第二章-常用铸造合金及其熔炼

1第二章常用铸造合金及其熔炼2本章主要内容与目的：了解铸钢、铸铁的生产过程。了解铸铁的分类。理解铸铁石墨化及影响因素。掌握普通灰口铁、孕育铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕虫铸铁的生产特点、牌号、性能。钢铁的生产过程影片3第一节钢铁的生产过程钢铁的生产过程是一个由铁矿石练成生铁、由生铁练成钢液并浇注成钢锭的过程。一、炼铁铁矿石→生铁→钢水→钢锭在高炉中进行:铁矿石+焦碳+石灰石炉料→高炉预热900～1200℃→焦碳燃烧，产生CO→加热炉料，发生反应4①还原反应:②造渣反应:③渗碳反应:C、CO将FeO中氧分离→还原FeCaO+SiO2=CaSiO3（炉渣）Fe吸收焦碳中C→含C高，熔点低的生铁水炼钢生铁——用于炼钢（大多数）铸造生铁——熔炼铸钢（少量）5平炉钢转炉钢电炉钢按炉别分二、炼钢1.钢的熔炼方法钢与生铁在化学成分上主要区别：钢含C量低（1.4%）Si,MnS,P杂质低炼钢主要任务——生铁多余的C、杂质→氧化物沸腾钢镇静钢半镇静钢特殊镇静钢按脱氧程度分6①转炉炼钢——冶炼普通低碳钢②平炉炼钢——普通优质碳素结构钢、低合金钢③电炉炼钢——优质钢（成本高）（感应电炉或电弧炉）炼钢设备不同，分为炼钢7沸腾钢：在冶炼时脱氧不充分，浇注时C与O反应发生沸腾。镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低。优质钢，合金钢的钢锭半镇静钢：介于前两者之间。特殊镇静钢用途：这类钢一般为低碳钢，主要用于制造用量大的冷冲压零件，如汽车外壳、仪器仪表外壳等。特点：其塑性好、成本低、成材率高，但不致密，8镇静钢：浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收缩率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。镇静钢的缺点是有集中缩孔，成材率低，价格较高。镇静钢材主要用于低温下承受冲击的构件、焊接结构及其他要求强度较高的构件。9•半镇静钢：为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。•半镇静钢钢锭的结构与沸腾钢钢锭相似，而性能却与镇静钢钢锭相近，成分偏析小，综合机械性能好。10同钢一样，铸铁也是以Fe、C元素为主的铁基材料，其含碳量Wc2.11%。铸铁成形只能用铸造方法，不能用锻或轧制方法。与钢相比，铸铁的强度低、塑性、韧性差，但具有优良的铸造和切削加工性能。按碳元素在铸铁中存在的方式不同，可将铸铁分为白口铸铁、麻口铸铁和灰口铸铁。根据石墨形状的不同，灰口铸铁又可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。第二节工业中常用的铸造合金及其熔炼11第二节工业中常用的铸造合金及其熔炼一、铸铁及其熔炼铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金，铸造合金中应用最广。铸铁是以铁、碳和硅为主要元素的多元合金。常用成分范围见下表。组元wCwSiwMnwPwSwFe成分（%）2.4~4.00.6~3.00.4~1.2≤0.3≤0.15其余铸铁的常用成分范围12铸铁的分类根据C铸铁中存在形式的不同：白口铸铁：Fe3C麻口铸铁：Fe3C+G灰口铸铁：G铸铁由于白口铸铁具有良好的耐磨性，所以有时也用来制造一些耐磨件，如轧辊、粉碎机锤头、衬板、球磨机磨球和犁铧等。白口铸铁：碳全部以Fe3C的形式存在，断口呈银色。13灰铸铁：片状球墨铸铁：球状可锻铸铁：团絮状蠕墨铸铁：蠕虫状灰口铸铁：（根据G形态）—碳大部或全部以石墨形式存在，断口呈暗灰色。灰口铸铁：根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：14组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻点，故而得名。麻口铸铁：普通铸铁合金铸铁——含Si4%、Mn2%，或Ti，V，Mo，Cr,Cu等根据铸铁的化学成分，铸铁分为：15铸铁中的石墨化过程石墨组织的形成，称为铸铁的石墨化过程。