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    介紹鑄件材料及其熔煉的知識分享不可不知


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    我國多年來沿用的是以鋼的含碳量作為分級的標準。表1列出鑄造碳鋼的國家標準中,關于鋼的牌號,化學成份和機械性能的要求,牌號中的“ZG"表示鑄鋼,其后的數字表示鋼中碳的重量分數的公稱值,以萬分之幾表示。鑄造碳鋼依其雜質元素磷和硫含量的高低而分為三級,磷和硫單項質量分數各低于0.04%的特質(Ⅰ級)鋼;低于0.05%的優質(Ⅱ級)鋼.低于0.06%的為普通(Ⅲ級)鋼。

      

    表1 鑄造碳鋼的牌號、化學成分及機械性能 


    鋼號
    化學成分 機械性能
    Wc×100 WMn×100 WSi×100 σb/MPa σs/MPa σb/MPa ΨX100 aK(CVN)/( 105J/m2)
    ZG15 0.12-0.22 0.35-0.65 0.20-0.45 400 200 25 40 6.0
    ZG25 0.22-0.32 0.50-0.80 0.20-0.45 450 240 20 32 4.5
    ZG35 0.32-0.42 0.50-0.80 0.20-0.45 500 280 16 25 3.5
    ZG45 0.42-0.52 0.50-0.80 0.20-0.45 580 320 12 20 3.0
    ZG55 0.52-0.62 0.50-0.80 0.20-0.45 650 350 10 18 2.0

      一般工程用鑄造碳鋼的標準(GB5676)將鑄造碳鋼按照室溫下的機械性能分為5個牌號,即ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-640。對鋼中的基本化學成分只規定其質量分數的上限,對鋼中殘余合金元素的限制比較寬。 

    2鑄造低合金鋼 
     2.1 通用鑄造低合金鋼系列鋼種
    在機械制造中,通用的鑄造低合金鋼主要包括錳系、鉻系和鎳系三個系列。這些系列鋼種是在鑄造碳鋼的成分基礎上進行合金化,并通過相就的熱處理,以獲得比鑄造鋼更高的常溫機械性能的。
    1)錳系低合金鋼
    以錳作為主要合金化元素,而以硅、鉬等作為輔助強化元素,構成錳鋼、錳硅鋼、錳硅鉻鋼和錳鉬鋼。
    2)鉻系低合金鋼
    以鉻作為主要合金化元素,而以鉬、鎳等作輔助強化元素,構成鉻鋼,鉻鎳鋼。
    3)鎳系低合金鋼
    以鎳作為主要合金化元素,而以鉻或與作輔化元素構成鎳鋼、鎳鉻鋼、鎳鉻鉬系鋼種。
    2.2 具有特殊性能和用途的低合金鋼種
    根據對鑄件提出的特殊使用性能要求,進行鋼的合金設計,即是有專門用途的鑄造低合金鋼種,其中包括用于厚大截面而又不允許淬火處理的析出強化型低合金鋼,耐熱用低合金鋼,低溫用低合金鋼以及抗磨用低合金鋼等。

