第4章特种性能铸铁

特种铸造特种铸造：铸型用砂较少或不用砂、采用特殊工艺装备进行铸造的方法，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造和实型铸造等。

特点：特种铸造具有铸件精度和表面质量高、铸件内在性能好、原材料消耗低、工作环境好等优点。

但铸件的结构、形状、尺寸、重量、材料种类往往受到一定限制。

一、熔模铸造（失蜡铸造）（一）熔模铸造的工艺过程1．制造蜡模蜡模材料常用50%石蜡和50%硬脂酸配制而成。

如图1-34a 所示。

为提高生产率，常把数个蜡模熔焊在蜡棒上，成为蜡模组，如图1-34b 所示。

2．制造型壳在蜡模组表面浸挂一层以水玻璃和石英粉配制的涂料，然后在上面撒一层较细的硅砂，并放入固化剂（如氯化铵水溶液等）中硬化。

使蜡模组外面形成由多层耐火材料组成的坚硬型壳（一般为4~10层），型壳的总厚度为5~7mm，如图1-34c所示。

3．熔化蜡模（脱蜡）通常将带有蜡模组的型壳放在80~90℃的热水中，使蜡料熔化后从浇注系统中流出。

4．型壳的焙烧把脱蜡后的型壳放入加热炉中，加热到800~950℃，保温0.5~2h，烧去型壳内的残蜡和水分，并使型壳强度进一步提高。

5．浇注将型壳从焙烧炉中取出后，周围堆放干砂，加固型壳，然后趁热（600~700℃）浇入合金液，并凝固冷却。

6．脱壳和清理用人工或机械方法去掉型壳、切除浇冒口，清理后即得铸件。

（二）熔摸铸造铸件的结构工艺性熔摸铸造铸件的结构，除应满足一般铸造工艺的要求外，还具有其特殊性：1．铸孔不能太小和太深否则涂料和砂粒很难进入腊模的空洞内，只有采用陶瓷芯或石英玻璃管芯，工艺复杂，清理困难。

一般铸孔应大于2mm.。

2．铸件壁厚不可太薄一般为2~8mm。

3．铸件的壁厚应尽量均匀熔摸铸造工艺一般不用冷铁，少用冒口，多用直浇口直接补缩，故不能有分散的热节。

（三）熔模铸造的特点和应用熔模铸造的特点是：（1）铸件精度高、表面质量好，是少、无切削加工工艺的重要方法之一，其尺寸精度可达IT11~IT14，表面粗糙度为Ra12.5~1.6μm。

热加工工艺基础第一章铸造工艺基础1．名词解释充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。

缩孔：在铸件上部或最后凝固部位出现的容积较大的孔洞。

缩松：铸件断面上出现的分散、细小的孔洞。

逐层凝固：纯金属或共晶成分合金在凝固过程中不存在固、液相并存的凝固区，故断面上外层的固体和内层的液体由一条界限清楚地分开，随着温度的下降，固体层不断加厚，液体层不断减少直到中心层全部凝固。

糊状凝固：合金的凝固温度范围很宽或铸件断面温度分布曲线较为平坦，其凝固区在某段时间内，液固并存的凝固区贯穿整个铸件断面。

中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间的凝固方式。

定向凝固：使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。

同时凝固：尽量减少铸件各部位间的温度差使铸件各部位同时冷却凝固。

热裂：凝固后期合金收缩且受到铸型等阻碍产生应力，当应力超过某一温度下合金的强度所产生的裂纹。

冷裂：铸件固态下产生的裂纹。

热应力：由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸件各部分收缩不一致而产生的应力。

侵入气孔：砂型或砂芯受热产生气体侵入金属液内部在凝固前未析出而产生的气孔反应气孔：合金液与型砂中的水分、冷铁、芯撑之间或合金内部某些元素、化合物之间发生化学反应产生气体而形成的气孔。

