第2篇铸造.docx
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第2篇铸造
第二篇铸造
概述
我国有辉煌的冶铸历史,在殷商时期就有灿烂的青铜器铸造技术。
如北京明朝永乐青铜大钟,重达46.5t,钟高6.75m,钟唇厚22cm,外径3.3m,钟体内遍铸经文22.7万字,击钟时尾音长达2分钟以上,传距20km。
外形和内腔如此复杂、重量如此巨大、质量要求如此高的青铜大钟,正说明我国早已掌握冶炼和铸造技术。
一、什么是铸造?
将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中,待其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的方法。
二、特点
1优点:
1) 可以生产形状复杂的零件,尤其复杂内腔的毛坯(如暖气)
2) 铸件大小几乎不受限制,几克~几百吨。
3) 适应性广,工业常用的金属材料均可铸造。
4) 原材料来源广泛,价格低廉。
废钢,废件,切屑
5) 铸件的形状尺寸与零件非常接近,减少切削量,属少无切削加工。
∴应用广泛:
农业机械40~70% 机床:
70~80%重量铸件
2缺点:
1) 机械性能不如锻件(组织粗大,缺陷多等)
2) 砂型铸造中,单件、小批,工人劳动强度大。
3) 铸件质量不稳定,工序多,影响因素复杂,易产生许多缺陷。
铸造的缺陷对铸件质量有着重要的影响,因此,我们从铸件的质量入手,结合铸件主要缺陷的形成与防止,为选择铸造合金和铸造方法打好基础。
第一章铸造工艺基础
§1液态合金的充型
充型:
液态合金填充铸型的过程。
充型能力:
液态合金充满铸型型腔,获得形状完整,轮廓清晰的铸件的能力。
充型能力不足,易产生:
浇不足:
不能得到完整的零件。
冷隔:
没完整融合缝隙或凹坑。
机械性能下降
一合金的流动性
液态金属本身的流动性----合金流动性
1流动性对铸件质量影响
1) 流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件。
2) 流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮,排除。
3) 流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩。
2测定流动性的方法:
P34图2-1
以螺旋形试件的长度来测定:
如
浇铸温度 试件长
灰口铁:
1300℃ 1800mm。
铸 钢:
1600℃ 100mm
3影响流动性的因素
主要是化学成分:
P35图2-2
1) 纯金属流动性好:
一定温度下结晶,凝固层表面平滑,对液流阻力小
2) 共晶成分流动性好:
恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点低,过热度大。
3) 非共晶成分流动性差:
结晶在一定温度范围内进行,初生树枝状晶阻碍液流
二浇注条件
1浇注温度:
t↑合金粘度下降;过热度高,合金在铸件中保持流动的时间长
∴ t↑提高充型能力。
但过高,易产生缩孔、粘砂、气孔等,故不宜过高
2充型压力:
液态合金在流动方向上所受的压力↑充型能力↑
如砂形铸造---直浇道,静压力。
压力铸造,离心铸造等充型压力高。
三铸型条件
1铸型结构:
若不合理,如壁厚小,直浇口低,浇口小等 充型能力↓
2铸型导热能力:
导热↑金属降温快,充型能力↓ 如金属型
3铸型温度:
t↑充型能力↑ 如金属型预热
4铸型中气体:
排气能力↑充型能力↑
减少气体来源,提高透气性,少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力,有利于充型。
§2铸件的凝固和收缩
铸件的凝固过程如果没有合理的控制,铸件易产生缩孔,缩松
一铸件的凝固
1凝固方式:
铸件凝固过程中,其断面上一般分为三个区:
1—固相区2—凝固区3—液相区
对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄,依此划分凝固方式。
1) 逐层凝固:
纯金属,共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区,断面液、固两相由一条界限清楚分开,随温度下降,固相层不断增加,液相层不断减少,直达中心。