铁碳合金中，C的存在方式有两种：Fe3C和G（graphite）Fe3C是一种亚稳定相，G是一种稳定的相。Fe3C→3Fe+C（高温）由于条件的不同，铁碳合金存在两种相图：Fe-Fe3C亚稳系状态图，Fe-G稳定系状态图16铁－碳双重相图为了便于比较，习惯上把两个相图画在一起。此种合二为一的相图称铁－碳双重相图0.682.081154℃738℃L+GA+GF+GE’C’4.26S’ABCDFGHJNKPPSQLEL+++L++Fe3C+Fe3CL+Fe3CI0.682.081154℃738℃L+GA+GF+GE’C’4.26S’ABCDFGHJNKPPSQLEL+第一阶段石墨化第二阶段石墨化第三阶段石墨化18第一阶段(液态阶段)：LC’AE'+G第二阶段：AG•第三阶段：AS‘FP'+G912℃G6.0Fe1.02.03.04.05.0400QF+APF600800S6.69Fe3CK温度/14001394℃A1200℃10001148℃EL+AC1600AHL+δBLDFwc(%)727℃δδ+AF+GA+Fe3CL+Fe3CJ1154℃738℃E'S'P'C'D'L+GK'F'A+GF+Fe3C铸铁的石墨化过程738℃1154～738℃共晶石墨二次石墨1154℃共析石墨19石墨化后得到的组织石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行部分进行不进行F+GF+P+GP+G灰口铸铁20白口铸铁石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段不进行不进行不进行L’d+P+Fe3CL’dL’d+Fe3C共晶合金的石墨化过程21麻口铸铁石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段部分进行部分进行不进行P+L’d+G+Fe3C22各类铸铁经不同程度石墨化后得到的组织铸铁类型石墨化程度显微组织第一阶段第二阶段第三阶段灰口铸铁充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行部分进行不进行F+GF+P+GP+G麻口铸铁部分进行部分进行不进行L’d+P+G+Fe3C亚共晶白口共晶白口过共晶白口不进行不进行不进行L’d+P+Fe3CL’dL’d+Fe3C23Fe-C合金结晶过程中为什么一般形成Fe-Fe3C而不是Fe-G？从热力学上，G比Fe3C要稳定；从动力学上，渗碳体的成分与铁液更接近，Fe的排列与A也有相似之处。因而，A中析出渗碳体较易形核，而G的晶体结构与A相差较大，不易从A中形核和长大。铁碳合金中，C以何种形式存在取决于化学成分和冷却速度。24成分促进石墨化元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co等）阻碍石墨化元素（Cr、W、Mo、V、Mn、S等）工艺(1)冷却速度：快速冷却——按Fe-Fe3C相图转变缓慢冷却——按Fe－G相图转变，石墨化充分(2)温度：高温长时间保温有利于石墨化影响石墨化的主要因素：25影响石墨化程度的主要因素(1)、化学成分碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的元素。含碳愈高，析出的石墨愈多、石墨片愈粗大。硅是强烈促进石墨化的元素，随着含硅量的增加，石墨显著增多。所以：当铸铁中碳、硅含量均高时，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金属基体中铁素体增多，珠光体减少。碳以石墨形式析出的现象称为石墨化。1）碳和硅263）锰所以：硫含量限制在0.1-0.15%以下，高强度铸铁则应更低。使铸铁铸造性能恶化（如降低流动性，增大收率）。锰是弱阻碍石墨化元素，具有稳定珠光体，提高铸铁强度和硬度的作用。MnS一般控制在0.6~1.2%之间4）磷磷对铸铁的石墨化影响不显著。含磷过高将增加铸铁的冷脆性。限制在0.5%以下，高强度铸铁则限制在0.2~0.3%以下。2）硫硫是强烈阻碍石墨化元素。硫量高易促使碳以Fe3C白口组织；硫量高热脆性；↑27渗碳体的成分（碳含量）更接近于液态铸铁，与G相比，结构亦更近于A，在快冷时易得到渗碳体；而G是一种更稳定的相，在缓冷时易得到G。(2)．