铸件的生产工艺简介

1.1.3　铸件的生产工艺简介

铸造合金的种类很多，随着液态成形技术的发展，几乎所有的金属材料都可用液态成形的方法使之成形，而比较常用的有铸钢、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁、铜合金及铝合金等。

1.1.3.1　铸铁件生产

1.铸铁的分类

铸铁（cast iron）通常是指w（C）＝2.5%～4.0%的铁碳合金。

铸铁常用来制造机架、床身、箱体、曲轴、缸套等，是工程材料中最重要的液态成形合金。根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为：

（1）白口铸铁　白口铸铁（white cast iron）中所含的碳，除极少量溶于铁素体外，其他全部以Fe₃C形式存在，断口呈银白色，故而称为白口铸铁。白口铸铁组织中含有大量莱氏体，其性能硬而脆，很难机械加工。因此，工业上很少用它来制造机器零件，主要用做炼钢原料或制造可锻铸铁的坯料。由于白口铸铁具有良好的耐磨性，所以有时也用来制造一些耐磨件，如轧辊、粉碎机锤头、衬板、球磨机磨球和犁铧等。

（2）灰铸铁　灰铸铁（gray cast iron）中碳除微量溶于铁素体外，大部或全部以石墨形式存在，因断口呈暗灰色而得名。它是工业中应用最广泛的铸铁。

根据铸铁中石墨形态的不同，灰铸铁又可分为：

1）普通灰铸铁　其石墨呈片状，如图1-15a所示。若无特别说明，一般情况下所说的灰铸铁就是指的普通灰铸铁。

2）可锻铸铁（malleable cast iron）　其石墨呈团絮状，如图1-15b所示。

3）球墨铸铁（spheroidal graphite cast iron）　其石墨呈球状，如图1-15c所示。

4）蠕墨铸铁（compacted graphite cast iron）　其石墨呈蠕虫状，如图1-15d所示。

（3）麻口铸铁　麻口铸铁（mottled cast iron）组织中既存在石墨，又有莱氏体，是介于白口铸铁和灰铸铁之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻点而得名。麻口铸铁像白口铸铁一样既硬又脆，也很难进行机械加工，同时，它又不具备灰铸铁的优点，故在生产中应用很少。

图1-15　铸铁显微组织

a）灰铸铁　b）可锻铸铁　c）球墨铸铁　d）蠕墨铸铁

2.灰铸铁

（1）灰铸铁的化学成分与组织　灰铸铁的化学成分一般为：w（C）＝2.6%～3.6%，w（Si）＝1.2%～3.0%，w（Mn）＝0.4%～1.2%，w（S）≤0.15%，w（P）≤0.3%。

灰铸铁的组织由基体和片状石墨（flake graphite）组成。按照基体组织的不同，灰铸铁又可分为以下三类：

1）铁素体灰铸铁　铁素体灰铸铁是在铁素体基体上分布着粗大的石墨片，这种铸铁抗拉强度和硬度低，易加工，铸造性能好，常用来制造性能要求不高的铸件和一些薄壁件。

2）铁素体-珠光体灰铸铁　铁素体-珠光体灰铸铁是在铁素体和珠光体的基体上分布着粗大的石墨片。这种铸铁强度也较低，但可满足一般机件要求，且其铸造性能、切削加工性能和减震性较好，因此应用较广。

3）珠光体灰铸铁　珠光体灰铸铁是在珠光体的基体上分布着较细小均匀的石墨片。这种铸铁强度和硬度较高，主要用来制造较为重要的机件。

（2）灰铸铁的性能　灰铸铁的组织结构就如同在钢的基体上嵌入大量石墨片。石墨的存在相当于在基体上分布大量孔洞，特别是片状石墨的尖角引起应力集中。因此，灰铸铁的抗拉强度比钢低得多，通常，σ_b＝120～250MPa，为钢的20%～30%，塑性及冲击韧度近于零。但石墨的存在也使得灰铸铁具有良好的减震性、耐磨性以及低的缺口敏感性，这是钢所不具备的。而且，灰铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能，但焊接性能较差，且不能用于锻造。

（3）影响铸铁组织和性能的因素　铸铁的性能取决于铸铁的组织，而铸铁的组织又主要取决于碳的存在形式。铸铁中的碳能以渗碳体和石墨两种形式存在。碳以石墨形态析出的过程称为石墨化。石墨化程度不同，铸铁组织亦不同。因此，铸铁的组织和性能主要取决于石墨化程度。影响铸铁石墨化的主要因素是化学成分（碳，硅、硫、锰、磷的含量）和冷却速度。

1）碳和硅的影响　碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的元素。含碳量愈高，析出的石墨就愈多、愈粗大，但这种可能性还取决于硅的含量。硅是强烈促进石墨化的元素，随着含硅量的增加，石墨显著增多。实践证明，若含硅量过少，即使含碳量甚高，石墨也难以形成，只能得到含渗碳体的白口铸铁。因此，当铸铁中碳、硅含量均高时，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金属基体中铁素体增多，珠光体减少；反之，则石墨析出量减少且较细。所以，控制铸铁中碳、硅含量的不同配比，将得到不同组织与性能的铸铁。

