第三章 常用船機(jī)金屬材料液態(tài)成形技術(shù)

1、第三章第三章 金屬材料液態(tài)形成技術(shù)金屬材料液態(tài)形成技術(shù)u金屬液態(tài)成形基礎(chǔ)知識(shí)金屬液態(tài)成形基礎(chǔ)知識(shí)u金屬材料鑄造性能金屬材料鑄造性能u常用鑄造工藝常用鑄造工藝u常用船機(jī)鑄造合金常用船機(jī)鑄造合金u典型船機(jī)零件液態(tài)成形工藝典型船機(jī)零件液態(tài)成形工藝3.1 3.1 金屬液態(tài)成形基礎(chǔ)知識(shí)金屬液態(tài)成形基礎(chǔ)知識(shí)3.1.1 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（1）液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)）液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)金屬熔化：金屬熔化：金屬鍵破壞、首先發(fā)生在晶界和缺陷處（原子能量高，越過(guò)勢(shì)壘運(yùn)動(dòng)），晶粒細(xì)，缺陷多，熔點(diǎn)低；金屬熔體組成：金屬熔體組成：原子集團(tuán)（近程有序）、游離原子和空穴等；結(jié)構(gòu)起伏（相起伏）：結(jié)構(gòu)起伏（相起伏）：

2、液態(tài)金屬中，各種聚集體大小不同、取向各異，瞬間形成又瞬間散開和消失，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。液態(tài)金屬中存在能量（或溫度）起伏、成分（或濃度）起伏和液態(tài)金屬中存在能量（或溫度）起伏、成分（或濃度）起伏和結(jié)構(gòu)（或相）起伏。結(jié)構(gòu)（或相）起伏。（2）液態(tài)金屬的性質(zhì)）液態(tài)金屬的性質(zhì)液態(tài)金屬與材料加工密切相關(guān)的兩個(gè)性質(zhì)：黏度和表面張力黏度和表面張力。黏度黏度外力作用于液面時(shí)各層的速度外力作用于液面時(shí)各層的速度表層液體帶動(dòng)下層液體運(yùn)動(dòng)，逐層進(jìn)行逐層進(jìn)行。層與層之間存在內(nèi)摩擦阻力（或粘性阻力）。黏度本質(zhì)黏度本質(zhì)上是原子間的結(jié)合力上是原子間的結(jié)合力。影響液態(tài)金屬黏度的因素：影響液態(tài)金屬黏度的因素：1）溫度）溫度溫度

3、較低時(shí)，溫度 粘度 ；在溫度較高時(shí)，溫度 粘度 2）化學(xué)成分）化學(xué)成分難熔化合物（結(jié)合力強(qiáng)，冷卻至熔點(diǎn)之前就已開始原子集聚）的粘度較高，而熔點(diǎn)低的共晶合金（異類原子不結(jié)合、同類原子受阻隔）的粘度低。3）非金屬夾雜物）非金屬夾雜物 夾雜物使液態(tài)金屬成為不均勻多相體系，液相流動(dòng)內(nèi)摩擦力增加，夾雜物越多，對(duì)粘度的影響越大。夾雜物的形態(tài)對(duì)粘度也有影響。表面張力表面張力一小部分液體單獨(dú)在大氣中時(shí)，力圖保持球狀，即總有一個(gè)力使其趨向球狀，這個(gè)力稱為表面張力。液態(tài)金屬表面張力來(lái)源：液態(tài)金屬表面張力來(lái)源：液體內(nèi)部的分子或原子處于力的平衡狀態(tài)，而表面層上的分子或原子受力不均勻，結(jié)果產(chǎn)生指向液體內(nèi)部的合力。表面張

4、力是質(zhì)點(diǎn)表面張力是質(zhì)點(diǎn)(分子、原子等分子、原子等)間作用力不平衡引起的間作用力不平衡引起的。3）溶質(zhì)元素：）溶質(zhì)元素：使表面張力降低的溶質(zhì)元素叫表面活性元素表面活性元素，“活性”之義為表面濃度大于內(nèi)部濃度，也稱正吸附元素正吸附元素。提高表面張力的元素叫非表面活性元素非表面活性元素，其表面的含量少于內(nèi)部含量，稱負(fù)吸附元素負(fù)吸附元素。影響液態(tài)金屬表面張力的因素：影響液態(tài)金屬表面張力的因素：1）溫度：）溫度：大多數(shù)金屬和合金表面張力隨著溫度的升高而降低（溫度升高，液體質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力減弱）。2）熔點(diǎn)：）熔點(diǎn)：熔點(diǎn)高（質(zhì)點(diǎn)間作用力大），表面張力大。Al中加入第二組元后表面張力的變化中加入第二組元后表面張

5、力的變化3.1.2 鑄件凝固組織的形成與控制鑄件凝固組織的形成與控制鑄件凝固組織可以從宏觀和微觀兩方面描述：宏觀凝固組織宏觀凝固組織：鑄態(tài)晶粒的形狀、尺寸、取向和分布等情況微觀凝固組織：微觀凝固組織：晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)，如樹枝晶、胞狀晶等亞結(jié)構(gòu)組織，以及共晶團(tuán)內(nèi)部的兩相結(jié)構(gòu)形態(tài)、數(shù)量及分布狀態(tài)等（1）宏觀凝固組織的特征）宏觀凝固組織的特征和形成機(jī)理和形成機(jī)理凝固組織特征：一般鑄造條凝固組織特征：一般鑄造條件的件的3種典型組織：種典型組織：表面細(xì)晶表面細(xì)晶區(qū)（等軸）；柱狀晶區(qū)；內(nèi)部區(qū)（等軸）；柱狀晶區(qū)；內(nèi)部等軸晶區(qū)等軸晶區(qū)。等軸穿晶等軸穿晶含三晶區(qū)含三晶區(qū)等軸細(xì)晶等軸細(xì)晶凝固組織形成機(jī)理：凝固組

6、織形成機(jī)理：1）表面細(xì)晶區(qū)）表面細(xì)晶區(qū)早期理論早期理論：液態(tài)金屬澆注到溫度較低的鑄型中，激冷作用會(huì)產(chǎn)生較大的過(guò)冷度而產(chǎn)生大量晶核，晶核迅速長(zhǎng)大并，形成無(wú)方向性的表面細(xì)等軸晶，又稱“激冷層”。日本學(xué)者大野篤美日本學(xué)者大野篤美：除了非均質(zhì)形核外，還有型壁“捕捉”到的游離晶粒（枝晶縮頸、脫落）也是形成表面細(xì)晶粒的“晶核”來(lái)源。2）柱狀晶區(qū)）柱狀晶區(qū)表面細(xì)晶粒區(qū)穩(wěn)定后，凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流的作用下，以枝晶狀延伸生長(zhǎng)，與熱流方向相平行的枝晶優(yōu)先生長(zhǎng)，形成柱狀晶組織。3）內(nèi)部等軸晶區(qū)）內(nèi)部等軸晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)是剩余熔體內(nèi)部晶核自由生長(zhǎng)的結(jié)果。關(guān)于晶核的來(lái)源和形成中心等軸晶區(qū)的過(guò)程主要有

7、三種理論：非自發(fā)形核理論非自發(fā)形核理論：固/液界面前沿成分過(guò)冷度大于非自發(fā)形核所需過(guò)冷度，剩余熔體內(nèi)產(chǎn)生晶核，并長(zhǎng)大成等軸晶?！绊敳拷Y(jié)晶雨頂部結(jié)晶雨”理論理論：鑄型頂部凝固部分分枝層脫落，密度大于金屬液，形成游離晶體，這些小晶體在柱狀晶前面的液體中長(zhǎng)大形成內(nèi)部等軸晶。“晶核游離晶核游離”理論理論：等軸晶區(qū)的產(chǎn)生不是剩余液體自發(fā)形核和長(zhǎng)大的結(jié)果，而是凝固過(guò)程中產(chǎn)生的游離晶核聚集長(zhǎng)大的結(jié)果。（晶核來(lái)源：激冷層形成前，型壁等激冷形成游離晶核，到中心；型壁晶粒脫落和枝晶熔斷）圖圖3-4 型壁晶粒脫落示意圖型壁晶粒脫落示意圖（2）鑄件宏觀凝固組織的控制鑄件宏觀凝固組織的控制 鑄件宏觀組織的控制就是要控制

