铸造合金及其熔炼(铸钢及其熔练).ppt

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第二节铸钢及其熔练1 2 一、铸钢铸钢的碳的质量分数小于2.14%，硅、锰、磷、硫等元素含量一般比铸铁少。铸钢在强度和韧性方面比一般铸铁要高得多，常用于承受重载荷和冲击作用的工作条件。铸钢具有焊接性，不仅有利于缺陷的修补，而且能够采用铸焊结合的方法，将一些重型、复杂铸件分段铸造，然后焊成整体。铸钢与锻钢相比，用铸造方法能够生产出结构非常复杂的零件或毛坯。但铸钢熔点高，铸造性能差，生产工艺和熔炼设备复杂，对原材料要求高。虽然如此，铸钢仍是一种优良的结构材料，在工业上应用极广。3 铸钢按化学成分可以分为铸造碳钢和铸造合金钢两大类。1.铸造碳钢根据含碳量的不同，铸造碳钢可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢三种。其中中碳钢应用最多。一般工程用铸造碳钢的化学成分见表3-12、力学性能见表3-13（GB11352-1989）。4 表3-12一般工程用铸造碳钢的化学成分的上限值（质量分数）（%）5 表3-13一般工程用铸造碳钢的力学性能6 2.铸造合金钢为了改善和提高铸造碳钢的某些性能，在铸钢中加入一种或几种合金元素，即为铸造合金钢。常用于加入钢中的合金元素主要有铬、钼、镍、钨、钴、铝、钒、钛、硼等，当锰的质量分数大于0.8%、硅的质量分数大于0.4%也为铸造合金钢。按加入合金元素的含量多少，铸造合金钢可分为低合金钢、中合金钢、高合金钢三种。一般工程与结构用低合金铸钢的化学成分及力学性能见表3-14（GB/T14408-1993）。7 表3-14一般工程与结构用低合金铸钢的化学成分及力学性能8 常用的一些特殊铸造高合金钢有不锈耐酸钢（如ZG1Cr17、ZG1Cr18Ni9Ti）、耐磨高锰钢（如ZGMn13-1）、耐热钢（如ZG35Cr26Ni12）等。9 二、铸钢熔炼1.铸钢熔炼设备铸钢车间所用的炼钢设备有电弧炉、钢包精炼炉、平炉、感应电炉及等离子电弧炉等。感应电炉及等离子电弧炉主要用于熔炼高级合金钢及高温合金，用来浇注要求较高而且比较复杂的铸件。电弧炉在铸钢车间使用最广，它熔炼速度快，钢液温度高，而且容易控制，有良好的脱磷、脱硫条件，可以熔炼出质量较高的碳钢和合金钢，适宜于浇注各种类型的铸件。10 电弧炉熔炼是利用电极与金属料之间放电产生的电弧所发出的热量来熔化金属料和使钢液进行过热的。铸钢车间使用的多是三相电弧炉。我国目前使用的电弧炉最小容量为0.5t，最大容量可达100t。三相电弧炉主要由炉体、炉盖、电极、电极升降与夹持机构、倾炉机构、电气装置和水冷装置等构成。见图3-16。11 图3-16三相电弧炉结构1—炉体2—出钢槽3—炉盖4—电极夹持机构5—电极6—电极升降机构7—变压器8—倾炉机构12 2.铸钢的熔炼操作电弧炉按照所采用炉渣和炉衬耐火材料的性质分为碱性电弧炉和酸性电弧炉。碱性电弧炉具有较强的脱磷和脱硫能力，对炉料的适应能力强。铸钢多用碱性电弧炉炼钢。（1）炼钢材料炼钢所用的材料主要分耐火材料、金属炉料和其它辅助材料。1）耐火材料碱性电弧炉的耐火材料主要是镁砖和镁砂，用来砌筑、打结和修补电弧炉炉衬。镁砂用的粘结剂是焦油沥青或卤水，一般打结炉衬时用焦油沥青，修补炉衬时用卤水。13 2）金属炉料电弧炉炼钢的金属材料包括废钢、生铁、废铁，铁合金和脱氧剂等。①生铁。