铸造学2008-04.ppt

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1、铸造学铸造学(4)(4)Principles of Foundry and Casting张家泉张家泉北京科技大学钢冶系北京科技大学钢冶系课程大纲1)浇注与凝固理论与技术综述(传统铸造学与现代广义铸造学)2)合金铸造性能、铸造合金与铸造方法介绍3)金属液态成形工艺基础4)流动与充填、凝固收缩与变形等铸造性能5)凝固组织的形成与控制6)常用合金铸件生产与铸造方法7)机器零件的铸造(砂型铸造)8)特种铸造与连铸9)铸造工艺与铸件缺陷10)铸件凝固模拟方法与应用介绍11)课堂讨论与复习12)考试常用铸造成形合金及其熔炼主要介绍:铸铁 iron casting铸钢 Steel casting铸造有色合

2、金 nonferrous metals casting1-1 1-1 铸铁件生产铸铁件生产铸铁是含碳量大于2.11%2.11%（通常为2.5%-4.0%2.5%-4.0%）的铁碳合金。根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为：根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为：1.1.白口铸铁白口铸铁：碳全部以FeFe3 3CC的形式存在，断口呈银色。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。2.2.灰口铸铁：灰口铸铁：碳大部或全部以石墨石墨形式存在，断口呈暗灰色。3.3.麻口铸铁：麻口铸铁：组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口之间的

3、过渡组织，因断口处有黑白相间的麻点，故而得名。根据铸铁中石墨形态的不同，根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：灰口铸铁又可分为：4 4蠕墨铸铁蠕墨铸铁 ：其石墨呈蠕虫状。如图d所示。bcd1 1普通灰铸铁普通灰铸铁 ：简称灰铸铁，其石墨呈片状。如图a所示。2 2可锻铸铁：可锻铸铁：其石墨呈团絮状。如图b所示。3 3球墨铸铁：球墨铸铁：其石墨呈球状。如图c所示。影响铸铁组织和性能的因素影响铸铁组织和性能的因素 铸铁中的碳可以以化合态渗碳体渗碳体和游离态石墨石墨两种形式存在。碳以石墨形式析出的现象称为石墨化石墨化。1 1、化学成分、化学成分 1 1）碳和硅）碳和硅 碳是形成石墨的元素，也是促

4、进石墨化的素。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。2 2）硫）硫 硫是强烈阻碍石墨化元素。硫量高易促使碳以Fe3CFe3C形式出现形式出现,白口组织白口组织；硫量高导致铸件热脆性；使铸铁铸造性能恶化（如降低流动性，增大收率）。所以：硫含量限制在硫含量限制在0.1-0.15%0.1-0.15%以下，高强度以下，高强度铸铁则应更低。铸铁则应更低。3 3）锰）锰 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。一般控制在一般控制在

5、0.61.2%0.61.2%之间之间.4 4）磷）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。一般限制在一般限制在0.5%0.5%以下，以下，高强度铸铁则限制在高强度铸铁则限制在0.20.3%0.20.3%以下。以下。2 2冷却速度冷却速度1 1）铸型材料）铸型材料2 2）铸件壁厚）铸件壁厚 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。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。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

6、所需要的组织。白口铸铁：P+FeP+Fe3 3C+LeC+Le麻口铸铁：P+FeP+Fe3 3C+G+LeC+G+Le灰口铸铁：珠光体灰口铸铁：P+G片 珠光体+铁素体灰口铸铁：P+F+G片 铁素体灰口铸铁：F+G片铸铁壁厚（mm）102030405060704.05.06.07.0（wC+wSi）%白口铸铁麻口铸铁灰口铸铁珠光体灰口铸铁珠光体+铁素体灰口铸铁铁素体灰口铸铁二、普通灰铸铁二、普通灰铸铁（一）灰铸铁的化学成分、组织和性能（一）灰铸铁的化学成分、组织和性能 1 1 灰铸铁的化学成分与组织灰铸铁的化学成分与组织 灰铸铁的化学成分一般为：2.63.6%C2.63.6%C，1.23.0%

