铸造合金及其熔炼(铸铁)

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1、第三章 铸造合金及其熔炼 铸造工(高级) 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) 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) 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

2、%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) 1. 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30mm试棒的抗拉强度值将灰铸 铁分为六种牌号，见表3-1。 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) 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： q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； q铁素体-珠光体灰铸铁 在铁素体和珠光体 基体上分布

3、着细小的片状石墨，其强度、硬 度都比铁素体灰铸铁为高； q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) 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) （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、

4、 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) 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

5、造合金及其熔炼 铸造工(高级) 1）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，

6、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) 2）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，

7、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) 3）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

8、 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) 4）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

9、铸造合金及其熔炼 铸造工(高级) （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) 图3-4 铸件壁厚（冷速）和化学成分对铸铁组织的影响 -白口铸铁区 -麻口铸铁区 -珠光体灰铸铁区 -珠光体加铁素体灰铸铁区 -铁素

10、体灰铸铁区 第三章 铸造合金及其熔炼 铸造工(高级) （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) 1）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。

11、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) 白口区 a麻口区 、b. 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) 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。

12、 第三章 铸造合金及其熔炼 铸造工(高级) 2）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) 3）孕育处理方法 一般孕

13、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) 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

14、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) 4）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) 图3-5 三角试块的形

15、状及尺寸 表3-2 孕育前后的试块白口宽度 （单位：mm） 第三章 铸造合金及其熔炼 铸造工(高级) 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) （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

16、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： v加强孕育剂的研究和运用； v调整铁液的化学成分； v附加合金元素； v通过微量元素的变质行为改善石墨形态； v增加废钢用量。 第三章 铸造合金及其熔炼 铸造工(高级) 2. 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) 表3-3 球墨铸铁单铸试块的牌号及性能 第三章 铸造合金及其熔炼 铸造工(高级) 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) 在球墨铸铁中，由于石墨呈球状或团粒状，对 基体的割裂作用很小，因而金属基体的强度可以得 到充分发挥，而且石墨的存在使球墨铸铁具有钢所 不能及的减振和耐磨性，因此，