为炼钢生铁，要求磷的质量分数小于0.1%，硫的质量分数小于0.05%。②废钢。因一般废钢来源复杂，应分类保管，以便在配料时能合理地利用各种合金元素。③铁合金。作为合金元素添加剂，用于调整钢液的化学成分。有硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钛铁、钨铁和钒铁等。14 3）其它辅料有氧化剂、还原剂（脱氧剂）、增碳剂和造渣剂等。电弧炉用的氧化剂有铁矿石和氧气；还原剂有锰铁、硅铁、铝、焦炭等；增碳剂有碎电极、焦炭及专用商品增碳剂；造渣剂有石灰石、石灰和氟石等。所有炉料应分类妥善保管，严防混杂和潮湿。15 （2）碱性电弧炉炼钢工艺过程在炼钢工艺上有两种基本方法，即氧化法和不氧化法。两种方法的区别在于是否有氧化期。此外，还有一种从氧化法演变出来的方法叫吹氧返回法。铸钢车间炼钢一般采用氧化法。氧化法炼钢的工艺过程包括补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢。16 1）补炉一般每炼完一炉钢以后，在装料前，照例要进行补炉。目的是修补侵蚀和损坏的炉衬。补炉材料用卤水镁砂。补炉工具和方法一般为大铲贴补、铁锹投补或用机械化设备补炉。出钢后打开炉门，升起电极，立即扒净残钢、残渣，迅速进行补炉操作。补炉操作的要点是：炉温高、操作快、补层薄，以利于补炉材料的烧结。17 2）装料补炉完毕，即可装料。一般小容量电弧炉由人工进行装料，3t以上的电弧炉用料罐从炉顶装料。在往料罐中装料时，需要合理地布置炉料。原则是尽量多装料并使炉料熔化快，炉料要装得紧密，以利于导电和电热。3）熔化期熔化期的任务是将固体炉料熔化成钢液，并进行脱磷。18 装料完毕，盖好炉盖，检查无误即可通电熔化。炉料的熔化过程是电极下面的炉料先被熔化，形成三个熔井，随后电极不断向下移动，炉料不断熔化，经15～25min即达最低位置，形成三个小井，即所谓“穿井”。随着熔化的进行，炉底钢液液面上升，电极也应相应地向上回升。于是电极周围的炉料就会塌落下来，即所谓“塌料”。这样，炉料被逐渐熔化。为加快熔化过程，可以人工用耙子将边缘离电极较远而不易被熔化的炉料推到电极下面，这种操作称为“推料助熔”。在炉内有一定钢液后，也可采取“吹氧助熔”的方法来加速炉料的熔化。吹氧压力一般控制在0.5MPa左右。吹氧管从炉门插入钢液内吹氧，但不能深入到炉底或靠近炉壁以防损坏炉衬。在熔化过程中，应造好炉渣。目的是为了覆盖钢液，避免钢液直接暴露在电弧下而吸气和氧化，并在熔化期就能够脱去一部分磷，同时可稳定电弧。19 4）氧化期氧化期的主要任务是脱磷，去除钢液中的气体和夹杂物，并提高钢液的温度。5）还原期还原期的任务是脱氧、脱硫和调整钢液温度及化学成分。6）出钢出钢时要求钢液流柱要粗，不能散流，而且要使钢液与炉渣一起出到盛钢桶中（即所谓“大口出钢”、“钢渣混出”）。钢液全部倾出后，在钢液表面盖上保温材料，镇静5min后开始浇注。20 第三节铸造非铁合金及其熔炼一、铸造铜合金1.铸造青铜（1）铸造锡青铜锡青铜具有良好的耐磨性、耐蚀性，同时还具有足够的强度和一定塑性，常用于制造耐磨和耐蚀零件，如轴套、轴瓦和要求耐蚀的管配件、阀门、泵体等。铸造锡青铜的锡的质量分数一般在4%～10%范围内。增加锡量，使塑性下降而强度增高。锡量较高，易产生“锡汗”。锡青铜不易形成集中缩孔，所以不用很大的补缩冒口。其线收缩率不大，铸件变形、缩裂的倾向较小。为了进一步改善锡青铜的性能，常加入一些锌、铅、磷、镍等元素。