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1、机械制造基础制造学院金工教研室 梅筱琴第第3 3讲 常见铸造合金及常见铸造合金及铸件件结构结构工工艺性性 第3讲 铸造合金与铸件结构工艺性n铸造合金铸造合金掌握铸铁组织与性能的特点掌握铸铁组织与性能的特点了解常见铸造合金的组织与性能的特点了解常见铸造合金的组织与性能的特点n结构工艺性结构工艺性评价铸件结构工艺性的标准：评价铸件结构工艺性的标准：n保证铸件满足相关的力学性能、使用性能的要求保证铸件满足相关的力学性能、使用性能的要求n制造成本最低制造成本最低对结构工艺性产生影响的因素对结构工艺性产生影响的因素n铸造工艺的特殊要求铸造工艺的特殊要求n合金铸造性能的要求合金铸造性能的要求n生产批量（大
2、：自动化，小：手工）生产批量（大：自动化，小：手工）铸件的结构工艺性不是一成不变的铸件的结构工艺性不是一成不变的一、常见铸造合金n黑色金属黑色金属铸铁铸铁根据碳的存在形式分为：根据碳的存在形式分为：n白口铸铁白口铸铁碳以化合物（碳以化合物（Fe3C）的形式存在）的形式存在硬、脆、难以加工，较少使用硬、脆、难以加工，较少使用n灰口铸铁灰口铸铁碳多以石墨（纯碳相）形态存在碳多以石墨（纯碳相）形态存在是工业生产中最常用的铸造合金是工业生产中最常用的铸造合金n麻口铸铁麻口铸铁大部分以化合物（大部分以化合物（Fe3C）的形式存在，少量以石墨（纯碳相）形态存在）的形式存在，少量以石墨（纯碳相）形态存在硬、
3、脆、难加工，不使用硬、脆、难加工，不使用铸钢铸钢n碳的存在形式是什么？碳的存在形式是什么？n有色金属有色金属铸造铜合金铸造铜合金铸造铝合金铸造铝合金铁-石墨相图1.灰口铸铁（根据石墨的形态）根据石墨的形态）普通灰铸铁普通灰铸铁可锻铸铁可锻铸铁球墨铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁(1)普通灰铸铁组织特点：相当于钢的基体上分布有大量片状石墨，石墨对基体的割裂程度很高。由于石墨的存在，一方面使得基体承载的有效面积减少，另一方面在基体中容易造成应力集中现象，最终导致灰铸铁的抗拉强度和弹性模量均比钢低得多。普通灰铸铁的组织和性能n机械性能b 120250MPa，抗拉强度很差塑性、韧性差抗压强度与钢接近（应合
4、理应用）特点：抗压不抗拉n工艺性能铸造性能极好切削加工性能极好锻造性能极差焊接性能极差（焊缝区域易形成白口组织）热处理性能差灰铸铁的其他优良性能n优良的减振性石墨松软，能吸振，并阻隔振动传播n耐磨、减摩性好石墨本身是很好的润滑剂，剥落后形成的空洞可以储存润滑油n缺口敏感性小石墨本身就相当于缺口（孔洞、微裂纹），外来缺口（如油孔、键槽、刀痕等）的作用则相对减弱讨论-铸铁性能和组织的关系n白口、麻口铸铁和灰口铸铁是怎样形成的？灰铸铁的组织石墨化n一次结晶（共晶石墨化）一次结晶（共晶石墨化）A A石墨石墨n二次结晶（共析石墨化）二次结晶（共析石墨化）P+P+石墨石墨珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁n石墨细小