8、鑄件(錠)中柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的相對(duì)比例，一般鑄件希望獲得全部細(xì)等軸晶組織。獲得細(xì)等軸晶措施：獲得細(xì)等軸晶措施：向熔體中加入強(qiáng)生核劑向熔體中加入強(qiáng)生核劑（強(qiáng)化非均質(zhì)形核）形核劑包括：直接的外加晶核（高熔點(diǎn)、與液相潤(rùn)濕性好，如鑄鐵中加石墨粉）；能與金屬液形成高熔點(diǎn)穩(wěn)定化合物的物質(zhì)；通過(guò)在液相中微區(qū)富集使結(jié)晶相提前彌散析出形成的生核劑 ；含強(qiáng)成分過(guò)冷元素的生核劑（提高形核率，降低生長(zhǎng)速度，促進(jìn)細(xì)晶形成）?？刂茲沧⒐に嚭驮龃箬T件冷卻速度控制澆注工藝和增大鑄件冷卻速度降低澆注溫度（使游離晶盡量多殘存）；采用合適的澆注工藝（增加對(duì)流、沖刷型壁，增加游離晶）；改進(jìn)鑄型激冷傾向和鑄型結(jié)構(gòu)（薄壁鑄件用金屬型鑄

9、造，厚壁用砂型鑄造。金屬液與鑄型潤(rùn)濕性差有利于等軸晶形成和細(xì)化，增加粗糙度有利于形成等軸晶）；機(jī)械或超聲震動(dòng)（增加對(duì)流和沖刷）等。3.2 3.2 金屬材料的鑄造性能金屬材料的鑄造性能金屬的鑄造性能：金屬的鑄造性能：在鑄造過(guò)程中獲得外形準(zhǔn)確內(nèi)部健全的鑄件的能力。衡量合金鑄造性能的指標(biāo)有：衡量合金鑄造性能的指標(biāo)有：流動(dòng)性、收縮性、吸氣性、偏析性(即鑄件各部位的成分不均勻性)等。合金的鑄造性能好，是指合金的鑄造性能好，是指：熔化時(shí)合金不易氧化，熔液不易吸氣，澆注時(shí)合金液易充滿型腔，凝固時(shí)鑄件收縮小，且化學(xué)成分均勻，冷卻時(shí)鑄件變形和開裂傾向小等3.2.1 液態(tài)金屬的充型能力液態(tài)金屬的充型能力液態(tài)金屬的

10、充型能力液態(tài)金屬的充型能力(mold filling capacity)是指液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力。液態(tài)金屬的充型能力強(qiáng)液態(tài)金屬的充型能力強(qiáng)：則能澆注出壁薄而形狀復(fù)雜的鑄件；反之則易產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷。充型能力充型能力取決于：取決于：內(nèi)因-金屬液本身的流動(dòng)性；外因-澆注條件和鑄型特性等。金屬種類金屬種類鑄鑄 件件 最最 小小 壁壁 厚厚 （mmmm）砂砂 型型金金 屬屬 型型熔模鑄造熔模鑄造殼殼 型型壓壓 鑄鑄灰灰 鑄鑄 鐵鐵3 34 40.4-0.80.4-0.80.8-1.50.8-1.5-鑄鑄 鋼鋼4 48-108-100.5-1.00.5-1.02.

11、52.5-鋁鋁 合合 金金3 33-43-4-0.6-0.80.6-0.8（1）金屬液的流動(dòng)性金屬液的流動(dòng)性液態(tài)金屬的流動(dòng)性是指金屬液的流動(dòng)能力。流動(dòng)性越好的金屬液，充型能力越強(qiáng)。流動(dòng)性的影響因素包括金屬種類、成分、結(jié)晶特性及其他物理性能，化學(xué)成分的影響最為顯著。金屬和二元共晶成分的合金金屬和二元共晶成分的合金：在恒溫下結(jié)晶，液態(tài)合金從鑄件表層逐層向中心凝固。凝固時(shí)不存在固一液兩相區(qū)，固體和液體之間界面光滑，對(duì)液態(tài)金屬的流動(dòng)阻力小，有利于金屬液充填型腔，流動(dòng)性好。非共晶成分合金：非共晶成分合金：存在固-液兩相區(qū)，表面粗糙，流動(dòng)性差。（2）澆注條件澆注條件澆注溫度對(duì)金屬液充型能力的影響很顯著。提

12、高澆注溫度提高澆注溫度(pouring temperature)的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)：液態(tài)金屬粘度下降，增加金屬保持液態(tài)的時(shí)間，鑄型溫度升高，金屬散熱速度變慢，大大提高金屬液的充型能力。澆注溫度過(guò)高的危害：澆注溫度過(guò)高的危害：金屬的收縮過(guò)大，吸氣增多，氧化嚴(yán)重，使鑄件產(chǎn)生縮孔(shrinkage cavity)、縮松(porosity)、粗晶(grain coarsening) 和粘砂(sand adherence)等缺陷。因此，在保證金屬液具有足夠充型能力的前提下，澆注溫度不宜過(guò)高。（3）鑄型特性）鑄型特性鑄型材料和鑄型結(jié)構(gòu)均影響金屬液的充型能力。鑄型的排氣能力較低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、導(dǎo)熱性好，澆注系統(tǒng)的

13、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等均使金屬液充型能力下降，降低金屬液的充型能力降低金屬液的充型能力。為改善鑄型的充填條件，鑄件必須保證其壁厚不小于規(guī)定的“最小壁厚”。增大澆注壓力（如壓鑄）有利于充型能力的提高有利于充型能力的提高。鑄件尺寸鑄件尺寸/mm鑄鋼鑄鋼灰鑄鐵灰鑄鐵球墨鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵鋁合金鋁合金銅合金銅合金500500152015206一般砂型鑄造條件下鑄件的最小壁厚一般砂型鑄造條件下鑄件的最小壁厚/mm3.2.2 合金的凝固特性合金的凝固特性合金從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為凝固凝固(solidification)或一次結(jié)晶或一次結(jié)晶。在鑄件凝固過(guò)程中，其斷面上一般存在三個(gè)區(qū)域，即已凝固的固相區(qū)、液

14、固相液固相共存的凝固區(qū)共存的凝固區(qū)和未開始凝固的液相區(qū)。圖圖3-5 鑄件的凝固方式鑄件的凝固方式a) 逐層凝固；逐層凝固；b) 中間凝固；中間凝固；c) 體積凝固體積凝固按照凝固區(qū)的寬窄，分為三種凝固方式：逐層凝固逐層凝固（純金屬或共晶成分合金，無(wú)凝固區(qū)或很窄）；體積體積凝固凝固（糊狀凝固，合金結(jié)晶溫度范圍寬、鑄件截面溫度梯度小，凝固區(qū)寬）；中間凝固中間凝固（凝固區(qū)寬度適中）。希望逐層凝固希望逐層凝固合金結(jié)晶溫度范圍和溫度梯度對(duì)凝固的影響合金結(jié)晶溫度范圍和溫度梯度對(duì)凝固的影響鑄件的凝固方式主要取決于合金的結(jié)晶溫度范圍合金的結(jié)晶溫度范圍和鑄件的溫度梯度鑄件的溫度梯度。合金的結(jié)晶溫度范圍愈小結(jié)晶溫

15、度范圍愈小，鑄件截面的溫度梯度越大溫度梯度越大，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固愈傾向于逐層凝固；逐層凝固的合金充型能力強(qiáng)，補(bǔ)縮性能好，產(chǎn)生缺陷的傾向小，可以得到比較致密的鑄件。因此，鑄因此，鑄造生產(chǎn)中應(yīng)優(yōu)先使用結(jié)晶溫度范造生產(chǎn)中應(yīng)優(yōu)先使用結(jié)晶溫度范圍小的合金圍小的合金，適當(dāng)，適當(dāng)增大鑄件截面增大鑄件截面的溫度梯度。的溫度梯度。溫度梯度對(duì)凝固區(qū)域的影響溫度梯度對(duì)凝固區(qū)域的影響3.2.3 合金的收縮性合金的收縮性（1）收縮及其影響因素）收縮及其影響因素合金收縮：合金收縮：合金在冷卻過(guò)程中，其體積和尺寸縮小的現(xiàn)象。金屬?gòu)囊簯B(tài)冷卻到室溫，要經(jīng)歷三個(gè)收縮階段：液態(tài)收縮從澆注溫度冷卻至凝固開始溫度之間的收