    3 鑄造高合金鋼 
    在鑄造高合金鋼中,加入有合金元素總量在10%(質量分數)以上,加入的合金元素可以是一種,兩種,或更多種。鋼中含有大量合金元素后,組織發生了根本的變化。使得鋼具有特殊的使用性能,例如ωMn=13%的奧氏體高錳鋼,具有很高的抗沖擊磨損的性能,又如ωcr=18%、ωNi=的奧氏體不銹鋼,具有很好的耐腐性能等,因此,高合金鑄鋼實際上是特種鑄鋼。
    與特種鑄鐵相比,高合金鑄鋼具有更高的性能,特別是機械性能,如高鉻抗磨白口鑄鐵,雖有很高的抗磨性,但其韌性則較差,不適于在高沖擊力的作用下工作,而高錳鋼則既有很高的抗磨性,又有很高的沖擊韌性,能經受高沖擊磨損。又如高硅鑄鐵在酸類公質中有強而蝕性,但其強度很低,極易脆裂。而奧氏體不銹鋼則既具有而蝕性,又有較高的強度和很高的沖擊韌性,適用于經受沖擊或震動條件下的耐蝕鑄件,如而酸泵的旰輪等。再如高鉻鑄鐵雖有很高的耐熱性,但也是低強度、高脆性的材料,而高鉻鎳鋼和鉻錳氮鋼則具有很高的強度和韌性。因此,高合金鑄鋼比特種鑄鐵更適合于在重載荷、沖擊和震動條件下工作的機器零件,比特種鑄鐵具有更大的可靠性和安全性。
    由于高合金鋼中含有大量合金元素,故在鑄造性能、焊接性能以及切削加工性能方面均比碳鋼和低合金鋼差。在鑄造性能方面,每種高合金鋼均有其特點,生產上需要根據其鑄造性能特點來制定相應的鑄造工藝。在焊接方面,一般需要使用特定的合金焊條。有些鋼種焊接時還需要采取惰性氣體保護,必在時還需要在焊前進行鑄件預熱和在焊后進行的改善焊接部位組織以及消除焊接應力的熱處理等。在切削加工方面,由于高合金鋼種硬度很高,有的鋼種韌性很強,以至于用加工一般碳鋼及低合金所用的刀具和切削工具,不能進行加工,而必須采用特定的刀具切削工藝。
    3.1 鑄造抗磨鋼(高錳鋼)
    在鑄造抗磨鋼中,高錳鋼是最通用的一種。高錳鋼中錳的公稱含量為13%(質量分數),牌號為ZGMn13,鋼經過熱處理后具有單一奧氏體組織,韌性很好,但硬度并不高,但這種奧氏體有加工硬性,鑄件在工作中經受強烈的沖擊或擠壓時,其表面層組織發生加工硬化,硬度大為提高,因而具有很高的抗磨性。
    3.2 鑄造耐蝕鋼(不銹鋼)
    鑄造耐蝕鋼的鋼種很多,但基本上都以鉻作為耐蝕的主要合金元素。依照化學成分和組織可分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩類。
    1)鉻不銹鋼
    鉻不銹鋼的公稱含量為13%,是不銹鋼鋼種當中含鉻量最低的一種。Cr13型鋼是一個系列,按照鋼含量不同而分為五種鋼號,即0Cr13,1Cr13,2Cr13,3Cr13和4Cr13。作為鑄造不銹鋼使用的是耐蝕性較好的ZG 0Cr13和ZG1Cr13兩種。
    2)鉻鎳不銹鋼
    鉻鎳不銹鋼中鉻的公稱含量ωcr=18%,其耐蝕性能優于Cr13鋼。
    3.3 抗磨耐蝕合金鋼(不銹鋼)
    由于水力發電和其它工業的需要,近年來國內外發展了抗磨耐蝕合金鋼,其中典型的是用于制造水輪機轉子和單漿葉片所用的鉻鎳鉬馬氏體不銹鋼和析出硬化型鑄造不銹鋼。
    抗磨耐蝕不銹鋼也是以鉻為主要耐蝕合金元素的,為了使鋼具有高硬度,應使鋼具有馬氏體組織。為此在鋼中添加鎳和鉬,以便在鉻鎳的聯合作用下,使鋼具仍很高的淬透性,從而使大型厚壁鑄件能在油淬或空泠條件下,得到沿全斷面厚度的馬氏體組織。在析出硬化型不銹鋼中,由于有彌散硬化相在馬氏體基體上析出,因而更進一步提高了鋼的硬度和抗磨性。為了保證有良好的耐蝕性和焊接性,這類鋼中碳的質量分數比較低,一般在0.1%以下。
    3.4 鑄造耐熱鋼
    耐熱用低于合金鋼在400℃以下的溫度具有抗氧化性,并能保持其強度,但在更高的溫度下具有耐熱性,就需要用高合金鋼。
    鋼的高溫性能包括抗氧化性及熱強性兩個方面,抗氧化性是鋼在高溫下具有對氣體介質的氧化腐蝕的穩定性,熱強性則是鋼在高溫下能長期保持承受機械負荷的能力。高, 溫下使用的鋼種即按照這兩種性能而分為兩類。
    1)耐熱不起皮鋼(抗氧化鋼),這是在高溫下具有良好的抗氧化性的鋼,但對鋼的高溫強度無嚴格要求。
    2)熱強鋼,這是在高溫下既具有良好的抗氧化性,又能長期保持高強度的鋼。
    生產上所用的耐熱溫度在800℃以上的鋼有鉻耐熱鋼、鉻鎳耐熱鋼、鉻錳氮耐熱鋼和鋁錳耐熱鋼等四大類。
    3.5 鑄造熱強鋼
    1)鋼在高溫下的強度及熱強性
    鋼在高溫下受力時,發生兩種現象,即軟化和蠕變。軟化的表現是強度降低,而塑性升高。蠕變的表現是鋼在高溫下受力時,在應力不變的條件下,其變形量不斷增長,直至最后斷裂。
     2) 低體熱強鋼
    熱強鋼通常按其金相組織而分為珠光體型、馬氏體型和奧氏體型。前兩種含的強化元素較少,熱強性較差,一般用于600℃以下的溫度。奧氏體能固溶大量合金元素,有利于提高鋼的熱強性。因此,在600。C以上的溫度使用的熱強鋼,基本上都是奧氏體型
    在更高溫度(800℃以上)使用的熱強性材料已不是鋼(鐵基合金),而是鎳基合金或鈷基合金了。

