常見鑄造合金及鑄件結(jié)構(gòu)工藝性

1、機(jī)械制造基礎(chǔ)制造學(xué)院金工教研室第第3 3講講 常見鑄造合金及常見鑄造合金及鑄鑄件件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)工工藝藝性性 第3講 鑄造合金與鑄件結(jié)構(gòu)工藝性n鑄造合金掌握鑄鐵組織與性能的特點了解常見鑄造合金的組織與性能的特點n結(jié)構(gòu)工藝性評價鑄件結(jié)構(gòu)工藝性的標(biāo)準(zhǔn)：n保證鑄件滿足相關(guān)的力學(xué)性能、使用性能的要求n制造成本最低對結(jié)構(gòu)工藝性產(chǎn)生影響的因素n鑄造工藝的特殊要求n合金鑄造性能的要求n生產(chǎn)批量（大：自動化，?。菏止ぃ╄T件的結(jié)構(gòu)工藝性不是一成不變的一、常見鑄造合金n黑色金屬鑄鐵，根據(jù)碳的存在形式分為：n白口鑄鐵碳以化合物（Fe3C）的形式存在硬、脆、難以加工，較少使用n灰口鑄鐵碳多以石墨（純碳相）形態(tài)存在是工業(yè)生產(chǎn)

2、中最常用的鑄造合金n麻口鑄鐵大部分以化合物（Fe3C）的形式存在，少部分以石墨（純碳相）形態(tài)存在硬、脆、難加工，不使用鑄鋼n有色金屬：鑄造銅合金和鑄造鋁合金鐵-石墨相圖1.灰口鑄鐵（根據(jù)石墨的形態(tài)）根據(jù)石墨的形態(tài)）普通灰鑄鐵普通灰鑄鐵可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵(1)普通灰鑄鐵組織特點：相當(dāng)于鋼的基體上分布有大量片狀石墨，石墨對基體的割裂程度很高。由于石墨的存在，一方面使得基體承載的有效面積減少，另一方面在基體中容易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，最終導(dǎo)致灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和彈性模量均比鋼低得多。普通灰鑄鐵的組織和性能n機(jī)械性能b 120250MPa，抗拉強(qiáng)度很差塑性、韌性差抗壓強(qiáng)度與鋼接

3、近（應(yīng)合理應(yīng)用）特點：抗壓不抗拉n工藝性能鑄造性能極好切削加工性能極好鍛造性能極差焊接性能極差（焊縫區(qū)域易形成白口組織）熱處理性能差灰鑄鐵的其他優(yōu)良性能n優(yōu)良的減振性石墨松軟，能吸振，并阻隔振動傳播n耐磨、減摩性好石墨本身是很好的潤滑劑，剝落后形成的空洞可以儲存潤滑油n缺口敏感性小石墨本身就相當(dāng)于缺口（孔洞、微裂紋），外來缺口（如油孔、鍵槽、刀痕等）的作用則相對減弱灰鑄鐵的組織石墨化n一次結(jié)晶和共晶石墨化A石墨n二次結(jié)晶和共析石墨化P+石墨珠光體灰鑄鐵n石墨細(xì)小、分布均勻n強(qiáng)度硬度高、用于重要機(jī)件（P+F）+石墨珠光體鐵素體灰鑄鐵n石墨呈粗大片狀n強(qiáng)度略低、鑄造性能極好、減振性好F+石墨鐵素體

4、灰鑄鐵n石墨過多、過于粗大，應(yīng)用極少討論n鑄鐵麻口和白口鑄鐵是怎樣形成的？化學(xué)成分影響石墨化n（C%Si% ） &壁厚I白口IIa麻口IIP基IIbPF基IIIF基n最佳：共晶C%=3%-3.5%Si1.4%-2.4%nS、P有害，Mn有益冷卻速度影響石墨化快快慢慢不同厚度不同組織不同性能n一包鐵水C%=3.2% Si%=1.8%wc+wsi%=5.0%n凝固后不同厚度截面上的組織 5mm：白口或麻口10mm：P基灰鑄鐵20mm：P基灰鑄鐵30mm：PF基灰鑄鐵40mm：F基灰鑄鐵n薄了不行，厚了更不行510203040強(qiáng)化普通灰口鑄鐵的手段n孕育處理孕育劑：含75Si的硅鐵（實為異質(zhì)

