1 鑄鐵
鑄鐵通常占機器設備總重量的50%以上.(2.5~4.0%C)
一 分類
1 按C在鑄鐵中存在形式不同,可分三類:
1) 白口鑄鐵: C微量溶于F外,全部以Fe3C形式存在, 斷面銀白,硬,脆,難機械加工,很少用于制造零件.
僅用于不沖擊,耐磨件. 如軋輥
主要用途: 煉鋼原料. 也可處理成可鍛鑄鐵.
2) 灰口鑄鐵: C微量溶于鐵素體外,全部或大部以石墨形式存在,斷口灰色,應用最廣.
3) 麻口鑄鐵: 有石墨,萊氏體.屬于白口鐵和灰口鐵之間的過渡組織,斷口黑白相間,麻點.硬,脆,難加工
2 根據石墨形態的不同,灰口鐵又分為:
1) 普通灰口鑄鐵: 石墨 片狀
2) 可鍛鑄鐵: 團絮狀
3) 球墨鑄鐵: 球狀
4) 蠕墨鑄鐵: 蠕蟲狀
3 按化學成分: 普通鑄鐵
合金鑄鐵: Si>4% Mn> 2% 或一定量的Ti Mo Cr Cu等
二 灰口鑄鐵:
占鑄鐵產品的80% 以上
1 性能
顯微組織: 金屬基體(鐵素體,珠光體)+片狀石墨
相當于在鋼的基體上嵌入大量的石墨片
1) 機械性能: σb E↓ 塑,韌---0. 脆性(crispy)材料
∵ 石墨, 軟 脆 強↓ 比重小
1) 由于石墨的存在,減少了承載的有效面積.
2) 石墨片的邊緣形成缺口,應力集中,局部開裂,形成脆性斷裂,基本強度只利用30~50%
∴ 石墨越多,越粗大,分布越不均或呈方向性,則對基體的割裂越嚴重,機械性能越差.
* 灰口鑄鐵的抗壓強度受石墨的影響較小,與鋼的抗壓強度近似.
灰口鐵的機械性能還與金屬基體類別有關
(1) 珠光體灰口鐵: 珠光體基體上分布細小,均勻的石墨.
∵ 石墨對基體割裂較輕,故機械性能好. 如齒輪
(2) 珠光體—鐵素體灰口鐵:
∵珠光體與鐵素體混合基體上分布粗大石墨,∴ 強↓
適于一般機件,鑄造性,切削加工性,減振性,均由于前者.如齒輪箱
(3) 鐵素體灰口鐵
∵鐵素體基體分布多而粗大的石墨片
∴ 強 硬↓ 塑 ,韌性差(基體的作用遠趕不上石墨對基體的割裂作用)
2) 工藝性能: 脆性材料 不能鍛壓; 可焊性差(易裂紋,焊區白口,難加工)
鑄造性能好(缺陷少); 切削性能好(因石墨,崩碎切屑)
3) 減振性: ↑ ∵石墨有緩沖作用,阻止振動能量傳播,適于機床床身等
4) 耐磨性: ↑∵1 石墨是潤滑劑,脫落在磨擦面上.
2 灰口鐵摩擦面上形成大量顯微凹坑,能起儲存潤滑油的作用,是摩擦面上保持油膜連續.
∴ 適于 導軌 襯套 活塞環等
5) 缺口敏感性: ↓ ∵石墨已在鐵素體基體上形成大量的缺口.所以,外來缺口(鍵槽,刀痕)對灰口鐵的疲勞強度影響甚微,提高了零件工作的可靠性
2 影響鑄鐵組織和性能的因素
* 鑄鐵中的碳 可能以化合狀態(Fe3C)或自由狀態(石墨)存在.
灰鐵中, 一方面分析:
C化合=0.8%時,為珠光體灰鐵,石墨片細小,分布均勻,強 硬度高,可制造較重要的零件.