    4鑄鋼的熔煉 
    4.1 煉鋼的目的和要求
    煉鋼的目的和要求包括以下四個方面:
    1) 將爐料熔化成鋼液,并提高其過熱溫度,保證澆注的需要。
    2) 將鋼液中的硅,錳和碳(治煉合金鋼時,還包括有合金元素)的含量,控制在規則范圍以內。
    3) 降低鋼液中的有害元素硫和磷,使共含量降低到規定限度以下。
    4) 清除鋼液中的非金屬夾雜物和氣體,使鋼液純凈。
    4.2 煉鋼的方法,特點和應用
    1)電弧爐煉鋼
    電弧爐的基本構造如圖1所示。利用電弧產生的熱量來熔化爐料和提高鋼液過熱溫度。由于電弧爐不用燃料燃燒的方法加熱,故容易控制爐氣的性質?砂凑找睙挼囊,使之成為氧化性或還原性。電弧爐成為在鑄鋼方面應用最普遍的煉鋼爐。
    2)感應電爐煉鋼
    煉鋼采用無芯感應電爐,其工作原理和構造鑄鐵的電爐相同。爐體結構與外觀如圖2所示,主要包括感應器和坩堝兩部分。但由于煉鋼需要消耗更多的熱量,故在輸入功率方面比同樣容量的熔煉鑄鐵用爐大。煉鋼用的感應電爐依爐子容量(坩堝直徑)的不同而采用不同的頻率,容量在10kg左右的用高頻(10000Hz以上),容量從100~500kg的用中頻(1000~3000Hz),而容量在500kg以上的感應電爐采用工業用電頻率(50Hz)。
    3)平爐煉鋼
    平爐的構造如圖2所示。用煤氣或重油作燃料,與預熱送風相混合,進行燃燒,產生的火焰直接噴射在爐料上,進行加熱和熔化,由于是靠火焰加熱,故爐氣呈氧化性,煉鋼過程中元素燒損較電爐重,平爐的容量大,一般自幾十噸至數百噸,適用于澆注重型鑄件。
    4)鋼包精煉爐
    用電弧爐熔化爐料,然后將鋼液傾入鋼包精煉爐中(圖3),用氬氣進行吹煉,能有效地清除鋼液中的氣體和夾雜物,提高鋼液的質量。在鋼包精煉爐基礎上發展起來的氬氧脫碳(AOD)法和真空氬氧脫碳(VOD)法是冶煉高純凈度鋼液,特別是低碳的高純凈度鋼液的先進方法,特別適用于生產高強度鋼、超高強度鋼等鋼種。

    1-氬氣瓶 2-減壓閥 3-耐壓橡皮管 4-活接頭 5-透氣塞 6-盛鋼筒支架

        鑄鐵是含碳量大于2.11或者組織中具有共晶組織的鐵碳合金。工業上所用的鑄鐵,實際上都不是簡單的鐵一碳二元合金,而是以鐵、碳、硅為主要元素的多元合金。鑄鐵的成分范圍大致為:C2.4-4.0%,Si0.6-3.0%,Mn0.2-1.2%,P 0.1-1.2%,S 0.08-0.15%。有時還加入各種合金元素,以便獲得具有各種性能的合金鑄鐵。
    根據碳在鑄鐵中存在的形態不同,通?蓪㈣T鐵分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵及麻口鑄鐵。而灰鑄鐵中又可根據石墨的形態不同而分為普通灰鑄鐵,蠕蟲狀石黑鑄鐵,球黑鑄鐵以及可鍛鑄鐵。

    5 灰鑄鐵 
    灰鑄鐵通常是指具有片狀石墨的灰口鑄鐵,這中鑄鐵具有一定的機械性能、良好的鑄造性能以及其它多方面的優良性能,因而在機械制造中業獲得最廣泛的應用。
    表2為灰鑄鐵的新的國家標準。該標準是以灰鑄鐵的抗拉強度作為分級依據的。由于灰鑄鐵對冷卻速率的敏感性(壁厚效應),同一種牌號鑄鐵在不同鑄件壁厚條件下的實際強度有很大的差別(薄壁與厚壁之間在強度上的差別達50-80MPa)。

    表2  灰鑄鐵分級 

    牌號 抗拉強度 MPa (kg/mm2)
    HT 100 ≥100 (10.2)
    HT 150 ≥150 (15.3)
    HT 200 ≥200 (20.4)
    HT 250 ≥250 (25.5)
    HT 300 ≥300 (30.6)
    HT 350 ≥350 (35.7)

      

    6 球墨鑄鐵及蠕墨鑄鐵 
    球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵一般是用稀土鎂合金對鐵液進行處理,以改善石墨形態,從而得到比灰鑄鐵有更高機械性能的鑄鐵。
    球墨鑄鐵依照其基體和性能特點而分為六種:即鐵素體(高韌性)球墨鑄鐵,珠光體(高強度)球墨鑄鐵,貝氏體(耐磨)球墨鑄鐵,奧氏體一貝氏體(耐磨)球墨鑄鐵,馬氏體一奧氏體(抗磨)球墨鑄鐵及奧氏體(耐熱、耐蝕)球墨鑄鐵。
    蠕墨鑄鐵具有不同比例的珠光體—鐵素體基體組織。鑄鐵性能與其石墨的蠕化程度(蠕化率)及基體有關。在石墨蠕化良好條件下,珠光體蠕墨鑄鐵的強度和硬度較高,耐磨性強。適于制造耐磨零件,如汽車的剎車鼓等。而鐵素體蠕墨鑄鐵的導熱性較好,在高溫作用下,不存在珠光體分解問題,組織較穩定,適用于制造在高溫下工作、需要有良好的抗熱疲勞能力、導熱性的零件,如內燃機汽缸蓋、進排氣岐管等。