2) 糊状凝固
合金结晶温度范围很宽,且铸件的温度分布较为平坦,在凝固某段时间内,铸件表面不存在固体层,凝固区贯穿整个断面,先糊状,后固化。
3) 中间凝固
大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间。
2影响铸件凝固方式的因素
1) 合金的结晶温度范围
范围小:
凝固区窄,愈倾向于逐层凝固
如:
砂型铸造,低碳钢逐层凝固,高碳钢糊状凝固
2) 铸件的温度梯度
合金结晶温度范围一定时,凝固区宽度取决于铸件内外层的温度梯度。
温度梯度愈小,凝固区愈宽。
(内外温差大,冷却快,凝固区窄)
二合金的收缩
液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体积和尺寸减少的现象---收缩。
是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因。
1收缩的几个阶段
1) 液态收缩:
从金属液浇入铸型到开始凝固之前。
液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝固的温度的温差成正比。
2) 凝固收缩:
从凝固开始到凝固完毕。
同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大。
如:
35钢,体积收缩率3.0%,45钢4.3%
3) 固态收缩:
凝固以后到常温。
固态收缩影响铸件尺寸,故用线收缩表示。
2影响收缩的因素
1) 化学成分:
铸铁中促进石墨形成的元素增加,收缩减少。
如:
灰口铁C,Si↑,收↓,S↑收↑。
因石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩。
2) 浇注温度:
温度↑液态收缩↑
3) 铸件结构与铸型条件
铸件在铸型中收缩会受铸型和型芯的阻碍。
实际收缩小于自由收缩。
∴铸型要有好的退让性。
3缩孔形成
在铸件最后凝固的地方出现一些空洞,集中—缩孔。
纯金属,共晶成分易产生缩孔
*产生缩孔的基本原因:
铸件在凝固冷却期间,金属的液态及凝固受缩之和远远大于固态收缩。
4影响缩孔容积的因素(补充)
1) 液态收缩,凝固收缩↑缩孔容积↑
2) 凝固期间,固态收缩↑,缩孔容积↓
3) 浇注速度↓ 缩孔容积↓
4) 浇注速度↑ 液态收缩↑易产生缩孔
5缩松的形成
由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足,或者,因合金呈糊状凝固,被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所至。
1) 宏观缩松
肉眼可见,往往出现在缩孔附近,或铸件截面的中心。
非共晶成分,结晶范围愈宽,愈易形成缩松。
2) 微观缩松
凝固过程中,晶粒之间形成微小孔洞
凝固区,先形成的枝晶把金属液分割成许多微小孤立部分,冷凝时收缩,形成晶间微小孔洞。
凝固区愈宽,愈易形成微观缩松,对铸件危害不大,故不列为缺陷,但对气密性,机械性能等要求较高的铸件,则必须设法减少。
(先凝固的收缩比后凝固的小,因后凝固的有液态、凝固、固态三个收缩,先凝固的只有凝固、固态二个收缩区----这也是形成微观缩松的基本原因。
与缩孔形成基本原因类似)
6缩孔、缩松的防止办法
基本原则:
制定合理工艺—补缩,缩松转化成缩孔。
顺序凝固:
冒口—补缩
冷铁—厚处。
安置冒口,实行顺序凝固,可有效的防止缩孔,但冒口浪费金属,浪费工时,是铸件成本增加。
而且,铸件内应力加大,易于产生变形和裂纹。
∴主要用于凝固收缩大,结晶间隔小的合金。
非共晶成分合金,先结晶树枝晶,阻碍金属流动,冒口作用甚小。
对于结晶温度范围甚宽的合金,由于倾向于糊状凝固,结晶开始之后,发达的树枝状骨状布满整个截面,使冒口补缩道路受阻,因而难避免显微缩松的产生。
显然,选用近共晶成分和结晶范围较窄的合金生产铸件是适宜的。
冒口与冷铁的应用
一冒口应用:
主要作用---补缩,同时能排气,集渣.
1冒口设置原则:
(1)保证顺序凝固,放在最后凝固部分 ---基本作用
(2)尽量放在铸件最高处,有利补缩,熔渣易浮出.