·析出气孔：合金在熔炼和浇注过程中接触气体使气体溶解其中，当合金液冷却凝固时，气体来不及析出而形成的气孔。

2．合金的流动性不足易产生哪些缺陷？浇不足，冷隔，气孔，夹渣，缩孔，缩松。

影响合金流动性的主要因素有哪几个方面？合金的种类，合金的成分，温度。

在实际生产中常用什么措施防止浇不足和冷隔缺陷？a.选用黏度小，比热容大，密度大，导热系数小的合金，使合金较长时间保持液态。

b.选用共晶成分或结晶温度范围窄的合金作为铸造合金。

c.选择合理的浇注温度。

3．充型能力与合金的流动性有什么关系？合金的流动性越好，则其充型能力越好。

不同化学成分的合金为何流动性不同？合金的化学成分不同，它们的熔点及结晶温度范围不同，其流动性不同。

第一章1 为什么有双重相图的存在？双重相图的存在对铸铁件生产有何实际意义？硅对双重相图的影响又有何实际意义？答：1>从热力学观点看，在一定条件下，按Fe-Fe3C相图转变亦是有可能的，因此就出现了二重性2>通过双重相同，可以明显的看出稳定平衡在发生共晶转变及共析转变时，其温度要比介稳定平衡发生时的温度高，而发生共晶、共析转变时所需含C量，以及转变后的r中的含碳量，稳定平衡要比介稳定平衡低。

依此规律，就可以通过控制温度成分来控制凝固后的铸铁组织。

3>硅元素的作用：a：共晶点和共析点含碳量随硅量的增加而减少b：硅的加入使相图上出现了共晶和共析转变的三重共存区c：共晶和共析温度范围改变了，含硅量越高，稳定系的共晶温度高出介稳定系的共晶温度越多d：硅量的增加，缩小了相图上的奥氏体区2 分析讨论片状石墨、球状石墨、蠕虫状石墨的长大的过程及形成条件。

答：片状石墨：按晶体生长理论，石墨的正常生长方式沿基面择优生长，形成片状组织。

实际石墨晶体中存在多种缺陷，螺旋位错缺陷能促进片状石墨的形成。

螺旋位错为石墨的生长提供a、c两个互相垂直的两种生长方向，当a方向的生长速度大于c方向的生长速度时，便行程片状石墨。

球状石墨：石墨晶体中的旋转晶界缺陷可促进球状石墨的形成，此外，在螺旋位错中，当c 向的生长速度大于a向的生长速度时就会形成球状石墨。

球状石墨的形成一般先有钙、镁的硫化物及氧化物组成的晶核开始，经球化处理后，还有利于向球状石墨生长。

球状石墨的生长有两个必要条件：较大的过冷度和较大的铁液与石墨间的界面张力。

蠕虫状石墨：有两种形成过程：1>小球墨→畸变球墨→蠕虫状石墨2>小片状石墨→蠕化元素局部富集→蠕虫状石墨3 试讨论磷共晶的分类、析出过程以及如何控制磷共晶体的形态（粗细）及数量。

答：按照组成不同可将磷共晶分为二元磷共晶及三元磷共晶。

磷共晶的形成，是由于磷的偏析造成的，磷属于正偏析元素先析出的部分含P量较少，P不断富集，含量高到一定程度时便形成磷共晶。

作业习题第一篇第一章金属材料主要性能1.下列硬度要求或写法是否恰当？为什么？(1)HRC12～17；(2)HRC =50～60 Kgf/mm2；(3)70HRC～75HRC ；(4)230 HBW ；2.整体硬度要求230HBS～250HBS的轴类零件，精加工后再抽查，应选用什么硬度计测量硬度较合适？3.一紧固螺钉在使用过程中发现有塑性变形，是因为螺钉材料的力学性能哪一判据的值不足？4.用洛氏硬度试验方法能否直接测量成品或教薄工件？为什么？第二章铁碳合金主参考书邓本P263.填表注意：做题时必须按照要求列表、填写。

6.填表8.现拟制造以下产品，请根据本课所学金属知识中选出适用的钢号：六角螺钉 车床主轴 钳工錾子 液化石油气罐 活扳手 脸盆 自行车弹簧钢锉 门窗合页第三章 钢的热处理1.叙述热处理“四把火”的名称、工艺特点、工艺效果。