    7 可鍛鑄鐵 
    可鍛鑄鐵是將白口鑄鐵通過固態石墨化熱處理(包括有或無脫碳過程)得到的具有團絮狀石墨的鐵碳合金。采用不同的熱處理方法,可以得到具有不同組織和性能的可鍛鑄鐵,即黑心可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵和白心可鍛鑄鐵。
    當將白口鑄鐵毛坯件在密封的退火爐中進行熱處理,即在中性爐氣條件下退火時,得到的鑄鐵組織中有呈團絮狀的石墨(退火碳)存在。這種石墨雖不很圓整和緊密,但它對基體的割裂作用則比灰鑄鐵中的片狀石墨要小得多,因此它能使鑄鐵得到較高的強度及良好的韌性。鑄鐵的基體可以通過熱處理來加以控制。使之成為鐵素體或珠光體。用這種方法得到的鐵素體基體可鍛鑄鐵因組織中有石墨存在,因而鑄鐵的斷面呈暗灰色,而在表層經常有薄的脫碳層呈淺灰色,故通稱為黑心可鍛鑄鐵。而珠光體可鍛鑄鐵則是以其基體命名的。
    當將白口鑄鐵毛坯件在氧化性質的爐氣條件下進行退火時,鑄件斷面上從外層到心部,發生強烈的氧化和脫碳。在完全脫碳層中無石墨存在,鑄鐵的組織為鑄素體。實際上,在小斷面尺寸條件下,鑄鐵的組織基本上為單一的鐵素體和退火碳。而在大斷面尺寸條件下,表層為鐵素體,中間區域為珠光體和鐵素體及退火碳,而心部區域則為珠光體及退火碳(間或有少量鐵素體)。這種鑄鐵斷面由于其心部區域有發亮的光澤,而表層色澤較暗,故通稱為白心可鍛鑄鐵。

    8 特種鑄鐵 
    特種鑄鐵是指具有特殊使用性能的鑄鐵材料,主要包括抗磨鑄鐵、耐熱鑄鐵和耐腐蝕鑄鐵。為了使鑄鐵具有這些特殊使用性能,需要使鑄鐵有一定的組織。特種鑄鐵中既有非合金鑄鐵(例如普通白口抗磨鑄鐵),也有低合金鑄鐵、中合金鑄鐵和高合金鑄鐵(如中錳抗磨用球墨鑄鐵及高鉻抗磨用白口鑄鐵等)。
    對任何一種特種鑄鐵而言,首先是要求具備一定的使用性能,如抗磨、耐熱等。但由于是用來制造機器零件,就需要保證有一定的機械性能,主要是強度和塑性,為此需要在鑄鐵的化學成分設計上,考慮同時滿足特定的使用性能和一定的機械性能這兩方面的要求。
    由于特種鑄鐵中含有大量合金元素,使得其在熔煉和鑄造性能方面,與非合金化的鑄鐵有顯著的差別。大多數合金元素降低鑄鐵的鑄造性能,而含有大量合金元素的特種鑄鐵的鑄造性能通常是很差的,在鑄造過程中容易產生多種鑄造缺陷,因此需要針對各種鑄鐵在熔煉和鑄造方面的特性,采取適當的工藝措施,防止缺陷的發生,以保證鑄件的質量。

    9 鑄鐵的熔煉 
    9.1 熔煉對保證鑄件質量的重要性
    熔煉鐵液是生產鑄鐵件的重要環節。鑄件質量包括內在質量、外觀質量以及是否形成缺陷等,這些都與鐵液方面因素有直接的關系。如鐵液的流動性、薄壁和結構復雜鑄件的成型性以及冷隔缺陷等受鐵液溫度的影響,而熔煉的鐵液化學成分是否符合要求,則對鑄件的機械性能有直接的影響。鐵液中的氣體和非金屬夾雜物含量不僅影響鑄鐵的強度和鑄件的致密度,而且還與鑄件形成氣孔、裂紋等缺陷有關。隨著機械制造科學的發展,對鑄鐵提出薄壁、高強度的要求,鑄件的最小壁厚由過去4~6mm減小至2~3mm,這要求相應提高鐵液澆注溫度。鐵液溫度還對鑄鐵件的內在質量有重要的影響,如灰鑄鐵件的質量指標(GZ),即與鐵液溫度有顯明的關系。在球墨鑄鐵生產方面,熔煉出鐵液的溫度及原始含硫量成為球化及孕育處理有否成功的先決條件。
    9.2 對鐵液質量的基本要求
    1.出爐溫度
    不同牌號灰鑄鐵件的澆注溫度范圍大致為1330-14100C。在一般情況下,鐵液的出爐溫度至少比澆注溫度提高500C,故根據鑄鐵牌號(自HT100至HT350)和鑄件結構條件的具體情況,鐵液出爐溫度應不低于1380-14600C。當需要澆注特。2-4mm)鑄件時,出爐溫度還應提高20-300C。為了滿足澆注鑄件的需要,不同牌號可鍛鑄鐵的出爐溫度應不低于1460-14800C。對球墨鑄鐵及其它變質處理的鑄鐵,在其球化一孕育處理過程中鐵液的溫度會有顯著的下降,為了補償鐵液的溫度損失,需相應提高鐵液的出爐溫度。
    2.化學成分
    熔煉得到的鐵液化學成分需要滿足鑄件的規格要求。
    用沖天爐熔煉時,配料計算是保證鐵水化學成分合乎要求的首要環節。即根據鐵水化學成分的要求,考慮沖天爐在熔煉過程中元素的變化和爐料的實際情況,計算出各種金屬爐料的配合比例。
    各種牌號鑄鐵要求的化學成分隨鑄件壁厚和鑄造方法而異。例如,HT20-40鑄鐵的化學成分范圍為:C3.3-3.5%、Si1.5-2.0%、Mn0.5-0.8%、S<0.12%、P<0.25%。用于配置HT20-40的金屬料平均成分如表3。

