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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,