5、形核，獲P基灰口鑄鐵）適用于對強(qiáng)度、硬度和耐磨性要求較高的重要鑄件，尤其是厚大鑄件，如床身、凸輪、凸輪軸、氣缸體和氣缸套等n牌號（GB5675-85）HT100（F基） 、HT150（PF基）n中、低載荷和不重要的零件，如蓋、外殼、手輪、刀架、工作臺等HT200、HT250 （P基）n較大應(yīng)力和較重要零件，如氣缸體、機(jī)座、床身、缸套、活塞等HT300、HT350 （孕育）n高應(yīng)力及抗拉應(yīng)力的重要零件，如齒輪、凸輪、車床卡盤、高壓液壓缸等n普通灰口鑄鐵的生產(chǎn)特點共晶成分，工藝簡單、12001350C澆鑄、時效處理(2)可鍛鑄鐵黑心可鍛鑄鐵黑心可鍛鑄鐵珠光體可鍛鑄鐵珠光體可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵常識n生產(chǎn)

6、特點：（1）先獲取白口鑄件（2）白口鑄件經(jīng)高溫石墨化退火形成n加熱溫度900980C，變成AFe3C；n第一階段石墨化Fe3C高溫下分解為A+石墨n第二階段石墨化A隨爐冷卻過程中不斷析出多余的C，并依附在第一階段形成的石墨上繼續(xù)生長n第三階段石墨化略低于共析溫度附近長時間的保溫，使P分解為F+石墨可鍛鑄鐵常識n種類F可鍛鑄鐵：上述三個階段都完成P可鍛鑄鐵：僅完成第一階段石墨化n性能抗拉b 300400MPa有一定塑性韌性，但還是不可鍛造n牌號KTH300-06：黑心可鍛鑄鐵KTZ650-02：珠光體可鍛鑄鐵(3)球墨鑄鐵生產(chǎn)特點：（1）成分：高碳、高硅、低P、S； （2）澆注溫度高； （3）球

7、化處理：稀土鎂合金； （4）孕育處理：含75Si的硅鐵。球墨鑄鐵常識n牌號及用途QT40018（F）n傳動軸、飛輪、電動機(jī)架、鐵路機(jī)車軸瓦等QT5007（F+P）n載荷大、受力復(fù)雜的零件。汽車的連桿、曲軸、凸輪軸和氣缸套等，部分機(jī)床主軸、蝸桿等QT7002（P）n高強(qiáng)度齒輪，如汽車后橋螺旋錐齒輪、大減速器齒輪、內(nèi)燃機(jī)曲軸、凸輪軸等QT9002（B或M回）球墨鑄鐵常識n力學(xué)性能接近于鋼（7090）抗拉強(qiáng)度可達(dá)900MPa；延伸率18，具有好的塑性和韌性。n工藝性能鑄造性能、切削加工性能和減摩性能良好。過冷傾向大，易產(chǎn)生白口n熱處理性能退火：獲得F基球墨鑄鐵n去應(yīng)力退火：500600Cn低溫石墨化

