常用合金铸件生产

7.3　常用合金铸件生产

机械制造业中常用合金有铸铁、铸钢和非铁合金中的铝、铜及其合金，本节主要介绍这几种材料的性能、生产特点及应用。

7.3.1　铸铁件的生产

铸铁是碳含量大于2.11%的铁－碳合金，铸造合金中应用最广。在实际应用中，铸铁是以铁、碳和硅为主要元素的多元合金。铸铁的常用成分范围见表7－13。

表7－13　铸铁的常用成分范围

根据碳的存在形式的不同，铸铁可分为白口（碳以渗碳体形式存在）铸铁、石墨型（碳以石墨形式存在）铸铁和麻口（即有白口又有石墨）铸铁；根据铸铁中石墨形态的不同，石墨型铸铁又分为普通灰铸铁（简称灰铸铁）、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁；根据铸铁化学成分的不同，还可将铸铁分为普通铸铁和合金铸铁。在实际应用和生产中，石墨型铸铁最普遍而且最多。

1.灰铸铁

1）灰铸铁的显微组织和性能特点

灰铸铁的显微组织为金属基体（F、F＋P、P）与片状石墨（G）所组成，如图7－54所示。

图7－54　灰铸铁的显微组织

性能特点:灰铸铁的抗拉强度和弹性模量均比钢低得多，通常σ_b为120～250 MPa，抗压强度与钢接近，一般可达600～800MPa，塑性和韧度近于零，属于脆性材料，不能锻造和冲压；焊接时产生裂纹的倾向大，焊接区常出现白口组织，焊后难以切削加工，焊接性差；灰铸铁的铸造性能优良，铸件产生缺陷的倾向小；由于石墨的存在切削加工性能好，切削加工时呈崩碎切屑，通常不需加切削液；灰铸铁的减振能力为钢的5～10倍，是制造机床床身、机座的主要材料；灰铸铁的耐磨性好，适于制造润滑状态下工作的导轨、衬套和活塞环等。

影响铸铁性能的因素主要有基体组织和石墨的分布状况。珠光体越多，石墨分布越细小均匀，强度、硬度也越高，耐磨性越好。要想控制铸铁的组织和性能，必须控制铸铁的石墨化程度。

影响铸铁石墨化的主要因素是化学成分和冷却速度。

（1）化学成分　它们对铸铁石墨化的影响如下。

碳和硅是铸铁中最主要的元素，对铸铁的组织和性能起着决定性的影响。

碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的元素。碳含量越高，析出的石墨就越多、越粗大，而基体中的铁素体含量增多，珠光体则减少；反之，石墨减少且细化。

硅是强烈促进石墨化的元素。实践证明，若铸铁中含硅量过少，即使碳含量很高，石墨也难以形成。硅除能促进石墨化外，还可改善铸造性能，如提高铸铁的流动性、降低铸件的收缩率等。

锰和硫在铸铁中是密切相关的。

硫是严重阻碍石墨化的元素。硫含量高时，铸铁有形成白口的倾向。硫在铸铁晶界上形成低熔点（985℃）的共晶体（FeS＋Fe），使铸铁具有热脆性。此外，硫还使铸铁铸造性变坏（如降低铁液流动性、增大铸件收缩率等），通常将硫含量限制在0.1%～0.15%以下，高强度铸铁则应更低。

锰能抵消硫的有害作用，故属于有益元素。因锰与硫的亲和力大，在铁液中会发生如下反应:Mn＋S＝MnS，Mn＋FeS＝Fe＋MnS；MnS的熔点约为1　600℃，高于铁液温度，因它的密度较小，故上浮进入熔渣而被排出炉外，而残存于铸铁中的少量MnS呈颗粒状，对力学性能的影响很小。铸铁中的锰除与硫发生作用外，其余还可溶入铁素体和渗碳体中，提高了基体的强度和硬度；但过多的锰则起阻碍石墨化的作用。铸铁中的锰含量一般为0.6%～1.2%。

磷的影响不显著，可降低铁液的黏度而提高铸铁的流动性。当铸铁中的磷含量超过0.3%时，则形成以Fe₃P为主的共晶体，这种共晶体的熔点较低、硬度高（390～520HB），形成了分布在晶界处的硬质点，因而提高了铸铁的耐磨性。因磷共晶体呈网状分布，故含磷过高会增加铸铁的冷脆倾向。因此，对一般灰铸铁件来说，一般应将磷含量限制在0.5%以下，高强度铸铁则应限制在0.2%～0.3%以下，只是某些薄壁件或耐磨件中的磷含量可提高到0.5%～0.7%。