7、Si1.23.0%Si，0.41.2Mn0.41.2Mn，S0.15%S0.15%，P0.3%P0.3%。1)1)铁素体灰铸铁（铁素体灰铸铁（F+GF+G片片）：这种铸铁抗拉强度和硬度低，易加工，铸造性能好。常用来制造性能要求不高的铸件和一些薄壁件。2)2)铁素体铁素体-珠光体灰铸铁（珠光体灰铸铁（F+P+GF+P+G片）：片）：此种铸铁强度亦较低，但可满足一般机件要求，且其铸造性能、切削加工性能和减振性较好，因此应用较广。3)3)珠光体灰铸铁（珠光体灰铸铁（P+GP+G片）：片）：这种铸铁强度和硬度较高，主要用来制造较为重要的机件。灰铸铁组织特点灰铸铁组织特点金属基体（F、F+P、P）与片状

8、石墨（G）a）铁素体灰铸铁 b）铁素体+珠光体灰铸铁 c）珠光体灰铸铁 2 2 灰铸铁的性能灰铸铁的性能1）力学性能：b=120-250Mpa，仅为钢件的20-30%，02）良好的减振性 3）良好的耐磨性 4）低的缺口敏感性（二）灰铸铁的孕育处理（二）灰铸铁的孕育处理 灰铸铁的组织和性能，很大程度上取决于石墨的数量、大小和形态。孕育处理 熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、低硅的高温铁水，向铁水中冲入细颗粒的孕育剂孕育剂(inoculant)(inoculant)，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：孕育

9、铸铁：P P细细+G+G细片细片b=250-400Mpa，HB=170-270，0 0常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水重量的0.25-0.6%0.25-0.6%。冷却速度对其组织和性能的影响很小。孕育铸铁适用于静载荷下，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：孕育铸铁原铁水的碳、硅含量不能太高；原铁水出炉温度不应低于1400；经孕育处理后的铁水必须尽快浇注，以防止孕育作用衰退。（三）灰铸铁的工艺性能 1)良好的铸造性能。良好的流动性、小的收缩率。2)良好的切削加工性能。3)锻造性和焊接性差。（四）灰

10、铸铁生产特点及牌号选用 1）灰铸铁一般在冲天炉中熔炼，成本低廉；2）具有良好的铸造性能。3）灰铸铁一般不通过热处理来提高其性能。2 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b（Mpa）。灰铸铁的牌号选用灰铸铁的牌号选用牌牌 号号 组织组织 用途举例用途举例 HT100HT100F+GF+G片片 盖盖、外外罩罩、油油盘盘、手手轮轮、支支架架、底底板板、镶镶导导轨轨的的机机床床底座等对强度无要求的零件底座等对强度无要求的零件 HT150HT150F+P+GF+P+G片片底座、床身、与底座、床身、与HT200HT200相配的溜板、工作台；泵壳、容相配的溜

11、板、工作台；泵壳、容器、法兰盘器、法兰盘;工作压力不太大的管件工作压力不太大的管件 HT200HT200F+P+GF+P+G片片要要求求高高的的强强度度和和一一定定耐耐蚀蚀能能力力的的泵泵壳壳、容容器器、塔塔器器、法法兰、硝化塔兰、硝化塔 机机床床床床身身、立立柱柱、平平尺尺、划划线线平平板板、汽汽缸缸、齿齿轮轮、活活塞、刹车轮、联轴器盘、水平仪框架塞、刹车轮、联轴器盘、水平仪框架 压力为压力为80Mpa80Mpa以下的油缸、泵体、阀门以下的油缸、泵体、阀门 HT250HT250P+GP+G片片HT300HT300P P细细+G+G细片细片床床身身导导轨轨、车车床床、冲冲床床等等受受力力较较大

12、大的的床床身身、机机座座、主主轴轴箱箱、卡卡盘盘、齿齿轮轮、高高压压油油缸缸、水水缸缸、泵泵体体、阀阀门门、衬衬套套、凸凸轮轮、大大型型发发动动机机曲曲轴轴、气气缸缸体体、气气缸缸盖盖；冷冷镦镦模模、冷冷冲模冲模 HT350HT350P P细细+G+G细片细片三、三、可锻铸铁可锻铸铁（一）可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用（一）可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用1 1 可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用1 1）铁素体（黑心）可锻铸铁（）铁素体（黑心）可锻铸铁（F+GF+G团）：团）：具有良好的塑性和韧性，耐蚀性较高，适于制造承受振动和冲击、形状复杂的薄壁小件，如汽车拖