    表3 配置HT20-40的金屬料平均成分

    爐料名稱

    化學成分 %

    C

    Si

    Mn

    P

    S

    Z15生鐵

    4.19

    1.56

    0.76

    0.04

    0.036

    回爐料

    3.28

    1.88

    0.66

    0.07

    0.098

    廢鋼

    0.15

    0.35

    0.50

    0.05

    0.05

      

    所用鐵合金為含硅45%硅鐵,含錳75%的錳鐵!

    熔煉過程中元素的變化為:Si –15%、Mn –20%、S +50%。

    其配料計算如下:
    (1)計算爐料中各元素的變化
    a) 爐料含碳量:  C鐵水% = 1.8% + 0.5 C爐料%
    已知鐵水所需的平均含碳量為3.4%,按上式算得 C爐料%=3.2%;
    b) 爐料含硅量: 已知鐵水所需的平均含硅量1.75%,硅的熔煉燒損為15%,則
    Si爐料=1.75/(1-0.15)=2.06%;
    c) 爐料含錳量  已知Mn鐵水=0.65%,熔煉燒損20%,故Mn爐料=0.65/(1-0.20)=0.81%;
    d) 爐料含硫量  已知S鐵水=0.12%,增硫50%,則:S爐料=0.12/(1+0.5)=0.08%;
    e) 爐料含磷量  磷在熔煉過程中變化不大,P爐料=P鐵水<0.25%
    綜合上列計算結果,所需配置的爐料平均化學成分為:
    C爐料3.2%、Si爐料2.06%、Mn爐料0.81%、S爐料<0.08%、P爐料<0.25%

    (2)初步確定爐料配比
    a) 回爐料的配比:主要取決于廢品率和成品率,它隨具體生產情況而變化。此處取20%。
    b) 新生鐵和廢鋼配比:設新生鐵為χ%,則廢鋼為80%-χ%。按爐料所需含碳量為3.2%,新生鐵、廢鋼、
    回爐料的含碳量各為4.19%、0.15%、3.28%,可列出下式:
    4.19χ+0.15(80-χ)+3.28′20=3.2′100
    得出χ=60.0%。故鐵料配比為:Z15生鐵60%、廢鋼20%、回爐料20%。
    (3)然后按上述配比及各種爐料的成分,計算配合后的爐料成分如表4。

    表4 爐料成分

    爐料名稱

    配比%

    C%

    Si%

    Mn%

    S%

    P%

    成分

    數量

    成分

    數量

    成分

    數量

    成分

    數量

    成分

    數量

    Z15生鐵

    60

    4.19

    2.51

    1.56

    0.94

    0.76

    0.46

    0.036

    0.022

    0.04

    0.024

    回爐料

    20

    3.28

    0.66

    1.88

    0.38

    0.66

    0.13

    0.098

    0.020

    0.07

    0.014

    廢鋼

    20

    0.15

    0.03

    0.35

    0.07

    0.50

    0.10

    0.050

    0.010

    0.05

    0.010

    合計

    100

     

    3.20

     

    1.39

     

    0.69

     

    0.052

     

    0.048

    要求成分

       

    3.20

     

    2.06

     

    0.81

     

    <0.08

     

    <0.25

    差額

       

    0.00

     

    0.67

     

    0.12

     

    合格

     

