铸造合金及其熔炼铸铁讲义

第三章 铸造合金及其熔炼
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培训要点：
?重点掌握各种铸造合金的牌号及性能； ?化学成分对灰铸铁、球墨铸铁性能的影响； ?孕育铸铁、球墨铸铁的生产技术； ?冲天炉熔炼操作工艺、一般过程和基本原理； ?熔炼配料计算方法； ?了解各种铸造合金的发展趋势； ?了解铸钢和非铁合金的熔炼过程及主要设备。
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第一节 铸铁及其熔炼
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1）碳和硅 碳和硅都是强烈促进石墨化的元素，通
过调整碳和硅的含量可以控制灰铸铁的组织和性能。 灰铸铁碳的质量分数大多在 2.6% ～3.6% ，硅的质量 分数在1.2% ～3.0% 。
碳是构成石墨的元素，铁液中碳的质量分数越高，石墨 的数量也就越多。硅是促进石墨化的元素。当硅的质量分数 在1.0% ～2.0% 范围内增加时，硅促进石墨化的作用特别强 烈。一般以碳当量综合考虑碳和硅的影响。
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（2）化学成分对灰铸铁组织和性能的影响
灰铸铁的化学成分除了含有碳、硅、锰、 磷、硫五种主要元素外，还含有一些其它元 素，各种元素及其含量都对灰铸铁的性能产 生不同影响。
铸铁的组织取决于石墨化程度，研究化学 元素对灰铸铁组织的影响，主要研究化学元 素对石墨化的影响。
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铸铁中的元素按其对石墨化影响的不同， 可分为促进石墨化和阻碍石墨化两大类。
碳当量过高，促使灰铸铁石墨片变粗、数量增多，基体 中铁素体量增多，强度和硬度下降。碳当量过低，铸铁易出 现麻口或白口组织，会导致灰铸铁铸造性能降低、铸件断面 敏感性增大、内应力增加，强度下降，硬度上升加工困难。 因此，必须选取合适的碳硅量，使灰铸铁碳当量控制在合适 的范围内。
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2）锰和硫 锰和硫都是阻碍石墨化的元素，但两者 共同存在时，会形成高熔点的 MnS ，不仅无阻碍石墨 化的作用，而且可作为石墨化的非自发晶核。所以， 锰能削弱硫的有害作用。此外，锰能促使珠光体形成 并细化珠光体，从而提高灰铸铁的力学性能，灰铸铁 中锰的质量分数一般为 0.6% ～1.2% 。
硫在高含量时有阻碍石墨化的作用，使铸件形成白口 组织，同时还使奥氏体枝晶粗化，降低铸铁性能。硫还 能使铁液的流动性降低，收缩量增大，使铸铁有较大的 热裂倾向。因此，硫作为有害元素应加以控制，一般质 量分数控制在0.15% 以下。但目前认为，为确保孕育效果， 灰铸铁中含硫量亦非愈低愈好，一般质量分数不低于 0.05% ～0.06% 。
2) 铁素体-珠光体灰铸铁 在铁素体和珠光 体基体上分布着细小的片状石墨，其强度、 硬度都比铁素体灰铸铁为高；
3) 珠光体灰铸铁 在珠光体基体上分布着细 小的片状石墨，具有较高的硬度，在灰铸 铁中强度最高。
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图3-1 灰铸铁的组织
a) 铁素体灰铸铁
b)铁素体-珠光体灰铸铁
c)珠光体灰铸铁
灰铸铁中存在的片状石墨，一方面减少了金属基体的 承载面积，另一方面石墨片的尖角处造成了应力集中，所 以，灰铸铁的抗拉强度较差，塑性较低。由此可见片状石 墨的数量大小和分布状况是影响灰铸铁性能的主要因素。
常用的合金元素有： 铬、镍、钼、 铜、钒、锡、 钛、硼等。
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（3）冷却速度对灰铸铁组织和性能的影响
在生产中可以看到，同一铸件壁厚不同的 部位，其组织往往不同，壁厚处呈灰口组织， 而壁薄处常出现白口组织。这表明在化学成 分不变的条件下，通过改变冷却速度，可以 改变石墨化程度而得到不同的组织。当快速 冷却时，铸铁中的碳部分或全部呈化合状态 存在，而形成麻口组织或白口组织。缓慢冷 却时，石墨能顺利析出，并不断长大，得到 粗大片状石墨，而形成灰口组织。
牌号 HT100 HT150 HT200
表3-1 按单铸试棒性能分类
抗拉强度σ b/MPa≥ 100
牌号 HT250
150
HT300
200
HT350
抗拉强度σ b/MPa≥ 250 300 350
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灰铸铁的力学性能是由金属基体组织及石墨 形态决定的。分为以下三种：
1) 铁素体灰铸铁 在铁素体基体上分布着粗 大的片状石墨，其强度、硬度都较低；
促进石墨化元素
阻碍石墨化元素
Al，C，Si，Ti ，Ni，Cu ，P，Co ，Zr ，Nb ，W，Mn ，Mo，S，Cr ，V，Fe ，Mg ，Ce ，B ＋ ———————————————— ○——————————————————— －
左边的元素促进石墨化，右边的元素阻碍 石墨化，距铌越远作用越强烈。由此可知， 铸铁中的含量较多的碳、硅、锰、磷、硫都 会影响石墨化的进行
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3）磷 磷使铸铁的共晶点左移，其作用程度和
硅相似，故计算碳当量时，应计入磷的含量。
当磷的质量分数大于 0.3% 时，会生成硬而脆，且 熔点低的磷共晶，常以网状分布在晶界上，使铸 铁脆性增加。降低铸铁的力学性能尤其是韧性和 致密性。磷量高往往是铸件产生冷裂的原因。但 磷共晶能提高铸件的耐磨性，且磷能降低铸铁的 熔点和共晶温度，提高铁液的流动性，改善铸造 性能。一般灰铸铁，磷的质量分数不应超过 0.2% ； 高强度灰铸铁的磷的质量分数应控制在 0.12% 以下； 有致密性要求的，磷的质量分数需低于 0.06% ；有 耐磨和高流动性要求的磷的质量分数可达 0.3% ～ 1.5% 。
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4）合金元素 灰铸铁的低合金化是提高其力学性能、 使用性能及节省材料的重要途径，低合金灰铸铁可 以含有一种或几种合金元素，其总的质量分数一般 在3% 以下，合金元素的作用主要有以下几方面：
? 改善并显著提高铸铁的力学性能，增加硬度； ? 增加铸件性能的均匀性，降低断面敏感性； ? 改善铸件的塑性； ? 改善铸铁的高温及低温性能； ? 提高铸铁热处理的淬透性及改善耐磨性。
一、铸铁 铸铁是一种以铁、碳、硅为基础的多元合
金，此外，还含有锰、磷、硫等元素。有时 为了改善铸铁的性能，还可加入铜、铬、钼 等合金元素。铸铁碳的质量分数一般在 2.4%～4.0%。常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸 铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。
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1. 灰铸铁
（1）灰铸铁的牌号及性能 抗拉强度是灰铸铁 最主要的力学性能，灰铸铁的牌号是按其大 小来区分的，根据GB9439-1988《灰铸铁件》 的规定，按单铸φ30mm 试棒的抗拉强度值将 灰铸铁分为六种牌号，见表3-1。