5、、分布均匀n强度硬度高、用于重要机件（P+FP+F）+ +石墨石墨珠光体铁素体灰铸铁珠光体铁素体灰铸铁n石墨呈粗大片状n强度略低、铸造性能极好、减振性好F+F+石墨石墨铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁n石墨过多、过于粗大，应用极少n（C%Si% ） &壁厚I区白口IIa区麻口II区P基IIb区PF基III区F基n化学成分C、Si含量越高，越有利于石墨化S、P有害，Mn有益化学成分影响石墨化冷却速度影响石墨化快快慢慢n壁厚壁越厚，冷却速度越慢，越有利于石墨化进行；反之，则不利于石墨化进行。铸件壁厚冷速组织性能n一包铁水C%=3.2% Si%=1.8%wc+wsi%=5.0%n凝固后不同厚度截面上的组织
6、5mm：白口或麻口10mm：P基灰铸铁20mm：P基灰铸铁30mm：PF基灰铸铁40mm：F基灰铸铁n铸件壁薄了不行，厚了更不行510203040强化普通灰口铸铁的手段n孕育处理孕育剂：含75Si的硅铁（实为异质形核，获P基灰口铸铁）适用于对强度、硬度和耐磨性要求较高的重要铸件，尤其是厚大铸件，如床身、凸轮、凸轮轴、气缸体和气缸套等n牌号（GB5675-85）及应用HT100（F基） 、HT150（PF基）n中、低载荷和不重要的零件，如盖、外壳、手轮、刀架、工作台等HT200、HT250 （P基）n较大应力和较重要零件，如气缸体、机座、床身、缸套、活塞等HT300、HT350 （孕育）n高应力
7、及抗拉应力的重要零件，如齿轮、凸轮、车床卡盘、高压液压缸等n普通灰口铸铁的生产特点共晶成分，C：2.7-4.0%， Si ：1.0-2.5% ，Mn：0.5-1.4% ，微量S、P铸造工艺简单；12001350C浇铸、时效处理(2)可锻铸铁黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁可锻铸铁常识n生产特点：（1）先获取白口铸件（2）白口铸件经高温石墨化退火高温石墨化退火形成n加热温度900980C，变成AFe3C；n第一阶段石墨化Fe3C高温下分解为A+石墨n第二阶段石墨化A随炉冷却过程中不断析出多余的C，并依附在第一阶段形成的石墨上继续生长n第三阶段石墨化略低于共析温度附近长时间的保
8、温，使P分解为F+石墨可锻铸铁常识n常用种类、性能、牌号及用途黑心可锻铸铁-F可锻铸铁n强度、硬度低，塑性、韧性好；n切削加工性能、抗氧化生长性能和耐蚀性能良好；nKTH300-06、KTH330-08、KTH350-10、KTH370-12n用于载荷不大，承受较高冲击、振动的零件，如汽车后桥、弹簧支架、低压阀门、管接头、工具扳手等。珠光体可锻铸铁-P可锻铸铁n具有高的强度、硬度；nKTZ450-06、KTZ550-04、KTZ650-02、KTZ700-02n用于载荷较高、耐磨损并有一定韧性要求的重要零件，如齿轮箱、凸轮轴、曲轴、连杆、活塞环等。(3)球墨铸铁生产特点：（1）成分：高碳、高硅
9、、低P、S； （2）浇注温度高； （3）球化处理：稀土镁合金； （4）孕育处理：含75Si的硅铁。球墨铸铁常识n化学成分含碳量3.04.0%，含硅量1.83.2%，含锰、磷、硫总量不超过3.0%；适量的稀土、镁等球化元素。n力学性能接近于钢（7090）；抗拉强度可达900MPa；延伸率18，具有良好的塑性和韧性。n工艺性能铸造性能良好，但过冷倾向大，易产生白口；切削加工性能和减摩性能良好；压力加工性能和焊接性能差。球墨铸铁常识n热处理性能退火：获得F基球墨铸铁n去应力退火：500600Cn低温石墨化退火（无自由渗碳体存在）：720760Cn高温石墨化退火（有自由渗碳体存在，即白口组织）：900
