1、机械制造基础,制造学院金工教研室 梅筱琴,第3讲 常见铸造合金及铸件结构工艺性,第3讲 铸造合金与铸件结构工艺性,铸造合金 掌握铸铁组织与性能的特点 了解常见铸造合金的组织与性能的特点 结构工艺性 评价铸件结构工艺性的标准： 保证铸件满足相关的力学性能、使用性能的要求 制造成本最低 对结构工艺性产生影响的因素 铸造工艺的特殊要求 合金铸造性能的要求 生产批量（大：自动化，小：手工） 铸件的结构工艺性不是一成不变的,一、常见铸造合金,黑色金属 铸铁根据碳的存在形式分为： 白口铸铁 碳以化合物（Fe3C）的形式存在 硬、脆、难以加工，较少使用 灰口铸铁 碳多以石墨（纯碳相）形态存在 是工业生产中最
2、常用的铸造合金 麻口铸铁 大部分以化合物（Fe3C）的形式存在，少量以石墨（纯碳相）形态存在 硬、脆、难加工，不使用 铸钢 碳的存在形式是什么？ 有色金属 铸造铜合金 铸造铝合金,铁-石墨相图,1.灰口铸铁（根据石墨的形态）,普通灰铸铁,可锻铸铁,球墨铸铁,蠕墨铸铁,(1)普通灰铸铁,组织特点：相当于钢的基体上分布有大量片状石墨，石墨对基体的割裂程度很高。由于石墨的存在，一方面使得基体承载的有效面积减少，另一方面在基体中容易造成应力集中现象，最终导致灰铸铁的抗拉强度和弹性模量均比钢低得多。,普通灰铸铁的组织和性能,机械性能 b 120250MPa，抗拉强度很差 塑性、韧性差 抗压强度与钢接近（
3、应合理应用） 特点：抗压不抗拉 工艺性能 铸造性能极好 切削加工性能极好 锻造性能极差 焊接性能极差（焊缝区域易形成白口组织） 热处理性能差,灰铸铁的其他优良性能,优良的减振性 石墨松软，能吸振，并阻隔振动传播 耐磨、减摩性好 石墨本身是很好的润滑剂，剥落后形成的空洞可以储存润滑油 缺口敏感性小 石墨本身就相当于缺口（孔洞、微裂纹），外来缺口（如油孔、键槽、刀痕等）的作用则相对减弱,讨论-铸铁性能和组织的关系,白口、麻口铸铁和灰口铸铁是怎样形成的？,灰铸铁的组织石墨化,一次结晶和共晶石墨化 A石墨 二次结晶和共析石墨化 P+石墨珠光体灰铸铁 石墨细小、分布均匀 强度硬度高、用于重要机件 （P+
4、F）+石墨珠光体铁素体灰铸铁 石墨呈粗大片状 强度略低、铸造性能极好、减振性好 F+石墨铁素体灰铸铁 石墨过多、过于粗大，应用极少,化学成分影响石墨化,（C%Si% ） &壁厚 I白口 IIa麻口 IIP基 IIbPF基 IIIF基 最佳：共晶 C%=3%-3.5% Si1.4%-2.4% S、P有害，Mn有益,冷却速度影响石墨化,快,慢,不同厚度不同组织不同性能,一包铁水 C%=3.2% Si%=1.8% wc+wsi%=5.0% 凝固后不同厚度截面上的组织5mm：白口或麻口 10mm：P基灰铸铁 20mm：P基灰铸铁 30mm：PF基灰铸铁 40mm：F基灰铸铁 薄了不行，厚了更不行,5,
5、10,20,30,40,强化普通灰口铸铁的手段,孕育处理 孕育剂：含75Si的硅铁（实为异质形核，获P基灰口铸铁） 适用于对强度、硬度和耐磨性要求较高的重要铸件，尤其是厚大铸件，如床身、凸轮、凸轮轴、气缸体和气缸套等 牌号（GB5675-85） HT100（F基） 、HT150（PF基） 中、低载荷和不重要的零件，如盖、外壳、手轮、刀架、工作台等 HT200、HT250 （P基） 较大应力和较重要零件，如气缸体、机座、床身、缸套、活塞等 HT300、HT350 （孕育） 高应力及抗拉应力的重要零件，如齿轮、凸轮、车床卡盘、高压液压缸等 普通灰口铸铁的生产特点 共晶成分，工艺简单、1200135