铸造锡青铜的牌号、成分及性能见表2-11。21 表2-11铸造锡青铜22 （2）铸造铝青铜铝青铜是应用最多的一种无锡青铜。其铝的质量分数通常为6%～11%。随铝量的增加，合金的强度、硬度提高，而塑性下降。铝青铜比锡青铜有更高的力学性能，更好的耐磨性和耐蚀性。常用于制造在高负荷、高速条件下工件的耐磨零件，如轴套、齿轮、蜗轮等。两元铝青铜在缓慢冷却的情况下，易产生“缓冷脆性”，在砂型铸造厚大铸件时，显得特别突出。加入锰、铁、镍可以防止缓冷脆性。铝青铜的结晶温度范围小，属于层状凝固，流动性好，体积收缩大，易形成集中缩孔，采用大冒口补缩能够获得组织致密的铸件。铝青铜易氧化和吸气，铸件易产生夹渣和气孔。23 铸造铝青铜的牌号、成分及性能见表2-12。表2-12铸造铝青铜24 2.铸造黄铜普通黄铜的力学性能比纯铜高，不生锈，耐腐蚀，能很好地承受压力加工。通常锌的质量分数为30%，铜的质量分数为70%，即所谓三七黄铜。特殊黄铜随加入的元素不同，其性能特点各异。加入质量分数为0.5%～1.5%的锡，能改善抗海水的腐蚀能力，故锡黄铜有著名的海军黄铜之称。铸造黄铜的牌号、成分及性能见表2-1325 表2-13铸造黄铜26 表2-13铸造黄铜（续）27 二、铸造铝合金铸造铝合金密度小，塑性高，具有良好的导电、导热、耐蚀性能，力学性能好，铸造性能亦好。因此，在航空工业、机械制造、电气工业、铁路运输及日用工业中得到广泛应用。铸造铝合金按主要加入元素的不同分为四类，即铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金，其代号分别用ZL1xx、ZL2xx、ZL3xx、ZL4xx表示。部分铸造铝合金的代号、化学成分及力学性能见表2-14（GB/T1173—1995）。28 表2-14铸造铝合金29 表2-14铸造铝合金（续）30 1.铸造铝硅合金又称硅铝明，其常用的硅的质量分数为4%～13%。硅铝明是共晶合金，流动性好、收缩小、裂纹倾向小，易获得致密铸件。常用来制造活塞、气缸盖、电动机外壳、风叶片等。在铝硅合金的共晶组织中，硅呈粗大片状，所以合金的抗拉强度和伸长率都不高。对合金液进行变质处理，可以改善合金的力学性能。一般铝硅合金都要进行变质处理。普通铝硅合金（Al-Si二元合金）不能进行热处理强化，单纯靠变质处理仍不能满足所需的强度要求。在此基础上加入镁或铜，可以实现热处理强化，例如加镁的ZL101、ZL104，加铜的ZL107，同时加镁和铜的ZL105、ZL110等。31 2.铸造铝铜合金其常用的铜的质量分数一般为4%～5%。铝铜合金有较好的高温力学性能，随着含铜量的增加，合金的高温强度也增加，但同时脆性增大。铝铜合金可进行热处理强化，含铜5%的合金强化效果最佳。铝铜合金的切削性能较好，但耐蚀性和铸造性能比铝硅合金差，易出现缩松、热裂等缺陷。32 三、铸造非铁合金的熔炼设备用于铸造非铁合金熔炼的熔化炉很多，常用的有坩埚炉、反射炉和感应电炉1.坩埚炉坩埚炉结构简单、操作方便。见图2-10。工作时，把金属炉料放在坩蜗中，加热坩埚使其熔化、升温。由于坩埚内的炉料不与热源直接接触，金属不受燃料和炉气的污染，在成分控制、降低烧损和熔炼纯净合金方面，效果都较理想。但坩埚炉的热惯性较大，合金温度难于控制，适用于小批量生产。图2-10回转式坩埚炉33 坩埚炉常用的坩埚有石墨坩埚和铁质坩埚两种。石墨坩埚用石墨和耐火材料的混合料烧制而成，适用于熔化熔点较高的铜合金等。铁质坩埚是由铸铁、铸钢或钢板制成，常用于熔化低熔点的铝合金等。