13、拉机的底盘类零件、各种水管接头、农机件等。2 2）珠光体（）珠光体（P+GP+G团）：团）：其强度、硬度、耐磨性优良，并可通过淬火、调质等热处理强化。可取代锻钢制造小型连杆、曲轴等重要件。显微组织金属基体和团絮状石墨组成 a）铁素体可锻铸铁 b）珠光体可锻铸铁 2 2 可锻铸铁的牌号可锻铸铁的牌号 可锻铸铁的牌号用汉语拼音和两组数字表示，第一组数字表示其最低抗拉强度b（Mpa），第二组数字表示其最低伸长率。KTH300KTH3000606 KTZ450KTZ4500606 可铁黑可铁黑可铁珠可铁珠 b b b b 可锻铸铁的牌号与选用可锻铸铁的牌号与选用 牌牌 号号 组织组织 用用 途途 举举

14、 例例 KTH300KTH30006 06 F+GF+G团团三通、管件、中压阀门三通、管件、中压阀门 KTH330KTH3300808F+GF+G团团 输输电电线线路路件件、汽汽车车、拖拖拉拉机机的的前前后后轮轮壳壳、差差速速器器壳壳、转转向向节节壳壳、制动器；农机件及冷暖器接头等。制动器；农机件及冷暖器接头等。KTH350KTH3501010F+GF+G团团KTH370KTH37012 12 F+GF+G团团KTZ450KTZ45006 06 P+GP+G团团 曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、轴套、犁片、耙片、臂、活塞环、轴套、犁片、耙片、闸、万向接头、棘

15、轮、扳手、传闸、万向接头、棘轮、扳手、传动链条、矿车轮动链条、矿车轮 KTZ550KTZ55004 04 P+GP+G团团KTZ650KTZ6500202P+GP+G团团KTZ700KTZ70002 02 P+GP+G团团（二）可锻铸铁的生产特点（二）可锻铸铁的生产特点 1.1.铸出白口坯料铸出白口坯料1 1）碳、硅含量要低。）碳、硅含量要低。通常为2.42.8%C2.42.8%C，0.41.4%Si0.41.4%Si。2 2）冷却速度要快。）冷却速度要快。2.2.石墨化退火石墨化退火 720 650Fe3C A+G团P F+G团P+GP+G团团F+GF+G团团t920-980 石墨化退火的总

16、周期一般为4070小时高温阶段的石墨化退火时间需10-20小时四、球墨铸铁四、球墨铸铁1 1球墨铸铁的组织、性能、牌号及用途球墨铸铁的组织、性能、牌号及用途1 1）珠光体球墨铸铁（）珠光体球墨铸铁（P +FP +F少少+G+G球）球）(正火)其性能特点是：a）强度高。特别是屈服强度高，屈、强比（屈、强比（0.2/b0.70.2/b0.70.80.8）高于45号钢（0.2/b0.6)0.2/b0.6)。b）疲劳强度较高c）硬度和耐磨性远比高强度灰铸铁高因此，珠光体球墨铸铁可代替碳钢制造某些受较大交变负荷的重要件，如曲轴、连杆、凸轮、蜗杆曲轴、连杆、凸轮、蜗杆等。b=600800 MPa;=2%2

17、 2）铁素体球墨铸铁）铁素体球墨铸铁 （F +PF +P少少+G+G球）球）(退火)其性能特点：bb=450500=450500 MPaMPa;=17%;=17%我国主要用于代替可锻铸铁制造汽车、拖拉机底盘类零件，如后桥壳等。国外则大量用于铸管，如上、下水管道及输气管道等。球墨铸铁的牌号用汉语拼音“QTQT”和两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。球墨铸铁的显微组织 随着化学成分、冷却速度和热处理方法的不同，球墨铸铁可得到不同的 基体组织（F、F+P、P）。a）铁素体球墨铸铁 b）铁素体+珠光体球墨铸铁 c）珠光体球墨铸铁 球墨铸铁的牌号与应用 牌牌 号号 组织组织 用用 途途

18、举举 例例 QT400QT40017 17 F+GF+G球球汽车、拖拉机底盘类零件，轮毂、汽车、拖拉机底盘类零件，轮毂、驱动桥壳、差速器壳、拨叉、中驱动桥壳、差速器壳、拨叉、中低压阀门、管道。低压阀门、管道。QT420QT4201010 F+GF+G球球QT500QT5000505 F+P+GF+P+G球球机座、传动轴、机车护瓦等。机座、传动轴、机车护瓦等。QT600QT60002 02 P+GP+G球球曲轴、凸轮轴、连杆、齿曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、轴套、汽缸轮、摇臂、活塞环、轴套、汽缸套、机床蜗轮、蜗杆等套、机床蜗轮、蜗杆等 QT700QT70002 02 P+GP+G球球Q