6、0C浇铸、时效处理,(2)可锻铸铁,黑心可锻铸铁,珠光体可锻铸铁,可锻铸铁常识,生产特点： （1）先获取白口铸件 （2）白口铸件经高温石墨化退火形成 加热温度900980C，变成AFe3C； 第一阶段石墨化 Fe3C高温下分解为A+石墨 第二阶段石墨化 A随炉冷却过程中不断析出多余的C，并依附在第一阶段形成的石墨上继续生长 第三阶段石墨化 略低于共析温度附近长时间的保温，使P分解为F+石墨,可锻铸铁常识,常用种类、牌号、性能及用途 黑心可锻铸铁-F可锻铸铁 强度、硬度低，塑性、韧性好； 切削加工性能、抗氧化生长性能和耐蚀性能良好； KTH300-06、KTH330-08、KTH350-10、K
7、TH370-12 用于载荷不大，承受较高冲击、振动的零件，如汽车后桥、弹簧支架、低压阀门、管接头、工具扳手等。珠光体可锻铸铁-P可锻铸铁 具有高的强度、硬度； KTZ450-06、KTZ550-04、KTZ650-02、KTZ700-02 用于载荷较高、耐磨损并有一定韧性要求的重要零件，如齿轮箱、凸轮轴、曲轴、连杆、活塞环等。,(3)球墨铸铁,生产特点：（1）成分：高碳、高硅、低P、S；（2）浇注温度高；（3）球化处理：稀土镁合金；（4）孕育处理：含75Si的硅铁。,球墨铸铁常识,化学成分 含碳量3.04.0%，含硅量1.83.2%，含锰、磷、硫总量不超过3.0%；适量的稀土、镁等球化元素。力
8、学性能 接近于钢（7090）；抗拉强度可达900MPa；延伸率18，具有良好的塑性和韧性。工艺性能 铸造性能良好，但过冷倾向大，易产生白口； 切削加工性能和减摩性能良好； 压力加工性能和焊接性能差。,球墨铸铁常识,热处理性能 退火：获得F基球墨铸铁 去应力退火：500600C 低温石墨化退火（无自由渗碳体存在）：720760C 高温石墨化退火（有自由渗碳体存在，即白口组织）：900950C正火： 高温正火：900950C，获得细P基球墨铸铁 低温正火：820860C，获得P基分散F的球墨铸铁调质：S回球状石墨等温淬火：B下A（少）M（少）球状石墨,球墨铸铁常识,常用牌号及用途 铁素体球铁（QT
9、400-18、QT450-10） 承受冲击、振动的零件，如汽车轮毂、差速器壳、拨叉等； 铁素体+珠光体基球铁（QT500-7、QT600-3） 机架、传动轴、飞轮、电动机架、铁路机车轴瓦等； 珠光体球铁（QT700-2、QT800-2） 载荷大、受力复杂的零件。汽车的连杆、曲轴、凸轮轴和气缸套等，部分机床主轴、蜗杆等； 贝氏体或回火马氏体球铁（QT900-2） 高强度齿轮，如汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器齿轮、内燃机曲轴、凸轮轴等。,(4)蠕墨铸铁,生产特点：（1）成分：高碳、高硅、低P、S；（2）浇注温度高；（3）球化处理：稀土镁合金；（4）孕育处理：含75Si的硅铁。,蠕墨铸铁常识,化学成分
10、 C：3.4%3.6%；Si：2.4%3.0%；Mn：0.4%0.6%；S0.06%；P0.07% 性能 介于灰铸铁和球墨铸铁之间，有良好的综合性能 力学性能优于灰口铸铁（抗拉强度、屈服点、延伸率、疲劳强度等）； 导热性好、抗氧化、减振性、耐磨性优于球铁； 铸造性能、切削加工性能优于球铁； 独特的用途 钢锭模，汽车发动机的缸盖、缸套，排气管、玻璃模具、柴油机缸盖、制动零件等耐热件。,蠕墨铸铁常识,（5）合金铸铁,耐磨铸铁 耐热铸铁 耐蚀铸铁,（5）合金铸铁,耐磨铸铁 减摩铸铁P基灰铁 制造在润滑、受粘着磨损条件下工作的零件 机床导轨、拖板、发动机缸套和活塞环、各种滑块和轴承等 高磷铸铁（含0.