(3)冒口最好放在内浇口附近,使金属液通过冒口再进入铸型,提高补缩效果.
(4)尽量避开易拉裂部位;不影响自由收缩.
(5)尽量放在需加工部位,便于清理.
2冒口大小,依合金收缩性质及具体铸件凝固条件查手册.
二冷铁应用:
1分类:
外冷铁:
只和铸件外表面接触而起激冷作用,与型砂一起清出,不重复使用.
内冷铁:
浇注后冷铁被金属液包围与铸件熔合在一起.有气密性要求的部分不能用.
2作用:
(1) 减少冒口数量:
改善凝固顺序,有利外缩.
(2) 可减少冒口尺寸:
加内冷铁,加快铸件冷却.
(3) 消除局部热节处的缩孔和缩松:
加外冷铁.
(4) 防止铸件产生裂纹:
同时凝固,如两壁交接处放冷铁,以消除热节.
(5) 提高铸件硬度和耐磨性:
利用外冷铁加快冷却,细化组织,提高硬度.
§3铸造内应力,变形和裂纹
凝固之后的继续冷却过程中,其固态收缩若受到阻碍,铸件内部就发生内应力,内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因。
一内应力形成
1热应力:
铸件厚度不均,冷速不同,收缩不一致产生。
塑性状态:
金属在高于再结晶温度以上的固态冷却阶段,受力变形,产生加工硬化,同时发生的再结晶将硬化抵消,内应力自行消失。
(简单说,处于屈服状态,受力—变形无应力)
弹性状态:
低于再结晶温度,外力作用下,金属发生弹性变形,变形后应力继续存在。
举例:
P39图2-8
a)凝固开始,粗细处都为塑性状态,无内应力
∵两杆冷速不同,细杆快,收缩大,∵受粗杆限制,
不能自由收缩,相对被拉长,粗杆相对被压缩,结果
两杆等量收缩。
b)细杆冷速大,先进如弹性阶段,而粗杆仍为塑性阶段,随细杆收缩发生塑性收缩,无应力。
c)细杆收缩先停止,粗杆继续收缩,压迫细杆,而细杆又阻止粗杆的收缩,至室温,粗杆受拉应力(+),(-)
由此可见,各部分的温差越大,热应力也越大,冷却较慢的部分形成拉应力,冷却较快的部分形成压应力。
预防方法:
1壁厚均匀2同时凝固—薄处设浇口,厚处放冷铁
优点:
省冒口,省工,省料
缺点:
心部易出现缩孔或缩松,应用于灰铁锡青铜,因灰铁缩孔、缩松倾向小,锡青铜糊状凝固,用顺序凝固也难以有效地消除其显微缩松。
2机械应力P40图2-10
合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应力。
机械应力是暂时的,落砂后,就自行消失。
*机械应力与热应力共同作用,可能使某些部位增加了裂纹倾向。
预防方法:
提高铸型和型芯的退让性。
3相变应力
冷却过程中,固态相变时,体积会发生变化。
如A—F,A—P体积会增大,Fe3C—石墨,体积↑。
若体积变化受阻。
则产生内应力
铁碳合金三种应力在铸件不同部位情况如下表:
铸件部位
热应力
相变应力
机械应力
共析转变
石墨化
落砂前
落砂后
薄或外层
-
+
+
+
0
厚或内层
+
-
-
+
0
前面讲过预防应力方法,若产生应力,还可通过自然时效和人工时效的方法消除应力。