8、退火（無自由滲碳體存在）：720760Cn高溫石墨化退火（有自由滲碳體存在，即白口組織）：900950C正火：n高溫正火：900950C，獲得細(xì)P基球墨鑄鐵n低溫正火：820860C，獲得P基分散F的球墨鑄鐵調(diào)質(zhì)：S回球狀石墨等溫淬火：B下A（少）M（少）球狀石墨(4)蠕墨鑄鐵生產(chǎn)特點：（1）成分：高碳、高硅、低P、S； （2）澆注溫度高； （3）球化處理：稀土鎂合金； （4）孕育處理：含75Si的硅鐵。蠕墨鑄鐵常識n性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，有良好的綜合性能n力學(xué)性能優(yōu)于灰口鑄鐵（抗拉強(qiáng)度、屈服點、延伸率、疲勞強(qiáng)度等）；n導(dǎo)熱性好、抗氧化、減振性、耐磨性優(yōu)于球鐵；n鑄造性能、切削加工性能

9、優(yōu)于球鐵；n牌號（GB5612-85）RuT-400：抗拉強(qiáng)度n應(yīng)用氣缸蓋、氣缸套、鋼錠模、液壓件等耐熱件（5）合金鑄鐵n耐磨鑄鐵n耐熱鑄鐵n耐蝕鑄鐵（5）合金鑄鐵n耐磨鑄鐵減摩鑄鐵P基灰鐵n制造在潤滑、受粘著磨損條件下工作的零件機(jī)床導(dǎo)軌、拖板、發(fā)動機(jī)缸套和活塞環(huán)、各種滑塊和軸承等n高磷鑄鐵（含0.40.7P），形成磷共晶，斷續(xù)網(wǎng)狀分布在P基體上，形成堅硬骨架，提高耐磨性n加入適量的Cu、Cr、Mo、P、V、Ti等合金形成合金減摩鑄鐵，如磷銅鈦鑄鐵、鉻鉬銅鑄鐵等抗磨鑄鐵n制造在無潤滑、受磨料磨損條件下工作的鑄件軋輥、磨球機(jī)磨球、拋丸機(jī)葉片、犁鏵等n白口鑄鐵加少量的Cu、Cr、Mo、V、B等合金

10、形成合金碳化物，提高抗磨性。n中錳球墨鑄鐵（含59.5Mn，3.35.0Si）鑄態(tài)組織為M、A、碳化物和球狀石墨（5）合金鑄鐵n耐熱鑄鐵制造在高溫下使用的，抗氧化或抗熱生長性能符合使用要求的鑄件。如爐底板、煙道擋板、傳遞鏈構(gòu)件等熱生長n由于氧化性氣體沿著石墨片的邊界和裂紋，滲入鑄鐵內(nèi)部所造成的氧化以及由于滲碳體分解生成石墨而引起的體積膨脹。n加Al、Si、Cr等合金元素，使之在高溫下，在鑄鐵表面形成一層致密的氧化膜，如Al2O3、SiO2、Cr2O3。單相組織n使鑄鐵在高溫下不存在滲碳體分解而析出石墨的可能性n石墨最好程球狀，獨(dú)立分布，不易形成氧化性氣體的滲入通道nF基球墨鑄鐵具有較好的耐熱性

11、（5）合金鑄鐵n耐蝕鑄鐵制造具有一定力學(xué)性能，且在酸、堿條件下有抗腐蝕能力n加入Al、Si、Cr等合金元素，使之在高溫下，在鑄鐵表面形成一層致密的氧化膜n加入鉻硅、鉬、銅、鎳、磷等合金元素，提高F的電位以提高耐蝕性n通過合金化，獲得單項組織，以減少鑄鐵中的微電池，從而提高耐蝕性n如高硅耐蝕鑄鐵，含1.4C，1018SI，組織為含硅合金鐵素體石墨Fe3Si（或FeSi）2.鑄鋼n應(yīng)用廣泛n強(qiáng)度高、塑性韌性優(yōu)良、焊接性能好n鑄焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)：重型機(jī)械制造n加入10各種合金元素耐磨、耐腐蝕、耐熱n鑄造性能差：糊狀凝固澆注溫度高、流動性差收縮率大、一定要定向凝固鑄鋼件的鑄造工藝示例3.鋁及其鋁合金n工業(yè)純