2）硫和锰和影响　硫是强烈阻碍石墨化元素，含硫量高易促使铸铁形成白口组织。同时，硫在铸铁中可形成FeS，而FeS与Fe又形成低熔点（985℃）的共晶体，分布在晶界上，造成铸铁的热脆性。此外，硫还使铸铁铸造性能恶化（如降低流动性，增大收缩率），因此必须严格控制其含量，通常限制w（S）＝0.10%～0.15%，高强度铸铁则应更低。锰是弱阻碍石墨化元素，具有稳定珠光体、提高铸铁强度和硬度的作用。同时锰与硫的亲和力大，易形成熔点高（1 600℃）、密度小的MnS，它上浮进入熔渣而排出炉外，从而抵消了硫的有害作用。故锰是铸铁中的有益元素，一般控制w（Mn）＝0.6%～1.2%。

3）磷的影响　磷对铸铁的石墨化影响不显著，一定的含磷量有利于提高铸铁的耐磨性。如耐磨铸铁的w（P）＝0.5%～0.7%。但w（P）＞0.3%时，磷便以低熔点、高硬度（390HBS～520HBW）的Fe₃P共晶体呈网状分布于晶界，增加铸铁的冷脆性。因此，对一般铸件而言，磷属有害元素，多限制w（P）＜0.5%，高强度铸铁则限制w（P）＝0.2%～0.3%。

4）冷却速度的影响　对于相同化学成分的铸铁，若冷却速度不同，其组织和性能也不同。减小冷却速度可以促进石墨化，易得到粗大的石墨片和铁素体基体；增大冷却速度则阻碍石墨化，这时只有部分碳以细石墨片析出，而另一部分碳则以渗碳体析出，获得珠光体基体。

影响冷却速度的因素有：①铸型材料，不同铸型材料的导热能力不同。如金属型比砂型导热快，冷却速度大，使石墨化受到严重阻碍，易获得白口组织。而砂型冷却速度慢，易获得灰口组织。②当其他条件（如化学成分、铸型材料、浇注温度等）一定时，铸件壁愈厚，冷却速度愈慢，则石墨化倾向愈大，易得到粗大石墨片和铁素体基体；反之，铸件壁愈薄，冷却速度愈快，则石墨化倾向愈小，易得到细小石墨片和珠光体基体。当铸件壁厚小到一定程度时，因冷却速度过快，石墨化不能进行，将产生白口组织。由此可知，随着壁厚的增加，石墨片的数量和尺寸都增大，铸铁强度、硬度反而下降。这一现象称为壁厚（对力学性能的）敏感性。

在实际生产中，一般是根据铸件的壁厚（主要部位的壁厚）选择适当的化学成分（主要指碳、硅含量），以获得所需要的组织。如图1-16所示为砂型铸造时铸件壁厚和碳、硅含量对铸铁组织的影响。

图1-16　砂型铸件壁厚、化学成分和组织的关系

（4）灰铸铁的孕育处理　如前所述，灰铸铁的组织和性能，很大程度上取决于石墨的数量、大小和形态。粗大石墨片对铸铁金属基体的割裂作用，使其力学性能很低，因此，提高灰铸铁性能的途径就是降低碳、硅含量，改善基体组织，减小石墨的数量和尺寸，并使其均匀分布。孕育处理是达到此目的的有效方法。其原理是：熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、低硅的高温铁液，向铁液中冲入细颗粒的孕育剂。常用的孕育剂为w（Si）＝75%的硅铁（常称75硅铁），加入量为铁液质量分数的0.25%～0.6%。孕育剂在铁液中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然提高，从而得到在细晶粒珠光体上均匀分布着细片状石墨的组织。经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁（inoculated cast iron），其强度（σ_b＝250～400MPa）、硬度（170～270HBS）比普通灰铸铁有显著提高。原铁液含碳量愈低，石墨愈细小，铸铁的强度、硬度就愈高。但孕育铸铁的石墨为片状，塑性、韧性依然很低，仍属灰铸铁范畴。

孕育铸铁的另一优点是冷却速度对其组织和性能的影响很小，铸件上厚大截面的性能较均匀，如图1-17所示。孕育铸铁适用于静载荷下，要求有较高强度、硬度、耐磨性或气密性的铸件，特别是厚大截面铸件，如重型机床床身，汽缸体、缸套及液压件等。

图1-17　孕育铸铁和普通灰铸铁截面上硬度的分布

（铸件截面300mm×300mm）1—孕育铸铁　2—普通灰铸铁

必须指出：①孕育铸铁原铁液的碳、硅含量不能太高，否则孕育处理后会使石墨数量增多，并且粗大化，反而降低铸铁的强度。②原铁液出炉温度不应低于1 400℃，以避免因孕育处理后铁液温度降低，使铸件产生浇不足、冷隔等缺陷。③经孕育处理后的铁液必须尽快浇注，以防止孕育作用衰退。

（5）灰铸铁件的生产特点　灰铸铁一般在冲天炉中熔炼，且大多不需炉前处理，成本低廉。而且，灰铸铁的化学成分接近共晶点，凝固过程中又有石墨化膨胀补偿收缩，故流动性好，收缩小，铸件的缩孔、缩松、浇不足、热裂、气孔倾向均小，具有良好的铸造性能。灰铸铁一般不通过热处理来提高其性能，这是因为灰铸铁组织中粗大石墨片对基体的破坏作用不能通过热处理来改善和消除。生产中仅对要求高的铸件进行时效处理，以消除内应力，防止加工后变形。

