液态金属成型原理作业(10页).doc
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1、-液态金属成型原理作业-第 10 页液态金属成型原理一、简述普通金属材料特点及熔配工艺1 普通金属材料的特点铸铁材料铸铁是含碳量大于2.11%或者组织中具有共晶组织的铁碳合金,其成分范围为:2.4% 4.0%C,0.6%3.0%Si,0.2%1.2%Mn,0.1%1.2%P,0.08%0.15%S。依据碳在铸铁中的形态可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁,其中灰口铸铁依据石墨形态的不同分为普通灰铸铁、蠕虫状石墨铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。(1)白口铸铁白口铸铁中的碳少量溶于铁素体,大部分以碳化物的形式存在于铸铁中,断口呈银白色。白口铸铁硬而脆,很难加工。我们可以利用它的硬度高和抗磨性好的特点
2、制造一些高耐磨的零件和工具。(2)灰铸铁碳主要结晶成片状石墨存在于铸铁中,断口为暗灰色。灰口铸铁不能承受加工变形,但是却具有特别优良的铸造性能,同时切削加工性能也很好,低熔点、良好的流动性和填充性以及小的凝固收缩。(3)麻口铸铁麻口铸铁具有灰口和白口的混合组织,断口呈灰白交错。麻口铸铁不利于机械加工,也无特殊优异的使用性能。(4)可锻铸铁可锻铸铁是由白口铸铁经过石墨化退火后制成的。具有较高的强度、塑性和韧性,与球墨铸铁相比具有质量稳定、处理铁水简便以及易于组织流水线生产等优点,适用于形状复杂薄壁小件的大批量生产。(5)球墨铸铁球墨铸铁中的碳主要以球状石墨形态存在于铸铁中。球墨铸铁具有比灰口铸铁
3、高得多的强度、塑性和韧性,同时仍保持着灰口铸铁所具有的耐磨、消震、易切削加工、容易铸造等一系列优异性能。1.2 铸钢材料铸钢具有良好的综合机械性能和物理化学性能,比铸铁具有更高的强度、塑性和良好的焊接性。按化学成分可以分为碳素钢和合金钢,其中碳素钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。(1)低碳钢低碳钢的含碳量小于0.20%,它的塑性和韧性较高,但是强度较低,通常要经过渗碳后进行淬火、回火处理来提高强度和耐磨性。低碳钢的铸造性能差,熔点高,钢液流动性差,易产生浇注不足和形成缩孔缩松、非金属夹杂等缺陷,并且容易氧化。(2)中碳钢中碳钢的铸造性能较好,熔点较低,流动性较好,气孔和非金属夹杂物较少,抗热裂倾
4、向的能力较强,易于获得成型铸件。具有良好的强度、塑性和韧性。(3)高碳钢高碳钢具有较高的强度、硬度和耐磨性,但塑性较低。高碳钢的铸造性能良好,但由于热导性能差和较大的脆性,容易产生巨大应力而形成冷裂。所以一般需要进行退火处理。(4)合金钢合金钢中的合金元素总量少于5%,是在碳素结构钢的基础上加入合金元素。其组织与含碳量相同的碳素结构钢类似。随着加入合金元素的不同,可以具有高强度、耐高温、传导性好等特殊性能。1.3 铸造铝合金铸造铝合金具有优异的导电性和导热性,表面有一薄层几何透明而致密的氧化膜保护,表面有光泽,在大气、淡水及氧化性酸类介质中有良好的腐蚀性。常用铸造铝合金有四类,分别是Al-Si