10、950C正火：n高温正火：900950C，获得细P基球墨铸铁n低温正火：820860C，获得P基分散F的球墨铸铁调质：S回球状石墨等温淬火：B下A（少）M（少）球状石墨球墨铸铁常识n常用牌号及用途铁素体球铁（QT400-18、QT450-10）n承受冲击、振动的零件，如汽车轮毂、差速器壳、拨叉等；铁素体+珠光体基球铁（QT500-7、QT600-3）n机架、传动轴、飞轮、电动机架、铁路机车轴瓦等；珠光体球铁（QT700-2、QT800-2）n载荷大、受力复杂的零件。汽车的连杆、曲轴、凸轮轴和气缸套等，部分机床主轴、蜗杆等；贝氏体或回火马氏体球铁（QT900-2）n高强度齿轮，如汽车后桥螺旋锥齿
11、轮、大减速器齿轮、内燃机曲轴、凸轮轴等。(4)蠕墨铸铁生产特点：（1）成分：高碳、高硅、低P、S； （2）浇注温度高； （3）球化处理：稀土镁合金； （4）孕育处理：含75Si的硅铁。蠕墨铸铁常识n化学成分C：3.4%3.6%；Si：2.4%3.0%；Mn：0.4%0.6%；S0.06%；P0.07%n性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，有良好的综合性能n力学性能优于灰口铸铁（抗拉强度、屈服点、延伸率、疲劳强度等）；n导热性好、抗氧化、减振性、耐磨性优于球铁；n铸造性能、切削加工性能优于球铁；n独特的用途钢锭模，汽车发动机的缸盖、缸套，排气管、玻璃模具、柴油机缸盖、制动零件等耐热件。蠕墨铸铁常识牌号
12、b/MPa（kgf/mm2)0.2/MPa（kgf/mm2)(%)硬度值范围HB蠕化率（%）主要基体组织不小于不小于RuT420420(42.8)335(34.2)0.7520028050珠光体RuT380380(38.7)300(30.6)0.75193274珠光体RuT340340(34.7)270(27.5)1.0170249珠光体铁素体RuT300300(30.6)240(24.5)1.5140217铁素体珠光体RuT260260(26.5)195(19.9)3121197铁素体（5）合金铸铁n耐磨铸铁n耐热铸铁n耐蚀铸铁（5）合金铸铁n耐磨铸铁耐磨铸铁减摩铸铁P基灰铁n制造在润滑、受
13、粘着磨损条件下工作的零件机床导轨、拖板、发动机缸套和活塞环、各种滑块和轴承等n高磷铸铁（0.40.7P）形成磷共晶，断续网状分布在P基体上，形成坚硬骨架，提高耐磨性n合金减摩铸铁加入适量的Cu、Cr、Mo、P、V、Ti等合金，如磷铜钛铸铁、铬钼铜铸铁等抗磨铸铁n制造在无润滑、受磨料磨损条件下工作的铸件轧辊、磨球机磨球、抛丸机叶片、犁铧等n白口铸铁加少量的Cu、Cr、Mo、V、B等合金形成合金碳化物，提高抗磨性。n中锰球墨铸铁（59.5Mn，3.35.0Si）铸态组织为M、A、碳化物和球状石墨（5）合金铸铁n耐热铸铁耐热铸铁制造在高温下使用的，抗氧化或抗热生长性能符合使用要求的铸件。如炉底板、烟