图7－55　铸铁组织与成分和铸件壁厚的关系

Ⅰ—白口区；Ⅱ_a—麻口区；Ⅱ—珠光体灰口区；

Ⅱb—珠光体＋铁素体灰口区；Ⅲ—铁素体灰口区

图7－56　三角形试样的断口

1—白口；2—灰口；3—麻口

（2）冷却速度　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，图7－55所示为铸铁组织与成分和冷却速度（用铸件壁厚表示）的关系。由图7－56所示为三角形试样的断口处可以看出，冷却速度很快的下部尖端处呈银白色，属于白口组织；其心部晶粒较为粗大，属于灰口组织；在灰口和白口交界处属麻口组织。这是由于缓慢冷却时，石墨得以顺利析出；反之，石墨的析出受到了抑制。为了确保铸件的组织和性能，必须考虑冷却速度对铸铁组织和性能的影响。铸件的冷却速度主要取决于铸型材料的导热性和铸件的壁厚。

利用激冷在同一铸件的不同部位采用不同的铸型材料，使铸件各部分的组织和性能不同。如冷硬铸造轧辊、车轮时，就是采用局部金属型（其余用砂型）以激冷铸件上的耐磨表面，使其产生耐磨的白口组织。

壁厚的影响:在铸型材料相同的条件下，壁厚不同的铸件因冷却速度的差异，铸铁的组织和性能也随之而变，因此，必须按照铸件的壁厚选定铸铁的化学成分和牌号。

2）灰铸铁的用途

根据牌号的不同而选用不同的同途:低负荷和不重要的零件，如防护罩、小手柄、盖板和重锤等；承受中等负荷的零件，如机座、支架、箱体、带轮、轴承座、法兰、泵体、阀体、管路、飞轮和电动机座等；承受较大负荷的重要零件，如机座、床身、齿轮、飞轮、齿轮箱、中等压力阀体、气缸体和气缸盖等；承受高负荷、要求耐磨和高气密性的重要零件，如重型机床床身、压力机床身、高压液压件、活塞环、齿轮和凸轮等。

3）灰铸铁的孕育处理

向铁液中冲入硅铁合金孕育剂，然后进行浇注的处理方法。用这种方法制成的铸铁称为孕育铸铁。由于铁液中均匀地悬浮着外来弥散质点，增加了石墨的结晶核心，使石墨化作用骤然提高，因此石墨细小且分布均匀，并获得珠光体基体组织，使孕育铸铁的强度、硬度比普通灰铸铁显著提高，碳含量越少、石墨越细小，铸铁的强度、硬度就越高。

孕育铸铁的另一优点是冷却速度对其组织和性能的影响甚小，因此铸件上厚大截面的性能较为均匀。

孕育铸铁的用途:静载荷下要求较高强度、高耐磨性或高气密性铸件及厚大铸件。

生产工艺:须熔炼出碳、硅含量均低的原始铁液（w_C＝2.7%～3.3%、w_Si＝1%～2%）。孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁液质量的0.25%～0.60%。孕育处理时，应将硅铁均匀地加入到出铁槽中，由出炉的铁液将其冲入浇包中。由于孕育处理过程中铁液温度要降低，故出炉的铁液温度必须高达1　400～1　450℃。

4）灰铸铁的生产特点

灰铸铁主要在冲天炉内熔化，一些高质量的灰铸铁可用电炉熔炼。灰铸铁的铸造性能优良，铸造工艺简单，便于制造出薄而复杂的铸件，生产中多采用同时凝固原则，铸型不需要加补缩冒口和冷铁，只有高牌号铸铁采用定向凝固原则。

灰铸铁件主要用砂型铸造，浇注温度较低，因而对型砂的要求也较低，中小件大多采用经济简便的湿型铸造。灰铸铁件一般不需要进行热处理，仅需时效处理即可。

2.球墨铸铁

1）球墨铸铁的组织和性能特点

球墨铸铁的组织为基体（F、F＋P、P）加球状石墨组成，随着化学成分、冷却速度和热处理方法的不同可得到不同的基体组织，如图7－57所示。

图7－57　球墨铸铁的显微组织

球墨铸铁的石墨呈球状，它对基体的割裂作用减至最低限度，基体强度的利用率可达70%～90%，因此，球墨铸铁具有比灰铸铁高得多的力学性能，抗拉强度可以和钢媲美，塑性和韧度大大提高。通常σ_b＝400～900MPa，δ＝2%～18%，同时，仍保持灰铸铁某些优良性能，如良好的耐磨性和减振性，缺口敏感性小，切削加工性能好等。球墨铸铁的焊接性能和热处理性能都优于灰铸铁。珠光体球墨铸铁与45号锻钢的力学性能比较如表7－14所示。

表7－14　珠光体球墨铸铁和45钢的力学性能比较

2）球墨铸铁的生产特点

（1）铁液要求　要有足够高的碳含量，低的硫、磷含量，有时还要求低的锰含量。高碳（3.6%～4.0%）可改善铸造性能和球化效果，低的锰、磷可提高球墨铸铁的塑性与韧度。硫易与球化剂化合形成硫化物，使球化剂的消耗量增大，并使铸件易于产生皮下气孔等缺陷。球化和孕育处理使铁水温度要降低50～100℃，为防止浇注温度过低，出炉的铁液温度必须高达1　400℃以上。