5、系合金、Al-Cu系合金、Al-Mg系合金、Al-Zn系合金。(1)Al-Si系合金Si含量一般为4%22%,具有流动性好、气密性好、收缩率小、热烈倾向小等良好的铸造性能,耐磨性、耐热性、耐蚀性也较好,热胀系数小,在铸造铝合金中品种最多,用量最大。(2)Al-Cu系合金Cu含量一般为3%11%。其最大特点是具有较高的室温和高温力学性能。但比重较大,耐蚀性和铸造性较差。(3)Al-Mg系合金Mg含量为4%11%。Al-Mg系合金是密度最小、耐蚀性最好、强度最高的铸造铝合金,但高温强度较低,一般工作温度不超过200,铸造性能较差,熔炼铸造工艺也较复杂。(4)Al-Zn系合金锌在铝中的溶解度非常大,
6、当Al中加入的Zn大于10%时能显著提高合金的强度。它是铸造铝合金中最便宜的一种,力学性能较高且不经热处理可直接使用,但密度较大,耐蚀性较差、铸造时容易产生热裂。1.4 铸造镁合金镁的密度小,在合金中加入镁可以大大减轻质量。镁合金的比弹性模量与高强度铝合金、合金钢大致相同。在受外力作用时容易产生较大的变形,有利于避免过高的应力集中,可使受力构件的应力分布更为均匀。镁合金具有优良的切削加工性能,在受冲击及摩擦时不会起火花。铸造镁合金按合金系可分为三类:Mg-Al系合金、Mg-Zn-Zr系合金、Mg-RE-Zr系合金。(1)Mg-Al系合金Mg-Al系合金具有优良的性能,不含稀贵元素,熔炼工艺较易
7、掌握,生产成本较低,应用普遍。它的屈服极限较低,机械性能的壁厚效应较大,缩松比较严重。(2)Mg-Zn-Zr系合金Mg-Zn-Zr系合金具有较高的屈服强度和组织致密性。它可以加入锆改善合金铸造性能,降低缩松倾向,细化晶粒,提高力学性能,加锆也能在表面生成致密氧化膜,提高合金抗腐蚀性能。Mg-Zn-Zr系合金还可以加入其它稀土元素、银、钍等元素以进一步改善它的性能。(3)Mg-RE-Zr系合金Mg-RE-Zr系合金为耐热合金,可在200260工作,具有良好的力学性能。1.5 铸造铜合金铸造铜合金是广泛应用的结构材料之一,具有较好的力学性能,强度高,韧性好,并有良好的导电、导热性。由于铜的电极电位
8、很高,因为具有优异的耐蚀性,在大气、海水、氢氟酸、盐酸等介质中有很高的化学稳定性。但是铸造铜合金的熔铸比较困难,其吸气性大,易形成气孔。吸氢造成氢脆,吸氧致使其它合金元素氧化,形成夹杂物。铸造铜合金主要分为青铜和黄铜,其中青铜又分为锡青铜和特殊青铜。(1)锡青铜锡青铜是最古老的一种铸造合金,其主要特点是具有优良的耐磨性能,其次,它在蒸汽、海水及碱溶液中具有很高的耐蚀性。锡青铜具有足够的抗拉强度和一定的塑性,可以制造一般条件下工作的各种耐磨、耐蚀的机器零件。但是锡青铜结晶容易产生疏松、偏析、致密性等缺陷。(2)特殊青铜特殊青铜包括铝青铜(加有铁、锰、镍等元素)、铅青铜和其它青铜。铝青铜有很高的强
9、度,其耐蚀性、耐磨性和气密性也都较好,可用于高强度零件,并可部分代替锡青铜。铅青铜抗磨性很好,主要用作高速滑动和受力大的轴承、衬套等抗磨零件。(3)黄铜黄铜的主要成分是Cu-Zn合金。与青铜相比,黄铜的力学性能较高,黄铜的熔点随Zn含量的增加而降低,流动性好,组织较为致密,铸造工艺相对青铜比较简单,因此,黄铜广泛应用于要求较高力学性能和耐压性能的工作场合。2 熔配工艺2.1 铸铁材料的熔配铸铁主要用冲天炉熔炼,冲天炉熔炼的基本过程包括炉料的预热、熔化、过热及储存,这些均在冲天炉的炉身内完成。将空气用鼓风机升压后送入风箱,然后均匀的由各风口进入炉内,与底焦层中的焦炭进行燃烧,产生大量的热量和气体