C化合 < 0.8%時,珠光體+鐵素體灰口鐵 強度低,適于一般機件,其鑄造性能,切削加工性和減振性均優于前者.
C化合=0 時鐵素體灰口鐵 強 硬低 塑 韌 ↓ 很少用
另一方面分析:
鑄鐵的組織和性能與石墨化程度有關.
* 影響石墨化的主要因素:
1)化學成分: C↑ 石墨化↑
Si↑石墨化↑(Si與Fe結合力比與C強,能增大鐵水和固態鑄鐵中碳原子的游離擴散能力)
∵ (1) C ,Si過高,形成鐵素體灰鐵,強↓↓
過低,易形成硬脆的白口組織,并給熔化和鑄造增加困難.
∴合理含量: 2.5~4.0%C,1.0~3.0%Si
∵(2) S ↑ 石墨化↓ FeS—熱脆 易形成白口
∴ 一般0.15% 以下.
(3)Mn↑ 石墨化↓ 合理含量: 0.5~1.4%
少量:Mn+S—MnS, Mn+ FeS—Fe+MnS, MnS比重小,進入溶渣.Mn溶于F,提高基體強度.
過多: 阻止石墨化.
(4)P 促進石墨化,但不明顯,多—冷脆 ∴ 合理量 0.3% 以下
2)冷卻速度: 冷卻速度增加 阻礙石墨化 灰口—麻口—白口
3 灰口鐵的孕育處理
為了提高灰口鐵的強度,硬度,盡量使石墨片細化,對其進行孕育處理.即加入許多外來質點,增加石墨結晶核心,得到珠光體灰鐵,受冷卻速度影響小
孕育鑄鐵(又叫變質鑄鐵),適于較高強度,高耐磨性,氣密性鑄件
常用孕育劑:令Si 75%的硅鐵,加入量為鐵水的0.25~0.6%.沖入孕育劑. 與Si對石墨化影響一致
4 灰口鑄鐵的生產特點
1) 沖天爐熔煉: ∵Si Mn易氧化.∴ 配料時增加含量. 為降低含S量,選優質鐵料和焦炭,減少從焦炭中吸S.在熔煉高牌號鑄鐵時,加廢鋼以控制含C量.(如孕育鑄鐵,原鐵水含C,Si低,防止加入孕育劑后石墨粗)
2) 鑄造性能優良,便于鑄出薄而復雜的鑄件,(流動性好,收縮↓)
3) 一般不需冒口,冷鐵,使工藝簡化.
4) 一般不用熱處理,或僅需時效.
5 牌號和用途
牌號: HT+三位數 HT—灰鐵, 數—抗拉強度參考值 Mpa (N/mm2)
* 選牌號時必須參考壁厚
類別 鑄件壁厚mm 抗拉強度Mpa 硬度HBS 類別 鑄件壁厚mm 抗拉強度Mpa 硬度HBS
HT100 2.5~10 130 110~167 HT150 2.5~10 175 136~205
10~20 100 93~140 10~20 145 119~179
20~30 90 87~131 20~30 130 110~167
30~50 80 82~122 30~50 120 105~157
此表中的鑄件壁厚為鑄件工作時主要負荷處的平均厚度.
三 可鍛鑄鐵(又叫馬鐵)
白口鐵晶石墨化退火而成的一種鑄鐵
∵ 石墨呈團絮狀,故抗拉強度↑ 且塑,韌↑
1 牌號及應用: KTH(KTZ)+3位數+2位數
KTH—F基體 黑心 KTZ---P基體
3位數—抗拉強度, 2位數---延伸率 如KTH300—06, KTZ450—06
應用: 形狀復雜,承受沖擊載荷的薄壁小件(KTH),曲軸,連桿,齒輪等(KTZ)
2 生產特點
生產過程: 白口鐵—石墨化退火(920~980℃,保溫10~20h)—團絮狀石墨
∴必須采用C,Si含量低的鐵水,防石墨化. 通常2.4~2.8%C, 0.4~1.4%Si
熔點比灰鐵高,凝固溫度范圍大,流動性不好,液固兩相區寬,砂型耐火性要求高. 周期長(40~70h),成本高.