11、40.7P），形成磷共晶，断续网状分布在P基体上，形成坚硬骨架，提高耐磨性 加入适量的Cu、Cr、Mo、P、V、Ti等合金形成合金减摩铸铁，如磷铜钛铸铁、铬钼铜铸铁等 抗磨铸铁 制造在无润滑、受磨料磨损条件下工作的铸件 轧辊、磨球机磨球、抛丸机叶片、犁铧等 白口铸铁 加少量的Cu、Cr、Mo、V、B等合金形成合金碳化物，提高抗磨性。 中锰球墨铸铁（含59.5Mn，3.35.0Si） 铸态组织为M、A、碳化物和球状石墨,（5）合金铸铁,耐热铸铁 制造在高温下使用的，抗氧化或抗热生长性能符合使用要求的铸件。如炉底板、烟道挡板、传递链构件等 热生长 由于氧化性气体沿着石墨片的边界和裂纹渗入铸铁内部所
12、造成的氧化，以及由于渗碳体分解生成石墨而引起的体积膨胀。 抗氧化 加Al、Si、Cr等合金元素 高温下，在铸铁表面形成一层致密的氧化膜，如Al2O3、SiO2、Cr2O3。 单相组织 如：F基球墨铸铁 使铸铁在高温下不存在渗碳体分解而析出石墨的可能性 石墨最好程球状，独立分布，不易形成氧化性气体的渗入通道,（5）合金铸铁,耐蚀铸铁 制造具有一定力学性能，且在酸、碱条件下有抗腐蚀能力 加入Al、Si、Cr等合金元素，使之在高温下，在铸铁表面形成一层致密的氧化膜 加入铬、硅、钼、铜、镍、磷等合金元素，提高F的电位以提高耐蚀性 通过合金化，获得单项组织，以减少铸铁中的微电池，从而提高耐蚀性 如高硅耐
13、蚀铸铁，含1.4C，1018SI，组织为含硅合金铁素体石墨Fe3Si（或FeSi）,2.铸钢,应用广泛 强度高、塑性韧性优良、焊接性能好 铸焊联合结构：重型机械制造 可加入10各种合金元素 耐磨、耐腐蚀、耐热 铸造性能差 糊状凝固 收缩率大 浇注温度高、流动性差 多采用定向凝固工艺措施,铸钢件的铸造工艺示例,3.铝及其铝合金,工业纯铝 杂质含量小于3%，熔点660C，面心立方晶格，无同素异构转变 密度小；导电性好；导热性；抗大气腐蚀性好；强度低，塑性好，无磁性、无火花。 铝合金 形变铝合金 单相固溶体，塑性好，部分可热处理强化 防锈铝合金：Al-Mn系、Al-Mg系； 硬铝合金：Al-Cu-M
14、g系； 超硬铝合金：Al-Cu-MgZn系； 锻铝合金：Al-Cu-MgSi系 铸造铝合金,3.铸造铝合金,共晶组织，熔点低，流动性好 铝硅合金 粗大的共晶体（Si），需变质处理加以细化 ZL101、ZL102，砂型、金属型和压力铸造零件，工作温度低于200，如飞机、仪表的零件，抽水机壳体 ZL105，砂型、金属型和压力铸造零件，工作温度低于225，如风冷发动机的气缸头等 ZL108，砂型、金属型铸造要求高温强度及低膨胀系数的耐热零件，如内燃机活塞 铝铜合金 ZL201、ZL202,砂型铸造工作温度在175300的零件，如支臂、挂架梁、内燃机气缸头、活塞等 铝镁合金 ZL301,砂型铸造大气或
15、海水中工作的零件，工作温度小于150 铝锌合金 ZL401，压力铸造结构复杂的零件，工作温度小于200,3.铸造铝合金,生产特点 收缩率高，氧化、吸气严重 （1）铸造铝合金熔点低、流动性好、对型砂耐火度要求不高，可用细砂造型，以减小铸件表面粗糙度值，还可浇注薄壁复杂铸件。 （2）防止铝液在浇注过程中的氧化和吸气 采用开放式浇注系统及应用，蛇形直浇道和缝隙内浇道等。 （3）应采用定向凝固工艺措施，以消除缩孔和缩松。 工艺方法 坩埚炉熔炼，用NaCl、KCl做熔剂 精炼驱氢 ZnCl2（或C2Cl6） : 3ZnCl2 +2Al=3Zn+2AlCl3（熔点183C）,坩埚炉,4.铜及铜合金,按其成