（2）球化处理和孕育处理　球化处理和孕育处理是制造球墨铸铁的关键，必须严格控制。

①球化剂　我国广泛采用的球化剂是稀土镁合金。镁是重要的球化元素，但它密度小（1.73g/cm³）、沸点低（1　120℃），若直接加入铁液，镁将浮于液面并立即沸腾，这不仅使镁的吸收率降低，也不够安全。稀土元素包括铈（Ce）、镧（La）、镱（Yb）和钇（Y）等17种元素。稀土的沸点高于铁液温度，故加入铁液中没有沸腾现象，同时，稀土有着强烈的脱硫、去气能力，还能细化组织、改善铸造性能。但稀土的球化作用较镁弱，单纯用稀土作球化剂时，石墨球不够圆整。稀土镁合金（其中镁、稀土含量均小于10%，其余为硅和铁）综合了稀土和镁的优点，而且结合了我国的资源特点，用它做球化剂作用平稳、节约镁的用量，还能改善球铁的质量。球化剂的加入量一般为铁液质量的1.0%～1.6%。

②孕育剂　孕育剂可促进铸铁石墨化，防止球化元素造成的白口倾向，使石墨球圆整、细化，改善球铁的力学性能。常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水质量的0.4%～1.0%。由于球化元素有较强的白口倾向，故球墨铸铁不适合铸造薄壁小件。

③球化处理　以冲入法最为普遍，即将球化剂放在浇包的堤坝内，上面铺硅铁粉和稻草灰，以防球化剂上浮，并使其缓慢作用。开始时，先将浇包容量2/3左右的铁液冲入包内，使球化剂与铁液充分反应。尔后，将孕育剂放在冲天炉出铁槽内，用剩余的1/3包铁液将其冲入浇包内，进行孕育。

球化处理后的铁液应及时浇注，以防孕育和球化作用的衰退。

（3）铸型工艺特性及措施如下。

①球铁凝固特性　球墨铸铁碳含量较高，近共晶成分，凝固收缩率低，但缩孔、缩松倾向较大，这是其凝固特性所决定的。球墨铸铁在浇注后的一个时期内，凝固的外壳强度较低，而球状石墨析出时的膨胀力却很大，若铸型的刚度不够，铸件的外壳将向外胀大，造成铸件内部金属液的不足，于是在铸件最后凝固的部位产生缩孔和缩松。为防止上述缺陷，可采取如下措施:在热节处设置冒口、冷铁，对铸件收缩进行补偿；增加铸型刚度，防止铸件外形扩大。如增加型砂紧实度，采用干砂型或水玻璃快干砂型，保证砂型有足够的刚度，并使上下型牢固夹紧。

球铁铸件生产的另一个问题是球墨铸铁件容易出现皮下气孔，即在铸件表皮下0.5～2mm处，气孔直径1～2mm，它的产生是因铁液中过量的Mg或MgS与砂型表面水分发生如下化学反应生成气体而形成，即

Mg＋H₂→O　MgO＋H₂↑　或　MgS＋H₂→O　MgO＋H₂S↑

②防止皮下气孔的产生　降低铁液中含硫量和残余镁量，降低型砂含水量或采用干砂型，浇注系统应使铁液平稳地导入型腔，并有良好的挡渣效果，以防铸件内夹渣的产生。

3）球墨铸铁的用途

球墨铸铁具有较高的强度和塑性，尤其是屈强比优于锻钢，用途非常广泛，如汽车、拖拉机底盘零件，阀体和阀盖，机油泵齿轮，柴油机和汽油机曲轴、缸体和缸套，汽车拖拉机传动齿轮等。目前，球墨铸铁在制造曲轴方面正在逐步取代锻钢。

4）球墨铸铁的热处理

铸态球墨铸铁的基体多为珠光体－铁素体混合组织，有时还有自由渗碳体，形状复杂件还存在残余内应力。因此，多数球墨铸铁件要进行热处理，以保证应有的力学性能。常用的热处理为退火和正火。退火的目的是获得铁素体基体，以提高球墨铸铁件的塑性和韧度。正火的目的是获得珠光体基体，以提高球铁的强度和硬度。另外，用于钢的热处理工艺都可用于球铁。

3.可锻铸铁

1）可锻铸铁的组织、性能及应用

（1）显微组织　金属基体＋团絮状石墨组成，可锻铸铁分为铁素体基体（黑心）可锻铸铁和珠光体基体可锻铸铁，如图7－58所示。

图7－58　可锻铸铁显微组织

（2）性能　可锻铸铁具有一定的冲击韧度和强度，同时，仍保持灰铸铁某些优良性能，如良好的耐磨性和减振性，缺口敏感性小，切削加工性能好等，适用于制造形状复杂、承受冲击载荷的薄壁小件，铸件壁厚一般不超过25mm。

