铸造合金及熔炼铸造合金及熔炼一一. . 铸铁及其熔炼铸铁及其熔炼1. 1. 概述概述 含碳量大于含碳量大于2.11%2.11%或具有共晶组织或具有共晶组织 的铁碳合金通常组织中含有石墨的铁碳合金通常组织中含有石墨 铸铁铸造性能良好，加工性能好，铸铁铸造性能良好，加工性能好， 减摩性能好，成本低廉减摩性能好，成本低廉 与钢相比，强度与韧性较低与钢相比，强度与韧性较低Fe-C 相图2. Fe-C 双重相图图中虚线表示稳 定系统铁－石墨 状态图，实线表 示亚稳定系统铁 －渗碳体状态 图，而有些线如 ABC、JE、 GP、PQ等，所 表示的相变与高 碳相的存在形式 基本上无关，其 相变的临界线都 相互重合Fe-C合金为何有双重相图？Fe-Graphite 稳定系Fe-Fe3C 介稳定系Fe3C 含炭量6.67%Graphite 含炭量100%?铸铁在实际结晶时，是按稳定系还是按 亚稳定系进行，这主要取决于结晶时的条件 和过冷度的大小以共晶结晶为例，当结晶温度tC’＞1154℃ 时为液态；当结晶温度在 1148℃＜t C’＜ 1154℃时按铁－石墨稳定系结晶，形成 A ＋G；而当结晶温度降至tC’＜1148℃，过冷 度较大时，则按铁一渗碳体亚稳定系结晶， 形成 A＋FeC。
热力学石墨较Fe3C更稳定 （Fe3C →Fe+ Graphite）动力学Fe3C较石墨更易形成石墨化?铸铁按稳定系结晶，析出石墨的过 程称为石墨化过程?共晶反应阶段析出石墨过程称为一 次石墨化?共析反应阶段析出石墨过程称为二 次石墨化3. 影响铸铁结晶方式主要因素1)冷却速度2)化学成分●C Si促进第一第二阶段石 墨化●碳当量=1/3(Si+P) ●Cu P促进第一反对第二 阶段石墨化●Mn Cr反对第一第二阶段 石墨化3. 灰铸铁1)灰铸铁的组织及性能■石墨A型石墨D型石墨E型石墨■基体珠光体铁素体珠光体-铁素体■灰铸铁的机械性能灰铸铁的机械性能首先 取决于石墨的形状、数量、尺 寸与分布，其次取决于基体组 织■灰铸铁的牌号根据国标，灰铸铁的牌号按 单铸ø30mm试棒的抗拉强度 值分为六个牌号350350HT350HT350200200HT200HT200300300HT300HT300150150HT150HT150250250HT250HT250100100HT100HT100抗拉强度抗拉强度/ /MPaMPa牌号牌号抗拉强度抗拉强度/ /MPaMPa牌号牌号■提高灰铸铁机械性能的途径a.合理选定化学成分●C、Si、Mn、P、S的作用●选择合适的碳当量，碳当量保持不 变，适当提高Si/C比，适当提高Mn 含量。
不同壁厚灰铸铁的化学成分S SP PMnMnSiSiC C≦≦0.120.12≦≦0.30.30.60.6- -0.80.81.81.8- -2.22.23.23.2- -3.43.42020- -3030HT200HT200≦≦0.150.15≦≦0.40.40.40.4- -0.60.62.02.0- -2.32.33.43.4- -3.63.62020- -3030HT150HT150化学成分化学成分(%)(%)铸件壁厚铸件壁厚 (mm)(mm)牌号牌号b. 进行孕育处理●选择低碳当量(麻口或白口）S SP PMnMnSiSiC C≦≦0.100.10≦≦0.150.150.80.8- -1.01.01.21.2- -1.61.62.92.9- -3.13.12020- -3030HT350HT350化学成分化学成分(%)(%)铸件壁厚铸件壁厚 (mm)(mm)牌号牌号●铁水高温过热●加入一定量孕育剂b.进行孕育处理Si-FeSiFe(Ca,Ce,Ba,Ti)c.低合金化强化珠光体，细化石墨Cu Cr Ni Mo Sn Sb■灰铸铁的热处理●低温退火 消除应力●高温退火 降低硬度 提高 加工性530-550℃900-950℃■灰铸铁的铸造性能●灰铸铁的流动性良好●线收缩0.9—1.3%●石墨的析出使铸铁产生“自补缩”●产生应力、发生变形和开裂的倾 向小5. 