第四节 常用合金铸件的生产

第四节常用合金铸件的生产铸造合金分为三大类：铸铁、铸钢(碳钢及合金钢)、铸造有色合金.一铸铁件的生产铸铁是含碳量大于2.11％（2.8％～3.5％）,并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的的铁碳合金。铸铁通常占机器设备总重量的50%以上。铸铁件产量约占铸件总产量的80%左右。用于制造机床的床身、床头箱,发动机的汽缸体、机器的底座等，是工程上最常用的金属材料之一。一）分类1按C在铸铁中存在形式不同,可分三类:1)白口铸铁:C微量溶于F外,全部以Fe3C形式存在,断面银白,硬,脆,难机械加工,很少用于制造零件.仅用于不冲击,耐磨件.如轧辊主要用途:炼钢原料.也可处理成可锻铸铁.2)灰口铸铁:C微量溶于铁素体外,全部或大部以石墨形式存在,断口灰色,应用最广.3)麻口铸铁:有石墨,莱氏体Fe3C.属于白口铁和灰口铁之间的过渡组织,断口黑白相间,麻点.硬,脆,难加工。箱体启动阀2根据石墨形态的不同,灰口铁又分为:1)普通灰口铸铁:石墨片状2)可锻铸铁:团絮状3)球墨铸铁:球状4)蠕墨铸铁:蠕虫状3按化学成分:普通铸铁：Fe,C,Si,等。合金铸铁:Si4%Mn2%或一定量的TiMoCrCu等白口铸铁球墨铸铁灰铸铁可锻铸铁何为石墨？石墨是游离状态的碳，其强度、硬度、塑性、韧性很低，硬度仅为3—5HBS，伸长率近于零。铸铁的组织可以看成是在铁或钢的基体上夹杂着石墨，石墨对基体产生割裂作用。因此，石墨的存在使铸铁的力学性能下降，其性能比钢低，不能锻造，且石墨的数量越多，越粗大，分布越不均匀，铸铁的力学性能越差。但石墨的存在也赋予铸铁许多钢所不及的优良性能，如铸造性能、减振性和减摩性等。二）铸铁的结晶过程和石墨化铸铁的石墨化白口铸铁：C和Si含量较低，冷却速度很快，按铁碳二元合金Fe-Fe3C相图结晶-----Fe3C.灰铸铁和球墨铸铁:C和Si含量较高，冷却速度较慢，按铁碳二元合金Fe-C(石墨)相图结晶-----C(石墨).铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。下面详细探讨一下铸铁的结晶及石墨化过程：1.一次结晶和共晶石墨化(以共晶成分的铸铁为例)1)一次结晶:从液态转变为固态时的结晶.2)共晶转变:A+C.也就是,共晶灰(球墨)铸铁一次结晶后的组织为A基体上分布着片状(球状)石墨.3)一次结晶确定:(1)石墨的形态及分布特征.如,片状或球状,是否均匀.(2)共晶体(团)的尺寸和数目.共晶体(团)的尺寸愈小,数量就愈多,则石墨片(球)愈细小,铸铁力学性能愈高.2.二次结晶和共析石墨化1)二次结晶:凝固后在继续冷却过程中发生的组织转变.共晶石墨不变化,A转变.2)A转变:(1)A中的C析出,沉积在原有共晶石墨上.(2)共析转变:*A→F+C(铸铁石墨化倾向较大,冷却速度较慢时，石墨能充分析出.)•A→P+C(铸铁石墨化倾向较小,冷却速度较快时，石墨不能充分析出.)*A→F+P+C(介于以上两者之间.)共析石墨也沉积在原有共晶石墨上.3)二次结晶确定:铸铁的基体组织,有三种类型,F,P,和F+P.石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得到。石墨化若能充分或大部分进行，则能获得灰口铸铁，反之将得到白口铸铁。铸铁组织的类型取决于石墨化的程度。3.影响石墨化的主要因素:1)化学成分:C↑石墨化↑Si↑石墨化↑(Si与Fe结合力比与C强,能增大铁水和固态铸铁中碳原子的游离扩散能力)。3Si=1C的石墨化能力.∵(1)C,Si过高,形成铁素体灰铁,强↓↓过低,易形成硬脆的白口组织,并给熔化和铸造增加困难.∴合理含量:2.8~3.5%C,1.0~3.0%Si∵(2)S↑石墨化↓FeS—热脆易形成白口∴一般0.15%以下.(3)Mn↑石墨化↓合理含量:0.5~1.2%少量:Mn+S—MnS,Mn+FeS—Fe+MnS,MnS比重小,进入溶渣.Mn溶于F,提高基体强度.