（3）用途　低动载荷及静载荷、要求气密性好的零件，如管道配件、中低压阀门、弯头、三通、农机犁刀、车轮壳和机床用扳手等；较高的冲击、振动载荷下工作的零件，如汽车、拖拉机上的前后轮壳、制动器、减速器壳、船用电动机壳和机车附件等；承受较高载荷、耐磨和要求有一定韧度的零件，如曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、犁刀、耙片、闸、万向接头、棘轮扳手、传动链条和矿车轮等。

（4）问题　生产周期长、能耗高、工艺复杂，应用和发展受到一定限制，某些传统的可锻铸铁零件，已逐渐被球墨铸铁所代替。

2）可锻铸铁的生产特点

可锻铸铁是白口铸铁件通过石墨化退火处理后得到的，其生产分两个步骤。

第一步:先铸造出白口铸铁铸件。为保证在通常的冷却条件下铸件能得到合格的全白口组织，其成分通常是w_C＝2.2%～2.8%，w_Si＝1.2%～2.0%，w_Mn＝0.4%～1.2%，w_P≤0.1%，w_S≤0.2%。

第二步:对白口铸铁铸件进行长时间的石墨化退火处理，使Fe₃C分解得到团絮状石墨。退火加热温度900～980℃，保温时间36～70h不等。其石墨化退火工艺如图7－59所示。

4.蠕墨铸铁

1）蠕墨铸铁的性能及应用

蠕墨铸铁中石墨片的长厚比比灰铸铁中的石墨片的要小，端部较钝、较圆，介于片状和球状之间的一种石墨形态，如图7－60所示。

（1）性能　力学性能高于灰铸铁，强度接近于球墨铸铁，具有一定的韧度，较高的耐磨性，同时又兼有良好的铸造性能、机加工性能和导热性等。

图7－59　可锻铸铁的石墨化退火工艺

①—铁素体可锻铸铁的石墨化退火工艺；

②—珠光体可锻铸铁的石墨化退火工艺

图7－60　蠕墨铸铁显微组织

（2）应用　生产气缸盖、气缸套、钢锭模、轧辊模、玻璃瓶模和液压阀体等铸件。

2）蠕墨铸铁的生产

在一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂进行蠕化处理而成的。所谓蠕化处理是将蠕化剂放入经过预热的堤坝或浇包内的一侧，从另一侧冲入铁液，利用高温铁液将蠕化剂熔化的过程。蠕化剂有镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。

5.铸铁的熔炼

熔炼设备:主要有冲天炉和感应电炉。

熔炼目的是为了获得化学成分合格、纯净、温度合适的铁液。

在冲天炉熔化过程中，金属料与炽热的焦炭和炉气直接接触，在高温炉气上升、炉料下降，冶金反应使铁液化学成分将发生某些变化，为了熔化出成分合格的铁液，在冲天炉配料时必须考虑化学成分的如下变化。

（1）硅和锰　炉气的氧化性使铁液中的硅、锰产生熔炼损耗，通常的熔炼损耗为:硅10%～20%，锰15%～25%。

（2）碳　铁料中的碳一方面可能被炉气氧化熔炼损耗，使碳含量减少；另一方面，由于铁液与炽热焦炭直接接触吸收碳分，使碳含量增加。碳含量的最终变化是炉内渗碳与脱碳过程的综合结果。实践证明，铁液碳含量变化总是趋于共晶碳含量（即饱和碳含量），当铁料碳含量低于3.6%时，将以增碳为主；高于3.6%时，则以脱碳为主。鉴于铁料的碳含量一般低于3.6%，故多为增碳。

（3）硫　铁液因吸收焦炭中的硫，使铸铁硫含量增加50%左右，但因锰与硫化合又可降低铸铁中硫的含量。

（4）磷　基本不变。

炉料配制原则:根据铁液化学成分要求和有关元素的熔炼损耗率折算出铁料应达到的平均化学成分、各种库存铁料的已知成分，确定每批炉料中生铁锭、各种回炉铁、废钢的比例。为了弥补铁料中硅、锰等元素的不足，可用硅铁、锰铁等铁合金补足。由于冲天炉内通常难以脱除硫和磷，因此，欲得到低硫、磷铁液，主要依靠采用优质焦炭和铁料来实现。

7.3.2　铸钢件的生产

铸钢件的优点:力学性能高，特别是塑性和韧度比铸铁高，如σ_b＝400～650 N/mm²，δ＝10%～25%，aKU＝20～60J/cm²，合金钢还有某些特殊性能；焊接性能优良，适于采用铸、焊联合工艺制造重型机械。但铸造性能、减振性和缺口敏感性等都比铸铁差，且熔点高，大大增加了铸造生产成本。