二变形与防止
铸件通过自由变形来松弛内应力,自发过程。
铸件发生不同程度的变形。
举例:
平板铸件
∵平板中心散热慢,受拉力。
平板下部冷却慢。
∴发生如图所示变形
防止方法:
1壁厚均匀,形状对称,同时凝固。
2反变形法(长件,易变形件)
残余应力:
自然时效, 人工时效---低温退火 550—650℃
三铸件的裂纹与防止
铸件内应力超过强度极限时,铸件便发生裂纹。
1热裂纹:
高温下形成裂纹
特征:
裂纹短,缝宽,形状曲折。
缝内呈氧化色,无金属光泽,裂缝沿晶粒边界通过,多发生在应力集中或凝固处。
灰铁,球铁热裂少,铸钢,铸铝,白口铁大。
原因:
1) 凝固末期,合金呈完整骨架+晶间液体,强,塑↓
2)含S—热脆
3)铸型退让性不好
预防:
设计结构合理,改善退让性,控制含S量
2冷裂纹:
低温下裂纹
特征:
裂纹细,连续直线状或圆滑曲线,裂口表面干静,具有金属光泽,有时里轻微氧化色
原因:
复杂大工件受拉应力部位和应力集中处易发生;材料塑性差; P—冷脆
预防:
合理设计,减少内应力,控制P含量,提高退让性
§4 铸件中的气体
常见缺陷,废品1/3。
气体在铸件中形成孔洞。
一气孔对铸件质量的影响
1破坏金属连续性
2较少承载有效面积
3气孔附近易引起应力集中,机械性能↓ak、σ-1↓
4弥散孔,气密性↓
二分类(按气体来源)
1侵入气孔:
砂型材料表面聚集的气体侵入金属液体中而形成。
气体来源:
造型材料中水分,粘结剂,各种附加物。
形成过程:
浇注---水汽(一部分由分型面,通气孔排出,另一部分在表面聚集呈高压中心点)—气压升高。
溶入金属---一部分从金属液中逸出—浇口,其余在铸件内部,形成气孔。
特征:
多位于表面附近,尺寸较大,呈椭圆形或梨形孔的内表面被氧化。
预防:
降低型砂(型芯砂)的发气量,增加铸型排气能力。
2析出气孔:
溶于金属液中的气体在冷凝过程中,因气体溶解度下降而析出,使铸件形成气孔。
原因:
金属熔化和浇注中与气体接触(H2 O2 NOCO等)
特征:
分布广,气孔尺寸甚小,影响气密性
3反应气孔:
金属液与铸型材料,型芯撑,冷铁或溶渣之间,因化学反应生成的气体而形成的气孔。
如:
冷铁有锈 Fe3O4+C=Fe+CO↑ ∴冷铁附近生成气孔
防止:
冷铁、型芯撑表面不得有锈蚀、油污,要干燥。
§5铸件质量控制
铸件的常见缺陷
1合理选定铸造合金和铸件结构。
2合理制定铸件技术要求(允许缺陷,具有规定)
3模型质量检验(模型合格—铸件合格)
4铸件质量检验(宏观,仪器)
5铸件热处理:
退火,正火等
消除应力,
降低硬度,提高切削性,
保证机械性能,
第二章 常用铸造合金
§1铸铁
铸铁通常占机器设备总重量的50%以上。
(2.5~4.0%C)
一、分类
1、按C在铸铁中存在形式不同,可分三类:
1)白口铸铁:
C微量溶于F外,全部以Fe3C形式存在,断面银白,硬,脆,难机械加工,很少用于制造零件。
仅用于不冲击,耐磨件。
如轧辊
主要用途:
炼钢原料。
也可处理成可锻铸铁。
2)灰口铸铁:
C微量溶于铁素体外,全部或大部以石墨形式存在,断口灰色,应用最广。
3)麻口铸铁:
有石墨,莱氏体.属于白口铁和灰口铁之间的过渡组织,断口黑白相间,麻点.硬,脆,难加工
2、根据石墨形态的不同,灰口铸铁又分为:
1) 灰铸铁:
石墨片状
2) 可锻铸铁:
团絮状
3) 球墨铸铁:
球状
4) 蠕墨铸铁:
蠕虫状
3、按化学成分:
普通铸铁
合金铸铁:
Si>4% Mn>2% 或一定量Ti、Mo、Cr、Cu等
二灰口铸铁:
占铸铁产品的80%以上
1、性能
显微组织:
金属基体(铁素体、珠光体)+片状石墨
相当于在钢的基体上嵌入大量的石墨片
1)机械性能:
σb E↓塑,韧--0。
脆性(crispy)材料
由于石墨的存在,减少了承载的有效面积。
石墨片的边缘形成缺口,应力集中,局部开裂,形成脆性断裂,基体强度只利用30~50%
∵石墨,软脆强↓比重小
∴石墨越多,越粗大,分布越不均或呈方向性,则对基体的割裂越严重,机械性能越差。
●灰口铸铁的抗压强度受石墨的影响较小,与钢的抗压强度近似。
灰口铁的机械性能还与金属基体类别有关
(1)珠光体灰口铁:
珠光体基体上分布细小,均匀的石墨。
∵石墨对基体割裂较轻,故机械性能好。
如齿轮
(2)珠光体—铁素体灰口铁:
∵珠光体与铁素体混合基体上分布粗大石墨,∴强↓
适于一般机件,铸造性,切削加工性,减振性,均优于前者。
如齿轮箱
(3)铁素体灰口铁
∵铁素体基体分布多而粗大的石墨片
∴强硬↓塑,韧性差(基体的作用远赶不上石墨对基体的割裂作用)
2)工艺性能:
脆性材料不能锻压;可焊性差(易裂纹,焊区白口,难加工)
铸造性能好(缺陷少);切削性能好(因石墨,崩碎切屑)
3)减振性:
↑
∵石墨有缓冲作用,阻止振动能量传播,适于机床床身等
4)耐磨性:
↑∵1石墨是润滑剂,脱落在磨擦面上。
2灰口铁摩擦面上形成大量显微凹坑,能起储存润滑油的作用,使摩擦面上保持油膜连续。
∴适于导轨 衬套 活塞环等
5)缺口敏感性:
↓∵石墨已在铁素体基体上形成大量的缺口。
所以,外来缺口(键槽,刀痕)对灰口铁的疲劳强度影响甚微,提高了零件工作的可靠性
2、影响铸铁组织和性能的因素
*铸铁中的碳可能以化合状态(Fe3C)或自由状态(石墨)存在。
灰铁中, 一方面分析:
C化合=0.8%时,为珠光体灰铁,石墨片细小,分布均匀,强度、硬度高,可制造较重要的零件。
C化合<0.8%时,珠光体+铁素体灰口铁 强度低,适于一般机件,其铸造性能,切削加工性和减振性均优于前者。
C化合=0时铁素体灰口铁 强硬低 塑韧↓很少用
另一方面分析:
铸铁的组织和性能与石墨化程度有关。
*影响石墨化的主要因素:
1)化学成分:
C↑石墨化↑
Si↑石墨化↑(Si与Fe结合力比与C强,能增大铁水和固态铸铁中碳原子的游离扩散能力)
∵
(1)C,Si过高,形成铁素体灰铁,强↓↓
过低,易形成硬脆的白口组织,并给熔化和铸造增加困难。
∴合理含量:
2.5-4.0%C,1.0-3.0%Si
∵
(2)S↑石墨化↓ FeS—热脆 易形成白口
∴一般0.15%以下.