12、鋁雜質(zhì)含量小于3%，熔點660C，面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變密度??；導(dǎo)電性好；導(dǎo)熱性；抗大氣腐蝕性好；強(qiáng)度低，塑性好，無磁性、無火花。n鋁合金形變形變鋁合金鋁合金n單相固溶體，塑性好，部分可熱處理強(qiáng)化n防銹鋁合金：Al-Mn系、Al-Mg系；n硬鋁合金：Al-Cu-Mg系；n超硬鋁合金：Al-Cu-MgZn系；n鍛鋁合金：Al-Cu-MgSi系鑄造鋁合金鑄造鋁合金3.鑄造鋁合金n共晶組織，熔點低，流動性好鋁硅合金n粗大的共晶體（Si），需變質(zhì)處理加以細(xì)化nZL10ZL101、ZL102，砂型、金屬型和壓力鑄造零件，工作溫度低于200，如飛機(jī)、儀表的零件，抽水機(jī)殼體nZL105，砂型、金屬型和

13、壓力鑄造零件，工作溫度低于225，如風(fēng)冷發(fā)動機(jī)的氣缸頭等nZL108，砂型、金屬型鑄造要求高溫強(qiáng)度及低膨脹系數(shù)的耐熱零件，如內(nèi)燃機(jī)活塞鋁銅合金nZL20ZL201、ZL202,砂型鑄造工作溫度在175300的零件，如支臂、掛架梁、內(nèi)燃機(jī)氣缸頭、活塞等鋁鎂合金nZL30ZL301,砂型鑄造大氣或海水中工作的零件，工作溫度小于150鋁鋅合金nZL40ZL401，壓力鑄造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，工作溫度小于2003.鑄造鋁合金n生產(chǎn)特點收縮率高，氧化、吸氣嚴(yán)重（1）鑄造鋁合金熔點低、流動性好、對型砂耐火度要求不高，可用細(xì)砂造型，以減小鑄件表面粗糙度值，還可澆注薄壁復(fù)雜鑄件。 （2）為防止鋁液在澆注過程中的氧

14、化和吸氣，通常采用開放式澆注系統(tǒng)及應(yīng)用，蛇形直澆道和縫隙內(nèi)澆道等。 （3）應(yīng)能造成合理的溫度分布，使鑄型進(jìn)行定向凝固，并在最后凝固部分設(shè)置冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，以消除縮孔和縮松。工藝方法n坩堝爐坩堝爐熔煉，用NaCl、KCl做熔劑n精煉精煉驅(qū)氫ZnCl2（或C2Cl6） : 3ZnCl2 +2Al=3Zn+2AlCl3（熔點183C）坩堝爐4.鑄造銅合金n銅及銅合金按其成分不同可分為紫銅、黃銅、青銅和白銅n紫銅工業(yè)純銅，熔點為1083，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，相對密度為8.9（為鎂的五倍）。比普通鋼還重約15%。其具有玫瑰紅色，表面形成氧化膜后呈紫色，故一般稱為紫銅。塑性好，但強(qiáng)度、硬度較差；具有優(yōu)良的導(dǎo)電性

15、、導(dǎo)熱性、延展性和耐蝕性。主要用于制作發(fā)電機(jī)、母線、電纜、開關(guān)裝置、變壓器等電工器材和熱交換器、管道、太陽能加熱裝置的平板集熱器等導(dǎo)熱器材 n黃銅黃銅是由銅和鋅所組成的合金。只由銅、鋅組成的黃銅稱為普通黃銅。由二種以上的元素組成的多種合金就稱為特殊黃銅。如由鉛、錫、錳、鎳、鉛、鐵、硅組成的銅合金。黃銅有較強(qiáng)的耐磨性能。特殊黃銅又叫特種黃銅，它強(qiáng)度高、硬度大、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)。還有切削加工的機(jī)械性能也較突出。由黃銅所拉成的無縫銅管，質(zhì)軟、耐磨性能強(qiáng)。黃銅無縫管可用于熱交換器和冷凝器、低溫管路、海底運(yùn)輸管。制造板料、條材、棒材、管材以及鑄造零件等。含銅在62%68%，塑性強(qiáng)，制造耐壓設(shè)備等 如含鋅低