    合格

     。4)計算鐵合金加入量
    a) 硅鐵加入量  今缺硅量0.67%,亦即每100公斤爐料需加硅0.67公斤。所用硅鐵含硅量為45%,故每100公斤爐料需加硅鐵量為0.67/0.45=1.5公斤
    b) 錳鐵加入量  同上法計算,每100公斤爐料需加入含錳75%的錳鐵為:0.12/0.75=0.16公斤。
    (5)制定配料單
    根據配比和層鐵量,確定每批爐料中各種爐料的重量,寫出配料單。設已知層鐵500公斤,可算得每批鐵料的組成為:生鐵 :500′60%=300公斤、廢鋼:500′20%=100公斤、回爐料:500′20%=100公斤、45%硅鐵:500′1.5%=7.5公斤、75%錳鐵:500′0.16%=0.8公斤。
    3.有害成分
    鑄鐵熔煉過程中,必須將有害的元素成分(磷、硫以及其它干擾鑄鐵正常結晶和組織控制的微量元素等),控制在限量以下。
    1)脫硫  沖天爐熔煉中鐵液中硫的來源,一是爐料中固有的硫,二是從焦碳中吸收的硫。酸性沖天爐不具有脫硫能力,堿性沖天爐能在一定程度上起到脫硫的作用。
    爐渣堿度在一定范圍內提高時,有利于降低鐵液含硫量;溫度提高時,鐵液在熔煉過程中增硫量減少;爐氣氧化性強時,渣中FeO含量增高,不利于脫硫反應的進行。適當提高焦鐵比,減小送風強度,有利于脫硫。但當生產球墨鑄鐵件時,除了用熱風沖天爐進行爐內脫硫外,還常采用爐外脫硫的措施。爐外脫硫的基本要點是盡量擴大脫硫劑與鐵液之間的接觸面積,以加強脫硫效果。常用方法有:利用電石脫硫的搖動包脫硫法、噴射脫硫法、機械脫硫法、機械攪拌脫硫法和多空塞脫硫法等。
    2)脫磷  磷對鑄鐵的機械性能,特別是對球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵的韌性有害,因此要嚴格控制鑄鐵的含磷量。沖天爐熔煉的脫磷能力很弱。因此對鐵液的含磷量只能通過配料來控制。應采用一定比例的低磷生鐵和廢鋼進行配料。 
    4.鐵液純凈,含有的渣、氣體、夾雜物量少。
    為了將沖天爐熔煉中形成的夾雜物從鐵液中去除,常在熔煉過程中按照爐料重量,加入一定量的石灰石CaCO3 作為溶劑。石灰石在高溫下分解,與泥沙、灰分等化合形成低熔點的復雜化合物——熔渣。熔渣易于與鐵液分離便于去除。當熔渣粘度高時,可加入一些螢石(CaF2),以降低爐渣熔點。
    9.3 鑄鐵的熔煉方法及其特點
    熔煉鑄鐵的方法依照所用的熔爐設備而分為沖天爐熔煉,感應電爐熔煉,電孤爐熔煉,反射爐熔煉,以及由某些方法的聯合,如沖天爐一電孤爐、沖天爐一感應電爐雙聯法等。
    1.沖天爐熔煉法
    (1)沖天爐構造 沖天爐的基本構造示如圖4。爐身、風箱及煙道等用鋼板焊成。爐身內部通常砌以耐火磚層,以便抵御焦碳燃燒產生的高溫作用。為了儲存鐵液,多數沖天爐都配有前爐。
    (2)沖天爐熔煉原理 在熔煉過程中,爐身的下部裝滿焦碳,稱為底焦。在底焦的上面交替裝有一批批的鐵料(生鐵、廢鋼、回爐料、鐵合金等)、焦碳及熔劑(石灰石、螢石等)。通過鼓風,使底焦強烈燃燒,產生的高溫爐氣沿爐身高度方向上升,使其上面一層鐵料熔化。
    (3)沖天爐熔煉的優缺點及其應用 沖天爐是最普遍應用的鑄鐵熔煉設備。它用焦炭作燃料,焦炭燃燒產生的熱量直接用來熔化爐料和提高鐵液溫度,在能量消耗方面比電孤爐和其它熔爐節省。而且設備比較簡單,大小工廠皆可采用。但沖天爐也存在一定的缺點,主要是由于鐵液直接與焦炭接觸,故在熔煉過程中會發生鐵液增碳和增硫的過程。
    采用了沖天爐一電孤爐雙聯熔煉法或沖天爐一感應電爐雙聯熔煉法,以充分利用沖天爐熔化效率較高、電孤爐和感應電爐對鐵液過熱能力強及化學成分控制容易的優點。

    2.感應電爐熔煉
    (1)感應電爐構造及工作原理 感應電爐是利用電流感應產生熱量來加熱和熔化鐵料的熔爐。爐子的構造分為有芯式(圖5)和無芯式兩種,在無芯式感應電爐中,坩堝內的鐵料在交變磁場的作用下產生感應電流,并因此產生熱量,而將其自身熔化和使鐵液過程熱。在有芯式感應電爐中,需要加入用其它熔爐(如沖天爐)熔化的鐵液,在環形鐵芯內產生的交變磁場使溝槽內的鐵液過程,并利用溝槽中鐵液與其上面熔池中的鐵液循環作用而加熱全部鐵液。無芯式感應電爐具有熔化固體爐料的能力,而有芯感應電爐只能過熱已熔化的鐵液,但在過熱鐵液的電能消耗方面,則以有芯感應電爐更為節省。