（6）灰铸铁的牌号选用　灰铸铁的牌号用汉语拼音字母“HT”和一组数字表示，数字表示其最低抗拉强度（MPa），如表1-3所示。其中：HT100、HT150、HT200属于普通灰铸铁，广泛用于一般铸件；HT250、HT300、HT350是经过孕育处理的孕育铸铁，用于要求较高的重要铸件。

表1-3　灰铸铁的牌号、性能及用途举例

续表

注：摘自GB9439—88。

必须指出，因灰铸铁件的性能不仅取决于铸铁的化学成分，还与铸件壁厚有关，所以在选择铸铁牌号时，亦必须考虑铸件壁厚。

3.可锻铸铁

可锻铸铁（malleable cast iron）俗称为玛钢或玛铁。将白口铸铁件经长时间的高温石墨化退火，使白口铸铁中的渗碳体分解，获得在铁素体或珠光体的基体上分布着团絮状石墨的铸铁，即可锻铸铁。

（1）可锻铸铁的性能、牌号及选用　可锻铸铁的石墨呈团絮状，大大减轻了对基体的割裂作用，故抗拉强度显著提高，一般，σ_b＝300～400MPa，最高达700 MPa。尤为可贵的是这种铸铁已具有一定的塑性和韧性（δ≤12%，a_K≤30J/cm²），“可锻铸铁”就是由此而得名的，但它并不能真正用来锻造。

按退火方法的不同，可锻铸铁可分为黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁三种。其牌号分别用汉语拼音字母“KTH”、“KTZ”、“KTB”及两组数字表示。数字分别表示其最低抗拉强度和伸长率。黑心可锻铸铁是铁素体基体，具有良好的塑性和韧性，耐蚀性较强，适于制造承受震动和冲击、形状复杂的薄壁小件，如各种水管接头、农机件等。

珠光体可锻铸铁的基体为珠光体，其强度、硬度、耐磨性优良，并可通过淬火、调质等热处理强化，可取代锻钢制造小型连杆、曲轴等重要件。白心可锻铸铁在我国极少使用，本书不作详细介绍。表1-4为可锻铸铁的牌号、性能和用途举例。

（2）可锻铸铁的生产特点　制造可锻铸铁件首先要铸出白口铸铁坯料，要求铸铁的碳、硅含量很低，以保证获得完全的白口组织。通常，w（C）＝2.4%～2.8%，w（Si）＝0.4%～1.4%。如果铸出的坯料中已有片状石墨，则退火后无法获得团絮状石墨的铸铁。

表1-4　可锻铸铁的牌号、性能及用途举例

注：摘自GB9400—88。

石墨化退火是制造可锻铸铁最主要的步骤。其退火工序是：将清理后的坯料置入退火箱中，并加盖用泥密封，再送入退火炉中，缓缓地加热到920～980℃的高温，保温10～20h，并按规范冷却到室温（对于黑心可锻铸铁还要在700℃以上进行第二阶段保温）。石墨化退火的总周期一般为40～70h。因此，可锻铸铁的生产过程复杂，而且周期长、能耗大、铸件成本高。

可锻铸铁虽然存在上述缺点，但在大量生产形状复杂，承受冲击载荷的薄壁小件中，仍有不可替代的位置。这些小件若用铸钢生产，困难较大；若用球墨铸铁生产，质量又难以保证。可锻铸铁不仅对原材料的限制小，且质量容易控制。

（3）可锻铸铁的铸造性能　可锻铸铁的碳、硅含量低，凝固温度范围大，故流动性差。薄件应适当提高浇注温度。可锻铸铁铸态是白口，其固态收缩大，铸件易产生应力、变形和裂纹。同时，可锻铸铁体积收缩大，铸件易产生缩孔、缩松缺陷。生产中通过改善铸型及型芯的退让性、放置冒口和冷铁等措施来防止。

4.球墨铸铁

球墨铸铁（ductile cast iron）是20世纪40年代末发展起来的一种新型铸造合金。它是向高温的铁液中加入一定量的球化剂和孕育剂，直接得到球状石墨而得到的。

（1）球墨铸铁的组织、性能、牌号及用途　球墨铸铁的牌号、性能和用途如表1-5所示，其牌号用汉语拼音字母“QT”和两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。

表1-5　球墨铸铁的牌号、性能及用途举例

注：摘自GB1348—88。

球墨铸铁按基体组织的不同，可分为铁素体球墨铸铁、铁素体-珠光体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁三大类。