16、縮。凝固收縮從凝固開始溫度冷卻到凝固終止溫度之間的收縮。固態(tài)收縮從凝固終止溫度冷卻到室溫之間的收縮。金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮表現(xiàn)為體積縮小液態(tài)收縮和凝固收縮表現(xiàn)為體積縮?。w積收縮率），型腔內(nèi)金屬液面下降，是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷的根本原因是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷的根本原因；固固態(tài)收縮態(tài)收縮在鑄件各個(gè)方向上都表現(xiàn)出線尺寸的減?。ň€收縮率），是鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力以至引起變形和產(chǎn)生裂紋的主要原因是鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力以至引起變形和產(chǎn)生裂紋的主要原因。合金種類碳素鑄鋼 白口鑄鐵 灰鑄鐵 球墨鑄鐵體收縮率/%1014121458線收縮率（自由狀態(tài)）/%2.172.181.080.81影響鑄件收縮的主要因素有影響

17、鑄件收縮的主要因素有：化學(xué)成分化學(xué)成分：灰鑄鐵和球墨鑄鐵在結(jié)晶時(shí)析出石墨所產(chǎn)生的膨脹抵消了部分收縮?；诣T鐵中碳、硅含量越高，石墨析出量就越大，收縮率越小。澆注溫度澆注溫度：溫度升高，液態(tài)收縮增加。鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件：鑄件壁厚不均勻，冷速不同，收縮不一致，相互制約；鑄型和型芯對(duì)收縮產(chǎn)生機(jī)械阻力。（2）收縮導(dǎo)致的鑄件缺陷收縮導(dǎo)致的鑄件缺陷縮孔和縮松縮孔和縮松鑄件在凝固過(guò)程中，由于金屬液態(tài)收縮和凝固收縮造成的體積減小得不到液態(tài)金屬的補(bǔ)充，在鑄件最后凝固的部位形成孔洞。其中容積較大而集中的稱縮孔縮孔（鑄件的上部或厚大部位等），細(xì)小而分散的稱縮松縮松（鑄件壁的軸線區(qū)域及厚大部位）?？s孔

18、形成示意圖縮孔形成示意圖縮松形成示意圖縮松形成示意圖縮孔和縮松會(huì)減小鑄件的有效截面積，并產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低鑄件力學(xué)性能，縮松還嚴(yán)重影響鑄件的氣密性。防止鑄件產(chǎn)生縮孔、防止鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的基本方法是采用順序凝固原則縮松的基本方法是采用順序凝固原則，使鑄件的凝固按薄壁薄壁厚厚壁壁冒口冒口的順序先后進(jìn)行，盡可能使縮松轉(zhuǎn)化為縮孔，并使縮孔出現(xiàn)在最后凝固的冒口中，從而獲得致密的鑄件。鑄造應(yīng)力、變形和裂紋鑄造應(yīng)力、變形和裂紋鑄造應(yīng)力分類：1）熱應(yīng)力熱應(yīng)力：因鑄件壁厚不均勻，各部位冷卻速度不同各部位冷卻速度不同，收縮不一致引起，不會(huì)自行消除，又稱為殘余應(yīng)力不會(huì)自行消除，又稱為殘余應(yīng)力。2）機(jī)械應(yīng)力機(jī)械應(yīng)

19、力：合金固態(tài)收縮受到鑄型和型芯的機(jī)械阻礙作機(jī)械阻礙作用用形成，鑄件落砂之后，阻礙作用消除，應(yīng)力可自行消除。3）相變應(yīng)力相變應(yīng)力：具有固態(tài)相變固態(tài)相變的合金鑄件，冷卻過(guò)程中散熱和冷卻條件不同，鑄件各部分達(dá)到固態(tài)相變溫度的時(shí)間也不同，相變程度同，相變產(chǎn)物比容不同，引起應(yīng)力。減少鑄造應(yīng)力減少鑄造應(yīng)力途徑：途徑：減少鑄件冷卻過(guò)程中各部位的溫差，采取同時(shí)凝固原則；改善鑄型和砂芯的退讓性退讓性（減少機(jī)械阻礙，降低機(jī)械應(yīng)力）；通過(guò)熱處理熱處理等方法減少或消除鑄造應(yīng)力（如將鑄件加熱到550650之間，保溫?cái)?shù)小時(shí)，進(jìn)行去應(yīng)力退火）。3.2.4 合金的吸氣性合金的吸氣性和和氣孔氣孔吸氣性：吸氣性：液態(tài)金屬在熔煉和

20、澆注時(shí)能夠吸收周圍氣體的能力，吸收的氣體以氫氣為主，也有氮?dú)夂脱鯕?。根?jù)氣體來(lái)源，氣孔分為三類氣孔分為三類：析出性氣孔析出性氣孔（針眼）（針眼）：溶入金屬液的氣體隨溫度下降，合金液對(duì)氣體的溶解度下降，氣體析出并留在鑄件內(nèi)形成的氣孔。（措施：真空熔煉和澆注、對(duì)合金液除氣等）侵入性氣孔侵入性氣孔：鑄型中水分蒸發(fā)，有機(jī)物及附加物揮發(fā)的氣體侵入金屬液內(nèi)所形成的氣孔。（減少氣體來(lái)源、提高鑄型排氣能力）反應(yīng)性氣孔反應(yīng)性氣孔：金屬液與鑄型之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣孔，鑄件表面皮下13mm 。（型腔表面噴涂料、防止鐵水氧化等）永樂(lè)大鐘，永樂(lè)大鐘，中國(guó)中國(guó)現(xiàn)存最大的青銅鐘。在現(xiàn)存最大的青銅鐘。在北京北京德勝門德

21、勝門鑄鐘廠鑄成，清雍正鑄鐘廠鑄成，清雍正十一年（十一年（1733）移置覺(jué)生寺（今稱）移置覺(jué)生寺（今稱大鐘寺大鐘寺）。銅鐘通高）。銅鐘通高6.75米，鐘壁厚米，鐘壁厚度不等，最厚處度不等，最厚處185毫米，最薄處毫米，最薄處94毫米，重約毫米，重約46噸。鐘體內(nèi)外遍鑄經(jīng)噸。鐘體內(nèi)外遍鑄經(jīng)文，共文，共22.7萬(wàn)字。萬(wàn)字。3.3 3.3 常用鑄造工藝方法常用鑄造工藝方法3.3.1 砂型鑄造砂型鑄造砂型鑄造砂型鑄造：用型(芯)砂制作鑄型的鑄造方法。型型(芯芯)砂砂組成：組成：石英砂、粘土(或其他粘結(jié)材料)、輔料和水按一定比例混制而成。型芯用比型砂更好的造型材料。型芯用比型砂更好的造型材料。型型(芯芯)

22、砂要具有一定的強(qiáng)度、砂要具有一定的強(qiáng)度、透氣性、耐火性和退讓性透氣性、耐火性和退讓性砂型鑄造基本工藝過(guò)程砂型鑄造基本工藝過(guò)程（1）造型方法）造型方法手工造型手工造型不需要復(fù)雜的造型設(shè)備，生產(chǎn)效率低，適合小批量生產(chǎn)。按按模樣模樣特征特征分為整模造型、分模造型、活塊造型、刮板造型、假箱造型和挖砂造型等；按砂箱特征按砂箱特征分為兩箱造型、三箱造型、地坑造型、脫箱造型等。機(jī)器造型機(jī)器造型設(shè)備及工裝模具投資較大，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)，主要用于成批大量生產(chǎn)。按緊實(shí)方式的不同分震壓造型、拋砂造型和射砂造型等。類別類別缺陷名稱及特征缺陷名稱及特征主要原因分析主要原因分析孔孔洞洞氣氣孔孔砂型和型芯緊實(shí)度過(guò)高；砂芯未

23、烘干或通氣道堵塞；澆注系統(tǒng)不正確，氣體排不出去縮縮孔孔縮松縮松澆注溫度過(guò)高，金屬液收縮過(guò)大；鑄件設(shè)計(jì)不合理，無(wú)法補(bǔ)縮砂眼砂眼 帶有砂粒的孔洞型砂和芯砂強(qiáng)度不夠，掉砂；合箱時(shí)砂型局部擠壞，掉砂鑄件常見(jiàn)缺陷及其原因鑄件常見(jiàn)缺陷及其原因表表面面缺缺陷陷機(jī)械粘砂機(jī)械粘砂 鑄件表面粘附一層砂粒和金屬混合物澆注溫度過(guò)高，金屬液滲透力大；砂粒過(guò)粗，砂粒間空隙過(guò)大夾夾砂砂 鑄件之間夾有一層型砂（片狀）型腔表面受熱膨脹；水分烘干后，易出現(xiàn)脫皮；澆注溫度過(guò)高，澆注速度過(guò)慢裂裂紋紋熱裂熱裂 ，氧化，冷裂，氧化，冷裂退讓性差，阻礙鑄件收縮而引起過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力；澆注系統(tǒng)開設(shè)不當(dāng)，阻礙鑄件收縮3.3.2 金屬型鑄造金屬型鑄