四 球墨鑄鐵
鐵水中加入球化劑,孕育劑
1 球鐵的組織和性能
組織: 鐵素體球鐵: 塑性,韌性↑
鐵素體+珠光體球鐵: 兩者之間
珠光體球鐵: 強度,硬度↑
牌號: QT+三位數 + 兩位數 數字含義與可鍛鑄鐵相同
性能: 強度 塑性韌性遠遠超過灰鐵,由于可鐵,
鑄造性,減振性,切削性,耐磨性等良好
疲勞強度語中碳鋼接近
熱處理性能好(退火,正火,調質等,淬火(等溫淬火))
應用: 受力復雜,負荷較大的重要零件
∵鑄造工藝比鑄鋼簡單,成本低,性能好,代許多鑄鋼,可鍛鑄鐵件
2 生產特點
(1)鐵水: C↑(3.6~4.0%)接近共晶成分,可改善鑄造性能和球化結果
S↑(<=0.07%)S易與和球化劑合成硫化物,浪費球化劑
P↓(<=0.1%)提高塑性,韌性
鐵水出爐1400℃ 以防球化后溫度過低.
(2)球化處理和孕育處理
球化劑(稀土鎂合金), 使石墨呈球狀析出
孕育劑: (硅鐵75%Si)促使石墨化,防白口.使石墨細化,分布均勻
先用2/3鐵水沖入球化劑,充分反應后,用1/3鐵水沖入孕育劑,進行孕育.
處理后的鐵水要及時澆注,保證球化效果.
(3)鑄造工藝: 比灰鐵易產生縮孔,縮松,夾渣等
a 熱節上安冒口,冷鐵—補縮
b 增加鑄型剛度,防止鑄件外形擴大—石墨膨脹
c S↓ 殘余鎂量↓ 降低型砂含水量—氣孔↓(侵入)
Mg+H2O=MgO+H2↑ MgS + H2O = MgO+ H2S↑
D 澆注系統應使鐵水平穩流入,并有良好的擋渣效果
(4)熱處理: 退火: 鐵素體基體,塑 韌↑QT420-10以上
正火: 珠光體基體 強度 硬↑ QT600-2以上.
§2 鑄鋼
鋼鐵件也是一種重要的鑄造合金,產量僅次于灰鐵,約為可鐵和球鐵的和.
一 鑄鋼的類別和性能
二類: 鑄造碳鋼 應用廣泛: ZG+兩位數(含C萬分之幾)
鑄造合金鋼
性能: 強 塑 韌 可焊性↑
應用: 適于制造形狀復雜的,強和韌性要求高的零件
鑄—焊大件 火車輪 鍛錘機架等
二 生產特點
1 熔煉: 電弧爐(多用),感應爐(合金鋼中小件),平爐等
電弧爐:利用電極與金屬爐料間電弧產生熱量熔煉金屬.
優點:鋼液質量高,熔煉速度快(一爐2~3h)溫度容易控制,適于各類鑄鋼件
原料:廢鋼 生鐵 鐵合金等 造渣材料 氧化劑 增碳劑等
感應爐: 利用感應圈中交流電的感應作用,使金屬爐料(鋼液)產生感應電流,產生熱量.
優點: 加熱速度快,熱量散失少.氧化輕.
2 鑄造工藝:
∵ 鋼澆注溫度高,流動性差,易吸氣,氧化.體積收縮約為鑄鐵的三倍,易產生缺陷(氣孔縮松 變形 裂紋等)
∴ 型砂: 高耐火性 強 透氣 退讓性↑ 加冒口,冷鐵—消耗大量鋼水
3 熱處理
∵ 晶粒粗大.組織不均,內應力,強 塑↓
∴ 正火: 機械性能↑ 成本↓ 內應力↑
退火: 機械性能↓ 成本↑ 內應力↓ 形狀復雜,易裂紋的鑄件,或易硬化的鋼退火為宜.