1）珠光体球墨铸铁　珠光体球墨铸铁是指基体组织中珠光体质量分数占80%以上、其余为铁素体的球墨铸铁，通常经正火处理后得到。其性能特点是：

i）抗拉强度高，特别是屈服强度高，其屈强比（σ_0.2/σ_b≈0.7～0.8）高于45钢的屈强比（σ_0.2/σ_b≈0.6）。屈强比在机械设计中是最重要的力学性能指标之一。但珠光体球铁的伸长率低于45钢。

ii）疲劳强度较高。交变负荷使零件产生疲劳，实践证明，珠光体球墨铸铁的疲劳强度相当于甚至超过45钢。

iii）硬度和耐磨性远比高强度灰铸铁高，有些情况下（做曲轴）优于锻钢。因此，珠光体球墨铸铁可代替碳钢制造某些受较大交变负荷的重要件，如曲轴、连杆、凸轮、蜗杆等。

2）铁素体球墨铸铁　铁素体球墨铸铁是指基体中铁素体质量分数占80%以上、其余为珠光体的球墨铸铁，通常经退火处理得到。由于其基体为铁素体，因此它具有较高的塑性和韧性，力学性能优于可锻铸铁。铁素体球墨铸铁在我国主要用来代替可锻铸铁制造汽车、拖拉机底盘类零件，如后桥壳等；在国外则大量用于铸管，如上、下水管道及输气管道等。

由于球墨铸铁的石墨呈球状，对基体的割裂作用已降低到最低程度，基体强度利用率高达70%～90%，因此球墨铸铁的力学性能比灰铸铁有显著提高。它还可以像钢一样，通过热处理来进一步提高其性能。因多数球墨铸铁的铸态基体是珠光体和铁素体的混合组织，很少是单一的基体组织，有时存在自由渗碳体，而且形状复杂件还有残余应力，因此，球墨铸铁一般情况下都要进行热处理。热处理的目的主要是为了改善金属基体，获得所需的组织和性能。这点与灰铸铁不同。

（2）球墨铸铁的生产　球墨铸铁在一般铸造车间均可生产，但在熔炼技术、处理工艺上比灰铸铁要求更高。

1）控制原铁液化学成分。生产球墨铸铁所用的原铁液与一般灰铸铁基本相同，但成分控制较严，其中硫、磷对球墨铸铁的危害很大，其含量越低越好，一般应控制w（S）≤0.07%、w（P）≤0.1%，且要适当提高含碳量（w（C）＝3.6%～4.0%），以改善铸造性能和球化效果。

2）较高的铁液温度。出炉温度应高于1 400℃，以防止球化处理和孕育处理后铁液温度过低，使铸件产生浇不足等缺陷。

3）球化处理和孕育处理。球化处理和孕育处理是生产球墨铸铁的关键，必须严格控制。球化剂的作用是促使石墨在结晶时呈球状析出。我国广泛采用的球化剂是稀土镁合金。镁是主要的球化元素，但它密度小（1.73g/cm³）、沸点低（1 120℃），若直接加入铁液中将浮于液面并立即沸腾。这不仅使镁的回收率降低，也很不安全。稀土元素包括镧（La）、铈（Ce）、镱（Yb）等17种元素。稀土元素密度大，沸点高于铁液温度，故加入铁液中没有沸腾现象，同时有着强烈的脱硫去气能力，还能细化组织，改善铸造性能。但稀土元素的球化作用较镁弱，单独用它作球化剂时石墨球不够完整。稀土镁合金综合了稀土和镁的优点，而且结合了我国的资源特点，它作为球化剂对铁液进行球化处理，反应平稳，安全，并减少了镁的用量。球化剂加入量一般为铁液质量分数的1.0%～1.6%，在实际生产中还要根据铁液的化学成分和铸件大小而定。

孕育剂的作用是促进铸铁石墨化，防止球化元素所造成的白口倾向。同时，通过孕育处理可使石墨球圆整、细化，改善球铁的力学性能。常用的孕育剂为w（Si）＝75%的硅铁（常称75硅铁），加入量为铁液质量分数的0.4%～1.0%。

在生产中应用较普遍的球化处理工艺有冲入法和型内球化法，图1-18所示的为冲入法。它是将球化剂放在铁液包底部的“堤坝”内，上面铺以硅铁粉和稻草灰，以防球化剂上浮，并使其作用缓和。然后冲入占铁液包容量2/3的铁液，使球化剂和铁液充分反应。然后将孕育剂放在冲天炉出铁槽内，再冲入剩余的铁液进行孕育处理。

图1-18　冲入法

1—铁液　2—出铁槽　3—浇包　4—草灰　5—硅铁粉　6—合金球化剂

处理后的铁液应及时浇注，以防球化衰退和孕育衰退。为了克服球化衰退现象，进一步提高球墨铸铁的性能并减少球化剂用量，近年来型内球化法（见图1-19）得到一定的应用。它是将球化剂和孕育剂置于浇注系统内的反应室内，铁液流过时与之作用而进行的球化处理和孕育处理。型内球化法最适合在大批量生产的流水线上制造球墨铸铁件。

图1-19　型内球化法

1—冒口　2—集渣包　3—铸件　4—反应室

（3）球墨铸铁的铸造工艺特点　球墨铸铁较灰铸铁易产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等缺陷，因而在铸造工艺上要求较严格。