24、造金屬型鑄造金屬型鑄造(permanent mould casting)：將液態(tài)金屬澆入金屬鑄型，以獲得鑄件的鑄造方法。由于金屬型可重復(fù)使用，所以又稱永久型鑄造永久型鑄造。金屬型無(wú)退讓性和透氣性金屬型無(wú)退讓性和透氣性，鑄件冷卻速度快，容易產(chǎn)生澆不足、冷隔、裂紋、氣孔等缺陷。在高溫金屬液的沖刷下，型腔易損壞。圖圖3-13 金屬型鑄造示意圖金屬型鑄造示意圖1-左半型；左半型；2-右半型；右半型；3-左右兩側(cè)型芯；左右兩側(cè)型芯；4-中間型芯；中間型芯；5-銷孔型芯銷孔型芯金屬型鑄造金屬型鑄造需要采取需要采取的的工藝措施：工藝措施：澆注前預(yù)熱鑄型預(yù)熱鑄型，使金屬型在一定的溫度范圍內(nèi)工作；型腔內(nèi)涂耐火涂

25、料涂耐火涂料（黏度、耐火度、不產(chǎn)生氣體，不發(fā)生反應(yīng)），以減慢鑄型的冷卻速度，并延長(zhǎng)鑄型壽命；在分型面上做出通氣槽、出氣口通氣槽、出氣口等，以利于氣體的排出；掌握好開型時(shí)間掌握好開型時(shí)間以利于取件和防止鑄鐵件產(chǎn)生白口組織。3.3.3 熔模鑄造熔模鑄造熔模鑄造熔模鑄造(investmentcasting)：用易熔材料制成模樣，造型之后將模樣熔化，排出型外，從而獲得無(wú)分型面的型腔。由于熔模廣泛采用蠟質(zhì)材料制成，又稱“失蠟鑄造失蠟鑄造”。高精度和表面質(zhì)量的鑄件，故有“精密鑄造精密鑄造”之稱。熔模鑄造主要包括蠟?zāi)?wax patten)制造、結(jié)殼、脫蠟(dewax)、焙燒和澆注等過(guò)程。蠟?zāi)Ｖ圃煜災(zāi)Ｖ圃?

26、：鑄造小型零件時(shí)，常把若干個(gè)蠟?zāi)Ｕ澈显谝粋€(gè)澆注系統(tǒng)上，構(gòu)成蠟?zāi)＝M。結(jié)殼結(jié)殼：放入粘結(jié)劑(如水玻璃)和耐火材料粉(如石英粉)配制的涂料中浸漬，涂料均勻地覆蓋在蠟?zāi)１韺?，撒?(如石英砂)，硬化(如氯化銨水溶液)，形成由多層耐火材料組成的堅(jiān)硬的型殼。脫蠟脫蠟 ：浸入8595的熱水中焙燒和澆注焙燒和澆注：800950焙燒0.52h，徹底去除殘蠟和水分，焙燒后通常趁熱(600700)進(jìn)行澆注，以提高充型能力。脫殼和清理脫殼和清理 ：去掉型殼，切除澆冒口。熔模鑄造的特點(diǎn)和應(yīng)用熔模鑄造的特點(diǎn)和應(yīng)用熔模鑄件精度高，表面質(zhì)量好，可鑄出形狀復(fù)雜的薄壁鑄件，顯著提高金屬材料的利用率。熔模鑄造的型殼耐火性強(qiáng)，適用于

27、各種合金材料，尤其適用于那些高熔點(diǎn)合金及難切削加工合金的鑄造。生產(chǎn)批量不受限制，單件、小批、大批量生產(chǎn)均可。熔模鑄造工序繁雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。用于成批生產(chǎn)形狀復(fù)雜、精度要求高或難以進(jìn)行切削加工的小型用于成批生產(chǎn)形狀復(fù)雜、精度要求高或難以進(jìn)行切削加工的小型零件，如汽輪機(jī)葉片和葉輪、大模數(shù)滾刀等。零件，如汽輪機(jī)葉片和葉輪、大模數(shù)滾刀等。3.3.4 壓力鑄造壓力鑄造壓力鑄造壓力鑄造(die casting)：在壓鑄機(jī)上將熔融的金屬在高壓下快速壓入金屬型，并在壓力下凝固，以獲得鑄件的方法。壓鑄機(jī)壓鑄機(jī)（壓力鑄造專用設(shè)備）根據(jù)壓室工作條件不同，分為冷壓室壓鑄機(jī)和熱壓室壓鑄機(jī)兩類。熱壓室壓鑄機(jī)壓室與坩堝連成一

28、體熱壓室壓鑄機(jī)壓室與坩堝連成一體，而冷壓室壓鑄機(jī)的壓室和坩堝分開冷壓室壓鑄機(jī)的壓室和坩堝分開。冷壓室壓鑄機(jī)分為立式和臥式。壓鑄機(jī)工作過(guò)程示意圖壓鑄機(jī)工作過(guò)程示意圖1-定型；定型；2-壓射活塞；壓射活塞；3-動(dòng)型；動(dòng)型；4-下活塞；下活塞；5-余料；余料；6-壓鑄件；壓鑄件；7-壓室壓室壓力鑄造的特點(diǎn)壓力鑄造的特點(diǎn)可鑄出形狀復(fù)雜、輪廓清晰的薄壁鑄件表面質(zhì)量好，一般不需機(jī)械加工可直接使用，組織細(xì)密，力學(xué)性能好氣體難以排除，壓鑄件容易產(chǎn)生皮下氣孔金屬液凝固快，厚壁處來(lái)不及補(bǔ)縮，易產(chǎn)生縮孔和縮松設(shè)備投資大，壓型制造成本高，周期長(zhǎng)，壓型易損壞3.3.4 低壓鑄造低壓鑄造低壓鑄造低壓鑄造(low-pres

29、sure casting)：在較低的壓力下，將金屬液注入型腔，并在壓力下凝固，以獲得鑄件（介于金屬型鑄造和壓力鑄造之間的一種鑄造方法）。低壓鑄造工作原理圖低壓鑄造工作原理圖1-鑄型；鑄型；2-密封蓋；密封蓋；3-坩堝坩堝4-金屬液；金屬液；5-升液管升液管原理：原理：密閉的保溫坩堝，通入壓縮空氣，金屬液從升液管內(nèi)平穩(wěn)上升充滿鑄型，在壓力下結(jié)晶、凝固，撤除壓力，尚未凝固的金屬液在重力作用下流回坩堝，開啟鑄型，取出鑄件。低壓鑄造的特點(diǎn)低壓鑄造的特點(diǎn)充型時(shí)的壓力和速度容易控制，充型平穩(wěn)，對(duì)鑄型的沖刷力小，可適用各種不同的鑄型。金屬在壓力下結(jié)晶，鑄件組織致密，力學(xué)性能高。省去補(bǔ)縮冒口，金屬的利用率提高

30、。設(shè)備投資較少，便于操作，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。低壓鑄造廣泛用于大批量生產(chǎn)鋁合金和鎂合金鑄件，如發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋、內(nèi)燃機(jī)活塞、帶輪、粗紗錠翼等，也可用于球墨鑄鐵、鋁合金等較大鑄件的生產(chǎn)。3.3.5 離心鑄造離心鑄造離心鑄造離心鑄造(centrifugal casting)：將熔融金屬澆入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使其在離心力作用下填充鑄型和結(jié)晶，獲得鑄件的方法。按鑄型旋轉(zhuǎn)軸線的空間位置不同，離心鑄造分為立立式和臥式式和臥式兩種。離心鑄造的特點(diǎn)離心鑄造的特點(diǎn)不用型芯，不需要澆注系統(tǒng)和冒口，工藝簡(jiǎn)單，金屬的利用率高。金屬液中的氣體和夾雜物因密度小而集中在鑄件內(nèi)表面，金屬液自外表面向內(nèi)表面順序凝固，鑄件