铸钢用途:承受重载荷及冲击载荷的零件，如铁路车辆上的摇枕、侧架、车轮及车钩，重型水压机横梁，大型轧钢机机架、齿轮等。

铸钢分类:碳素铸钢、低合金铸钢和高合金铸钢等。

1.铸钢的铸造工艺特点

铸造性能差:熔点高，钢液易氧化；流动性差，薄壁件、复杂件不易铸出；收缩较大，体收缩约为灰铸铁的三倍，线收缩约为灰铸铁的两倍等。因此，铸钢较铸铁铸造困难，为保证铸钢件质量，避免出现缩孔、缩松、裂纹、气孔和夹渣、浇不到等缺陷，必须采取一些工艺措施。

（1）型砂的强度、耐火度和透气性要高　原砂要采用耐火度较高的人造硅砂。中、大件的铸型一般都采用强度较高的CO₂硬化水玻璃砂型和黏土干砂型或树脂砂。为防止黏砂，铸型表面应涂刷一层耐火涂料。

图7－61　ZG230－450带内齿圈联轴套的铸造工艺

（2）使用补缩冒口和冷铁，实现顺序凝固　补缩冒口一般为铸钢件质量的25%～50%，给造型和切割冒口增大了工作量。图7－61所示为ZG230－450带内齿圈联轴套的铸造工艺方案。该套壁厚不均匀，上圈壁厚较大（80mm），心部的热节处（整圈）极易形成缩孔和缩松，铸造时必须保证对心部的充分补缩。为实现顺序凝固和减少冒口数量，在底端和冒口对称位置安放冷铁。浇入的钢液首先在冷铁处凝固，形成朝着冒口方向的顺序凝固，使套上各部分的收缩都能得到冒口金属液的补充。

（3）严格掌握浇注温度，防止过高或过低　低碳钢（流动性较差）、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；高碳钢（流动性相对好些）、大铸件、厚壁铸件及容易产生热裂的铸件，应取相对较低的浇注温度。一般为1　500～1　650℃。

2.铸钢的熔炼

钢液熔炼是铸钢生产中的重要环节，钢液的质量直接关系到铸钢件的质量。

冶炼设备:电弧炉、感应电炉等。电弧炉用的最多，平炉仅用于重型铸钢件，感应电炉主要用于合金钢中、小型铸件的生产。

（1）电弧炉炼钢　利用电极与金属炉料间电弧产生的热量来熔炼金属。炉子容量为5～50t，熔炼速度快，一般为2～3h一炉，钢液质量较好，温度容易控制。炼钢的金属材料主要是废钢、生铁和铁合金等，其他材料有造渣材料、氧化剂、还原剂和脱碳剂等。

（2）感应电炉炼钢　在精密铸造和高合金钢铸造中应用最普遍。感应电炉利用感应线圈中交流电的感应作用，使坩埚内的金属炉料及钢液产生感应电流发出热量使炉料熔化的，感应器与金属炉料中的电流密度分布如图7－62所示。

图7－62　感应器与金属炉料中的电流密度分布

1—感应器；2—金属炉料

感应电炉的优点是:加热速度较快，热量散失少，热效率较高，氧化熔炼损耗较小，吸收气体较少。其缺点是:炉渣温度较低，化学性质不活泼，不能充分发挥炉渣在冶炼过程中的作用，基本上是炉料的重熔过程。

3.铸钢的热处理

铸钢件的金相组织通常有不足处，如晶粒粗大和魏氏组织（铁素体成长条形状分布在晶粒内部），使塑性大大降低，力学性能比锻钢件差，特别是冲击韧度低。此外，铸钢件内存在较大的铸造应力，浇冒口切割处有硬化组织等。

铸钢的热处理目的:细化晶粒、消除魏氏组织、消除铸造应力和硬化组织、提高力学性能和机械加工性能。

工艺:退火和正火处理。退火适用于w_C≥0.35%或结构特别复杂的铸钢件。因这类铸钢件塑性较差，残留铸造应力较大，铸件易开裂；正火适用于w_C＜0.35%的铸钢件，因这类铸钢件塑性较好，冷却时不易开裂。铸钢正火后的力学性能较高，生产效率也较高，但残留内应力较退火后的大。为进一步提高铸钢件的力学性能，还可采用正火加高温回火。铸钢件不宜淬火，淬火时铸件极易开裂。