球墨铸铁含碳量高，其成分接近共晶点，且凝固收缩率低，而缩孔、缩松倾向却很大，这是其凝固特征所决定的。球墨铸铁在浇注后的一段时间内，铸件凝固的外壳强度很低，而球状石墨析出时的膨胀力却很大，每析出质量分数为1%的石墨，铁液体积就增加2%。当铸型刚度较小时，石墨膨胀致使初始形成的铸件外壳向外胀大，造成铸件内部铁液的不足，因而在铸件最后凝固的部位产生缩孔和缩松。而当铸型刚度较大时，铸件外形不会胀大，石墨膨胀值将补偿铸铁收缩值，不需冒口就可得到内部致密的铸件。

生产球墨铸铁件多通过安放冒口和冷铁实现定向凝固。在铸型刚度很好的条件下，也可不用冒口或用较小冒口，采用同时凝固原则。因此，球墨铸铁铸型的紧实度、透气性应比灰铸铁高，型砂水分不能过高，型腔排气能力要好。

球墨铸铁容易出现夹渣（MgS、MgO等）和皮下气孔等缺陷，浇注系统一般用半封闭式，以保证铁液迅速、平稳地流入型腔，并多采用滤渣网、集渣包等措施加强挡渣。

5.蠕墨铸铁

蠕墨铸铁（compacted graphite cast iron）是近十几年来开始研究和应用的一种新型铸铁材料，它是由原铁液经蠕化处理和孕育处理后得到的。

（1）蠕墨铸铁的组织、性能、牌号和用途　蠕墨铸铁的组织为金属基体上分布着蠕虫状石墨。这种石墨形态介于片状石墨和球状石墨之间，短而厚，头部较圆，形似蠕虫。蠕墨铸铁在性能上具有灰铸铁和球墨铸铁的一系列优点，独具一格。

1）力学性能（强度和韧性）比灰铸铁高，与铁素体球墨铸铁相近。

2）壁厚敏感性比灰铸铁小得多，当截面尺寸由30mm增加到200mm时，抗拉强度下降20%～30%，但仍在300MPa以上。蠕墨铸铁和灰铸铁壁厚敏感性比较如图1-20所示。

3）导热性和抗热疲劳性比球墨铸铁高得多，与灰铸铁相近。

4）耐磨性比灰铸铁好，为HT300的2.2倍以上。

5）减震性比球墨铸铁高，但比灰铸铁低。

6）工艺性能良好，铸造性能近于灰铸铁，切削加工性能接近于球墨铸铁。

蠕墨铸铁主要用来代替高强度灰铸铁、合金铸铁、铁素体球墨铸铁和铁素体可锻铸铁生产复杂的大型铸件，如大型柴油机机体、大型机床立柱等，更适合制造在热循环作用下工作的零件，如大型柴油机汽缸盖、排气管、制动盘、钢锭模及金属型等。蠕墨铸铁的牌号和力学性能如表1-6所示。其牌号用汉语拼音字母“RuT”和一组数字表示，数字表示最小抗拉强度。其中RuT260为铁素体基体，其余为铁素体和珠光体混合基体或珠光体基体。

图1-20　两种铸铁抗拉强度对壁厚的敏感性比较

1—蠕墨铸铁　2—灰铸铁

表1-6　蠕墨铸铁的牌号、性能及用途举例

注：摘自JB4403—87。

（2）蠕墨铸铁的生产　蠕墨铸铁的生产与球墨铸铁相似，铁液成分和温度要求亦相似。炉前处理时，也是采用冲入法，向高温、高碳、低硫、低磷铁液中加入蠕化剂进行蠕化处理，再加入孕育剂进行孕育处理。蠕化剂一般采用稀土镁钛、稀土镁钙或镁钛合金，加入量为铁液质量分数的1%～2%。

蠕墨铸铁的铸造性能接近于灰铸铁。缩孔、缩松倾向较小，铸造工艺较简便。

6.铸铁的熔炼

铸铁熔炼就是为了获得化学成分和温度满足需求的铁液，同时要求高效、低成本。常用的铸铁熔炼设备有冲天炉、中频和工频感应电炉、反射炉和电弧炉等，其中以冲天炉和工频感应电炉应用最广。工频感应电炉具有熔炼速度快、铁液成分和温度控制准确等优点，主要用于现代汽车铸件生产。

（1）冲天炉的熔炼过程　用于冲天炉的燃料为焦炭，它是冲天炉熔炼的主要热源；金属料有铸造生铁锭、回炉铁（浇注系统和冒口、废铸件）、废钢、铁合金（硅铁、锰铁）等；熔剂为石灰石，有时加入一些氟石。

在冲天炉熔炼过程中，高温的炉气不断上升，炉料不断下降，两者逆向运动产生如下过程：底焦燃烧，金属料被预热、熔化和过热，冶金反应使铁液成分发生变化。因此，金属在冲天炉内并非简单的熔化，实质上是一个冶金反应过程。

图1-21　冲天炉内炉气成分和温度的变化

1—一氧化碳成分曲线　2—二氧化碳成分曲线　3—氧气成分曲线　4—加料口　5—风口　6—金属料温度曲线　7—炉气温度曲线

1）底焦的燃烧。冲天炉内炉气及温度变化如图1-21所示。来自鼓风机的空气经风口进入炉内，与风口以上的焦炭发生完全燃烧，产生二氧化碳，放出大量的热。从风口至炉气中氧完全消失的区域，称为氧化带，氧化带最上层为炉温最高区（1 600～1 700℃）。