坩埚的规格，是按充满坩蜗95%的锡青铜液的重量分号表示的，如120号坩埚表示充满坩蜗95%的锡青铜液的重量为120kg。熔炼其它合金时，其容量可根据各种合金的密度按比例折算。石墨坩埚使用前先在120～150℃温度下烘干，然后再放入炉内加热，用后应放在干燥的地方。34 2.反射炉反射炉的容量较大，适合大型非铁合金铸件生产的需要。图2-11为重油反射炉的结构示意图。反射炉熔炼时，高温火焰从燃烧图2-11重油反射炉室进入炉膛，通过炉顶、炉壁将热量反射到炉膛中的金属炉料上，使其熔化、升温。这种炉子的熔化效率高，但金属烧损严重，成分难以控制。35 3.感应电炉感应电炉具有熔炼质量好，金属损失少，功率控制方便、易于实现机械化、自动化和无排烟问题、劳动条件好等一系列优点，已得到日益广泛的应用。从结构上来看，感应电炉分为有芯感应炉和无芯感应炉两类，无芯感应炉按电源频率不同，可分为高频炉、中频炉和工频炉三种。用于非铁合金熔炼的是工频有芯感应炉，工频无芯感应炉和中频无芯感应炉。36 四、铸造铝合金的熔炼操作1.熔炼材料（1）金属炉料金属炉料包括新金属料、回炉料及中间合金。新金属料有纯金属锭及预制合金锭，按纯度和用途分类。回炉料是指生产中的浇冒口和废旧料。中间合金是为了把一种或多种难熔或易烧损元素加入铸造合金中而特殊制备的合金。熔制铝合金常用的中间合金有铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金及铝锰合金等。37 （2）辅助材料1）熔剂熔剂的作用是熔解和吸附铝液中的氧化物等杂质，降低其熔点，并形成流动性好的熔渣，隔离铝液，减少合金的吸气和氧化。常用的熔剂如50%NaCl+50%KCl的混合物。2）精炼剂用于精炼。精炼的目的是为了除去铝液中的非金属夹杂物、金属氧化物和气体。常用的精炼剂有：ZnCl2、MnCl2、C2Cl6（六氯乙烷）、氯气、氮气等。3）变质剂用于变质处理。对铝合金进行变质处理，可以达到细化组织，提高性能的目的。铝合金用的变质剂是NaF、NaCl、KCl等盐类的混合物，常用的有67%NaF+33%NaCl及25%NaF+62%NaCl+13%KCl等。38 2.熔炼工艺铝合金的牌号很多，其具体熔炼工艺也各有不同，但其基本原则都是相同的。铝合金熔炼大致分以下几个环节：熔化前的准备→装料→熔化→调整化学成分→精炼→变质处理→调整温度→浇注。39 熔化前的准备包括对炉料、坩埚的清理及预热，对操作工具（撇渣勺、取样勺、钟罩、夹料钳等）进行烘烤等。对于铁质工具，需刷上涂料，以防铁熔入合金造成影响。装料前按配料计算将炉料称好。装料的一般顺序为：先加占炉料主要部分的炉料和难熔及不易氧化的炉料，待其全部熔化后，再加中间合金，同时轻轻搅动铝液以加速熔化，均匀成分，最后加入易烧损和低熔点的炉料。40 熔炼一般采用快速熔化的工艺，即用最大的加热能力，将合金快速熔化并升温到要求温度，这样可避免合金过分氧化。金属熔化后，取样进行成分分析，以便及时补加炉料，调整化学成分。合金成分合格后，就可以加入精炼剂进行精炼。精炼时应掌握好合金液的温度和精炼剂的加入量及精炼时间，采用气体精炼剂则应掌握好通气时间和压力。41 精炼后，静置一定时间。扒去液面熔渣，按要求的温度和用量在合金液上撒上变质剂，进行变质处理。保持一定时间后，取样检查变质效果。如未完全变质，应重新进行变质处理。变质处理完毕后，按工艺要求调整到浇注温度后，即可浇注，并要求尽快浇注完毕。42