7.3.3　非铁合金铸件的生产

人们常把钢铁材料以外的金属材料称为非铁合金（有色金属），常用的非铁合金主要有铝、铜及其合金。

1.铸造铝合金

铝合金密度低，熔点低，导电性和耐蚀性优良，机加工性好，因此也常用来生产铸件。

铸造铝合金:包括铝硅、铝铜、铝镁及铝锌合金。铝硅合金又称硅铝明，其流动性好、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，约占铸造铝合金总产量的50%以上。铝硅合金适用于形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的零件，如内燃机气缸体、化油器、仪表外壳等。铝铜合金的铸造性能较差，如热裂倾向大、气密性和耐蚀性较差，但耐热性较好，主要用于制造活塞、气缸头等。

2.铸造铜合金

铜的分类:紫铜（纯铜）、黄铜和青铜。

紫铜熔点为1　083℃，导电性、导热性、耐蚀性及塑性良好；强度、硬度低且价格较贵，极少用它来制造机械零件，广泛使用的是铜合金。

黄铜是铜和锌的合金，锌在铜中有较高的溶解度，随着含锌量的增加，合金的强度、塑性显著提高，但含锌量超过47%后黄铜的力学性能将显著下降，故黄铜的含锌量＜47%。铸造黄铜除含锌外，还常含有硅、锰、铝和铅等合金元素。铸造黄铜有相当高的力学性能，如σ_b＝250～450MPa，δ＝7%～30%，HBS＝60～120，而价格却较青铜低。铸造黄铜的熔点低、结晶温度范围窄，流动性好、铸造性能较好。铸造黄铜常用于一般用途的轴承、衬套、齿轮等耐磨件和阀门等耐蚀件。

青铜是铜与锌以外的元素构成的合金。其中，铜和锡构成的合金称为锡青铜。锡青铜的力学性能较黄铜差，且因结晶温度范围宽、容易产生显微缩松缺陷；但线收缩率较低，不易产生缩孔，其耐磨、耐蚀性优于黄铜，适于致密性要求不高的耐磨、耐蚀件。此外，还有铝青铜、铅青铜等，其中，铝青铜有着优良的力学性能和耐磨、耐蚀性，但铸造性较差，故仅用于重要用途的耐磨、耐蚀件等。

3.铜、铝及其合金铸件的生产特点

熔炼特点:金属炉料不与燃料直接接触，可减少金属的损耗、保持金属液的纯净。在一般铸造车间里，铜、铝合金多采用以焦炭为燃料或以电为能源的坩锅炉来熔炼。

1）铜合金的熔炼

铜合金熔炼工艺要点为:

（1）严格控制合金的化学成分，准确配料；

（2）净化合金液，防止铜液氧化、吸气；

（3）高温熔炼，快速熔化，低温浇注。

铜合金极易氧化，形成的氧化物（Cu₂O）而使合金的力学性能下降。为防止铜的氧化，熔化青铜时应加熔剂（如玻璃、硼砂等）以覆盖铜液。为去除已形成的Cu₂O，最好在出炉前向铜液中加入0.3%～0.6%的磷铜（Cu₃P）来脱氧。由于黄铜中的锌本身就是良好的脱氧剂，所以熔化黄铜时，不需另加熔剂和脱氧剂。

2）铝合金的熔炼

铝合金的氧化物Al₂O₃的熔点高达2　050℃，相对密度稍大于铝的，所以熔化搅拌时容易进入铝液，呈非金属夹渣。铝液还极易吸收氢气，使铸件产生针孔缺陷。

防止氧化和吸气:向坩埚炉内加入KCl、NaCl等作为熔剂，将铝液与炉气隔离。为驱除铝液中已吸入的氢气、防止针孔的产生，在铝液出炉之前应进行驱氢精炼。驱氢精炼较为简便的方法是用钟罩向铝液中压入氯化锌（ZnCl₂）或六氯乙烷（C₂Cl₆）等氯盐或氯化物，发生如下反应:

2Al＋3ZnCl₂→3Zn＋2AlCl₃

C₂Cl₆→C₂Cl₄＋Cl₂，3Cl₂＋2Al→2AlCl₃；　3C₂Cl₆＋2Al→3C₂Cl₄＋2AlCl₃

反应生成的AlCl₃沸点仅为183℃，故形成大量气泡，而氢在AlCl₃等气泡中的分压力等于零，所以铝液中的氢向气泡中扩散，被上浮的气泡带出液面。与此同时，上浮的气泡还将Al₂O₃夹杂一并带出。

3）铸造工艺

为减少机械加工余量，应选用粒度较小的细砂来造型。特别是铜合金铸件，由于合金的密度大、流动性好，若采用粗砂，铜液容易渗入砂粒间隙，产生机械黏砂，使铸件清理的工作量加大。

铜、铝合金的凝固收缩率大，除锡青铜外，一般多需加冒口使铸件实现顺序凝固，以便补缩；铜、铝合金易氧化吸气，故应采用充型平稳的浇注系统，以减少或防止合金液的氧化吸气。

