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,凝,固三个收缩,先凝固的有凝,固二个收缩区----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
同时凝固: 冷铁—厚处. 减小热应力,但心部缩松,故用于收缩小的合金.
l 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. l 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.
l 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.
§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.(有时相变膨胀受阻,负收缩) 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,同时发生的再结晶降硬化抵消,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: 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,
,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
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—P, 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 - 厚或内层 + + - + + 0 - + 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.铸件厂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+液体,强,塑↓ 2 含S—热脆 3 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↓ αk ζ-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.
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.
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. 预防: 降低型砂(型芯砂)的发起量,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 NO CO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
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: 消除应力, 降低硬度,提高切削性,保证机械性能,退火,正火等
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,灰口铁又分为: 1) 普通灰口铸铁: 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% 或一定量的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: ζb E↓ 塑,韧---0. 脆性(crispy)材料 ∵ 石墨, 软 脆 强↓ 比重小
1) 由于石墨的存在,减少了承载的有效面积.
2) 石墨片的边缘形成缺口,应力集中,局部开裂,形成脆性断裂,基本强度只利用30~50% ∴ 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,均由于前者.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,是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 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—麻口—白口 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
常用孕育剂:令Si 75%的硅铁,加入量为铁水的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: ∵Si Mn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—抗拉强度参考值 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 类别 铸件壁厚mm 抗拉强度 Mpa 硬 度HBS HT100 2.5~10 130 110~167 HT150 2.5~10 175 136~205 10~20 100 93~140 10~20 145 119~179 20~30 90 87~131 20~30 130 110~167 30~50 80 82~122 30~50 120 105~157 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(又叫马铁)
白口铁晶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 KTZ---P基体
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↑ 铁素体+珠光体球铁: 两者之间 珠光体球铁: 强度,硬度↑
牌号: QT+三位数 + 两位数 数字含义与可锻铸铁相同
布氏硬度和洛氏硬度对照表
