常用合金铸件的生产特点

铸造合金的熔炼及浇铸工艺，对获得优质高产的铸件是十分重要的，它与铸型制备相辅相成，缺一不可。

8.4.1 灰铸铁件

1.灰铸铁的性能

灰铸铁中碳大部分或全部以片状石墨形式出现，因断口呈灰色，故称为灰铸铁。灰铸铁是铸造生产中应用最广的一种金属材料。它的抗拉强度虽然比碳钢低，却具有良好的吸震性能、小的缺口敏感性和良好的自润滑作用及储油结构。灰铸铁常用来制造承受冲击载荷较小，需要减振、耐磨的零件，如机床床身、机架、箱体，支座、外壳等。

由于灰铸铁的碳硅当量接近共晶成分，熔点低，结晶温度范围小，逐层凝固方式，流动性好。另外，凝固时石墨析出，使总收缩较小，因此，灰铸铁具有良好的铸造性能，熔铸工艺容易，铸件缺陷少。

2.熔铸特点

（1）灰铸铁的熔炼。灰铸铁的熔化，并不是单纯把固体的金属材料熔化成液体金属，而是要获得化学成分合格、温度足够高的铁水，以浇铸出合格的铸件。

灰铸铁的熔化设备有冲天炉、工频炉和电弧炉等，其中，冲天炉使用最广泛。操作时，先装好底焦，并分批把由金属料、焦炭和熔剂组成的炉料依次装满炉膛，然后点火鼓风熔炼。十分钟后即有熔化的铁水，待炉内铁水积聚一定数量时，可先行出渣，再出铁水，并将铁水分装入浇包准备浇铸。冲天炉是以每小时化铁量（t／h）表示其生产能力的，生产中以2t／h～10t／h的冲天炉为常见。

金属炉料熔化后得到的铁水，一般元素含量将有变化：碳量增加并趋于饱和，含碳量w（C）=3.0％～3.4％，硅烧损30％～10％，锰烧损40％～10％，硫增加50％，磷基本不变。因此，在进行配料计算时应考虑这些变化，以保证出炉的铁水成分符合要求。

冲天炉熔化出炉的铁水温度要控制在1 360℃～1 420℃，以保证充型良好、减少缺陷。

（2）铸造工艺特点。灰铸铁的熔点低，浇注温度较低，对铸型材料（型砂）的要求不高，收缩小，铸件不易产生缩孔、裂纹等缺陷，—般不设置冒口或冷铁，流动性好，可以铸造出形状复杂、薄壁铸件。

8.4.2 孕育铸铁件

孕育铸铁是抗拉强度大于250MPa的灰口铸铁，它是将低碳的灰铸铁水，过热后加入一定量的孕育剂，又称变质剂（如硅铁）作孕育处理，使铸铁中石墨片细化、分布均匀，从而提高了铸铁的力学性能。

孕育铸铁的原铁水来自冲天炉等，要控制其碳硅量不宜过高，即w（C）=2.7％～3.3％、w（Si）=1.2％～2.0％、w（Mn）=1.0％、w（S）＜0.12％、w（P）＜0.3％，为此，须在冲天炉炉料中加入25％～50％的废钢，以调节碳硅量，使石墨片不至于粗化。碳硅量也不能太低，否则，会使熔炼困难、铸造性能变差。

孕育处理用的变质剂常为含w（Si）=75％的硅铁，加入量一般为被处理铁水重量的0.2％～0.6％，变质剂宜在出铁或浇注前加在出铁槽或浇包中，并在孕育处理后立即浇注，以免孕育失效。

孕育处理会使铁水温度降低，故原铁水的出炉温度应适当提高，为1 400℃～1 450℃。

孕育铸铁的铸造性能比灰口铸铁差，流动性较差、收缩较大，对型砂性能要求提高，一般要设置冒口或冷铁。然而，孕育铸铁对冷速的敏感性小，即冷速对铸件的组织与性能影响较小，因此，铸件截面上或不同壁厚处的组织性能比较均匀。这使它十分适合于制造对强度，耐磨性要求较高的重要铸件和厚大铸件。

8.4.3 可锻铸铁件

可锻铸铁又称玛铁，是将白口铸铁件作高温长时间退火处理后制得的。经处理，使铸铁中的Fe3C发生分解，析出团絮状石墨，铸件力学性能提高，Rm＞300MPa，尤为可贵的是它具有一定的塑性与韧度（A≤12％、KV（KU）≤30J／cm2），故得名可锻铸铁，实际上不能制造锻件。