(3)Mn↑石墨化↓合理含量:
0.5~1.4%
少量:
Mn+S—MnS,Mn+FeS—Fe+MnS,MnS比重小,进入溶渣。
Mn溶于F,提高基体强度。
过多:
阻止石墨化。
(4)P促进石墨化,但不明显,多—冷脆
∴合理量0.3%以下
2)冷却速度:
冷却速度增加阻碍石墨化 灰口—白口
P45图2-13
3、灰口铁的孕育处理
为了提高灰口铁的强度,硬度,尽量使石墨片细化,对其进行孕育处理。
即加入许多外来质点,增加石墨结晶核心,得到珠光体灰铁,受冷却速度影响小
孕育铸铁(又叫变质铸铁),适于较高强度,高耐磨性,气密性铸件,厚大铸件。
常用孕育剂:
含Si75%的硅铁,加入量为铁水重量的0.25~0.6%。
冲入孕育剂与Si对石墨化影响一致
4、灰口铸铁的生产特点
1) 冲天炉熔炼:
∵SiMn易氧化。
∴配料时增加含量。
为降低含S量,选优质铁料和焦炭,减少从焦炭中吸S。
在熔炼高牌号铸铁时,加废钢以控制含C量。
(如孕育铸铁,原铁水含C,Si低,防止加入孕育剂后石墨粗)
2) 铸造性能优良,便于铸出薄而复杂的铸件,(流动性好,收缩↓)
3) 一般不需冒口,冷铁,使工艺简化。
4) 一般不用热处理,或仅需时效。
5、牌号和用途
牌号:
HT+三位数 HT—灰铁,数—最低抗拉强度值Mpa (N/mm2)
*选牌号时必须参考壁厚
类别
铸件壁厚mm
抗拉强度Mpa
硬度HBS
HT100
2.5~10
10~20
20~30
30~50
130
100
90
80
110~167
93~140
87~131
82~122
HT150
2.5~10
10~20
20~30
30~50
175
145
130
120
136~205
119~179
110~167
105~157
此表中的铸件壁厚为铸件工作时主要负荷处的平均厚度。
三、可锻铸铁(又叫玛铁)
白口铁经石墨化退火而成的一种铸铁。
∵石墨呈团絮状,故抗拉强度↑且塑,韧↑
1、牌号及应用:
KTH(KTZ)+3位数+2位数
KTH—F基体 黑心可锻铸铁
KTZ--P基体珠光体可锻铸铁
3位数—抗拉强度,2位数---延伸率
如KTH300—06,KTZ450—06
应用:
形状复杂,承受冲击载荷的薄壁小件(KTH),曲轴,连杆,齿轮等(KTZ)
2、生产特点
生产过程:
白口铁—石墨化退火(920~980℃,保温10~20h)—团絮状石墨
∴必须采用C,Si含量低的铁水,防石墨化.通常2.4~2.8%C,0.4~1.4%Si
熔点比灰铁高,凝固温度范围大,流动性不好,液固两相区宽,砂型耐火性要求高.
周期长(40~70h),成本高.
四、球墨铸铁
铁水中加入球化剂,孕育剂
1、球铁的组织和性能
组织:
铁素体球铁:
塑性,韧性↑
珠光体球铁:
强度,硬度↑
铁素体+珠光体球铁:
两者之间
牌号:
QT+三位数+两位数数字含义与可锻铸铁相同
性能:
强度塑性韧性远远超过灰铁,优于可铁,
铸造性,减振性,切削性,耐磨性等良好
疲劳强度与中碳钢接近
热处理性能好(退火,正火,调质等,淬火(等温淬火))
应用:
受力复杂,负荷较大的重要零件
∵铸造工艺比铸钢简单,成本低,性能好,取代许多铸钢,可锻铸铁件
2、生产特点
(1)铁水:
C↑(3.6~4.0%)接近共晶成分,可改善铸造性能和球化结果
S↓(<=0.07%)S易与和球化剂合成硫化物,浪费球化剂
P↓(<=0.1%)提高塑性,韧性
铁水出炉1400℃以防球化后温度过低.
(2)球化处理和孕育处理
球化剂:
(稀土镁合金),使石墨呈球状析出
孕育剂:
(硅铁75%Si)促使石墨化,防白口。
使石墨细化,分布均匀
先用2/3铁水冲入球化剂,充分反应后,用1/3铁水冲入孕育剂,进行孕育。
处理后的铁水要及时浇注,保证球化效果。
(3)铸造工艺:
比灰铁易产生缩孔,缩松,夹渣等
a)热节上安冒口、冷铁—补缩
b)增加铸型刚度,防止铸件外形扩大—石墨膨胀
c)S↓残余镁量↓降低型砂含水量
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