球墨铸铁●含有球状石墨的铸铁称为球墨 铸铁●球墨铸铁可发挥基体性能的70- 90% ●机械性能接近或超过钢，但铸 造性能良好1)概述■石墨2) 球墨铸铁的组织及性能■石墨●球状石墨的球化等级大部分呈团虫状和团状，余为大部分呈团虫状和团状，余为 球状和蠕虫状球状和蠕虫状4 460%60%呈团状，余为球状和团虫状呈团状，余为球状和团虫状3 345%45%呈球状和团状，余为团虫状呈球状和团状，余为团虫状2 275%75%呈球状，余为团状呈球状，余为团状1 1说说明明球化等级球化等级●球状石墨的大小≦≦1.51.5≥≥1.51.5- -3 3≥≥ 3 3- -6 6≥≥ 6 6- - 1212≥≥1212- - 2525≥≥2525- - 5050石墨石墨 直径直径 (mm)(mm)8 87 76 65 54 43 3级别级别球状石墨的大小分级（××100）■基体●铁素体●珠光体+铁素体■基体■机械性能180180- -1901901414- -1616≥≥ 400400650650- -850850正火正火4545钢钢120120- -1401401818- -1919210210- -290290430430- -490490退火退火2525钢钢3838- -50 50 HRCHRC1 1- -4 4600600- -850850900900- -11001100贝氏体球铁贝氏体球铁240240- -3103102 2- -8 8420420- -600600600600- -900900珠光体球铁珠光体球铁110110- -1701701010- -2828320320- -420420450450- -550550铁素体球铁铁素体球铁硬度硬度 HBHB伸长率伸长率 %%屈服强度屈服强度 MpaMpa抗拉强度抗拉强度 MPaMPa材料名称材料名称■球墨铸铁牌号280280- -3603602 2600600900900QT900QT900- -2 2190190- -2702703 3370370600600QT600QT600- -3 3160160- -2102101010310310450450QT450QT450- -1010130130- -1801801515250250400400QT400QT400- -1515130130- -1801801818250250400400QT400QT400- -1818硬度硬度 HBHB伸长率伸长率 %%屈服强度屈服强度 MpaMpa抗拉强度抗拉强度 MPaMPa牌牌号号3)球墨铸铁的结晶球墨晶核奥氏体球状石墨奥氏体球状石墨生核共晶凝固完毕■球状石墨形成条件●凝固时有较大过冷度●铁液与石墨间有较大的 界面张力●铁液中有一定的球化元 素残留量●良好的石墨形核条件4) 球墨铸铁的生产■化学成分选定 高碳，低硅、锰、磷、硫。
■铁水温度高■球化处理冲入法■孕育处理●孕育衰退●多次孕育●型内孕育■炉前检验5) 球墨铸铁的热处理■Si使球墨铸铁的共析反应 在一个温度区间内进行5) 球墨铸铁的热处理■热处理可以控制球墨铸铁 中的奥氏体含量---部分奥 氏体化处理■奥氏体-贝氏体球墨铸铁 ADI(Austempered ductile iron) ●基体贝氏体+残余奥氏体●抗拉强度可达900-1400MPa ●延伸率δ可达2-10%●铸件加热至Ac1以上30-50 ℃保 温，随后淬入270-300℃的盐浴 中，空冷●主要用途：曲轴、机车车轮、齿 轮、轧辊■奥氏体-贝氏体球墨铸铁 ADI(Austempered ductile iron)7. 铸铁的熔炼1) 感应电炉熔炼■原理 电能→热能感应电炉按其频率高低可分为：感应电炉按其频率高低可分为：? ?