16、分不同可分为紫铜、黄铜、青铜和白铜 紫铜 工业纯铜，熔点1083，无同素异构转变，相对密度为8.9（为镁的五倍）。其具有玫瑰红色，表面形成氧化膜后呈紫色，故称紫铜。 塑性好，强度、硬度较差；具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。 主要用于制作发电机、母线、电缆、开关装置、变压器等电工器材和热交换器、管道、太阳能加热装置的平板集热器等导热器材 黄铜 由铜和锌所组成的合金。 有较强的耐磨性能、良好的压力加工性能和切削加工性能。 如含锌30的黄铜常用来制作弹壳俗称弹壳黄铜。 由黄铜所拉成的无缝铜管，质软、耐磨性能强。可用于热交换器和冷凝器、低温管路、海底运输管。 由两种以上的元素组成的多种合金就
17、称为特殊黄铜。如由铅、锡、锰、镍、铅、铁、硅组成的铜合金。具有强度高、硬度大、耐化学腐蚀性强等特点。,5.铸造铜合金,白铜 铜与镍的合金，镍含量一般为25% 纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、硬度、电阻和热电性，并降低电阻率温度系数。 与其他铜合金相比白铜的延展性好、硬度高、色泽美观、耐腐蚀、富有深冲性能 广泛用于造船、石油化工、电器、仪表、医疗器械、日用品、工艺品等领域，还是重要的电阻及热电偶合金。白铜的缺点是主要添加元素镍属于稀缺的战略物资，价格比较昂贵。 青铜 铜和除锌、镍以外的其他金属组成的合金。常见的有锡青铜、铅青铜。 熔点低（约800C）、硬度大、铸造性能好、耐磨、耐腐蚀、色泽光亮等
18、特点，适用于铸造各种器具、机械零件、轴承、齿轮等,5.铸造铜合金,生产特点 极易氧化，形成氧化物（Cu2O）使合金力学性能下降 铸造工艺 （1）铸造黄铜 熔点低、结晶温度窄（30-70），流动性好、对型砂耐火度要求不高，可用细砂造型，以减小铸件表面粗糙度值、减小加工余量，并可浇注薄壁铸件。 由于黄铜中的锌本身就是良好的脱氧剂，所以熔化黄铜时，不需另加熔剂和脱氧剂。但其收缩率大、容易产生集中缩孔，铸造时应配置较大的冒口,5.铸造铜合金,（2）青铜 保护熔池 熔化时加玻璃、硼砂等以覆盖铜液。 脱氧 出炉前向铜液中加入0.3-0.6%的磷铜（Cu3P）去除已形成的Cu2O。 常用开放式及底注式浇注系
19、统，使金属液流动平稳、防止飞溅 锡青铜 凝固温度宽（150-200），凝固收缩和线收缩率小，易出现枝晶偏析与缩松，降低铸件的致密度。这种缩松便于储存润滑油，适宜制造滑动轴承。壁厚不大的锡青铜铸件常采用同时凝固原则，锡青铜适合采用金属型铸造，利用快速冷却与补缩，铸件结晶细小致密。,小结,铸造工艺基础 流动性/充型能力/缩孔缩松/铸造应力/裂纹 铸造缺陷防止 常见铸造合金 四种铸铁 铸钢 铸造铜铝合金：铸造有点难,讨论：关于壁厚与强度,铸造厂生产了一批灰铸铁件。经检测，随炉单个挠注的30试棒的抗拉强度为2052l0MPa，符合图纸提出的HT200的要求。用户验收时，在铸件不同部位取样，检测结果表明