含有大量二氧化碳的高温炉气，在继续上升的过程中与焦炭发生还原反应，生成一氧化碳，并吸收大量热，使炉气中二氧化碳减少，一氧化碳增多，炉温下降。当炉温降到1 000℃左右时，二氧化碳的还原反应不再进行。从氧化带最上层至还原反应停止的区域称为还原带。还原带最上层直到加料口为预热带。预热带中因炉温较低，又无氧气，故仅起预热炉料作用，炉气成分基本不变。

风口以下的炉缸区，因无炉气流动，焦炭几乎不燃烧。

显然，燃烧反应主要是在风口以上的底焦中进行，层焦在未进入底焦层时几乎不燃烧，层焦的作用在于补充底焦的消耗，以维持底焦高度不变。

2）炉料的熔化。从加料口装入的炉料逆着上升的高温炉气下降，并被逐步加热到熔化温度。当温度达到1 100～1 200℃时，开始熔化成铁滴。下落的铁滴经过过热区时，被高温的炉气和炽热的焦炭进一步加热，最后落入炉缸并流到前炉。

炉料中的石灰石在700℃左右分解出氧化钙，这种碱性氧化物与焦炭以及被侵蚀的炉衬材料等酸性氧化物结合成熔点较低、密度较小的液态熔渣，浮于铁液表面，从出渣口排出炉外。

在熔化过程中必须控制底焦高度，以保证熔化区（熔化带）位于还原带的下层。因为此区的炉气没有氧化性，铁料在此区熔化可减少金属元素的烧损。同时，熔化的铁滴因被充分过热，故出炉的铁液温度高。如果底焦高度过低，金属熔化虽快，但金属氧化损耗加剧，铁液温度低。底焦高度过高，金属炉料位于低温区，要待多出的炉料燃烧到正常高度时，金属料才开始熔化，因此熔化率低，焦炭消耗量大。

（2）铁液化学成分的控制　由于熔炼过程中铁料与炽热的焦炭和高温的炉气直接接触，将使铁液的化学成分发生如下变化：

1）炉气具有氧化性，使铁液中的硅、锰烧损，一般烧损量（质量分数）硅为10%～20%，锰为15%～20%。

2）一方面，铁料中的碳被炉气氧化烧损；另一方面，铁液与炽热的焦炭直接接触而吸收碳，使含碳量增加。因此，含碳量的最终变化是炉内渗碳与脱碳两个过程的综合结果。实践证明，铁液含碳量变化总是趋于共晶含碳量（即饱和含碳量），当铁料w（C）＜3.6%时，以增碳为主；当w（C）＞3.6%时，则以脱碳为主。鉴于铁料一般w（C）＜3.6%，故多为增碳。

必须指出，共晶含碳量只是铁料含碳量的变化趋向。实际上铁料含碳量愈低，铁液含碳量也愈低。所以在制造孕育铸铁、可锻铸铁时，为得到低碳铁液，必须在铁料内配入一定比例的废钢，以降低原始铁料的含碳量。

3）铁料因吸收焦炭中的硫，使铁液中硫的质量分数增加50%左右。

4）磷基本不变。

进行配料时，先根据铁液化学成分要求折算出铁料应达到的平均化学成分。然后，根据各种库存材料的成分，确定每批炉料中生铁锭、各种回炉料、废钢的比例。为弥补铁料中硅、锰等元素的烧损，可加入一定量的硅铁、锰铁等铁合金。由于冲天炉内通常难以脱硫、脱磷，因此欲得到低硫、低磷铁液，主要依靠采用优质焦炭和铁料来实现。

1.1.3.2　铸钢件生产

铸钢（cast　steel）的应用仅次于铸铁，铸钢件产量（以重量计）占铸件总量的12%左右。其主要优点是力学性能高，其强度、特别是塑性和韧性比铸铁高很多。它主要用来制造承受重载荷及冲击载荷的零件，如火车转向架零件、锻锤机架、砧座、高压阀门和轧辊等。此外，铸钢的焊接性能优良，适于采用铸焊联合工艺制造形状复杂的重型铸件。

1.铸钢的分类、性能及应用

按化学成分，铸钢分为铸造碳钢和铸造合金钢两大类，其中碳钢应用较广，约占铸钢件总产量（以重量计）的80%以上。表1-7所示为常用一般工程用碳素铸钢的牌号、成分、性能及用途举例。铸钢的牌号用拼音字母“ZG”和两组数字表示，第一组数字表示屈服强度值，第二组数字表示抗拉强度值，单位均为MPa。表中的力学性能为热处理状态下的性能。

表1-7　工程用碳素铸钢的牌号、化学成分、性能及用途

续表

注：摘自GB1352—89。

常用的铸造碳钢主要是w（C）＝0.25%～0.45%的中碳钢。这是由于低碳钢熔点高，流动性差，易氧化和热裂，通常仅利用其软磁特性制造电磁吸盘和电机零件。高碳钢虽然熔点较低，但塑性差，易产生冷裂，仅用来制造某些耐磨件。为了提高钢的力学性能，可在碳钢的基础上加入少量（质量分数小于3.5%）合金元素，如锰、硅、铬、钼、钒等，这些低合金结构钢淬透性好，适于制造需要热处理强化的合金结构钢铸件。