§3 有色金屬
一 銅及銅合金
1 純銅: 導電 導熱↑ 塑↑(面心) 強 硬↓
2 黃銅: Cu + Zn—普通黃銅 Cu + Zn + Pb,Al,Si等 特殊黃銅
可鑄可鍛
3 青銅: 除黃銅,白銅(銅鎳合金)以外的,銅與其它元素組成.
錫青銅: Sn + Cn 耐磨 耐蝕 鋁青銅: 耐磨 耐蝕
4 鑄造工藝
1) 熔煉: 易氧化 吸氣
①防氧化: 液面蓋上溶劑(碎玻璃,蘇打,鵬砂)
②脫氧:Cu+O2-Cu2O(氧化亞銅)塑↓加磷銅 脫氧 普通黃銅和鋁青銅因有Zn能脫氧
③除氣: 錫青銅: 吹N2, N2 上浮帶出H2 . 鋁青銅: 吹N2 黃銅: 沸騰法Zn(907℃)蒸汽帶出H2
④精煉除渣:鋁青銅液中有AL2O3,加堿性溶劑(蘇打,瑩石等)精練,造出比重小,熔點低的溶渣. 熔煉用坩堝爐
2) 鑄造: ①細砂鑄型—光潔 減少切削量,粘砂
②澆注時勿斷流—防氧化
③澆注系統使液流平穩流入—防飛濺
④加冒口—補縮(錫青銅出外)
二 鋁及鋁合金
1 純鋁: 導電↑ 導熱↑ 塑↑ 抗蝕↑(Al2O3) L1 L2……L7 號大,越不純
2 鋁合金: 比重輕 熔點低 導電 導熱 耐蝕↑
鑄造鋁合金分四類:
① 鋁硅合金(硅鋁明): 機械性能↑ 耐蝕性,鑄造性↑ 適于形狀復雜或氣密性要求高的零件. 如 內燃機氣缸
② 鋁銅合金: 強,耐熱↑ 比重大,鑄造性↓(熱裂紋↑疏松↑)
應用: 高強度,高溫件 如活塞 牌號: ZL201
③ 鋁鎂合金:強度↑ 耐蝕↑ 耐熱↓ 鑄造性↓
應用: 受沖擊載荷 耐蝕件,形狀簡單
④ 鋁鋅合金: 強較高 抗蝕↓ 熱裂紋↑
應用:汽車 拖拉機發動機零件,日用品.
3 鑄造工藝
1) 熔煉: 除氣(H2)除渣(Al2O3)
常用方法,用鐘罩壓入六氯乙烷(C2Cl6)
3C2Cl6 + 2Al---2AlCl3↑+3C2Cl4↑ AlCl3沸點183℃, C2Cl4 沸點121℃ 帶出H2
或3ZnCl2 + 2Al=3Zn + 2AlCl3↑
防氧化: 加KCl NaCl 溶劑
2) 鑄造:與銅合金相同
第三章 砂型鑄造
目前,鑄件生產的主要方法,砂型鑄件占鑄件總量的90%以上,可生產各種鑄鋼,灰鐵,球鐵,可鍛鑄鐵,有色金屬等.用于鑄造各種機械零件
砂型鑄造生產過程:
配砂→造型→烘干
制模 熔化 澆注→落砂→清理→檢驗
配砂→造芯→烘干
造型操作順序:
1安放鑄模 2套下箱,撒防粘材料 3蓋上面砂 4鏟填背砂 5用尖頭砂沖舂砂 6用平頭砂沖舂砂 7刮去多余型砂 8翻轉下型 9撒分型砂 10吹去鑄模上的分型砂 11撒防粘材料 12加面砂 13填上型 14扎通氣孔 15去上型 16 起模 17挖澆口 18合箱澆注.
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