轴承知识： 常用铸造合金

 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: σ_b   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

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

性能: 强度 塑性韧性远远超过灰铁,由于可铁, 

铸造性,减振性,切削性,耐磨性等良好

疲劳强度语中碳钢接近

热处理性能好(退火,正火,调质等,淬火(等温淬火))

应用: 受力复杂,负荷较大的重要零件

∵铸造工艺比铸钢简单,成本低,性能好,代许多铸钢,可锻铸铁件

           2 生产特点

(1)铁水: C↑(3.6~4.0%)接近共晶成分,可改善铸造性能和球化结果

         S↑(<=0.07%)S易与和球化剂合成硫化物,浪费球化剂

         P↓(<=0.1%)提高塑性,韧性

 铁水出炉1400℃ 以防球化后温度过低.

(2)球化处理和孕育处理

球化剂(稀土镁合金), 使石墨呈球状析出

孕育剂: (硅铁75%Si)促使石墨化,防白口.使石墨细化,分布均匀

先用2/3铁水冲入球化剂,充分反应后,用1/3铁水冲入孕育剂,进行孕育.

处理后的铁水要及时浇注,保证球化效果.

(3)铸造工艺: 比灰铁易产生缩孔,缩松,夹渣等

 a 热节上安冒口,冷铁—补缩

 b 增加铸型刚度,防止铸件外形扩大—石墨膨胀

c S↓ 残余镁量↓ 降低型砂含水量—气孔↓(侵入)

Mg+H₂O=MgO+H₂↑   MgS + H₂O = MgO+ H₂S↑

D 浇注系统应使铁水平稳流入,并有良好的挡渣效果

(4)热处理: 退火: 铁素体基体,塑 韧↑QT420-10以上

           正火: 珠光体基体  强度 硬↑ QT600-2以上.

                            §2 铸钢

钢铁件也是一种重要的铸造合金,产量仅次于灰铁,约为可铁和球铁的和.

          一 铸钢的类别和性能

二类: 铸造碳钢  应用广泛: ZG+两位数(含C万分之几)

铸造合金钢

性能: 强 塑 韧  可焊性↑

应用: 适于制造形状复杂的,强和韧性要求高的零件

铸—焊大件   火车轮  锻锤机架等

         二 生产特点

    1 熔炼: 电弧炉(多用),感应炉(合金钢中小件),平炉等

电弧炉:利用电极与金属炉料间电弧产生热量熔炼金属.

 优点:钢液质量高,熔炼速度快(一炉2~3h)温度容易控制,适于各类铸钢件

 原料:废钢 生铁  铁合金等  造渣材料  氧化剂  增碳剂等

感应炉: 利用感应圈中交流电的感应作用,使金属炉料(钢液)产生感应电流,产生热量.

 优点: 加热速度快,热量散失少.氧化轻.

         2 铸造工艺:

∵  钢浇注温度高,流动性差,易吸气,氧化.体积收缩约为铸铁的三倍,易产生缺陷(气孔缩松 变形 裂纹等)

∴ 型砂: 高耐火性  强 透气 退让性↑  加冒口,冷铁—消耗大量钢水

         3 热处理

 ∵ 晶粒粗大.组织不均,内应力,强 塑↓

∴ 正火: 机械性能↑ 成本↓  内应力↑

  退火: 机械性能↓ 成本↑  内应力↓ 形状复杂,易裂纹的铸件,或易硬化的钢退火为宜.

                 §3 有色金属

       一 铜及铜合金

    1 纯铜: 导电 导热↑ 塑↑(面心)  强 硬↓

    2 黄铜: Cu + Zn—普通黄铜  Cu + Zn + Pb,Al,Si等 特殊黄铜

              可铸可锻

     3 青铜: 除黄铜,白铜(铜镍合金)以外的,铜与其它元素组成.

 锡青铜: Sn + Cn 耐磨 耐蚀  铝青铜: 耐磨 耐蚀

      4 铸造工艺

1)    熔炼: 易氧化 吸气

  ①防氧化: 液面盖上溶剂(碎玻璃,苏打,鹏砂)

②脱氧:Cu+O₂-Cu₂O(氧化亚铜)塑↓加磷铜 脱氧 普通黄铜和铝青铜因有Zn能脱氧

③除气: 锡青铜: 吹N_2, N₂ 上浮带出H_{2 .}      铝青铜: 吹N₂                              黄铜: 沸腾法Zn(907℃)蒸汽带出H₂

④精炼除渣:铝青铜液中有AL₂O_3,加碱性溶剂(苏打,莹石等)精练,造出比重小,熔点低的溶渣. 熔炼用坩埚炉

2)    铸造: ①细砂铸型—光洁 减少切削量,粘砂

②浇注时勿断流—防氧化

③浇注系统使液流平稳流入—防飞溅

④加冒口—补缩(锡青铜出外)