14、道挡板、传递链构件等n热生长由于氧化性气体沿着石墨片的边界和裂纹渗入铸铁内部所造成的氧化，以及由于渗碳体分解生成石墨而引起的体积膨胀。抗氧化n加Al、Si、Cr等合金元素高温下，在铸铁表面形成一层致密的氧化膜，如高温下，在铸铁表面形成一层致密的氧化膜，如AlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2、CrCr2 2O O3 3。n单相组织如：如：F F基球墨铸铁基球墨铸铁使铸铁在高温下不存在渗碳体分解而析出石墨的可能性使铸铁在高温下不存在渗碳体分解而析出石墨的可能性石墨最好程球状，独立分布，不易形成氧化性气体的渗入通道石墨最好程球状，独立分布，不易形成氧化性气体的渗入通道（5）合金铸铁n耐蚀铸
15、铁耐蚀铸铁制造具有一定力学性能，且在酸、碱条件下有抗腐蚀能力n加入Al、Si、Cr等合金元素，使之在高温下，在铸铁表面形成一层致密的氧化膜n加入铬、硅、钼、铜、镍、磷等合金元素，提高F的电位以提高耐蚀性n通过合金化，获得单项组织，以减少铸铁中的微电池，从而提高耐蚀性n如高硅耐蚀铸铁，含1.4C，1018SI，组织为含硅合金铁素体石墨Fe3Si（或FeSi）2.铸钢n应用广泛强度高、塑性韧性优良、焊接性能好强度高、塑性韧性优良、焊接性能好n铸焊联合结构：重型机械制造可加入10各种合金元素n耐磨、耐腐蚀、耐热n铸造性能差糊状凝固收缩率大浇注温度高、流动性差多采用定向凝固工艺措施铸钢件的铸造工艺示例
16、3.铝及其铝合金n工业纯铝杂质含量小于3%，熔点660C，面心立方晶格，无同素异构转变密度小；导电性好；导热性；抗大气腐蚀性好；强度低，塑性好，无磁性、无火花。n铝合金形变形变铝合金铝合金n单相固溶体，塑性好，部分可热处理强化n防锈铝合金：Al-Mn系、Al-Mg系；n硬铝合金：Al-Cu-Mg系；n超硬铝合金：Al-Cu-MgZn系；n锻铝合金：Al-Cu-MgSi系铸造铝合金铸造铝合金3.铸造铝合金n共晶组织，熔点低，流动性好铝硅合金n粗大的共晶体（Si），需变质处理加以细化nZL10ZL101、ZL102，砂型、金属型和压力铸造零件，工作温度低于200，如飞机、仪表的零件，抽水机壳体nZ
17、L105，砂型、金属型和压力铸造零件，工作温度低于225，如风冷发动机的气缸头等nZL108，砂型、金属型铸造要求高温强度及低膨胀系数的耐热零件，如内燃机活塞铝铜合金nZL20ZL201、ZL202,砂型铸造工作温度在175300的零件，如支臂、挂架梁、内燃机气缸头、活塞等铝镁合金nZL30ZL301,砂型铸造大气或海水中工作的零件，工作温度小于150铝锌合金nZL40ZL401，压力铸造结构复杂的零件，工作温度小于2003.铸造铝合金n生产特点收缩率高，氧化、吸气严重（1）铸造铝合金熔点低、流动性好、对型砂耐火度要求不高，可用细砂造型，以减小铸件表面粗糙度值，还可浇注薄壁复杂铸件。 （2）防
18、止铝液在浇注过程中的氧化和吸气采用开放式浇注系统及应用，蛇形直浇道和缝隙内浇道等。 （3）应采用定向凝固工艺措施，以消除缩孔和缩松。工艺方法n坩埚炉坩埚炉熔炼，用NaCl、KCl做熔剂n精炼精炼驱氢ZnCl2（或C2Cl6） : 3ZnCl2 +2Al=3Zn+2AlCl3（熔点183C）坩埚炉4.铜及铜合金n按其成分不同可分为紫铜、黄铜、青铜和白铜紫铜n工业纯铜，熔点1083，无同素异构转变，相对密度为8.9（为镁的五倍）。其具有玫瑰红色，表面形成氧化膜后呈紫色，故称紫铜。n塑性好，强度、硬度较差；具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机、母线、电缆、开关装置、变压器等电