过多:阻止石墨化.(4)P促进石墨化,但不明显,多—冷脆∴合理量0.2%以下2)冷却速度:冷却速度增加，阻碍石墨化，灰口—麻口—白口。冷却速度---铸件壁厚，（1）壁厚↑，冷却速度↓，石墨化倾向↑，易得到粗大C和F基体。（2）壁厚↓，冷却速度↑，石墨化倾向↓，易得到细小C和P基体。总结：影响石墨化的因素:冷却速度：缓慢冷却有利于石墨化；合金元素：C和Si强烈促进，S强烈阻碍，Mn阻碍，P微弱促进。（3）壁厚↓↓，冷却速度↑↑，石墨化不能进行，得到白口组织。壁厚（对机械性能的）敏感性：随着壁厚的增加，石墨片数量和尺寸都增加，铸铁强度，硬度反而下降的现象。三）灰铸铁:铸造性能好，生产简单，成本低，是应用最广泛的铸造合金。占铸铁产品的80%以上。1.组织性能显微组织:金属基体(铁素体,珠光体)+片状石墨相当于在钢的基体上嵌入大量的石墨片1)机械性能:σb，E↓，σb=120～250MPa,塑,韧→0.脆性(crispy)材料。∵石墨,软脆，强↓，比重小。1)由于石墨的存在,减少了承载的有效面积.2)石墨片的边缘形成缺口,应力集中,局部开裂,形成脆性断裂.假设含3%（质量分数）游离C，C比重=2.24,Fe比重=7.87,约1/3，C约占10%体积→可形象地认为是布满裂纹的钢。∴石墨越多,越粗大,分布越不均或呈方向性,则对基体的割裂越严重,机械性能越差.*灰口铸铁的抗压强度受石墨的影响较小,与钢的抗压强度近似，达600～800MPa.总结：由于石墨片对钢基体产生的割裂作用，破坏了钢基体的连续性、完整性，减少了钢基体的有效面积，使其抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于脆性材料。灰铸铁具有非常优良的铸造性能。但其抗压强度与钢相近，因此普通灰铸铁广泛用于作承受压力载荷的零件和结构，如机座、机床床身、轴承等。灰铸铁的机械性能还与金属基体类别有关(1)珠光体灰铸铁:珠光体基体上分布细小,均匀的石墨.∵石墨对基体割裂较轻,故机械性能好.如齿轮(2)珠光体—铁素体灰铸铁:∵珠光体与铁素体混合基体上分布粗大石墨,∴强↓适于一般机件,铸造性,切削加工性,减振性,均由于前者.如齿轮箱(3)铁素体灰铸铁∵铁素体基体分布多而粗大的石墨片∴强硬↓塑,韧性差(基体的作用远赶不上石墨对基体的割裂作用）。很少用。F+片状石墨（F+P）+片状石墨P+片状石墨2)工艺性能:脆性材料不能锻压;可焊性差(易裂纹,焊区白口,难加工)铸造性能好(缺陷少);切削性能好(因石墨,崩碎切屑)3)减振性:↑∵石墨有缓冲作用,阻止振动能量传播,适于机床床身等4)耐磨性:↑∵1石墨是润滑剂,脱落在磨擦面上.2灰口铁摩擦面上形成大量显微凹坑,能起储存润滑油的作用,是摩擦面上保持油膜连续.∴适于导轨衬套活塞环等5)缺口敏感性低:缺口敏感性：材料在有缺口时的强度明显低于无缺口时的强度。∵石墨已在铁素体基体上形成大量的缺口.所以,外来缺口(键槽,刀痕)对灰口铁的疲劳强度影响甚微,提高了零件工作的可靠性2.牌号分类及应用1）牌号:HT+三位数HT—灰铁,数—抗拉强度参考值MPa(N/mm2),∮30MM单铸试棒的最低抗拉强度值.*选牌号时必须考虑壁厚敏感性.类别铸件壁厚mm抗拉强度MPa硬度HBS类别铸件壁厚mm抗拉强度MPa硬度HBSHT1002.5~1010~2020~3030~501301009080110~16793~14087~13182~122HT1502.5~1010~2020~3030~50175145130120136~205119~179110~167105~157此表中的铸件壁厚为铸件工作时主要负荷处的平均厚度.2）分类及应用:（1）普通灰铸铁，又称低强度灰铸铁。铁水不经任何处理，包括HT100，HT150和HT200。组织和性能特点：ⅰ）HT100：F+粗大C，强度，硬度很低，应用很少。