（要求：列表描述）2.锯条、大弹簧、车床主轴、汽车变速箱齿轮的最终热处理有何不同？第四章 非金属材料见下图示，为一铸铝小连杆，请问： ⑴试制样机时宜采用什么铸造方法？ ⑵年产量为1万件时，应选用什么铸造方法？⑶当年产量超过10万件时，应选用什么铸造方法？1.焊条选择的原则？2.焊接规范选择的主要依据？3.焊接变形产生的原因及防止的措施？4.埋弧焊的特点？5.氩弧焊的特点？2.简述磨床液压传动的特点。

第三章 常用加工方法综述1.车床适于加工何种表面?为什么?2.用标准麻花钻钻孔，为什么精度低且表面粗糙?3.何谓钻孔时的“引偏”?试举出几种减小引偏的措施。

4.镗孔与钻、扩、铰孔比较，有何特点?5.一般情况下，刨削的生产率为什么比铣削低?6.拉削加工有哪些特点?适用于何种场合?7.铣削为什么比其他加工容易产生振动?8.既然砂轮在磨削过程中有自锐作用，为什么还要进行修整?9.磨孔远不如磨外圆应用广泛，为什么?10.磨平面常见的有哪几种方式?第四章现代加工简介1.试说明研磨、珩磨、超级光磨和抛光的加工原理。

第四章电化学加工一、课内习题及答案1．从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展成为“纳米级加工”或“原子级加工”技术？原则上要采用哪些措施才能实现？答：由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的电子交换，使之在电解液中“阳极溶解”而被去除来实现加工的，可以控制微量、极薄层“切削”去除。

因此，电化学加工有可能发展成为纳米级加工或原子级的精密、微细加工。

但是真的要实现它，从技术上讲还有相当难度。

主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或选择性阴极沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级上就可以了。

但是由于它们的影响因素太多，如温度、成分、浓度、材料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很不容易。

2．为什么说电化学加工过程中的阳极溶解是氧化过程，而阴极沉积是还原过程？答：从电化学过程来说，凡是反应过程中原子失去电子成为正离子（溶入溶液）的，称为氧化，反之，溶液中的正离子得到电子成为中性原子（沉积在阴极上）的称为还原，即由正离子状态还原成为原来的中性原子状态。

例如在精炼电解铜的时候，在电源正极上纯度不高的铜板上的铜原子在电场的作用下，失去两个电子成为Cu2+正离子氧化而溶解入CuCl2溶液，而溶液中的Cu2+正离子在阴极上，得到两个电子还原成为原子而沉积在阴极上。

3．原电池、微电池、干电池、蓄电池中的正极和负极，与电解加工中的阳极和阴极有何区别？两者的电流（或电子流）方向有何区别？答：原电池、微电池、干电池和蓄电池中的正极，一般都是较不活泼的金属或导电体，而其负极，则为较活泼的金属。

例如干电池，正极为不活泼的石墨（碳）棒，负极为活泼金属锌，蓄电池的正极是不活泼的铅。

金属与导电液体形成的微电池中的正极往往是不活泼的碳原子或杂质。

两种活泼程度不同的金属（导电体）在导电溶液中发生电化学反应能产生电位差，电位较正的称为“正极”，流出电流（流入电子流），电位较低的流入电流（流出电子流）。

第五节特种铸造特种铸造是指与砂型铸造不同的其它铸造方法。

可列入特种铸造的方法有近二十种，常用的有金属型铸造、压力铸造、低压铸造、熔模铸造、离心铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造等。