为防止铜液和铝液的氧化，浇注时勿断流，浇注系统应能防止金属液的飞溅，以便将金属液平稳地导入型腔等。

图7－63　大排距冷风系列冲天炉

阅读资料7－2

铸造熔炼设备

1.冲天炉

1）冲天炉组成

冲天炉主要包括炉底、炉缸、炉身、前炉、烟囱和加料六大部分，用于铸铁的熔炼。

大排距冷风系列冲天炉（见图7－63）为目前国内铸造行业普遍采用的一种冲天炉，其主要结构特点为大排距结构，双层送风，底焦燃烧形成两个独立的燃烧带，通过拉长过热区，增加了铁水过热路程及底焦的激烈燃烧，炉况稳定，铁液温度高，能给用户带来较好的综合经济技术效果。该系列冲天炉的技术参数如表7－15所示。

2）冲天炉的熔炼过程

先加热并点燃底焦后，送风使底焦燃烧，金属炉料被预热、熔化和过热并流入前炉，在熔炼过程中，要不断地添加金属料和燃料（焦炭）等以使熔炼过程连续进行。因此，金属在冲天炉内并非简单的熔化，实质上是一种冶炼过程。

熔炼铸铁的炉料有金属料，燃料和熔剂。

（1）金属料　铸造生铁锭、回炉料（如浇冒口、废铸件等）、废钢、少量铁合金（如硅铁、锰铁等）。

铸造生铁锭是炼铁厂在高炉中用铁矿石冶炼而成的，它是熔炼铸铁的主要金属料，配料时常占40%～60%。回炉料和废铁是废料的回用。使用废钢是为降低铸铁的碳含量。回炉料和废钢铁等金属料再入炉前必须清除其上的粘砂、铁锈及其他污物，不然会消耗较多的燃料和熔剂，还会影响铁液熔炼质量。铁合金是用来调整铁液化学成分的，应按配料计算量加入。

（2）燃料　熔炼铸铁所用燃料主要是焦炭，它发热量高、灰分少、在高温下仍有较好的强度，是冲天炉熔炼的一种较好的燃料。

（3）熔剂　在冲天炉熔炼过程中，燃料燃烧后的灰分、金属氧化物及其他夹杂物（如沙子、炉衬的侵蚀物等）都生成熔渣。熔剂的作业是使炉渣稀释，并有较好的流动性，以便于其上浮和排除，从而保证铁液质量和熔炼正常。为此，在冲天炉每加一金属料和燃料时，就要加一定量的溶剂。常用的熔剂有石灰石，白云石等。

2.电弧炉

（1）用途　用于熔炼普通钢、优质碳素钢及各种合金钢、不锈钢（见图7－64）。

（2）设备特点　HX系列电弧炉，（见图7－65）按功率匹配分为普通功率、高功率和超高功率；按操作形式可分为左操作、右操作两种；炉盖为旋开顶加料式；全套设备设计合理，运行可靠，性能优越。

图7－64　电弧炉炼钢示意图

1—盛渣桶；2—浇包；3—出钢槽；4—电极；

5—炉盖；6—加料口；7—炉体；8—支承板；9—支承轨道

图7－65　HX系列交直流电弧炉

（3）设备组成如下。

①炉体分为钢槽出钢和偏心低出钢两种，根据功率匹配情况，有传统炉壳和管式水冷炉壳。

②倾炉结构。

③电极升降结构分为小车移动式和立柱升降式，其驱动方式有电动驱动式和液压驱动两种，电极臂有新型全水冷导电横臂和普通铜管导电横臂。

④炉盖提升旋转机构分为基础整体式和基础分开式。

⑤冷却水及其监视、报警设备。

⑥液压站及控制阀系统。

⑦电气控制系统采用新型调频调速——电机式调节器或微机控制——液压式调节器，后者可配CRT显示，设备各部分动作的控制及连锁保护采用PLC控制。

3.感应电炉

感应电炉（见图7－66）按电流频率分为:高频感应电炉，频率1　000Hz以上，容量一般在100kg以下；中频感应电炉（见图7－67），频率500～300Hz之间，容量一般是60～1　000kg；工频感应电炉，工业频率50Hz，容量一般是100～10　000kg。感应电炉可用于钢、合金钢、铁、不锈钢等钢铁金属材料及铜、铝、锌等非铁合金材料的熔炼。

图7－66　感应电炉加热原理图

1—磁束；2—坩埚；3—交流电源

图7－67　中频感应电炉

图7－68所示为一台总功率3　000kW的中频电源装置，可同时向2台感应炉供电（见图7－69），功率分配如下:图中右边2＃炉达到浇注温度受控分配300kW做保温浇注，而其余的约2　700kW自动分配到左边1^＃炉作升温熔炼；等2＃炉铁液出毕，这时1^＃炉铁液也熔化达到额定温度，可减小功率出铁液，这时总功率自动向2^＃炉转送，2^＃炉加料进入熔化，周而复始。提高生产率、节电、优化工艺。