19、T800QT80002 02 P+GP+G球球QT1200QT12000101 B B下下+G+G球球汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器齿轮、曲轴、凸轮等齿轮、曲轴、凸轮等2 2球墨铸铁的生产球墨铸铁的生产1 1）控制原铁水化学成分）控制原铁水化学成分 a）应严格控制 S0.07%、P0.1%。b）适当提高含碳量（3.64.0%C），以改善铸造性能。2 2）较高的铁水温度）较高的铁水温度:出炉温度应高于1400。3 3）球化处理和孕育处理）球化处理和孕育处理 a a）球化处理）球化处理球化剂的作用：促使石墨在结晶时呈球状析出促使石墨在结晶时呈球状析出。如稀土镁合金如稀土镁

20、合金,常常球化剂加入量一般为铁水重量的1.0-1.6%1.0-1.6%。b b）孕育处理）孕育处理 孕育剂的作用：孕育剂的作用：促进铸铁石墨化，防止球化元素所造成的白口倾向。常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水重量的0.4-1.0%。球化处理工艺有球化处理工艺有:冲入法和型内球化法。铁水合金球化剂硅铁粉铁水包出铁槽草木灰反应室反应室铸件铸件冒口冒口积渣包积渣包4 4）球墨铸铁的热处理）球墨铸铁的热处理退火、正火退火、正火及其它热处理（淬火、回火等）。五、蠕墨铸铁五、蠕墨铸铁蠕墨铸铁中的石墨片比灰铸铁中的石墨片的长厚比要小，端部较钝、较圆，介于片状和球状之间的一种石墨形态 蠕墨铸铁的显微

21、组织 蠕墨铸铁的性能特点：（1）力学性能（强度和韧性）比灰铸铁高，与铁素体球墨 铸铁相近。（2）壁厚敏感性比灰铸铁小得多。（3）导热性和耐疲劳性比球墨铸铁高得多，与灰口铸铁相近。（4）耐磨性比灰口铸铁好，为HT300的2.2倍以上。（5）减振性比球墨铸铁高，但比灰口铸铁低。（6）工艺性能良好，铸造性能近于灰口铸铁，切削 加工性能近于球墨铸铁。蠕墨铸铁主要用来代替高强度灰铸铁、合金铸铁、铁素体球墨铸铁和铁素体可锻铸铁生产复杂的大型铸件。如,大型柴油机机体、大型机床立柱等，更适合制造在热循环作用下工作的零件，如大型柴油机汽缸盖、排汽管、制动盘、钢锭模及金属型等蠕墨铸铁牌号与用途牌号牌号组织组织用用

22、 途途 举举 例例 RT260RT260 F+GF+G蠕蠕汽车、拖拉机底盘类零件、驱汽车、拖拉机底盘类零件、驱动桥壳、阀体等动桥壳、阀体等RT300RT300 F+P+GF+P+G蠕蠕 排气管、变速箱体、汽缸盖、排气管、变速箱体、汽缸盖、纺织零件、液压件等纺织零件、液压件等 RT340RT340 F+P+GF+P+G蠕蠕重型机床件、大型齿轮箱体、重型机床件、大型齿轮箱体、盖、刹车鼓、玻璃模具、飞轮盖、刹车鼓、玻璃模具、飞轮等等RT380RT380 P+GP+G蠕蠕 活塞环、气缸套、制动盘、玻活塞环、气缸套、制动盘、玻璃模具、刹车鼓、钢珠研磨盘璃模具、刹车鼓、钢珠研磨盘吸泥泵体等吸泥泵体等 RT