31、組織致密，無(wú)縮孔、氣孔、夾渣等缺陷，力學(xué)性能高。內(nèi)孔尺寸誤差大，內(nèi)表面質(zhì)量差，易產(chǎn)生成分偏析和密度偏析。目前主要用于生產(chǎn)空心回轉(zhuǎn)體鑄件，如鑄鐵管、氣缸套、活塞環(huán)及滑動(dòng)軸承、特殊鋼的無(wú)縫管坯等，也可用于生產(chǎn)雙金屬鑄件（如雙金屬軸承等）。鐵碳相圖鐵碳相圖鋼：鋼：碳低于2.11wt%鐵：鐵：碳高于2.11wt%奧氏體奧氏體( Austenite)：碳溶解在-Fe中的間隙固溶體鐵素體鐵素體（Ferrite）：碳在-Fe中的間隙固溶體。珠光體珠光體(層狀復(fù)合物)：鐵素體+滲碳體。萊氏體：萊氏體：奧氏體+滲碳體滲碳體：滲碳體：Fe3C碳化物3.43.4常用船機(jī)鑄造合金常用船機(jī)鑄造合金3.4.1 鑄鐵鑄鐵鑄

32、鐵鑄鐵：含碳量大于2.11%的鐵碳合金。工業(yè)上常用的鑄鐵是高碳、硅含量（w(C)=2.5%4.0%、w(Si)=1.0%2.5%）的多元合金。鑄鐵分類：鑄鐵分類：按碳存在的形式和形態(tài)不同可分為白口鑄鐵(碳幾乎全部為化合態(tài))、灰口鑄鐵(碳主要為片狀石墨)、球墨鑄鐵(碳主要為球狀石墨)、可鍛鑄鐵(碳主要為團(tuán)絮狀石墨)和蠕墨鑄鐵(碳主要為蠕蟲狀石墨)。石墨化石墨化：鑄鐵中的碳以石墨析出的過(guò)程鑄鐵中的碳以石墨析出的過(guò)程。石墨化不充分易產(chǎn)生白口，鑄鐵硬、脆，難以切削加工；石墨化過(guò)分，則形成粗大的石墨，使鑄鐵的力學(xué)性能降低。u影響石墨化程度的主要因素是影響石墨化程度的主要因素是化學(xué)成分化學(xué)成分和和冷卻速度

33、冷卻速度：化學(xué)成分：化學(xué)成分：（1）碳和硅：碳是石墨化原料，硅強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化。碳多硅少，易白口鑄鐵；碳、硅含量與鑄鐵組織的關(guān)系碳、硅含量與鑄鐵組織的關(guān)系（2）硫和錳硫和錳。硫硫：強(qiáng)烈阻礙石墨化，含量高易形成白口組織。硫還形成低熔點(diǎn)(985)的、分布于晶界上的（FeS+Fe）共晶體，強(qiáng)熱脆性。硫是鑄鐵中的有害元素，控制在0.1%0.15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))錳錳：阻礙石墨化，穩(wěn)定珠光體(阻礙珠光體中碳的石墨化)，提高鑄鐵強(qiáng)度和硬度。錳與硫的親和力大，易形成熔點(diǎn)高(1600)、密度小的MnS，MnS上浮并隨熔渣排出爐外。錳能抵消硫的有害作用，一般控制在0.6%1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。（3）磷磷：對(duì)鑄鐵的石墨

34、化影響不顯著，含量超過(guò)0.3%，形成低熔點(diǎn)、高硬度的(Fe+Fe3P)共晶體。有利于鑄鐵耐磨性的提高，故耐磨鑄鐵件的磷含量可高達(dá)0.5%0.7%。含磷過(guò)高將增加鑄鐵的冷脆傾向。一般鑄鐵件磷含量低于0.5%，高強(qiáng)度鑄鐵件含量在0.2%0.3%。冷卻速度冷卻速度（主要受鑄型材料導(dǎo)熱和鑄件壁厚影響主要受鑄型材料導(dǎo)熱和鑄件壁厚影響）（1）冷卻速度很慢：碳原子析出很充分，并不斷長(zhǎng)大，形成粗大的石墨片。（2）隨著冷卻速度的加快，碳原子析出不夠充分，聚集較慢，只有部分碳原子以細(xì)石墨片析出，而另一部分碳原子以滲碳體析出。（3）冷卻速度很大時(shí)，石墨化過(guò)程不能進(jìn)行，碳原子全部以滲碳體析出而產(chǎn)生白口組織u灰口鑄鐵灰

35、口鑄鐵灰鑄鐵灰鑄鐵：石墨主要以片狀的形式存在。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：良好的吸震性、減摩性和低的缺口敏感性，且易于鑄造和切削加工。常用于如機(jī)座、箱體等靜載下的承壓件承壓件及導(dǎo)軌、活塞環(huán)、缸套缸套等滑滑動(dòng)摩擦件動(dòng)摩擦件。（希望得到多且細(xì)小的石墨片）缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度低、塑性差。（片狀石墨的尖角會(huì)引起應(yīng)力集中）怎樣處理提高灰鑄鐵性能？怎樣處理提高灰鑄鐵性能？灰口鑄鐵的孕育處理灰口鑄鐵的孕育處理孕育處理：孕育處理：在凝固過(guò)程中，向液態(tài)金屬中添加少量其它物質(zhì)，促進(jìn)形核、抑制生長(zhǎng)，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的?；诣T鐵灰鑄鐵孕育處理孕育處理：向鑄鐵液中沖入硅鐵或硅鈣合金孕育劑，然后進(jìn)行澆注的處理方法。經(jīng)過(guò)孕育處理的鑄鐵稱作孕

36、育鑄鐵。孕育劑孕育劑作用：作用：使鐵液中形成大量彌散的石墨結(jié)晶核心，使石墨化作用驟然加強(qiáng)，從而得到細(xì)晶珠光體和分布均勻的細(xì)片狀石墨組織。孕育鑄鐵的孕育鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度、硬度顯著提高使鑄件的組織和性能對(duì)冷卻速度不敏感，厚大截面的性能較均勻孕育處理對(duì)鑄件大截面孕育處理對(duì)鑄件大截面(300mm 300mm)硬度的影響硬度的影響孕育后：孕育后：硬度提高硬度提高冷卻速度影響小冷卻速度影響小實(shí)際生產(chǎn)中灰鑄鐵孕育處理注意事項(xiàng)：實(shí)際生產(chǎn)中灰鑄鐵孕育處理注意事項(xiàng)：孕育處理前原鐵液的碳、硅含量不能太高(wc=2.7%3.3%、wsi=1%2%)，否則孕育會(huì)使石墨數(shù)量多而粗大，反而降低鑄鐵的強(qiáng)度；鐵液出爐溫度

37、不應(yīng)低于1400 ，以免孕育處理操作后的鐵液溫度過(guò)低，使鑄件產(chǎn)生澆不到、冷隔、氣孔等缺陷；經(jīng)孕育處理后的鐵液必須盡快澆注，防止孕育作用衰退?；诣T鐵件的生產(chǎn)特點(diǎn)、牌號(hào)和選用灰鑄鐵件的生產(chǎn)特點(diǎn)、牌號(hào)和選用生產(chǎn)特點(diǎn)生產(chǎn)特點(diǎn)1）成分接近共晶成分，凝固時(shí)石墨化膨脹補(bǔ)償收縮，故流動(dòng)性好，收縮小，縮孔、縮松和澆不到等傾向較小。2）灰鑄鐵件一般不需冒口，較少使用冷鐵，通常采用同時(shí)凝固工藝。主要用砂型鑄造，澆注溫度較低，對(duì)砂型的要求也較低。3）組織中粗大石墨片對(duì)基體的破壞作用不能依靠熱處理來(lái)消除或組織中粗大石墨片對(duì)基體的破壞作用不能依靠熱處理來(lái)消除或改進(jìn)。改進(jìn)。4）進(jìn)行時(shí)效處理，可消除內(nèi)應(yīng)力，防止加工后變形；進(jìn)