    1—感應線圈 2—軛鐵 3—耐火材料 4—鐵液 5—熔渣

         (2)感應電爐熔煉的優缺點及其應用 與沖天爐熔煉相比,感應電爐熔煉的優點是熔煉過程中不會有增碳和增硫現象,而且熔煉過程可以造渣覆蓋鐵液,在一定程度上能防止鐵液中硅、錳及合金元素的氧化,并減少鐵液從爐氣中吸收氣體,從而使鐵液比較純凈。這種熔煉方法的缺點是電能耗費大。
    感應電爐適用于熔煉高質量灰鑄鐵、合金鑄鐵、球墨鑄鐵及蠕墨鑄鐵等。無芯感應電爐能夠直接熔化固體爐料,而且開爐及停爐比較方便,適合于間斷性生產條件。有芯感應電爐開爐及停爐不便,適合于連續性生產。這種爐子熔化固體爐料的熱效率低,而對過熱鐵液的熱效率高,故適于與沖天爐配合使用。目前這兩種形式的感應電爐在鑄鐵生產上都得到應用。
    3.電弧爐熔煉
    (1)電弧爐構造及工作原理 電弧爐熔煉是利用石墨電極與鐵料(鐵液)之間產生電弧所發生的熱量來熔化鐵料和使鐵液進行過熱的。生產上普遍使用的是三相電弧爐,其爐體部分的構造示于圖6。在電弧爐熔煉過程中,當鐵料熔清后,進一步地提高溫度及調整化學成分的冶煉操作是在熔渣覆蓋鐵液的條件下進行。電弧爐依照爐渣和爐襯耐火材料的性質而分為酸性和堿性兩種。堿性電弧爐具有脫硫和脫磷的能力。
    (2)弧爐熔煉的優缺點及其應用 電弧爐熔煉的優點是熔化固體爐料的能力強,而且鐵液是在熔渣覆蓋條件下進行過熱和調整化學成分的,故在一定程度上能避免鐵液吸氣和元素的氧化。這為熔煉低碳鑄鐵和合金鑄鐵創造了良好的條件。電弧爐的缺點是耗電能多,從熔化的角度看不如沖天爐經濟,故鑄鐵生產上常采用沖天一電弧爐雙聯法熔煉。由于堿性電弧爐襯耐急冷急熱性差,在間歇式熔煉條件下,爐襯壽命短,導致熔煉成本高,故多采用酸性電弧爐與沖天爐相配合。

    10 鑄造鋁合金 
    10.1 鋁合金的性能及應用
    鑄造鋁合金的密度比鑄鐵和鑄鋼小,而比強度則較高。因此在承受同樣載荷條件下采用鋁合金鑄件,可以減輕結構的重量,故在航空工業及動力機械和運輸機械制造中,鋁合金鑄件得到廣泛的應用。
    鋁合金有良好的表面光澤,在大氣及淡水中具有良好的耐腐蝕性,故在民用器皿制造中,具有廣泛的用途。純鋁在硝酸及醋酸等氧化性酸類介質中具有良好的耐蝕性,因而鋁鑄件在化學工業中也有一定的用途。純鋁及鋁合金有良好的導熱性能,放在化工生產中使用的熱交換裝置,以及動力機械上要求具有良好導熱性能的零件,如內燃機的汽缸蓋和活塞等,也適于用鋁合金來制造。
    鋁合金具有良好的鑄造性能。由于熔點較低(純鋁熔點為660.230C,鋁合金的澆注溫度一般約在730~750oC左右),故能廣泛采用金屬型及壓力鑄造等鑄造方法,以提高鑄件的內在質量,尺寸精度和表面光潔程度以及生產效率。鋁合金由于凝固潛熱大,在重量相同條件下,鋁液的凝固過程時間延續比鑄鋼和鑄鐵長得多,放流動性良好,有利于鑄造薄壁和結構復雜的鑄件。
    10.2 鑄法鋁合會的分類、牌號
    鋁合金按照加工方法的不同分為兩大類,即壓力加工鋁合金和鑄造鋁合金(分別以YL和ZL表示)。在鑄造鋁合金中又依主要加入的合金元素的不同而分為四個系列,即鑄造鋁硅合金、造鋁銅合金、鑄造鋁鎂合金和鑄造鉛鋅合金(分別以 ZL1X X,ZL2 X X,ZL3 X X和ZL4 X X表示),在每個系列中又按照化學成分及性能的不同而分為若干牌號。表3中列出了鑄造鋁合金國家標準所包括的幾種鋁合金的牌號。

    表3鑄造鋁合金的牌號

    序號

    合金牌號

    合金代號

    序號

    合金牌號

    合金代號

    序號

    合金牌號

    合金代號

    1

    ZALSi7Mg

    ZL101

    10

    ZALSi12 Cu1Mg1Ni1

    ZL109

    19

    ZALCu5MnCdA

    ZL204A

    2

    ZALSi7MgA

    ZL101A

    11

    ZALSi9Cu2Mg

    ZL111

    20

    ZALCu5MnCdVA

    ZL205A

    3

    ZALSi12

    ZL102

    12

    ZALSi7Mg1A

    ZL114A

    21

    ZALR5Cu3Si2

    ZL207

    4

    ZALSi9Mg

    ZL104

    13

    ZALSi5Zn1Mg

    ZL115

    22

    ZALMg10

    ZL301

    5

    ZALSi5Cu1Mg

    ZL105

    14

    ZALSi8MgBe

    ZL116

    23

    ZALMg5Si1

    ZL303

    6

    ZALSi5Cu1MgA

    ZL105A

    15

    ZALCu5Mn

    ZL201

    24

    ZALMg8Zn1

    ZL305

    7

    ZALSi8Cu1Mg

    ZL106

    16

    ZALCu5MnA

    ZL201A

    25

    ZALZn11Si7

    ZL401

    8

    ZALSi7Cu4

    ZL107

    17

    ZALCu10

    ZL202

    26

    ZALZn6Mg

    ZL402

    9

    ZALSi12Cu2Mg

    ZL108

    18

    ZALCu4

    ZL203

         