10、产物(炉气:CO2、CO、N2等)。这些热量通过炉气和炙热的焦炭传给金属和炉料,达到熔炼的目的,另外还有60%左右的热量传给炉衬、炉渣或由炉气带入大气。炉柱中的炉料被上升的热炉气加热,温度由室温逐渐升高到1200摄氏度左右,完成了炉料的预热。金属炉料在此时被炉气继续加热,有固体块料熔化成为同温度的液滴,即熔化阶段。1200左右的液滴在下落过程中继续从炉气和炙热的焦炭表面吸收热量,是温度上升到1500摄氏度以上,称为过热阶段。高温的液滴在炉底汇集然后分离,炉渣和铁水分别由出渣口和出铁口放出,完成金属炉料有固体到一定温度铁水的熔化过程。一般铁液的最终含碳量主要与炉料含碳量及炉内燃烧状况有关。生产上
11、控制铁液含碳量主要是通过配料进行的。在金属炉料中,生铁的含碳量较高,一般在4.0%(质量分数)以上;回炉废铸铁件的含碳量低于生铁,其含量依照铸铁牌号不同,大致在3.2%3.8%之间;废钢的含碳量最低,一般在0.2%0.6%之间。2.2 铸钢材料的熔配一般三相电弧炉炼钢应用比较普遍。其中,氧化法炼钢的主要过程:1、补炉:每炼完一炉钢在装入下一炉的炉料之前要进行补炉,其目的是修补炉底和炉壁被浸浊和被碰坏的部位。补炉操作要点是:炉温高、操作快,补层薄。2、装料:每炼完一炉钢在装入下一炉的炉料之前要进行补炉,其目的是修补炉底和炉壁被浸浊和被碰坏的部位。用原来打结的炉衬材料(如卤水镁砂或焦油镁砂)进行修
12、补。补炉操作要点是:炉温高、操作快,补层薄。3、熔化期:熔化期的任务是将固体炉料熔化成钢液并进行脱磷。主要原理为:2Fe + O2 2FeO,Si + O2 SiO2,2Mn O2 2MnO,4P 5O2 2P2O5。4、氧化期:氧化期进行脱磷、去除钢液中的气体和夹杂物并提高钢液温度。氧化期的前一阶段钢液温度较低,主要是造渣脱磷。当钢液温度提高(一般热电偶温度1530以上)后进入第二阶段,进行氧化脱碳沸腾精炼,以去除钢液中的夹杂物和气体。经过氧化脱碳后,钢液中含有大量的氧化亚铁。为减少残留的氧化亚铁量,可在停止供氧(不再加矿石)条件下使钢液继续沸腾一段时间,这一阶段的沸腾称为净沸腾。当钢液含磷
13、量和含碳量都已符合工艺要求,钢液温度足够高时,可以扒出氧化渣进入还原期。5、还原期:还原期的任务是脱氧、脱硫和调整钢液温度及化学成分。扒除氧化渣后,首先往熔池中加入锰铁进行“预脱氧”。通过预脱氧可快速去除钢液中部分氧化亚铁,以减轻后来通过炉渣进行脱氧的任务,加速整个还原期的过程。6、出钢:出钢时要求钢液流要粗,而且要使钢液与炉渣一起出到盛钢桶中。2.3 铝合金材料的熔配中间合金熔制要求,熔点尽量接近所熔制的合金;含合金元素尽量高;成分均匀;含气、夹杂物少;容易破碎。以Al-Ti 和Al-Si为例:Al-Ti合金的熔制:将石墨坩埚预热至暗红色,加入预热的铝锭;待铝锭全熔,用石墨钟罩压入预热海绵钛
14、。快速升温至10501100,用石墨棒充分搅拌,使其尽快熔化。全熔后用质量分数约为0.6%的C2Cl6精炼。搅拌均匀,于900浇铸成锭,快速凝固可防止钛偏析。加入海绵钛的量为4%,可熔制wTi=4%的Al-Ti合金。Al-Si合金的熔制:将2040mm 块度的结晶硅加在铝锭上和炉盖上。待铝熔化后,将炉盖上的硅推入坩埚内。快速升温至800,硅全部熔化后用石墨棒充分搅拌。加入ZnCl2(w ZnCl2 =0.2%0.4%)或C2Cl6(w C2Cl6 =0.3%0.6%)精炼。清渣、搅匀、铸锭。每一炉的各种炉料的加入量,包括新料、回炉料、中间合金,保证设计的化学成分。须知:a) 熔制合金设计的化学
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