                    二 铝及铝合金

   1 纯铝: 导电↑ 导热↑ 塑↑ 抗蚀↑(Al₂O₃)  L1 L2……L7 号大,越不纯

   2 铝合金: 比重轻 熔点低  导电  导热 耐蚀↑

铸造铝合金分四类:

①    铝硅合金(硅铝明): 机械性能↑ 耐蚀性,铸造性↑  适于形状复杂或气密性要求高的零件. 如 内燃机气缸

②    铝铜合金: 强,耐热↑ 比重大,铸造性↓(热裂纹↑疏松↑)

应用: 高强度,高温件 如活塞  牌号: ZL201

③    铝镁合金:强度↑ 耐蚀↑ 耐热↓ 铸造性↓

应用: 受冲击载荷 耐蚀件,形状简单

④    铝锌合金: 强较高 抗蚀↓ 热裂纹↑

          应用:汽车 拖拉机发动机零件,日用品.

    3 铸造工艺

1)    熔炼: 除气(H₂)除渣(Al₂O₃)

常用方法,用钟罩压入六氯乙烷(C₂Cl₆)

3C₂Cl₆ + 2Al---2AlCl₃↑+3C₂Cl₄↑ AlCl₃沸点183℃, C₂Cl₄ 沸点121℃ 带出H₂

或3ZnCl₂ + 2Al=3Zn + 2AlCl₃↑

防氧化: 加KCl  NaCl 溶剂

2)     铸造:与铜合金相同

第三章 砂型铸造

  目前,铸件生产的主要方法,砂型铸件占铸件总量的90%以上,可生产各种铸钢,灰铁,球铁,可锻铸铁,有色金属等.用于铸造各种机械零件

砂型铸造生产过程:

配砂→造型→烘干

 制模     熔化   浇注→落砂→清理→检验

配砂→造芯→烘干

造型操作顺序:

1安放铸模 2套下箱,撒防粘材料 3盖上面砂 4铲填背砂 5用尖头砂冲舂砂 6用平头砂冲舂砂  7刮去多余型砂 8翻转下型 9撒分型砂 10吹去铸模上的分型砂 11撒防粘材料 12加面砂 13填上型 14扎通气孔 15去上型 16 起模 17挖浇口 18合箱浇注. 

                         §1 型砂及型芯砂

         一 型砂(芯)性能

1强度:型砂在外力作用下,不易破坏的性能,强度不足,会造成塌箱,砂眼等

2透气性:型砂之间本身有空隙,具有透气的能力.透气性不好,易出现气孔.

3耐火性:型砂在高温金属液的作用下而不软化,熔化.若耐火性不足,砂粒粘在铸件表面上形成一层硬皮,造成切削加工困难,粘砂严重,铸件报废.

4退让性:型(芯)砂具有随铸件的冷却收缩而被压缩其体积的性能.   若退让性不足,铸件收缩受阻,内应力加大,甚至产生裂纹、变形等.加锯末、木屑,提高退让性.

        二 型砂的分类、成分和应用

      1 粘土砂:砂子,粘土,水,附加物(煤粉,木屑等).应用广泛:

1) 不受铸件大小,重量,尺寸,批量影响.

2) 铸钢,铸铁,铜,铝合金等均可铸.

3)    手工,机器造型均可.

4)    粘土来源广,价低.

粘土砂分两类: 湿型砂:中,小件.

              干型砂:质量要求高的件,大件.

       2 水玻璃砂:水玻璃(硅酸钠的水溶液)为粘结剂

优点:不需烘干,硬化速度快,生产周期短,强度高,易机械化.

缺点:易粘砂,出砂性差,回用性差.

       3油砂:植物油为粘结剂(桐油,亚麻油),油在烘烤时生成强度很高的氧化膜.

优点:干强度高,不易吸湿返潮,退让性,出砂性↑,不易粘砂,内腔光滑.

缺点:价格高

       5          树脂砂:合成树脂作粘结剂.

优点:生产率高,不需烘干,强度高,型芯尺寸精确,表面光滑,退让性,出砂性好.

                       §2  造型方法选择

造型是砂型铸造最基本的工序,造型方法选择的是否合理,对铸件质量和成本有着重要的影响.

            一 各种手工造型方法的特点和应用

优点:操作灵活,适应性强,模型成本低,生产准备时间短.

缺点:铸件质量差,生产率低,劳动强度高.

应用:单件,小批.

     1 按砂箱分:两箱:基本方法,各种批量,大小件

           三箱:手工,单件,小批,两个分型面

           地坑:小批,大,中件

           脱箱:小件

          劈箱:大件,如机床床身

     2 按模型分: 整模:最大截面在一端,且为平面

分模:最大截面在中部

活块:有突出部位,难起模,单件,小批

控砂:分型面为非平面,要求整模,单件,小批

刮板:回转件,轮

假箱:成批,需控砂的件

假箱:造型前先做一个特制的假箱,来代替造型用的底板,然后做下型,由下型做上型.