      

    11 鑄造銅合金 
    鑄造銅合金是工業上廣泛應用的一種鑄造合金材料。銅基合金因具有良好的對淡水、海水及某些化學溶液的耐蝕性能而大量用于造船及化學工業。銅基合金又由于具有良好的導熱性及耐磨性,故也常用于制造各種機器上承受重負荷及高速運轉軸的滑動軸瓦軸套等。
    鑄造銅合金分為兩大類,即黃銅與青銅。黃銅是以鋅為主加合金元素的銅合金。在鑄造黃銅中又因加入其它合金元素而形成錳黃銅、鋁黃銅、硅黃銅、鉛黃銅等。在銅合金中不以鋅為主加元素的統稱為青銅,如錫青銅、鋁青銅、鉛青銅、鈹青銅等。在國家標準中規定鑄造銅合金共有9種,計29個牌號。
    12 其他有色合金 
    除了鑄鋁合金和鑄銅合金以外,還有很多種鑄造有色合金。其中比較常用的是鑄造鎂合金、鑄造鈦合金和鑄造鋅合金。鎂合金和鈦合金由于具有高的比強度,故多用于航空工業。其中鈦合金還對多種腐蝕性介質具有很強的耐蝕性,故也用于制造石油化工設備上經受腐蝕作用的鑄件。鋅合金具有比較高的強度和優良的鑄造性能,故廣泛用于制造薄壁的和結構復雜的鑄件。
    在鑄造方法上,銅合金及其它有色合金除了采用砂型鑄造外,還廣泛采用金屬型鑄造、離心鑄造、低壓鑄造以及石墨型鑄造等多種特種鑄造方法。
    在銅合金鑄造中,采用金屬型鑄造方法,以加速合金的凝固,對提高鑄件質量,減少鑄造缺陷,具有重要的作用。金屬型鑄造可細分晶粒(特別對于鋁青銅和錳黃銅),減少氣孔,提高合金的機械性能和氣密性(對錫青銅特別重要),在鉛青銅等高含鉛量銅合金中,采用金屬型(以及水冷金屬型)鑄造,能防止銅成分的偏析。又由于銅合金鑄件中,筒形零件(軸承、襯套)等較多,故采用離心鑄造方法較多。此外,大型鑄銅件(如大型船用螺旋槳)還可采用低壓鑄造方法,以提高合金的致密度,并減少鑄件在澆注過程中產生的夾雜物。某些銅合金(如鉛黃銅)還可采用壓力鑄造方法。
    鎂合金由于鑄造性能較差,特別是容易產生熱裂,故大部分鎂合金鑄件仍是采用砂型鑄造,僅小部分形狀簡單的鑄件,可用金屬型鑄造。壓力鑄造方法在鎂合金鑄造中用得很少。
    鋅合金具良好的鑄造性能,充填鑄型能力強,且不產生熱裂,故特別適宜于采用金屬型和壓力鑄造。在大量生產中常用壓力鑄造方法生產薄壁和結構復雜的鋅合金鑄件。
    鈦合金由于化學活潑性極強,在鑄造過程中鈦液與大多數鑄型材料(包括各種型砂及鋼鐵)都發生相互作用,致使鑄件被沾污,故只能用特殊的鑄型材料(如氧化釷或石墨)來鑄造。

    13 鑄造有色合金的熔煉 
    熔煉工藝對有色合金鑄件的性能和缺陷有很大影響。多數有色合金易產生氣孔和夾雜,尤其是鈦合金、鋁合金、鎂合金和某些銅合金。一般的熔煉工藝流程是:
    1)根據鑄件技術要求所規定的合金牌號,可查出合金的化學成分范圍,從中選定化學成分;
    2)根據元素的燒損率和成分要求,進行配料計算,得出各種爐料的加入量,并選擇爐料。若爐料受到污染,則需要進行處理,保證所有的爐料清潔、無銹,并在投料前進行預熱;
    3)檢查和準備化用具,涂刷涂料,并預熱,防止氣體、夾雜物和有害元素的污染;
    4)加料。一般加料順序為:回爐料、中間合金和金屬料,低熔點易氧化的金屬料,如鎂,在爐料熔化之后加入;
    5)為了減少合金液的吸氣和氧化的污染,應盡快熔化,防止過熱,根據需要,有的合金液須加覆蓋劑保護;
    6)爐料熔化后,進行精煉處理,以凈化合金液,并進行精煉效果的檢驗;
    7)根據需要,進行變質處理和細分組織處理以提高性能,并檢驗處理效果;
    8)調整溫度,進行澆注。有的合金在澆注前要進行攪拌,以防發生比重偏析。



    【上一個】 控制齒輪變形也必須在制造齒輪的全過程中設法去解決 【下一個】 球墨鑄鐵與球化劑的現狀和發展

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