕育处理的方法是将孕育剂均匀地加在出铁槽的铁液流上，使其随铁液冲入铁液包内。孕育剂的加入时间应占出铁时间的60%以上，并在出铁接近三分之一时加入，保证孕育剂与铁液均匀混合。出铁完毕后可适当搅拌。这种孕育处理方法又称炉前孕育或一次孕育。孕育处理后的铁液应在规定时间内浇完，以防孕育衰退。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)21为缩短从孕育到凝固的时间，防止孕育衰退，加强孕育效果，减少孕育剂用量，目前已发展了许多瞬时孕育方法，如浇包漏斗随流孕育、硅铁棒孕育、喂丝孕育、型内孕育等。孕育剂的加入量应严格控制。孕育剂的加入量与铁液成分、铸件壁厚、孕育剂种类和孕育方式有关。一般炉前孕育的加入量为铁液重量的0.2%～0.5%，瞬时孕育为0.08%～0.2%。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)224）炉前控制在生产过程中，为及时检查铁液的化学成分，确定孕育剂的加入量并检查孕育效果，避免浇注后出现废品，必须在炉前采取简单、迅速、较正确的检查，并据此采取相应的措施。炉前常用的检查方法是三角试块白口检测。三角试块的形状和尺寸见图3-5。试块一般采用干型立浇。浇注后待其冷却至暗红色后放入水中激冷，然后敲断，观察断口处的颜色、晶粒大小，并测量白口宽度。白口宽度与铸铁牌号的对应关系见表3-2。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)23图3-5三角试块的形状及尺寸表3-2孕育前后的试块白口宽度（单位：mm）牌号孕育前的白口宽度孕育后的白口宽度HT35012～245～10HT3008～184～8HT2506～123～7第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)24此外，炉前采用的检查方法还有炉前快速化学分析法、直读光谱分析法、热分析法、炉前快速金相法等。5）孕育铸铁的组织和性能孕育铸铁的组织，是在致密的珠光体基体上，均匀地分布着细小的片状石墨，所以孕育铸铁的强度、耐磨性等均比普通灰铸铁高。另一特点是断面敏感性小。但减震性、缺口敏感性略低于普通灰铸铁。由于碳、硅含量低，所以流动性差，收缩较大。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)25（5）灰铸铁的发展（自学）目前，全世界铸铁生产中，灰铸铁约占60%～80%以上。因此不断提高灰铸铁的力学性能，发展高强度灰铸铁时铸铁材质发展的重要方向之一。其途径有：加强孕育剂的研究和运用；调整铁液的化学成分；附加合金元素；通过微量元素的变质行为改善石墨形态；增加废钢用量。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)262.球墨铸铁（1）球墨铸铁的牌号及性能根据GB1348-1988《球墨铸铁件》的规定，球墨铸铁的牌号及性能见表3-3。第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)27表3-3球墨铸铁单铸试块的牌号及性能QT400-1840025018130～180铁素体QT400-1540025015130～180铁素体QT450-1045031010160～210铁素体QT500-75003207170～230铁素体+珠光体QT600-36003703190～270珠光体+铁素体QT700-27004202225～305珠光体QT800-28004802245～335珠光体或回火组织QT900-29006002280～360贝氏体或回火马氏体牌号供参考主要金相组织最小值布氏硬度HBS抗拉强度σb/MPa屈服点σ0.2/MPa伸长率δ（%）第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)28图3-7球墨铸铁组织a）珠光体球墨铸铁组织b）铁素体球墨铸铁组织第三章铸造合金及其熔炼铸造工(高级)29在球墨铸铁中，