19、工器材和热交换器、管道、太阳能加热装置的平板集热器等导热器材 黄铜n由铜和锌所组成的合金。n有较强的耐磨性能、良好的压力加工性能和切削加工性能。如含锌30的黄铜常用来制作弹壳俗称弹壳黄铜。由黄铜所拉成的无缝铜管，质软、耐磨性能强。可用于热交换器和冷凝器、低温管路、海底运输管。n由两种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜。如由铅、锡、锰、镍、铅、铁、硅组成的铜合金。具有强度高、硬度大、耐化学腐蚀性强等特点。5.铸造铜合金n白铜铜与镍的合金，镍含量一般为25% 纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、硬度、电阻和热电性，并降低电阻率温度系数。与其他铜合金相比白铜的延展性好、硬度高、色泽美观、耐腐蚀、富有
20、深冲性能广泛用于造船、石油化工、电器、仪表、医疗器械、日用品、工艺品等领域，还是重要的电阻及热电偶合金。白铜的缺点是主要添加元素镍属于稀缺的战略物资，价格比较昂贵。n青铜铜和除锌、镍以外的其他金属组成的合金。常见的有锡青铜、铅青铜。熔点低（约800C）、硬度大、铸造性能好、耐磨、耐腐蚀、色泽光亮等特点，适用于铸造各种器具、机械零件、轴承、齿轮等 5.铸造铜合金n生产特点极易氧化，形成氧化物（Cu2O）使合金力学性能下降n铸造工艺（1）铸造黄铜熔点低、结晶温度窄（30-70），流动性好、对型砂耐火度要求不高，可用细砂造型，以减小铸件表面粗糙度值、减小加工余量，并可浇注薄壁铸件。由于黄铜中的锌本身
21、就是良好的脱氧剂，所以熔化黄铜时，不需另加熔剂和脱氧剂。但其收缩率大、容易产生集中缩孔，铸造时应配置较大的冒口5.铸造铜合金（2）青铜保护熔池n熔化时加玻璃、硼砂等以覆盖铜液。脱氧n出炉前向铜液中加入0.3-0.6%的磷铜（Cu3P）去除已形成的Cu2O。常用开放式及底注式浇注系统，使金属液流动平稳、防止飞溅 锡青铜锡青铜n凝固温度宽（150-200），凝固收缩和线收缩率小，易出现枝晶偏析与缩松，降低铸件的致密度。这种缩松便于储存润滑油，适宜制造滑动轴承。n壁厚不大的锡青铜铸件常采用同时凝固原则，锡青铜适合采用金属型铸造，利用快速冷却与补缩，铸件结晶细小致密。小结n铸造工艺基础流动性/充型能力
22、/缩孔缩松/铸造应力/裂纹铸造缺陷防止n常见铸造合金四种铸铁铸钢铸造铜铝合金：铸造有点难讨论：关于壁厚与强度n 铸造厂生产了一批灰铸铁件。经检测，随炉单个挠注的30试棒的抗拉强度为2052l0MPa，符合图纸提出的HT200的要求。用户验收时，在铸件不同部位取样，检测结果表明，铸件上壁厚为： 8mm处的b为200MPa15mm处的b为196MPa25mm处的b为175MPa30mm处的b为168MPa。n据此，用户认为该批铸件不合格，理由是：1）铸件机械性能不符合HT200要求2）铸件整体强度不均匀n试判断用户的意见是否正确，为什么?二、铸件结构工艺性 铸造工艺对结构的影响n铸件外形：铸件外形
23、：便于取模便于取模1.外部不应有不必要的凸缘外部不应有不必要的凸缘2.分型面尽量为平面分型面尽量为平面3.尽量减少分型面的数目尽量减少分型面的数目4.凸台、肋等结构应便于起模凸台、肋等结构应便于起模5.结构斜度结构斜度n铸件内腔：铸件内腔：1.尽量少用或不用型芯尽量少用或不用型芯2.便于型芯的固定和排气便于型芯的固定和排气3.利于型芯的去除利于型芯的去除便于取模-尽量减少分型面数目n外部不应有不必要的凸缘外部不应有不必要的凸缘取模方向取模方向三箱造型三箱造型便于取模-分型面应尽量为平面便于取模-分型面应尽量为平面便于取模-分型面应尽量为平面摇臂结构（保证摇臂结构（保证3个孔的位置关系）设计个孔