特种铸造在提高铸件精度和表面质量、提高生产率、改善劳动条件等方面具有独特的优点。

一、金属型铸造【金属型铸造】是指在重力的作用下将液态金属浇入金属型中获得铸件的方法。

金属型可连续使用几千次至数万次，所以也称“永久型”。

1．金属型的材料与结构金属型常采用铸铁或铸钢制造，按分型面不同，金属型有整体式、垂直分型式、水平分型式等。

下图为垂直分型式金属型的结构。

由底座、定型、动型等部分组成，浇注系统在垂直的分型面上，为改善金属型的通气性，在分型面处开有 0.2mm~0.4mm深的通气槽。

移动动型、合上铸型后进行浇注，铸件凝固后移开动型取出铸件。

2．金属型铸造工艺要点由于金属型的导热快、无退让性、无透气性，使铸件易出现冷隔与浇不到、裂纹、气孔等缺陷。

因此金属型铸造必须采取一定的工艺措施：浇注前应将铸型预热，并在内腔喷刷一层厚 0.3mm~0.4mm的涂料，以防出现冷隔与浇不到缺陷，并延长金属型的寿命；铸件凝固后应及时开型、取出铸件，以防铸件开裂或取出铸件困难。

3．金属型铸造的特点及应用范围金属型使用寿命长，可“一型多铸”，提高生产率；铸件的晶粒细小、组织致密，力学性能比砂型铸件高约２５％；铸件的尺寸精度高、表面质量好；铸造车间无粉尘和有害气体的污染，劳动条件改善。

金属型铸造的不足之处是金属型制造周期长、成本高、工艺要求高，且不能生产形状复杂的薄壁铸件，否则易出现浇不足和冷隔等缺陷；受铸型材料的限制，浇注高熔点的铸钢件和铸铁件时，金属型的寿命低。

目前金属型铸造主要用于大批量生产形状简单的铝、铜、镁等非铁金属及合金铸件。

如铝合金活塞、油泵壳体，铜合金轴瓦、轴套等。

二、压力铸造【压力铸造】是指熔融金属在高压下快速压入铸型中，并在压力下凝固的铸造方法，简称“压铸”。

《机械制造基础》教材目录绪论第1章工程材料1.1 材料的物理、化学及机械性能一、物理性能二、化学性能三、金属材料试验与金属材料的机械性能1.2 钢的热处理一、铁碳相图二、钢的热处理方法1.3 钢铁材料一、钢的分类二、碳素钢三、合金钢四、铸铁1.4 有色金属一、铝及铝合金二、铜及铜合金三、钛及钛合金四、轴承合金五、粉末冶金材料1.5 非金属材料一、陶瓷二、高分子材料三、复合材料1.6 主要材料的加工性能一、主要机械材料的加工性能二、材料的选用第2章铸造2.1 砂型铸造一、造型材料二、砂型三、浇注系统、冒口及溢放口四、造型2.2 特种铸造一、金属材料铸造二、压力铸造三、离心铸造四、熔模铸造五、特种铸造的特点和应用2.3 铸件的清理与检验第3章塑性加工3.1 塑性加工概述3.2 金属热变形加工一、锻造二、轧制三、其他热变形加工法3.3 冲压第4章焊接4.1 焊接概述4.2 气焊4.3 电弧焊4.4 其他焊接方法一、电阻焊二、钎焊三、特殊焊接第5章切削加工5.1 切削加工概述5.2 切削基本原理5.3 切削液第6章常用加工机械6.1 车床6.2 钻床与镗床一、钻床二、镗床6.3 刨床6.4 铣床6.5 磨床第7章螺纹及齿轮制造7.1 螺纹加工7.2 齿轮加工第8章特种加工8.1粉末冶金加工8.2 电火花加工8.3 电镀加工8.4 特殊切削加工简介第9章计算机辅助制造9.1 数控加工基础9.2 生产自动化9.3 机械制造的展望第10章新兴制造技术10.1 半导体制造简介10.2 微细制造简介10.3 其他制造技术。

第1章铸造一、名词解释铸造，砂型铸造，造型，流动性，收缩性，特种铸造，金属型铸造，离心铸造二、填空题1．合金铸造性能的优劣对能否获得优质的铸件有着重要影响，其中及是影响成形工艺及铸件质量的两个最基本的问题。