38、行軟化退火，可消除白口，降低硬度，改善切削加工性能。牌號(hào)和選用（見(jiàn)課本牌號(hào)和選用（見(jiàn)課本P95表格表格3-5）球墨球墨鑄鐵鑄鐵（球鐵）：（球鐵）：石墨主要以球狀的形式存在。 20世紀(jì)40年代末發(fā)展起來(lái)的一種新型鑄鐵材料，廣泛應(yīng)用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等要求綜合性能好的零件。生產(chǎn)球墨鑄鐵的方法：生產(chǎn)球墨鑄鐵的方法：球化處理：球化處理：利用球化劑（鎂、稀土元素或稀土鎂合金）使石墨呈球狀析出。孕育處理：孕育處理：利用孕育劑（含硅75 wt%的硅鐵合金）促進(jìn)石墨化，防止球化元素所造成的白口傾向。常用球化處理方法：常用球化處理方法：沖入球化法沖入球化法：1）球化劑放在鐵液包底部，上面鋪以硅鐵粉和草灰

39、，防止球化劑上浮，并使球化作用緩和；2）沖入2/3鐵液，使球化劑與鐵液充分反應(yīng)；3）放入孕育劑，沖入剩余1/3鐵液，進(jìn)行孕育處理，及時(shí)澆注。型內(nèi)球化法型內(nèi)球化法：球化劑和孕育劑置于澆注系統(tǒng)內(nèi)的反應(yīng)室中，鐵液流過(guò)時(shí)與之作用而產(chǎn)生球化和孕育效果。適合大批量、機(jī)械化流水線。型內(nèi)球化法型內(nèi)球化法沖入球化法沖入球化法球鐵鑄造工藝球鐵鑄造工藝：存在問(wèn)題：存在問(wèn)題：1）球鐵含碳量較高，凝固收縮率低，但縮孔、縮松傾向卻很大（糊狀凝固，澆注后的一定時(shí)間內(nèi)，凝固的外殼強(qiáng)度很低，球狀石墨析出時(shí)的球狀石墨析出時(shí)的大大膨脹力使外殼向外脹大膨脹力使外殼向外脹大，造成內(nèi)部液態(tài)金屬不內(nèi)部液態(tài)金屬不足足，產(chǎn)生縮孔和縮松縮孔和縮

40、松）；2）易出現(xiàn)皮下氣孔氣孔（鐵液中殘留的鎂或硫化鎂與型砂中水分反應(yīng)生成的H2、H2S部分進(jìn)人金屬液表層）防止縮孔、縮松防止縮孔、縮松的措施：的措施：增加鑄型剛度，阻止外殼膨脹。增加鑄型剛度，阻止外殼膨脹。（增加鑄型緊實(shí)度、中小型鑄件采用粘土干砂型或水玻璃化學(xué)硬化砂型、牢固夾緊砂型等措施來(lái)防止鑄型型壁移動(dòng)；安放冒口、冷鐵，對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮）。防止氣孔缺陷防止氣孔缺陷措施：措施：降低硫含量和殘余鎂量外，限制型砂水分。球鐵球鐵的熱處理、牌號(hào)、性能及應(yīng)用的熱處理、牌號(hào)、性能及應(yīng)用球鐵球鐵熱處理：熱處理：多數(shù)球鐵的鑄態(tài)基體為珠光體加鐵素體基體為珠光體加鐵素體的混合組織，有時(shí)還存在自由滲碳體，形狀復(fù)雜件還

41、有殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力，因此球鐵還可用熱處理方法進(jìn)一步提高其性能。球鐵的熱處理主要是為了改善其金屬基體，以球鐵的熱處理主要是為了改善其金屬基體，以獲得所需的組織和性能，這點(diǎn)與灰鑄鐵不同。獲得所需的組織和性能，這點(diǎn)與灰鑄鐵不同。牌號(hào)、性能及應(yīng)用（見(jiàn)課本牌號(hào)、性能及應(yīng)用（見(jiàn)課本P98表表3-6）3.4.2 鑄鋼鑄鋼鑄鋼較鑄鐵性能優(yōu)勢(shì)：鑄鋼較鑄鐵性能優(yōu)勢(shì)：強(qiáng)度高，優(yōu)良塑性和韌性優(yōu)良塑性和韌性，適合制造承受大能量沖擊負(fù)荷下的高強(qiáng)度、高韌性的復(fù)雜鑄件（火車輪、鍛錘機(jī)架和高壓閥門等），性能穩(wěn)定，質(zhì)量較易控制，焊接性能好焊接性能好。低碳鋼低碳鋼: :熔點(diǎn)高，流動(dòng)性差，易氧化和易熱裂，通常僅利用其軟磁特性制造電磁

42、吸盤和電機(jī)零件。中碳鋼中碳鋼:鑄造常用碳鋼鑄造常用碳鋼高碳鋼高碳鋼:雖然熔點(diǎn)較低，但塑性差，易冷裂，僅用于制造耐磨件。鑄鋼件：鑄鋼件：鑄造合金鋼件具有耐磨、耐蝕、耐熱等特殊性能，常用來(lái)制造坦克、拖拉機(jī)、推土機(jī)的履帶板，鐵軌道叉，大型球磨機(jī)襯板等。鑄鋼的工藝特點(diǎn)鑄鋼的工藝特點(diǎn)澆注溫度高大于1500，收縮大(比鑄鐵大3倍)，流動(dòng)性差，易氧化，易吸氣，易產(chǎn)生澆不到、氣孔、縮孔、縮松易產(chǎn)生澆不到、氣孔、縮孔、縮松、粘砂等缺陷。獲得優(yōu)質(zhì)鑄鋼件措施：獲得優(yōu)質(zhì)鑄鋼件措施：砂砂應(yīng)具有高的耐火度（鎂砂、鋯砂等）、良好的透氣性（大顆粒）和退讓性（加木屑等）、低的發(fā)氣量（少水、干砂）等。安放冒口和冷鐵，以實(shí)現(xiàn)順序凝

43、固實(shí)現(xiàn)順序凝固（補(bǔ)縮，減少縮孔和縮松）。對(duì)鑄鋼件進(jìn)行熱熱處理處理。進(jìn)行正火或退火處理正火或退火處理，以細(xì)化晶粒，提高力學(xué)性能和消除內(nèi)應(yīng)力。正火鋼件的力學(xué)性能高于退火鋼件正火鋼件的力學(xué)性能高于退火鋼件，且成本低（爐外冷卻），應(yīng)盡可能采用正火工藝。但正火鑄鋼件的應(yīng)力正火鑄鋼件的應(yīng)力較大較大，因此，形狀復(fù)雜、易產(chǎn)生裂紋或易硬化的鑄件，以退火為宜3.4.3 鑄造非鐵合金鑄造非鐵合金鑄造非鐵合金鑄造非鐵合金：除鑄鋼、鑄鐵合金以外的鑄造合金。船舶中常用鑄造銅合金和鑄造鋁合金（1）鑄造銅合金）鑄造銅合金銅：銅：純銅（紫銅），密度8.96g/cm3，熔點(diǎn)1083，具有極好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和耐蝕性，流動(dòng)性好，但體積

44、收縮大（約為4.5%），易形成縮孔，易氧化、吸氣、高溫強(qiáng)度低，易產(chǎn)生熱裂。對(duì)于要求高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性的零件用純銅鑄造。一般銅鑄件都用銅合金鑄造一般銅鑄件都用銅合金鑄造，按成分分為鑄造黃銅鑄造黃銅和鑄造青銅鑄造青銅兩類。1）鑄造黃銅）鑄造黃銅普通黃銅：普通黃銅：銅鋅合金銅鋅合金。工業(yè)黃銅含鋅一般低于45%，室溫相有、三種。 相相：鋅在銅中的固溶體，具有較高的強(qiáng)度和塑性；相相：CuZn化合物為基的固溶體，具有較高強(qiáng)度和一定塑性；相：Cu5Zn8化合物為基的固溶體，硬而脆。隨成分的不同，黃銅的鑄態(tài)組織可得到固溶體、固溶體、+兩相組織。鑄造合金應(yīng)用的鑄造合金應(yīng)用的是是+兩相組織。兩相組織。黃銅在海水中易受

45、到腐蝕，發(fā)生黃銅在海水中易受到腐蝕，發(fā)生“脫鋅脫鋅”現(xiàn)象現(xiàn)象。特殊黃銅：特殊黃銅：銅、鋅和其他合金元素（如硅、錳、鋁等）組成的多銅、鋅和其他合金元素（如硅、錳、鋁等）組成的多元合金元合金。常用的有硅硅黃銅（耐腐蝕、縮小結(jié)晶溫度范圍）、錳錳黃銅（提高機(jī)械性能和耐蝕性，防止脫鋅）和鋁鋁黃銅（提高強(qiáng)度、硬度但降低塑性）。1）鑄造青銅）鑄造青銅青銅原指青銅原指銅錫合金銅錫合金，現(xiàn)在分為，現(xiàn)在分為錫青銅和無(wú)錫青銅錫青銅和無(wú)錫青銅。鑄造錫青銅鑄造錫青銅：室溫組織為固溶體固溶體枝晶（錫/銅固溶體，銅塑性，錫固溶強(qiáng)化）和（+）共析體）共析體組成。 相（固溶體），硬而脆。錫青銅錫青銅的的性能性能：耐磨性：耐磨性