假箱:(1)先假箱 (2)放模型 (3)砂托 (4)高至突点 (5)下型 (6)由下型做上型.

              二 机器造型及其工艺特点

优点:生产率高,铸件尺寸精确,光洁度高,加工余量少,劳动强度小,大批量生产.

缺点:厂房,设备等要求高,投资大,批量生产才经济,只适于两箱(中箱无法紧实),不宜用活块.

                        §3 浇注位置与分型面的选择

浇注位置---指金属浇注时铸件所处的空间位置

分型面---指砂箱间的接触表面

        一 浇注位置选择原则:

铸件浇注位置对铸件质量,造型方法等有很大影响,应注意以下原则:

        1铸件重要的加工面应朝下:

1)    若做不到,可放侧面或倾斜

2)    若有几个加工面,则应把较大的放下面.

如导轨面是关键面，不允许有缺陷,则要放下面,伞齿轮

        2 铸件的大平面应朝下

原因:上表面出现缺陷,尤其易夹砂.

         3 面积大的薄壁部分放下面或侧面

有利于金属充填,防止浇不足

         4 易形成缩孔的铸件,厚的部分放在铸型上部或侧面,便于安置冒口,以补缩.

                     二 铸型分型面的选择原则

分型面选择的合理可以简化造型操作,提高劳动生产率.

     1 便于起模,故分型面应选择在铸件最大截面处

(手工造型时,局部阻碍起模的凸起可做活块)

     2 应尽量减少分型面和活块数量(中小件)

     3应尽量使铸件的重要加工面或大部分加工面和加工基准面位于同一砂型中

     4 尽量采用平直分型面,以简化操作及模型制造

      5 尽量减少型芯和便于下芯,合型及检验位置

                             §4  工艺参数的选择

        一 机加余量和铸孔

    1 金属种类: 灰口铸铁:表面平整,加工余量少.

铸    钢:浇注强度高,表面不平,加工余量大.

有色金属:表面光洁.

      2 生产条件:大批量生产:机器造型,加工余量少.

           小批量生产:手工造型,加工余量大.

     3.尺寸位置: 尺寸大:变形大,加工余量大.

铸件顶面与底面,侧面比,表面质量差,余量大.

孔: 铸铁 d＜30mm,铸钢 d＜60mm,一般不铸,因铸出造型工艺复杂,质量不易保证,反而给机加带来困难.

      二 拔模斜度:

    为起模方便,把垂直壁做成斜的.

    与立壁高度,造型方法,模型材料等有关,一般15′--3°

    机器造型比手工斜度小

    木模比金属模斜度大

    立壁高斜度小

     三 收缩率:

    收缩量＝铸件尺寸×铸造收缩率

灰铁: 0.7—1.0%      铸钢: 1.3—2.0%    锡青铜: 1.2—1.4%

因收缩是非自由的,所以受铸件形状,尺寸的影响.

      四 型芯固定(一般靠型芯头)

型芯头的形状和尺寸对于型芯的装配工艺性和稳定性有很大影响.

(1)垂直芯头---上芯头斜度大,高度小些,便于和箱,若垂直型芯粗,短,上芯头可省略.

下芯头斜度小,高度大些,稳定.

对于只能做上芯头的型芯,做成吊芯或盖板型芯.

(2)水平芯头---芯头较长,芯头也有斜度,便于下芯合箱,悬壁型芯头必须长而大,以支持型芯,防下垂,或被金属液抬起.

                        §5 冒口与冷铁的应用

    一 冒口应用：主要作用---补缩,同时能排气,集渣.

    1 冒口设置原则:

(1) 保证顺序凝固,放在最后凝固部分   ---基本作用

(2) 尽量放在铸件最高处,有利补缩,熔渣易浮出.

(3) 冒口最好放在内浇口附近,使金属液通过冒口再进入铸型,提高补缩效果.

(4) 尽量避开易拉裂部位;不影响自由收缩.

(5) 尽量放在需加工部位,便于清理.

    2 冒口大小,依合金收缩性质及具体铸件凝固条件查手册.

     二 冷铁应用:

  1 分类:

非冷铁:只和铸件外表面接触而起激冷作用,与型砂一起清出,不重复使用.

内冷铁:浇注后冷铁被金属液包围与铸件熔合在一起.有气密性要求的部分

不能用.

  2 作用:

(1)    减少冒口数量: 改善凝固顺序,有利外缩.

(2)    可减少冒口尺寸: 加内冷铁,加快铸件冷却.

(3)    消除局部热节处的缩孔和缩松: 加外冷铁.

(4)    防止铸件产生裂纹: 同时凝固,如两壁交接处放冷铁,以消除热节.

(5)    提高铸件硬度和耐磨性: 利用外冷铁加快冷却,细化组织,提高硬度.