可见，能否制得碳硅含量低的白口铸铁件，是获得可锻铸铁的关键。因此，必须严格控制从冲天炉中熔化的原铁水成分，尤其是含碳量应在w（C）=2.2％～2.8％，硅应在w（Si）=0.8％～1.4％；并且要作炉前三角试样检验。如果试样断口全呈灰色，说明碳硅量过高，不能浇注铸件，如果断口亮白，则可浇注铸件。

由于原铁水的碳硅量低，使熔点升高，结晶温度范围加大，流动性变差，收缩加大，铸造性能变差，铸件容易产生缺陷。对此，除严格控制铁水成分和加入废钢调节成分外，要求铁水的出炉温度和浇注温度提高，选用高耐火性和退让性的型砂；设置冒口与冷铁，加大浇口断面，加强挡渣、撇渣措施，以减轻因废钢加入引起的熔渣的危害，同时，要加快浇注等。

可锻铸铁件生产过程复杂、周期长、成本较高，仅适于制造力学性能要求较高的薄壁小件。

8.4.4 球墨铸铁件

向高温、低硫磷的原铁水中加入球化剂和孕育剂，处理后制得呈球状石墨的铸铁，即为球墨铸铁，简称球铁。

熔炼球铁用的原铁水成分必须严格控制，一般w（C）=3.7％～3.9％，w（Si）=1.4％～1.8％，w（S）≤0.07％，w（P）≤9.1％，即“高碳低硅低硫磷”。尤其是硫、磷愈低愈好，因为硫会与球化剂作用，不仅增加球化剂的加入量，而且使石墨不易球化，而磷会降低球铁的强度、塑性和韧度，使铸件容易脆断。因此，须对来自冲天炉的原铁水及经处理后的铁水作炉前检验，以迅速了解原铁水成分和球墨化处理的成败，及时采取补救措施。这是熔炼球铁必不可少的重要环节。

球铁处理工艺包括球化处理和孕育处理，常用的球化剂为稀土镁合金，加入量为处理铁水量的1.0％～2.0％，孕育剂为含硅w（Si）=75％的硅铁，球墨化处理的铁水温度常在1 350℃～1 450℃。

球铁的铸造性能比灰口铸铁差。因为，经球墨化处理后，铁水温度下降很大（约100℃），而且结晶呈糊状凝固，使流动性变差，铁水充型能力降低，铸件容易产生缺陷。对此，原铁水温度应足够高，同时，加大内浇口截面和提高浇注速度。球铁的收缩比灰口铸铁大，但缩前因石墨析出引起的膨胀也大，因而，凝固后期，一方面由于缩前膨胀使型腔胀大，铸件尺寸变大（内腔变小），另一方面由于收缩大又使铸件容易产生缩孔。对此，应按照顺序凝固原则，增设冒口与冷铁，或采取“平浇立冷”等工艺。采用干型或水玻璃砂快干铸型，以防范铸件收缩引起的应力、变形和裂纹。另外，球铁中Mg S会与型砂中的水作用，形成的硫化氢气体是铸件产生气孔的根源，故应严格控制型砂含水量及铁水含硫量或提高铸型透气性。

球铁铸件一般都要热处理。这不仅是为了消除内应力，而且是为了提高球铁铸件的性能。因为，球状石墨对基体的消极影响已经很小，有条件像钢那样通过热处理，改善组织和性能。球铁铸件常用的热处理有石墨化退火、正火和等温淬火等，使球铁力学性能远高于可锻铸铁。

8.4.5 蠕墨铸铁件

近年来发展一种新型铸铁——蠕墨铸铁，它的石墨片短而厚、钝而圆、呈蠕虫状，故得名。蠕墨铸铁的力学性能介于基体相同的灰口铸铁与球铁之间。它的耐热疲劳性能优于球铁，耐磨性能优于孕育铸铁。因此，蠕墨铸铁是制造缸盖、铸模及机床床身等零件的一种很有前途的材料。

蠕墨铸铁是向冲天炉炼得的原铁水加入稀土镁钛等蠕化剂和稀土硅铁等变质剂，处理后制得的。它的铸造性能与灰口铸铁相当，所以，铸造工艺简便，应用前景很好。

除了上述几种铸铁外，为满足各种机器零件对铸铁的特殊需求，向铸铁中加入铝、硅、铬、钼、铜，锰等元素，而制得具有耐磨、耐热等的合金铸铁，供人们选用。有关合金铸铁的熔铸工艺在此不再讲述。