16、于36的黃銅合金由固溶體組成具有良好的冷加工性能如含鋅30的黃銅常用來制作彈殼俗稱彈殼黃銅或七三黃銅 4.鑄造銅合金n白銅銅與鎳的合金，鎳含量一般為25% 純銅加鎳能顯著提高強(qiáng)度、耐蝕性、硬度、電阻和熱電性，并降低電阻率溫度系數(shù)。因此白銅較其他銅合金的機(jī)械性能、物理性能都異常良好，延展性好、硬度高、色澤美觀、耐腐蝕、富有深沖性能廣泛用于造船、石油化工、電器、儀表、醫(yī)療器械、日用品、工藝品等領(lǐng)域，還是重要的電阻及熱電偶合金。白銅的缺點是主要添加元素鎳屬于稀缺的戰(zhàn)略物資，價格比較昂貴。n青銅銅和除鋅、鎳以外的其他金屬組成的合金。常見的有錫青銅、鉛青銅。熔點低（約800C）、硬度大、鑄造性能好、耐磨

17、、耐腐蝕、色澤光亮等特點，適用于鑄造各種器具、機(jī)械零件、軸承、齒輪等 3.鑄造銅合金n生產(chǎn)特點極易氧化，形成氧化物（Cu2O）使合金力學(xué)性能下降n鑄造工藝（1）鑄造黃銅熔點低、結(jié)晶溫度窄（30-70），流動性好、對型砂耐火度要求不高，可用細(xì)砂造型，以減小鑄件表面粗糙度值、減小加工余量，并可澆注薄壁鑄件。由于黃銅中的鋅本身就是良好的脫氧劑，所以熔化黃銅時，不需另加熔劑和脫氧劑。但其收縮率大、容易產(chǎn)生集中縮孔，鑄造時應(yīng)配置較大的冒口3.鑄造銅合金n生產(chǎn)特點極易氧化，形成氧化物（Cu2O）使合金力學(xué)性能下降n鑄造工藝（2）青銅易氧化，熔化時加熔劑（如玻璃、硼砂等）以覆蓋銅液。為去除已形成的Cu2O，

18、在出爐前可向銅液中加入0.3%-0.6%的磷銅（Cu3P）脫氧。常用開放式及底注式澆注系統(tǒng)，使金屬液流動平穩(wěn)、防止飛濺 錫青銅錫青銅的凝固溫度寬（150-200），凝固收縮和線收縮率小，易出現(xiàn)枝晶偏析與縮松，降低鑄件的致密度。這種縮松便于儲存潤滑油，適宜制造滑動軸承。壁厚不大的錫青銅鑄件常采用同時凝固原則，錫青銅適合采用金屬型鑄造，利用快速冷卻與補(bǔ)縮，鑄件結(jié)晶細(xì)小致密。3.鑄造銅合金n鋁青銅n凝固溫度范圍小，有利于提高流動性和鑄件組織致密度，是青銅的代用材料，廣泛應(yīng)用于制造重要的齒輪、軸套、蝸桿和閥體等鑄件。但鋁青銅的收縮較大，易產(chǎn)生集中縮孔，為此需安置冒口、定向凝固。又因液態(tài)鋁青銅易氧化吸氣