如果要使铸钢件具有耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能，则需要加入更多合金元素的高合金钢，其加入量（质量分数）一般大于10%。例如，ZGMn13钢为铸造耐磨钢，其平均w（C）＝1.2%，w（Mn）＝13%。这种钢经淬火水韧处理后，在室温下为单相奥氏体组织，具有很高的韧性。零件在使用过程中，表层因受到撞击而产生加工硬化，硬度和耐磨性大大提高，但心部仍有很高的韧性，可承受较大的冲击。因此ZGMn13钢常用来制造坦克和推土机的履带板、火车道叉、破碎机颚板、大型球磨机衬板等。又如ZG1Cr18Ni9铸造镍铬不锈钢，其耐蚀性高，常用来制造耐酸泵、天然气管道阀门等石油、化工用机械和设备零件。

2.铸钢件的铸造工艺特点

铸钢的熔点高，钢液易氧化，吸气，流动性差，收缩大，因此，铸钢较铸铁铸造困难，易产生浇不足、气孔、缩松、缩孔、裂纹、夹渣和粘砂等缺陷。为获得合格的铸件，常采用以下工艺措施：

1）铸钢用砂要具有高耐火性、良好的透气性和退让性。为此，原砂必须采用人造硅砂，中、大件铸型一般采用强度较高的粘土干型或CO₂气体硬化水玻璃砂型。为防止粘砂，铸型表面应涂刷一层专用耐火涂料。

2）铸钢件要安放冒口和冷铁，以实现定向凝固。除薄壁铸件和小件外，几乎绝大多数铸钢件都采用冒口和冷铁来控制铸件的冷却速度，以获得良好的补缩效果，防止铸件产生缩孔和缩松。如图1-22所示的齿轮铸钢件，由于其壁厚不均匀，在最厚的中心轮毂处及轮缘与轮辐连接的热节处极易形成缩孔，铸造时必须保证对这两部分的充分补缩。该工艺为了减少冒口金属液的损耗，现采用三个冒口和三块冷铁来控制铸件的凝固，这样，轮缘形成了三个补缩区。为了向轮毂及其与轮辐交接处的热节进行补缩，在轮毂中央安放了一个大冒口。

图1-22　铸钢齿轮圈的铸造工艺

1—水平补贴　2—防裂肋　3—外冷铁　4—暗冒口　5—垂直补贴　6—热节　7—明冒口

3）必须严格控制浇注温度，防止其过高或过低。浇注温度应根据钢号和铸件结构来确定，一般为1 500～1 650℃。对于低碳钢、薄壁小件或结构复杂不容易浇满的铸件，应取较高的浇注温度；对于高碳钢、大铸件、厚壁铸件及易产生热裂的铸件，应取较低的浇注温度。

4）铸钢件的热处理。热处理是铸钢件的必要工序。钢件铸态晶粒粗大，组织不均匀，且常存在有残余内应力，使钢件的强度，特别是塑性和韧性降低，所以必须对钢件进行正火或退火处理，以细化晶粒、提高力学性能和消除内应力。退火适用于w（C）≥0.35%或结构特别复杂的铸钢件，正火适用于w（C）＜0.35%的铸钢件。

3.铸钢的熔炼

熔炼是铸钢生产中一个重要的环节，钢液的质量直接关系到铸钢件的质量。生产成形铸钢件的冶炼设备有平炉、转炉、电弧炉和感应炉，但最常用的是1～5t的三相电弧炉，如图1-23所示。因这种炼钢炉开炉和停炉方便，钢液质量高，可炼的钢种多，采用碱性炼钢法时，对金属炉料（如废钢及回炉料）的质量要求不高，故得到广泛应用。对于高级合金钢和含碳量极低的铸钢，常采用熔炼速度快、钢液成分和质量控制更准确的中频或工频感应电炉来熔炼。

1.1.3.3　非铁合金铸件生产

非铁铸造合金是指除铸钢、铸铁以外的铸造合金。其种类较多，这里仅介绍工业中常用的铸造铜合金和铸造铝合金。

1.铸造铜合金

铸造铜合金因其具有良好的耐蚀性和减摩性，并具有一定的力学性能，虽然价格较高，但目前仍是工业上不可缺少的合金。按其成分不同，铸造铜合金可分为两类。

（1）铸造黄铜　铸造黄铜（cast brass）主要成分是铜和锌，锌在铜液中有较高的溶解度。随着含锌量的增加，合金的强度、塑性显著提高，但w（Zn）＞47%时力学性能将显著下降，故黄铜w（Zn）＜47%。铸造黄铜除含有锌外，还常含有硅、锰、铝、铅等合金元素。

图1-23　三相电弧炉

1—电极　2—加料口　3—钢液　4—倾斜机构　5—炉墙　6—出液口　7—电弧

铸造黄铜有相当高的力学性能，如σ_b＝250～450MPa，δ＝7%～30%，硬度为60～120HBS。其含铜量低于铸造青铜，而且它的凝固温度范围小，有优良的铸造性能，所以铸造黄铜常用来生产重载低速下的或一般用途的轴承、衬套、齿轮等耐磨件和阀门以及大型螺旋桨等耐蚀件等。