23、420RT420 P+GP+G蠕蠕2-2 2-2 铸钢件生产铸钢件生产一、铸钢的分类、性能、牌号及应用一、铸钢的分类、性能、牌号及应用1 1 碳素钢碳素钢1 1）低碳钢）低碳钢,C0.25%,C0.25%,铸造性能差、较少应用于传统铸件。2 2）中碳钢）中碳钢,C=0.250.45%,C=0.250.45%,铸造性能较好、应用广泛。3 3）高碳钢）高碳钢,C=0.500.60,C=0.500.60,铸造性能差、较少应用于传统铸件。2 2 合金钢合金钢1 1）低合金钢）低合金钢:Me5%:Me5%:Me5%注意注意:各类钢都适合连铸生产各类钢都适合连铸生产,但连铸过程质量控制同样存在但连铸过程质

24、量控制同样存在差异差异.铸钢牌号及应用铸钢牌号及应用钢号钢号旧旧钢号钢号化学成分的质量分数（化学成分的质量分数（%）用途举例用途举例CCSi SiMnMnP P、S SZG200400ZG200400ZG15ZG150.200.200.500.500.800.800.040.04用于受力不大、要求韧性高的各种机用于受力不大、要求韧性高的各种机械零件，如机座、箱体等械零件，如机座、箱体等ZG230450ZG230450ZG25ZG250.300.300.500.500.900.900.040.04用于受力不大、要求韧性较高的各种用于受力不大、要求韧性较高的各种机械零件，如外壳、轴承盖、阀体、机械

25、零件，如外壳、轴承盖、阀体、砧座等砧座等ZG270500ZG270500ZG35ZG350.400.400.500.500.900.900.040.04用于轧钢机机架、轴承座、连杆、曲用于轧钢机机架、轴承座、连杆、曲轴、缸体、箱体等轴、缸体、箱体等ZG310570ZG310570ZG45ZG450.500.500.600.600.900.900.040.04用于负荷较高的零件，如大齿轮、缸用于负荷较高的零件，如大齿轮、缸体、制动轮、棍子等体、制动轮、棍子等ZG340640ZG340640ZG55ZG550.600.600.600.600.900.900.040.04用于齿轮、棘轮、联接器、叉头

26、等用于齿轮、棘轮、联接器、叉头等二、铸钢的熔铸工艺特点二、铸钢的熔铸工艺特点1.1.铸钢的铸造性能差铸钢的铸造性能差.(.(两相区大、流动性差、收缩两相区大、流动性差、收缩大大)1）铸件要安放冒口和冷铁；2）必须严格控制浇注温度；(要有合适过热度)3）铸件的壁不能太薄；(适合连铸)2.2.铸钢的热处理铸钢的热处理 退火：C 0.35%(热应力大,去应力退火)正火：C 0.35%3.3.铸钢的熔炼铸钢的熔炼 小批量生产常用电炉.连铸等大规模生产常用电弧炉,转炉2-3 2-3 铸造有色合金铸造有色合金一、铸造铝合金一、铸造铝合金1 1 铝硅合金（铝硅合金（Al-Al-Si Si）铝硅合金流动性好、

27、线收缩率低、热裂倾向小、气密性好，铝硅合金流动性好、线收缩率低、热裂倾向小、气密性好，又有足够的强度，所以应用最广。又有足够的强度，所以应用最广。常用于制造形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的铸件，如内燃机缸体、化油器、仪表外壳等。2 2 铝铜合金（铝铜合金（Al-CuAl-Cu）铝铜合金的铸造性能差，热裂倾向大、气密性和耐蚀性铝铜合金的铸造性能差，热裂倾向大、气密性和耐蚀性较差，但耐热性较好，主要用于制造活塞、汽缸头等。较差，但耐热性较好，主要用于制造活塞、汽缸头等。3 3 铝镁合金（铝镁合金（Al-MgAl-Mg）铝镁合金是所有铝合金中比强度最高的，主要用于航天、航空或长期在大气、海水中工作的零件等。4 4 铝锌合金（铝锌合金（Al-ZnAl-Zn）一、铸造铜合金一、铸造铜合金1 1铸造黄铜铸造黄铜,(Cu-Zn),(Cu-Zn)铸造黄铜有相当高的力学性能，如bb=250450Mpa=250450Mpa，=730%=730%，HBS=60120HBS=60120。因其含铜量低，价格低于铸造青铜，而且它的凝固温度范围小，有优良的铸造性能。所以铸造黄铜常用于生产重载低速下或一般用途下的轴承、衬套、齿轮等耐磨件和阀门及大型螺旋桨等耐蚀件等。2 2铸造青铜铸造青铜 青铜是指除了铜锌合金以外的其它铜合金。