46、：強(qiáng)韌的相上均勻分布相硬質(zhì)點(diǎn)，理想油潤(rùn)滑耐磨組織。耐蝕性：耐蝕性： 相和相的電位相近，SnO2保護(hù)膜，耐海水腐蝕。力學(xué)性能：力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度為150350MPa，延伸率為612%。耐水壓性能：耐水壓性能：易出現(xiàn)微觀縮松，易滲漏。鑄造性能：鑄造性能：結(jié)晶溫度范圍寬，易產(chǎn)生縮松和縮松；收縮?。▋?nèi)應(yīng)力?。?；易產(chǎn)生富錫偏析物（灰白色“錫汗錫汗”、高硬度導(dǎo)致加工困難）鑄造鑄造鋁鋁青銅青銅：鑄造鋁青銅具有較高的塑性和強(qiáng)度，良好的耐磨性和耐蝕性（Al2O3保護(hù)膜），還有較高的耐水壓性能，可代替錫青銅制造重載、高溫下工作的耐磨零件（船舶和重型機(jī)械上的螺母、渦輪等）。生產(chǎn)中使用的都是生產(chǎn)中使用的都是多元鋁青銅

47、多元鋁青銅（在銅鋁合金在銅鋁合金中中加入一些合金元素，加入一些合金元素，進(jìn)一步提高性能進(jìn)一步提高性能）：）：加鐵加鐵：可增加合金的耐磨性能，提高力學(xué)性能。含鐵量為3%左右。如ZCuAl10Fe3主要用來(lái)制造高強(qiáng)度耐磨件。加錳加錳：能提高相的穩(wěn)定性，提高合金的耐蝕性能，錳能固溶于相中起強(qiáng)化作用，還能改善鑄造性能。高錳鋁青銅力學(xué)性能和耐蝕性均很高，是制造船用螺旋槳的優(yōu)質(zhì)材料。合金名稱合金牌號(hào)主要化學(xué)成分/(%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鑄造方法力學(xué)性能應(yīng)用舉例b /MPas /MPa5 /%10-1錫青銅ZCuSn10Pb1Sn9.011.5，P0.51.0， 其余為CuSJ32031013017032耐磨零件，

48、如連桿襯套、齒輪、蝸輪等10-10鉛青銅ZCuPb10Sn10Pb8.011.0，Sn9.011.0， 其余為CuSJ1802208014075軋輥、車輛用軸承、內(nèi)燃機(jī)雙金屬軸瓦、活塞銷套、摩擦片等38黃銅ZCuZn38Cu60.063.0， 其余為ZnSJ2952953030一般結(jié)構(gòu)件和耐蝕零件，如法蘭、閥座、支架、手柄、螺母等錳黃銅ZCuZn40Mn3FelFe0.51.5，Mn3.04.0，Cu53.058.0， 其余為Zn SJ4404901815耐海水腐蝕的零件，如船用螺旋槳等注：S砂型鑄造，J金屬型鑄造。常見(jiàn)鑄造銅合金的牌號(hào)、主要化學(xué)成份、力學(xué)性能及用常見(jiàn)鑄造銅合金的牌號(hào)、主要化學(xué)

49、成份、力學(xué)性能及用途舉例途舉例（2）鑄造鋁合金）鑄造鋁合金純鋁：純鋁：表面易形成致密氧化鋁薄膜表面易形成致密氧化鋁薄膜，耐冷硝酸、有機(jī)酸，不耐鹽酸、濃硫酸、堿、碳酸鹽、食鹽、海水等腐蝕。鑄造性能差，流動(dòng)鑄造性能差，流動(dòng)性不好，收縮率較大，易產(chǎn)生熱裂性不好，收縮率較大，易產(chǎn)生熱裂。純鋁主要用來(lái)制造導(dǎo)電材料、家用容器；在鑄造車間，用來(lái)配置鋁合金。常用鑄造鋁合金類別常用鑄造鋁合金類別：鋁硅類鋁硅類：優(yōu)良的鑄造性能、耐熱性和耐蝕性，鋁合金中產(chǎn)量最大。鋁銅類鋁銅類：較高的室溫和高溫性能，比重大，耐蝕性和鑄造性能差。鋁鎂類鋁鎂類：比重最小、耐蝕性最好、高溫強(qiáng)度低、鑄造性能差鋁鋅類鋁鋅類：機(jī)械性能高，不經(jīng)熱

50、處理可直接用；比重大，耐蝕性差。鑄造鋁硅合金鑄造鋁硅合金（通常稱為通常稱為“硅鋁明”，含硅范圍為414%）（i）二元鋁硅合金二元鋁硅合金相相：硅溶于鋁中的硅溶于鋁中的固溶體固溶體相相：鋁溶于硅中的鋁溶于硅中的固溶體固溶體（硬而脆），（硬而脆），溶解度很小，通常溶解度很小，通常稱為硅。稱為硅。需經(jīng)過(guò)變需經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理提高其機(jī)械質(zhì)處理提高其機(jī)械性能。性能。鋁合金的變質(zhì)處理鋁合金的變質(zhì)處理：向鑄造鋁硅合金液中加入變質(zhì)劑，以改變結(jié)晶相的形態(tài)，細(xì)化其組織的工藝過(guò)程。鋁硅合金的變質(zhì)處理鋁硅合金的變質(zhì)處理主要是共晶體的變質(zhì)（細(xì)化）。通過(guò)加入鈉或鈉鹽，使粗大片狀共晶體（+Si）基體上分布著少量初晶硅的組織變成樹

51、枝狀的相和（+Si）的共晶體組成的亞共晶組織，共晶體中的Si變成細(xì)粒狀。例如：典型的典型的二元鋁硅合金二元鋁硅合金ZL102，Si%=1113%。不經(jīng)變質(zhì)處不經(jīng)變質(zhì)處理理：粗大針狀共晶體和塊狀初晶硅；變質(zhì)后變質(zhì)后：共晶點(diǎn)含硅量增至14%左右，共晶溫度降至564，得到亞共晶組織，性能較好的性能較好的枝晶代替了硬脆的初晶硅枝晶代替了硬脆的初晶硅，共晶硅也得到了細(xì)化共晶硅也得到了細(xì)化。鋁硅合金變質(zhì)后，抗拉強(qiáng)度和延伸率均大大提高。（ii）多）多元鋁硅合金元鋁硅合金使用多元合金的原因：使用多元合金的原因：在鋁硅合金中加入Mg、Cu、Mn等元素，使它們不同程度地溶入固溶體中，提高了合金的強(qiáng)度提高了合金的強(qiáng)

52、度。更為重要的是，有些合金元素在合金中形成強(qiáng)化相形成強(qiáng)化相，如Mg2Si，Al2Cu等，使鋁合金經(jīng)熱處理后，機(jī)械性能大大提高機(jī)械性能大大提高。我國(guó)常用多元鋁硅合金：我國(guó)常用多元鋁硅合金：Al-Si-Mg系系：ZL101是典型的是典型的Al-Si-Mg系合金系合金，含Si6.08.0%。加入0.20.4%的Mg，一部分溶于固溶體，大量形成Mg2Si。工作溫度不宜超過(guò)150（高溫Mg2Si析出并長(zhǎng)大，合金性能下降）。Al-Si-Mg-Mn系系：ZL104，含硅8.510.5%，Mg0.170.30%，Mn0.20.5%。強(qiáng)化相Mg2Si，Mn主要目的減少雜質(zhì)鐵的有害作用，提高鋁合金的塑性。易產(chǎn)生氣