ⅱ）HT150，HT200：C及Si含量较高（C=3.0-3.7%,Si=1.8-2.4%),F+P+较粗大C，强度不高，但铸造性能，切削加工性能良好，应用很广。→机架，箱体类零件。ⅲ）普通灰铸铁壁厚敏感性大。壁厚↑，C↑，强度↓。当壁厚（截面）=100MM时，强度降50%。故不宜做壁厚大件。应用：受力较小，形状复杂的中小铸件，如机座，箱体，支架，阀体，带轮，飞轮等。叶轮发动机飞轮（2）孕育铸铁，又称高强度灰铸铁。铁水需经孕育处理，包括HT250，HT300，HT350。组织和性能特点：ⅰ）细小P+细小C，C割裂作用减弱，故强度，硬度明显提高，但仍属灰铸铁，塑性，韧性仍很差。组织和性能的均匀性提高。ⅱ）孕育铸铁壁厚敏感性很小，且同一截面上机械性能的齐一性好。齐一性好对于厚壁铸件是十分重要的。应用：动载荷较小，静载荷较大，要求耐磨性和减震性好的重要铸件，特别是厚大铸件，如机床床身，发动机气缸体等。3灰铸铁生产特点及孕育处理:1)普通生产特点（1）冲天炉熔炼:∵SiMn易氧化.∴配料时增加含量.为降低含S量,选优质铁料和焦炭,减少从焦炭中吸S.在熔炼高牌号铸铁时,加废钢以控制含C量。（2）铸造性能优良,便于铸出薄而复杂的铸件,(流动性好,收缩↓)（3）一般不需冒口,冷铁,使工艺简化.（4）一般不用热处理,或仅需时效.2)孕育处理（变质处理）及生产特点.为了提高灰铸铁的强度,硬度,尽量使石墨片细化,对其进行孕育处理.即浇注前向铁水内加入少量促进石墨化元素（称孕育剂），也就是，加入许多外来质点,大大增加石墨结晶核心,使共晶体（团）细小，也就是，石墨片细化，分布状况改善，得到珠光体灰铁,受冷却速度影响小。孕育铸铁(又叫变质铸铁，高强度铸铁),适于较高强度,高耐磨性,气密性铸件。（1）铁水中C，Si含量要低。若原铁水含C,Si高,加入孕育剂后石墨粗。一般，C：2.8-3.2%,Si:1.0-2.0%.（2）铁水出炉温度要高。低的C，Si铁水流动性较差，且孕育处理还降温。应不低于1420-1440℃。（3）常用孕育剂:令Si75%的硅铁,加入量为铁水的0.2~0.6%.冲入孕育剂.与Si对石墨化影响一致。（4）孕育处理方法：在前炉出铁槽内加入孕育剂，铁水应在此后15-20MIN内浇注。（5）ＨＴ的熔炼设备：冲天炉，感应电炉．四）球墨铸铁铁水经球化处理及孕育处理，使石墨大部或全部成球状析出的铸铁。1球铁的组织和性能：1）组织：细小石墨球+金属基体。2）性能：（1）机械性能：因石墨呈球状，大大减少对基体缩减和割裂作用，所以，其机械性能远超HT（强度，塑性，韧性大大提高），优于KT，与钢相近。如，45号钢，σb=600MPa，δ=16%；而球铁σb=400～900MPa，δ=2%-18%，αk略小于钢。（2）仍具有HT的许多优良性能，包括良好的铸造性和减振性，好的耐磨性及切削加工性，低的缺口敏感性，等等。（3）还具有HT不具有的其它工艺性能，如焊接性能和热处理性能（退火,正火,调质等,淬火(等温淬火)）。2.球铁的分类，牌号及应用：1）球铁的分类：（1）珠光体球铁:P（含少量F,P≥80%）+石墨球，强度,硬度较好。（2）铁素体球铁:F（含少量P,F≥80%）+石墨球，塑性,韧性较好。（3）铁素体+珠光体球铁:F+P+石墨球，性能介于两者之间。2）球铁的牌号：QT+三位数+两位数，3位数—抗拉强度,2位数---延伸率。（1）珠光体球铁:QT600-3，QT700-2，QT800-2。（2）铁素体球铁:QT400-18，QT400-15，QT450-10。（3）铁素体+珠光体球铁:QT500-7，QT600-3。3）球铁的应用：（1）珠光体球铁:QT700-2，QT800-2，或QT600-3也可包括。通常经正火处理得到．性能与45钢相比，45钢：σb=600MPa,σs=355MPa,HBS=229,δ=16%．QT700-2，σb=700MPa,σs=420MPa,HBS=225-305,δ=２%.ⅰ）抗拉强度，屈服强度及屈强比均高于45锻钢．ⅱ）硬度，耐磨性及疲劳强度也与45钢(中碳钢)接近（当然远比高强度HT好）．ⅲ）延