19、，故宜采用開放式及底注式澆注系統(tǒng)，且澆注時不能斷流。此外，澆注系統(tǒng)中還應(yīng)安放過濾網(wǎng)以除去浮渣。n鉛青銅n澆注時，因鉛體積質(zhì)量大會下沉，故需控制澆注溫度，且澆注前應(yīng)充分?jǐn)嚢?，并加快鑄件冷卻以減小偏析。小結(jié)n鑄造工藝基礎(chǔ)流動性/充型能力/縮孔縮松/鑄造應(yīng)力/裂紋鑄造缺陷防止n常見鑄造合金四種鑄鐵鑄鋼鑄造銅鋁合金：鑄造有點難討論：關(guān)于壁厚與強(qiáng)度n 鑄造廠生產(chǎn)了一批灰鑄鐵件。經(jīng)檢測，隨爐單個撓注的30試棒的抗拉強(qiáng)度為2052l0MPa，符合圖紙?zhí)岢龅腍T200的要求。用戶驗收時，在鑄件不同部位取樣，檢測結(jié)果表明，鑄件上壁厚為： 8mm處的b為200MPa15mm處的b為196MPa25mm處的b為17

20、5MPa30mm處的b為168MPa。n據(jù)此，用戶認(rèn)為該批鑄件不合格，理由是：1）鑄件機(jī)械性能不符合HT200要求2）鑄件整體強(qiáng)度不均勻n試判斷用戶的意見是否正確，為什么?二、鑄造工藝對結(jié)構(gòu)的影響n鑄件外形：便于取模外部不應(yīng)有不必要的凸緣分型面盡量為平面盡量減少分型面的數(shù)目凸臺、肋等結(jié)構(gòu)應(yīng)便于起模結(jié)構(gòu)斜度n鑄件內(nèi)腔：盡量少用或不用型芯便于型芯的固定和排氣1.利于型芯的去除便于取模-盡量減少分型面數(shù)目n外部不應(yīng)有不必要的凸緣取模方向取模方向三箱造型三箱造型便于取模-盡量減少分型面數(shù)目套筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計套筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計便于取模-盡量減少分型面數(shù)目便于取模-分型面應(yīng)盡量為平面便于取模-分型面應(yīng)盡量為平面便

21、于取模-分型面應(yīng)盡量為平面搖臂結(jié)構(gòu)（保證搖臂結(jié)構(gòu)（保證3個孔的位置關(guān)系）設(shè)計個孔的位置關(guān)系）設(shè)計便于取模-凸臺與筋板的設(shè)計便于取模-凸臺與筋板的設(shè)計便于取模-凸臺與筋板的設(shè)計便于取模-凸臺與筋板的設(shè)計分散凸臺的改進(jìn)分散凸臺的改進(jìn)鑄件垂直壁上凸臺的設(shè)計鑄件垂直壁上凸臺的設(shè)計便于取模-非加工表面應(yīng)有結(jié)構(gòu)斜度便于取模-非加工表面應(yīng)有結(jié)構(gòu)斜度縫紉機(jī)邊腳鑄件縫紉機(jī)邊腳鑄件的結(jié)構(gòu)斜度的結(jié)構(gòu)斜度結(jié)構(gòu)斜度和起模斜度結(jié)構(gòu)斜度和起模斜度便于取模 -盡量減少活塊或型芯的數(shù)量發(fā)動機(jī)散熱片發(fā)動機(jī)散熱片的結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)設(shè)計托架的結(jié)構(gòu)設(shè)計托架的結(jié)構(gòu)設(shè)計便于取模-盡量減少型芯數(shù)目鑄件外形及內(nèi)腔的設(shè)計鑄件外形及內(nèi)腔的設(shè)計便于取模-盡量減少型芯數(shù)目軸承座的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸承座的結(jié)構(gòu)設(shè)計避免水平大平面避免容易熱變形的結(jié)構(gòu)避免容易熱變形的結(jié)構(gòu)不用或少用型芯自帶型芯便于型芯固定和定位加強(qiáng)型芯頭強(qiáng)度加強(qiáng)型芯頭強(qiáng)度三、合金鑄造性能對鑄件結(jié)構(gòu)工藝性的影響n鑄件的壁