53、孔和縮孔，應(yīng)精煉和變質(zhì)處理。Al-Si-Mg-Cu系系：ZL105合金是典型的該系合金，含Si4.55.5%，Mg0.350.6%，Cu1.01.5%。ZL101相比，ZL105中多了強(qiáng)化相Al2Cu，提高了強(qiáng)度。硅含量低，不需變質(zhì)處理。硅含量低，不需變質(zhì)處理。耐蝕性較差。鑄造鋁鑄造鋁銅銅合金合金特點(diǎn)：特點(diǎn)：強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性和切削加工性好，熔化時(shí)形成氧化膜的傾向小，熔煉工藝簡(jiǎn)單；但比重大，耐蝕性差耐蝕性差（相和CuAl2電極電位相差較大，形成微電池腐蝕，CuAl2越多，腐蝕進(jìn)行的越快，淬火狀態(tài)，銅固溶于鋁中，CuAl2減少，則合金耐蝕性提高）。（i）二元鑄造鋁銅合金二元鑄造鋁銅合金u含銅為54

54、.1%處形成電子化合物CuAl2u純鋁與CuAl2之間構(gòu)成一個(gè)一般共晶型狀態(tài)圖常用二元鋁銅合金常用二元鋁銅合金ZL203合金合金：含銅4.05.0%，經(jīng)過(guò)淬火處理，可得到過(guò)飽和的固溶體，強(qiáng)度、塑性都比鑄態(tài)高，故ZL203合金常在淬火狀態(tài)使用。 合金含銅較低，結(jié)晶范圍大，流動(dòng)性差，線收縮大，熱裂傾向大，用來(lái)制造金屬模型及形狀簡(jiǎn)單，要求強(qiáng)度較高的小型零件ZL202合金合金：含銅9.011.0%，組織是固溶體和呈網(wǎng)狀分布的（+CuAl2）共晶體，且共晶組織較多。流動(dòng)性好，線收縮小，熱裂傾向小，常用于鑄造小型發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等。（ii）多）多元鑄造鋁銅合金元鑄造鋁銅合金ZL201、ZL201A、ZL205A

55、均是Al-Cu-Mn-Ti系合金，ZL204A是Al-Cu-Mn系合金。加入錳可以強(qiáng)化固溶體和產(chǎn)生新的強(qiáng)化相，加入錳可以強(qiáng)化固溶體和產(chǎn)生新的強(qiáng)化相，提高合金的機(jī)械性能和耐蝕性；加入鈦可以細(xì)化晶粒。提高合金的機(jī)械性能和耐蝕性；加入鈦可以細(xì)化晶粒。ZL201合合金的室溫機(jī)械性能很高金的室溫機(jī)械性能很高，b=400500MPa，HBS=120，故稱高強(qiáng)度鑄造鋁合金。但ZL201鑄造性能差，可制造工作溫度在175300的形狀簡(jiǎn)單的鑄件。鑄造鋁鑄造鋁鎂鎂合金合金鋁鎂類鑄造合金是鋁合金中比重最小、強(qiáng)度較大，在海洋和大氣在海洋和大氣氣氛中耐蝕性最高的合金氣氛中耐蝕性最高的合金。它還具有良好的切削加工性和焊接

56、性，因此，廣泛用于航空、造船工業(yè)。廣泛用于航空、造船工業(yè)。二元合金ZL301具有很好的綜合性能，用作暴露在大氣或海水等用作暴露在大氣或海水等腐蝕介質(zhì)中的零件腐蝕介質(zhì)中的零件，如螺旋槳，起落架零件和船用舷窗等。鑄造鋁鑄造鋁鋅鋅合金合金Al-Zn合金在鑄態(tài)就有較高的機(jī)械性能，不需熱處理就能使合金強(qiáng)化。但其鑄造性能不好，熱裂傾向性大，抗蝕性差，所以單純鑄造性能不好，熱裂傾向性大，抗蝕性差，所以單純的鋁鋅二元合金在工業(yè)上已不使用，而是使用多元鋁鋅合金的鋁鋅二元合金在工業(yè)上已不使用，而是使用多元鋁鋅合金。如ZL401是Al-Zn-Si-Mg系四元合金，常用來(lái)制造汽車、坦克的發(fā)動(dòng)機(jī)零件。鑄造鋁合金的熱處理

57、鑄造鋁合金的熱處理熱處理目的：熱處理目的：消除鑄造應(yīng)力，穩(wěn)定鑄件組織和尺寸，以及改變組織，提高性能。鋁合金淬火后強(qiáng)度并不立即升高，但塑性增高。當(dāng)放置一段時(shí)間鋁合金淬火后強(qiáng)度并不立即升高，但塑性增高。當(dāng)放置一段時(shí)間以后，強(qiáng)度和硬度才顯著提高，而塑性明顯降低。以后，強(qiáng)度和硬度才顯著提高，而塑性明顯降低。時(shí)效強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化：淬火后鋁合金的強(qiáng)度隨時(shí)間而發(fā)生顯著提高的現(xiàn)象。時(shí)效是過(guò)飽和固溶體的分解脫溶、析出強(qiáng)化相的過(guò)程。自然時(shí)效自然時(shí)效：在常溫下發(fā)生的時(shí)效。人工時(shí)效人工時(shí)效：人為加熱到某一溫度范圍內(nèi)發(fā)生的時(shí)效。鑄造鋁合金的熱處理工藝分類鑄造鋁合金的熱處理工藝分類(a) 人工時(shí)效（人工時(shí)效（T1）：鑄件直接

58、放在150180溫度下保溫?cái)?shù)小時(shí)。合金在金屬型中鑄造時(shí)，冷卻速度較快，會(huì)得到一部分過(guò)飽和固溶體。人工時(shí)效時(shí)脫溶強(qiáng)化，使合金的強(qiáng)度、硬度有所提高，改善鑄使合金的強(qiáng)度、硬度有所提高，改善鑄件的切削加工性。件的切削加工性。(b) 退火（退火（T2）：目的是消除內(nèi)應(yīng)力。在較高溫度（280300）下保溫一段時(shí)間，使固溶體晶格扭曲程度減小。對(duì)Al-Si合金，退火還能使Si部分球化，改善合金的塑性改善合金的塑性。(c) 淬火（淬火（T4）：將鑄件緩慢、均勻地加熱到淬火溫度，保溫使可溶相溶解，然后淬入水或其他介質(zhì)中，得到過(guò)飽和的固溶體，也叫固溶處理。目的是提高鑄件強(qiáng)度和塑性。(d) 淬火和部分人工時(shí)效（淬火和

59、部分人工時(shí)效（T5）：淬火后人工時(shí)效，時(shí)效強(qiáng)化可分為上升、最高峰和下降階段。強(qiáng)度上升階段強(qiáng)度上升階段相當(dāng)于部分人工時(shí)效（T5），最高峰階段最高峰階段相當(dāng)于完全人工時(shí)效（T6）；而抗拉強(qiáng)度下降強(qiáng)度下降階段階段相當(dāng)于過(guò)時(shí)效狀態(tài)，即穩(wěn)定回火（T7）。用于獲得高強(qiáng)度并保持高塑性的零件。(e) 淬火和完全時(shí)效（淬火和完全時(shí)效（T6）：提高抗拉強(qiáng)度、塑性下降，用于要求要求高負(fù)荷的零件高負(fù)荷的零件。(f) 淬火和穩(wěn)定回火（淬火和穩(wěn)定回火（T7）：獲得足夠的抗拉強(qiáng)度，并使組織和尺寸穩(wěn)定，用于處理高溫下的工作零件用于處理高溫下的工作零件。(g) 淬火和軟化回火（淬火和軟化回火（T8）：回火溫度高于T7，固溶體充

60、分分解，析出相聚集球化，獲得高塑性，強(qiáng)度下降。用于高用于高塑性的零件。塑性的零件。鑄造鋁合金的熱處理工藝分類鑄造鋁合金的熱處理工藝分類（3）鑄造銅合金、鋁合金的熔煉鑄造銅合金、鋁合金的熔煉面臨問(wèn)題：面臨問(wèn)題：合金在液態(tài)下易氧化和吸氣易氧化和吸氣，氧化后生成Cu2O，溶解在銅合金內(nèi)，降低其力學(xué)性能。氧化生成Al2O3，熔點(diǎn)高達(dá)2050，密度稍大于鋁，易沉淀于鋁液中，成為非金屬夾渣。同時(shí)鋁液還極同時(shí)鋁液還極易吸收氫氣，使鑄件產(chǎn)生針孔缺陷易吸收氫氣，使鑄件產(chǎn)生針孔缺陷。采取措施：采取措施：1）坩堝爐熔煉坩堝爐熔煉：合金置于坩堝中(銅合金用石墨坩堝，鋁合金用鐵坩堝)，間接加熱（金屬不與燃料接觸），減少