工频工频工频工频感应电炉工作频率为感应电炉工作频率为5OHz5OHz，容单在，容单在 10Okg10Okg～～10t10t，由单相、两相和三相电源供，由单相、两相和三相电源供 电；电；? ?中频中频中频中频感应电炉，频率在感应电炉，频率在6O6O～～1000OHz1000OHz，， 其常用工作频率在其常用工作频率在 150150～～4000Hz4000Hz之间，之间， 容量为容量为 5O5O～～1OO0kg1OO0kg；；? ?高频高频高频高频感应电炉，其工作频率为感应电炉，其工作频率为 2 2××105105～～ 3 3××105t105t，其容量为，其容量为 1O1O～～100kg100kg。
按其结构特点可分为：按其结构特点可分为：? ?有芯有芯有芯有芯感应电炉和感应电炉和无芯无芯无芯无芯感应电炉感应电炉 两种 ?有芯有芯感应电炉主要用于非铁合感应电炉主要用于非铁合 金熔炼和铸铁金熔炼和铸铁保温保温时使用，炼时使用，炼 钢中极少应用；钢中极少应用；? ?无芯无芯感应电炉应用较为广泛感应电炉应用较为广泛中频感应炉中频感应炉■感应炉熔炼特点a. 铁水化学成分变化小不变不变不变不变- -5 5+5+5～～1010- -5 5～～1010变化率变化率% %S SP PMnMnSiSiC C元素元素b. 铁水温度高c. 熔化率低，成本高■感应炉熔炼特点2) 冲天炉熔炼■熔炼原理无焦冲天炉无焦冲天炉■冲天炉熔炼特点a. 铁水化学成分变化大+50+50～～7575不变不变- -1515～～2020- -1010～～1515+5+5～～1010变化率变化率,%,%S SP PMnMnSiSiC C元素元素b. 铁水过热困难炉内最高温度1700～1800℃出炉铁水温度1380～1420℃c. 熔化效率高2.5 2.5 ～～ 3 3600600冲天炉冲天炉0.5 0.5 ～～0.750.75600600工频感应电工频感应电 炉炉熔化率熔化率T/hT/h炉内径炉内径mmmm熔化设备熔化设备d.双联法熔炼铸铁•冲天炉－感应电炉优点：•节约能源•温度高•化学成分易控制二.铸造碳钢及其熔炼1. 概述1) 铸造碳钢的性能及应用1010640640340340ZG340ZG340- -6406403 3600600370370QT600QT600- -3 31818500500270270ZG270ZG270- -5005002525400400200200ZG200ZG200- -400400伸长率伸长率%%抗拉强度抗拉强度MPaMPa屈服强度屈服强度MPaMPa铸钢牌号铸钢牌号■■主要应用主要应用轧钢机架 机车车轮 车钩2) 铸造碳钢的化学成分0.010.01P P0.60.60.60.6ZG340ZG340- -6406400.90.90.40.4ZG270ZG270- -5005000.80.80.50.50.20.2ZG200ZG200- -400400S SMnMnSiSiC C铸钢牌号铸钢牌号3) 铸造碳钢的使用温度■铸造碳钢基体铁素体+珠光体 温度过低铁素体脆化，温度过高珠 光体分解■通常使用温度 -40～400℃2. 铸造碳钢的结晶与铸态组织1)结晶过程●一次结晶A ●二次结晶 F+A 2)铸态组织●晶粒粗大●魏氏组织 F钢中的魏氏组织中等含炭量，冷速较快3. 铸造碳钢的热处理■热处理的目的●细化晶粒●消除魏氏体●消除铸造应力■主要热处理方法●退火●正火●正火加回火4. 影响铸造碳钢力学性能的 主要因素■化学成分 C Si Mn P S■气体和夹杂物●钢中的气体主要为： 氢、氮、 氧。
危害最大的是氢 “氢脆”●夹杂物主要为：硫化物、氧化 铝、硅酸盐类、球状氧化物●沿晶界分布的硫化物和氧化铝夹 杂对钢基体割裂最大，球状氧化物 影响最小■铸件壁厚5. 碳钢的铸造性能■流动性■体收缩率与缩孔率含炭量含炭量温。