8.4.6 铸钢件

铸钢有碳素铸钢和合金铸钢两类，它们的熔铸工艺比灰口铸铁困难。铸钢的熔炼设备有电弧炉、感应炉、平炉、等离子弧炉等。电弧炉应用最广，感应炉及等离子弧炉主要用于熔炼合金钢，平炉用得较少。碳素铸钢的铸造工艺比较复杂。钢的熔点高，多数钢种的结晶温度范围较宽，呈糊状凝固或中间凝固方式，流动性差，收缩大，而且，熔炼过程中吸气较多，氧化严重，因而铸造性能很差。为此，要采用高强度、高耐火性、良好退让性和透气性的型砂，石英砂的颗粒要大，在铸型壁表面涂刷石英粉或锆砂粉等耐火材料，采用水玻璃砂型等。另外，铸钢件的浇注系统形状应力求简单，断面要大，内浇口要多，铸件壁厚要尽可能均匀，避免大的水平壁结构，当壁厚不均匀时，应按顺序凝固原则配置大的冒口与冷铁。有些铸件在转角处设“拉筋”结构，以防收缩时产生裂纹。

铸钢件必须进行热处理，以消除应力，细化晶粒和提高力学性能。常用的热处理有退火，正火等。

8.4.7 铜合金铸件

纯铜的强度低，工业上常用铜合金制作铸件。不论是黄铜还是青铜，熔炼中都极易氧化和吸气。有些铜合金，如铅青铜还有较大的比重偏析倾向。因此，铜合金熔铸工艺应注意如下要点。

（1）炉料，包括铜料、中间合金和熔剂与脱氧剂等。中间合金是为了便于将一些难熔元素，如锰、铁、镍等，加入到铜液中进行熔炼，而专门配制的低熔点合金。例如，由64％～65％的铜和34％～36％的锰配制的中间合金，其熔点仅868℃。

（2）熔剂，如硼砂、苏打、萤石等，可以造渣覆盖在金属液上，隔绝空气的侵袭，并去除合金中的杂质。有些铜合金熔炼时还加入脱氧剂，以防铜氧化物Cu2O与铜形成低熔点共晶，冷凝过程中积聚在晶界上，使铜合金力学性能下降。例如，熔炼青铜时加入磷铜，它与氧作用生成P2O5而脱氧。应当指出，黄铜中的锌是很好的脱氧剂，熔炼时不再另加脱氧剂。

（3）铜合金的熔炉有坩埚炉、工频感应炉和反射炉等。熔炼时炉料不应与燃料直接接触。当熔炼好的铜合金成分合格、温度合适时即可进行浇注。一般黄铜在980℃～1 150℃、锡青铜在1 050℃～1 200℃、铝青铜在1 150℃～1 220℃浇注。

（4）多数的铜合金熔点低、流动性好，对型砂耐火性要求不高，可以用细颗粒的原砂造型。因而铸件的尺寸比较精确，表面比较光洁。但是，多数铜合金，尤其是铝青铜，收缩大，易吸气和氧化，因此，除了要选用透气性和退让性好的型砂造型外，还须按顺序凝固原则设置冒口与冷铁，采用能够有效减轻氧化与吸气的浇注系统。例如，铝青铜件常用底注式浇注系统。另外，浇注时不能断流或发生飞溅与涡流，尽可能使金属液迅速而平稳地充满铸型。对于结晶温度范围大的锡青铜件，在壁厚不大时可采取同时凝固的措施，如金属型铸造。对于比重偏析倾向大的铅青铜件，则应在浇注前作充分而均匀的搅拌，浇注后使之快速冷却。

8.4.8 铝合金铸件

铝合金有铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金等四大类，它们都可用铸造生产铸件。熔铸工艺既有相似之处，又各具特点。

铝合金在高温下，比铜合金更易氧化和吸气。铝和氧生成致密的Al2O3膜，不仅会使铸件产生夹杂，而且还阻碍铝液中的氢气逸出，使铸件内形成分散的小气孔，力学性能明显降低。

铝合金常用坩埚炉等熔炼，炉料不能与燃料接触，须在熔剂层下加精炼剂进行熔炼，包括去气精炼。常用的熔剂有KCl、NaCl、CaF2和Na3AlF6等。常用的精炼剂有氯气和氯化铵等。氯气通入铝合金液中，将分别与铝作用而形成A1Cl3入渣除去；与氢作用形成氯化氢气体逸出铸件。从而达到熔炼、去气精炼的目的。

铸造铝合金熔点很低，流动性好，对型砂耐火性要求低，可用细砂造型。因而，铸件尺寸比较精确，表面比较光洁，还可浇铸薄壁铸件。与铜合金铸造类似，常用底注式浇注系统，要求迅速而平稳地使金属液充满铸型。对于铸造性能较差的铝铜合金及铝镁合金，由于它们的收缩较大，故应选用退让性足够的型砂和芯砂，提高浇注温度，设置冒口等，以防铸件产生缺陷。