24、的位置关系）设计便于取模-尽量减少分型面数目套筒的结构设计套筒的结构设计便于取模-尽量减少分型面数目便于取模-凸台与筋板的设计便于取模-凸台与筋板的设计便于取模-凸台与筋板的设计便于取模-凸台与筋板的设计分散凸台的改进分散凸台的改进铸件垂直壁上凸台的设计铸件垂直壁上凸台的设计便于取模-非加工表面应有结构斜度便于取模-非加工表面应有结构斜度缝纫机边脚铸件缝纫机边脚铸件的结构斜度的结构斜度结构斜度和起模斜度结构斜度和起模斜度便于取模 -尽量减少活块或型芯的数量发动机散热片发动机散热片的结构设计的结构设计托架的结构设计托架的结构设计便于取模-尽量减少型芯数目铸件外形及内腔的设计铸件外形及内腔的设计便
25、于取模-尽量减少型芯数目轴承座的结构设计轴承座的结构设计不用或少用型芯自带型芯便于型芯固定和定位加强型芯头强度便于型芯的去除加强型芯头强度其他：避免大水平面其他：避免容易热变形的结构避免容易热变形的结构三、铸件结构工艺性 合金铸造性能的影响n铸件的壁厚铸件的壁厚合适的壁厚，防止浇不足、冷隔合适的壁厚，防止浇不足、冷隔壁厚力求均匀，避免形成缩孔、缩松和裂纹壁厚力求均匀，避免形成缩孔、缩松和裂纹内壁和外壁壁厚设计，应使整个铸件均匀冷却或符合内壁和外壁壁厚设计，应使整个铸件均匀冷却或符合顺序凝固原则顺序凝固原则n壁的连接壁的连接结构圆角结构圆角相交壁设计原则相交壁设计原则壁厚不均匀时，应采用过渡结构
26、壁厚不均匀时，应采用过渡结构n壁的设计应考虑防止变形和裂纹的要求壁的设计应考虑防止变形和裂纹的要求1.铸件的壁厚n最小壁厚限制最小壁厚限制防止产生浇不足、冷隔防止产生浇不足、冷隔合理壁厚：避免厚大截面n并非越大越好并非越大越好“丁丁/工工”字形、槽形、箱形、加强筋字形、槽形、箱形、加强筋铸件常用的截面形状大型铸件的壁厚仅15mm用加强筋减小壁厚平板铸件的结构设计合理壁厚：壁厚均匀顶盖的结构设计顶盖的结构设计合理壁厚：壁厚均匀合理壁厚：壁厚均匀合理壁厚：顺序凝固与同时凝固收收缩明明显的合的合金：金：顺序序凝固凝固收收缩小的小的合金：合金：同同时凝固凝固合理壁厚： 便于实现顺序凝固，补缩铸造合金钢
27、壳体的结构设计铸造合金钢壳体的结构设计2.壁的过渡与连接圆角过渡金属结晶圆角过渡半径(a+b)/288-1212-16 16-20 20-27 27-35 35-45 45-60铸铁466810121620铸钢6681012162025几种铸件壁的连接形式及有关尺寸锐角过渡转角结构防裂筋减缓轮辐收缩阻碍轮辐的设计轮辐的设计避免大的水平面罩壳的设计罩壳的设计合理布置筋板位置避免阻碍铸件收缩总结n各种铸造工艺方法的适用范围均有限n结构工艺性与铸造方法有关与合金铸造性能有关圆角和结构斜度n如图圆角合理吗？n如图的结构斜度方向有问题n“结构斜度”还是“起模斜度”？三个小问题n空心球铸造容易吗？操作不易：不易下芯裂纹：型芯阻止收缩n下水道的井盖为什么有网状花纹收缩、强度n砂箱箱带的条纹下水道井盖结构问题不加工面的不加工面的结构构斜度斜度圆角角过渡渡均均匀匀壁厚壁厚