（2）铸造青铜　铸造青铜（cast bronze）是指除了铜锌合金以外的其他铜合金。铜锡合金是最普通的青铜，称为锡青铜。铸造锡青铜的力学性能虽低于黄铜，但其耐磨、耐蚀性优于黄铜。由于锡青铜的结晶温度范围宽，容易产生显微缩松，这些缩松就像“储油槽”，使锡青铜特别适合制造高速滑动轴承和衬套。除锡青铜外，还有铝青铜、铅青铜、铍青铜等，其中，铝青铜有优良的力学性能和耐磨、耐蚀性，但铸造性能较差，仅用于重要用途的耐磨、耐蚀件。几种常用铸造铜合金的合金代号、主要成分、性能和用途举例如表1-8所示。

表1-8　几种常用铜合金的合金代号、主要成分、性能和用途举例

续表

注：S—砂型铸造；J—金属型铸造。

2.铸造铝合金

铝合金密度小，比强度高（强度/重量），熔点低，导电、导热和耐蚀性优良，常用来制造一些要求比强度高的铸件。

铸造铝合金（cast aluminum alloys）分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金及铝锌合金四大类。其中铝硅合金因流动性好、线收缩率低、热裂倾向小、气密性好，又有足够的强度，所以应用最广，常用来制造形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的铸件，如内燃机缸体、化油器、仪表外壳等。铝铜合金的铸造性能差，如热裂倾向大、气密性和耐蚀性较差，但耐热性较好，主要用来制造活塞、汽缸头等。铝镁合金的比强度是所有铝合金中最高的，它主要用于航天、航空或长期在大气、海水中工作的零件等。几种铸造铝合金的牌号、成分、性能和用途举例如表1-9所示。

表1-9　几种常用铝合金的牌号、成分、性能和用途举例

注：S—砂型铸造；J—金属型铸造。

3.铸造铜合金、铝合金的熔炼和铸造

铸造铜合金、铝合金在高温液态下均极易氧化和吸气，铜合金氧化后生成氧化亚铜（Cu₂O），且溶解于铜合金中，降低力学性能，特别是降低塑、韧性。铝合金氧化后生成Al₂O₃，它的熔点高达2 050℃，且化学稳定性高，密度稍大于铝，易沉于铝液中，形成非金属夹渣。同时，铝液和铜液还极易吸收氢气，形成氢气孔。

为防止上述缺陷的产生，保证非铁合金件质量，在熔炼工艺上需采取下列措施：

1）用熔剂覆盖金属液面，以隔绝空气、防止氧化。熔炼青铜时用木炭、碎玻璃、苏打、硼砂等，熔炼铝合金时用KCl、NaCl、CaF₂等。

2）脱氧、去气精炼。为了将Cu₂O脱氧还原，铜合金熔炼时均需加入质量分数为0.3%～0.6%的磷铜（其中磷的质量分数为8%～14%）进行脱氧，其反应如下：

5Cu₂O＋2P＝10Cu＋P₂O₅↑

6Cu₂O＋2P＝10Cu＋2CuPO₃（上浮进入渣中）

熔炼黄铜时，因锌本身就是良好的脱氧剂，且锌氧化后可在铜液表面生成比较致密的氧化锌薄膜保护铜液，所以一般不需另加熔剂和脱氧剂。

为了去除铝液中的氢及Al₂O₃夹杂，出炉前要对铝液进行精炼。其原理是利用不溶于金属液的外来气泡，将有害气体和Al₂O₃夹杂一并带出液面而去除。精炼方法有多种，较为简便的是用钟罩向铝液中压入六氯乙烷（C₂Cl₆）或用管子向铝液内吹氯气5～10min。精炼过程中发生如下反应：

3C₂Cl₆＋2Al＝3C₂Cl₄↑＋2AlCl₃↑

3Cl₂＋2Al＝2AlCl₃↑

Cl₂＋H2＝2HCl↑

AlCl₃的沸点仅183℃，故形成气泡。而氢在AlCl₃、HCl及剩余氯气泡中的分压力等于零，因此铝液中的氢向气泡中扩散，然后被上浮的气泡带出液面。同时，上浮的气泡还将Al₂O₃夹杂一并带出。

3）采用坩埚炉熔炼。将铜合金或铝合金置于坩埚炉中（铜合金用石墨坩埚，铝合金用铸铁坩埚），间接加热，使金属料不与燃料直接接触，以减少金属烧损，保持金属液纯净。

4）为了减少非铁合金在浇注过程中再度氧化、吸气，应尽量使其平稳快浇、快凝，因此多采用底注式或某些特殊的浇注系统，防止金属飞溅，使其连续平稳地导入型腔。同时，为使铸件表面光洁，减少机械加工余量，应尽量选用细砂造型。特别是铜合金铸件，由于合金液的密度大，流动性好，易渗入砂型孔隙间而产生机械粘砂，使铸件清理工作量加大，所以，多采用金属型铸造使之快速冷凝，减少吸气，得到组织致密、表面质量高的铸件。

铜合金、铝合金的凝固收缩率比铸铁大，除锡青铜外，一般都需安放冒口使其定向凝固，以利于补缩。