4.坩埚炉

坩埚炉主要供低熔点的非铁合金及合金（如铝、锌、铅、锡、镉及巴氏合金等）熔化或熔炼之用。坩埚炉按热源分燃料加热和电加热，电加热坩埚炉（如电阻坩埚炉（见图7－70、图7－71、表7－16））通常具有热效率高、结构简单、操作简便、控制系统先进可靠，并设有超温、泄漏报警等安全连锁装置，能源消耗低等优点，故生产中使用较广。

图7－68　中频电源装置

图7－69　现场熔炼

图7－70　电阻坩埚炉示意图

1—坩埚；2—托板；3—耐热板；4—耐火砖；

5—电阻丝；6—石棉板；7—托砖

图7－71　QR₂系列电阻坩埚炉

表7－16　QR₂－270－8电阻坩埚炉技术规格

续表

（1）新坩埚及长期未用的旧坩埚　使用前均应吹砂，并加热到700～800℃，保持2～4h，以烧除附着在坩埚内壁的水分及可燃物质，待冷到300℃以下时，仔细清理坩埚内壁，在温度不低于200℃时喷涂料。坩埚使用前应预热至暗红色（500～600℃），并保温2h以上。新坩埚外熔炼之前，最好先熔化一炉同牌号的回炉料。

（2）熔炼工具的准备　钟罩、压瓢、搅拌勺、浇包。锭模等使用前均应预热，并在150～200℃温度下涂以防护性涂料，并彻底烘干，烘干温度为200～400℃，保温时间2h以上，使用后应彻底清除表面上附着的氧化物、氟化物，最好进行吹砂。

（资料来源:http://www.xabtef.com/；http://www.nbhaishun.com/；http://dyghly.cn/）

7.3.4　铸件的常见缺陷

铸件缺陷有:冷隔、浇不到、气孔、黏砂、夹砂、缩孔缩松、胀砂等。

（1）冷隔和浇不到　液态金属充型能力不足，或充型条件较差，在型腔被填满之前，金属液便停止流动，将使铸件产生浇不到或冷隔缺陷，会使铸件不能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全融合的接缝，铸件的力学性能严重受损。

防止浇不到和冷隔主要工艺措施:提高浇注温度与浇注速度；设法提高合金液的充型能力等。

（2）气孔　气体在金属液未及时逸出，在铸件内便生成的孔洞类缺陷。气孔的内壁光滑，明亮或带有轻微的氧化色。铸件中产生气孔后，将会减小其有效承载面积，且在气孔周围会引起应力集中而降低铸件的抗冲击性和抗疲劳性。气孔还会降低铸件的致密性，致使某些要求承受水压试验的铸件报废。另外，气孔对铸件的耐蚀性和耐热性也有不良的影响。

防止气孔的产生主要工艺措施:降低金属液中的含气量，增大砂型的透气性，以及在型腔的最高处增设出气冒口等。

（3）黏砂　铸件表面上黏附有一层难以清除的砂粒称为黏砂。黏砂既影响铸件外观，又增加铸件清理和切削加工的工作量，甚至会影响机器的寿命。例如铸齿表面有黏砂时容易损坏，泵或发动机等机器零件中若有黏砂，则将影响燃料油、气体、润滑油和冷却水等流体的流动，并会玷污和磨损整个机器。

防止黏砂的措施有:在型砂中加入煤粉，以及在铸型表面涂刷防黏砂涂料等。

（4）夹砂　在铸件表面形成的沟槽和疤痕缺陷，在用湿型铸造厚大平板类铸件时极易产生。

铸件中产生夹砂的部位大多是与砂型上表面相接触的地方，型腔上表面受金属液辐射热的作用，容易拱起和翘曲，当翘起的砂层受金属液流不断冲刷时可能断裂破碎，留在原处或被带入其他部位。铸件的上表面越大，型砂体积膨胀越大，形成夹砂的倾向性也越大。

（5）缩孔缩松　在铸件内部尤其是厚大部分生成的不规则的粗糙孔洞类缺陷。铸件中缩孔缩松会减小其有效承载面积，且在缩孔缩松周围会引起应力集中而降低铸件的强度、抗冲击性和抗疲劳性，缩孔缩松还会降低铸件的致密性，致使某些要求承受水压试验的铸件报废等。

防止缩孔的措施有:合理科学的浇冒口系统设计、凝固顺序设计，以及适当提高浇注压头等。

（6）胀砂　浇注时在金属液的压力作用下，铸型型壁移动，铸件局部胀大形成的缺陷。

为了防止胀砂，应提高砂型强度、砂箱刚度、加大合箱时的压箱力或紧固力，并适当降低浇注温度，使金属液的表面提早结壳，以降低金属液对铸型的压力。