20、，铸件上壁厚为：8mm处的b为200MPa 15mm处的b为196MPa 25mm处的b为175MPa 30mm处的b为168MPa。 据此，用户认为该批铸件不合格，理由是： 1）铸件机械性能不符合HT200要求 2）铸件整体强度不均匀 试判断用户的意见是否正确，为什么?,二、铸件结构工艺性 铸造工艺对结构的影响,铸件外形：便于取模 外部不应有不必要的凸缘 分型面尽量为平面 尽量减少分型面的数目 凸台、肋等结构应便于起模 结构斜度 铸件内腔： 尽量少用或不用型芯 便于型芯的固定和排气 利于型芯的去除,便于取模-尽量减少分型面数目,外部不应有不必要的凸缘,取模方向,三箱造型,便于取模-分型面应尽
21、量为平面,便于取模-分型面应尽量为平面,便于取模-分型面应尽量为平面,摇臂结构（保证3个孔的位置关系）设计,便于取模-尽量减少分型面数目,套筒的结构设计,便于取模-尽量减少分型面数目,便于取模-凸台与筋板的设计,便于取模-凸台与筋板的设计,便于取模-凸台与筋板的设计,便于取模-凸台与筋板的设计,分散凸台的改进,铸件垂直壁上凸台的设计,便于取模-非加工表面应有结构斜度,便于取模-非加工表面应有结构斜度,缝纫机边脚铸件的结构斜度,结构斜度和起模斜度,便于取模 -尽量减少活块或型芯的数量,发动机散热片的结构设计,托架的结构设计,便于取模-尽量减少型芯数目,铸件外形及内腔的设计,便于取模-尽量减少型芯
22、数目,轴承座的结构设计,不用或少用型芯,自带型芯,便于型芯固定和定位,加强型芯头强度,便于型芯的去除,加强型芯头强度,其他：避免大水平面,其他：避免容易热变形的结构,避免容易热变形的结构,三、铸件结构工艺性 合金铸造性能的影响,铸件的壁厚 合适的壁厚，防止浇不足、冷隔 壁厚力求均匀，避免形成缩孔、缩松和裂纹 内壁和外壁壁厚设计，应使整个铸件均匀冷却或符合顺序凝固原则 壁的连接 结构圆角 相交壁设计原则 壁厚不均匀时，应采用过渡结构 壁的设计应考虑防止变形和裂纹的要求,1.铸件的壁厚,最小壁厚限制 防止产生浇不足、冷隔,合理壁厚：避免厚大截面,并非越大越好 “丁/工”字形、槽形、箱形、加强筋,铸
23、件常用的截面形状,大型铸件的壁厚仅15mm,用加强筋减小壁厚,平板铸件的结构设计,合理壁厚：壁厚均匀,顶盖的结构设计,合理壁厚：壁厚均匀,合理壁厚：壁厚均匀,合理壁厚：顺序凝固与同时凝固,收缩明显的合金：顺序凝固,收缩小的合金： 同时凝固,合理壁厚： 便于实现顺序凝固，补缩,铸造合金钢壳体的结构设计,2.壁的过渡与连接,圆角过渡金属结晶,圆角过渡半径,几种铸件壁的连接形式及有关尺寸,锐角过渡,转角结构,防裂筋,减缓轮辐收缩阻碍,轮辐的设计,避免大的水平面,罩壳的设计,合理布置筋板位置,避免阻碍铸件收缩,总结,各种铸造工艺方法的适用范围均有限 结构工艺性 与铸造方法有关 与合金铸造性能有关,圆角和结构斜度,如图圆角合理吗？ 如图的结构斜度方向有问题 “结构斜度”还是“起模斜度”？,三个小问题,空心球铸造容易吗？ 操作不易：不易下芯 裂纹：型芯阻止收缩 下水道的井盖为什么有网状花纹 收缩、强度 砂箱箱带的条纹,下水道井盖,结构问题,不加工面的结构斜度,圆角过渡,均匀壁厚,