冷却速度铸铁壁厚（mm）102030405060704.05.06.07.0（wC+wSi）%白口铸铁灰口铸铁白口铸铁：灰口铸铁：麻口铸铁：P+Fe3C+LeP+Fe3C+G+Le冷却速度珠光体灰口铸铁：铁素体灰口铸铁：珠光体+铁素体灰口铸铁：P+G片P+F+G片F+G片28(2)．冷却速度在实际生产中，一般是根据铸件的壁厚（主要部位的壁厚），选择适当的化学成分（主要指碳、硅），以获得所需要的组织。由此可知：随着壁厚的增加，石墨片的数量和尺寸都增大，铸铁强度、硬度反而下降。这一现象称为壁厚（对力学性能的）敏感性。铸件壁愈厚，冷却速度愈慢，则石墨化倾向愈大，愈易得到粗大的石墨片和铁素体基体。29石墨的结晶特点0.340nm0.142nm在简单六方晶体中,碳原子是分层排列同一层上的原子间距小(0.142nm),结合力强层间原子间距大(0.340nm)结合力弱容易形成片状石墨石墨的晶体结构（1）石墨对灰铸铁性能的影响1.灰铸铁30力学性能Fe3C硬而脆,硬度800HB，能轻易划破玻璃，塑性几乎为零。G抗拉强度约为20MPa、伸长率和韧性几乎为零，硬度仅为3HB。铸铁的力学性能主要取决于基体组织及石墨的数量、形状、大小和分布。分布于基体上的石墨可视为空洞或裂纹.31⑸切削性能好。⑴力学性能低。铸铁的性能特点G→分布于基体中→空洞、裂纹→有效承载面积降低、受力时石墨尖端处产生应力集中→力学性比碳钢↓石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油。石墨可以吸收振动能量，对振动的传递起削弱作用。铸铁的成分接近共晶成分，因此铸铁的熔点低（约为1200℃左右），液态流动性好石墨强度、硬度、塑性低。⑵耐磨性能好。⑶消振性能好。⑷铸造性能好。32灰铸铁的成分、组织：成分：2.5—4.0%C；1.0—2.5%Si；少量Mn、S、P等。组织：F+G（片）；F+P+G(片)；P+G(片)；普通灰铸铁的成分靠近共晶点，熔点低，具有良好的流动性，且收缩率小，不易产生缩孔的缺陷。铸造性好33灰铸铁性能特征：①机械性能——抗拉强度、弹性模量较低MPa塑性、韧性近于零→脆性材料但抗压强度与钢相近（600～800MPa）石墨愈多、愈粗大——机械性能愈差②工艺性能——脆性材料，不能锻造和冲压，可焊性较差，但铸造性能优良，切削加工性能好（崩碎切屑）③减震性——减震能力为钢的5～10倍→机床床身、机座④耐磨性——石墨润滑作用，比钢好→导轨、衬套，活塞环等⑤缺口敏感性——低，疲劳强度影响小。34普通灰铸铁的主要缺点不仅仅是石墨片粗大，力学性能低，更重要的是铸件组织对冷却速度很敏感。同一铸件薄截面上可能出现白口或麻口组织，而厚截面上则可能出现大量的石墨片或过量的F，结果力学性能不均匀。为了解决麻口问题，生产上采用孕育处理或称变质处理（2）灰铸铁的孕育处理35孕育处理—熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳（2.7%～3.3%）、低硅（1.0～2.0）的高温铁水，向铁水中冲入细颗粒的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然提高，从而得到在细晶粒珠光体上均匀的分布着细片状石墨的组织。孕育铸铁（变质铸铁）36常用的孕育剂为:Si-Fe合金或Si-Ca合金含硅75%的硅铁(或硅钙）合金，加入量为铁水重量的0.25-0.6%。37孕育铸铁的组织孕育铸铁的组织为细P基体上加细小均匀分布的片状石墨。并使铸件各部位得到均匀一致的组织。孕育铸铁组织：P细+G细片性能：σb=250-400Mpa，HB=170-270，δ≈03805015050100100150150表面表面中心160140170180硬度HB冷却速度对其组织和性能的影响很小。普通灰铸铁孕育铸铁39静载荷下，要求较高强度、硬度、耐磨性或气密性的铸件，特别是厚大截面铸件。如重型机床床身，汽缸体、缸套及液压件等。必须指出：①孕育铸铁原铁水的碳、硅含量不能太高；②原铁水出炉温度不应低于1400℃；③经孕育处理后的铁水必须尽快浇注，以防止孕育作用衰退。孕育铸铁适用于:40②灰铸铁的牌号选用灰铸铁的牌号用汉语拼音“HT”和一组数字表示，数字表示其最低抗拉强度σb（Mpa）。①灰铸铁件的生产特点1）灰铸铁一般在冲天炉中熔炼，成本低廉；2）具有良