2．任何一种液态金属注入铸型以后，从浇注温度冷却至室温都要经过三个相互联系的收缩阶段，即、和。

3．铸件在凝固过程中所造成的体积缩减如得不到液态金属的补充，将产生缩孔或缩松。

凝固温度范围窄的合金，倾向于“逐层凝固”，因此易产生；而凝固温度范围宽的合全倾向“糊状凝固”，因此易产生。

4．铸件在冷却收缩过程中，因壁厚不均等因素造成铸件各部分收缩的不一致，这种内应力称之为。

铸件收缩受到铸型、型芯及浇注系统的机械阻碍而产生的应力称为。

5．铸件结构的设计要考虑铸造工艺和合金铸造性能的要求，从合金铸造性能考虑，设计时应使铸件结构具有、、等要求。

6．铸造方法从总体上可分为砂型铸造和特种铸造两大类．常用的特种铸造方法有：、、和等。

三、判断题1．浇注温度越高，合金的流动性越好；因此，铸造生产中往往采用较高的浇注温度。

( ) 2．为了保证良好的铸造性能，铸造合金，如铸造铝合金和铸铁等，往往选用接近共晶成分的合金。

( )3．灰口铸铁铸件壁越厚，强度越高；壁越薄强度越低。

( )4．铸件中内应力越大，产生变形和裂纹的倾向也就越大 ( )5．离心铸造由于比重偏折现象严重、因此不适用于生产“双金属’’铸件。

( ) 6．起补缩作用的冒口设置应保证金属液是最后凝固的位置。

（）7. 为提高生产率，铸件浇注凝固后应立即开箱落砂。

（）8. 压力铸造工艺适合各种金属铸造。

（）9．合金收缩经历三个阶段。

其中，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松的基本原因而固态收缩是铸件产生内应力；变形和裂纹的主要原因。

( )10．合金的流动性愈好，充型能力愈强，愈便于得到轮廓清晰、薄而复杂的铸件；合金的流动性愈好，补缩能力愈强，愈利于防止缩孔的产生。

2 铁—碳相图及其应用正是因为铸铁的组织与铸铁的力学性能、铸造性能和使用性能，甚至切削加工性能等息息相关，我们就必须要掌握铸铁组织的形成规律，以达到控制组织和性能的目的。

铁—碳平衡图就是掌握凝固过程及其形成组织极好工具，从中可以了解铸铁的凝固规律，控制所获得凝固组织的种类、形状和多少。

另外，生产中有多种因素会影响铸铁组织的形成，从铁—碳平衡图上也可一目了然地分析出这些因素对组织的影响情况，从而可通过控制形成的组织类型和数量来控制铸件的性能。

所以，铸造技术人员必须具备熟练应用铁—碳平衡图的能力，这样才能在生产实践中对铸件产生的各类问题进行有理论依据的分析和找出有针对性的解决办法。

2.1 铸铁的分类铸铁是一种以Fe、C、Si为基础的多元合金，其中碳含量（质量分数）为2.0%~4.0%。

铸铁成分中除C、Si外，还有Mn、P、S，号称五大元素。

在铸铁中加入Al、Cr、Ni、Mn等合金元素，可满足耐热、抗磨、耐腐蚀等性能要求，所形成的合金铸铁又称为特种铸铁。

按使用性能，铸铁可被分为工程结构件铸铁与特种性能铸铁两大类（见表14）。

表14 铸铁的分类2.2 铁—碳双重相图2.2.1 铁—碳双重相图的基本概念表示合金状态与温度、成分之间关系的图形称为合金相图，是研究合金结晶过程中组织形成与变化规律的工具。

在极缓慢冷却条件下，不同成分的铁—碳合金在不同温度时形成各类组织的图形为铁—碳合金相图。

铸铁中的碳能以石墨或渗碳体两种独立相存在，因此铁—碳相图存在两重性，即铁—石墨（C）相图与铁—渗碳体（Fe3C）相图。

在一定条件下，Fe—Fe3C系相图可以向Fe—C系相图转化，所以Fe—C为稳定系平衡相图，Fe—Fe3C为亚稳定系相图（见图16）。

图16 Fe—C（石墨）、Fe—Fe3C双重相图铸铁中的高碳相只有两种：石墨与渗碳体，石墨（G）为100%的碳，渗碳体（Fe3C）含碳量仅为6.67%。

在生产中常用的三角试块的尖端处为白口，此处碳以Fe3C出现；三角试块厚的部位为灰口，此处碳以G形式出现。