第二節(jié)鑄鋼及其熔練,一、鑄鋼,鑄鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.14%，硅、錳、磷、硫等元素含量一般比鑄鐵少。鑄鋼在強(qiáng)度和韌性方面比一般鑄鐵要高得多，常用于承受重載荷和沖擊作用的工作條件。鑄鋼具有焊接性，不僅有利于缺陷的修補(bǔ)，而且能夠采用鑄焊結(jié)合的方法，將一些重型、復(fù)雜鑄件分段鑄造，然后焊成整體。鑄鋼與鍛鋼相比，用鑄造方法能夠生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的零件或毛坯。但鑄鋼熔點(diǎn)高，鑄造性能差，生產(chǎn)工藝和熔煉設(shè)備復(fù)雜，對原材料要求高。雖然如此，鑄鋼仍是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，在工業(yè)上應(yīng)用極廣。,鑄鋼按化學(xué)成分可以分為鑄造碳鋼和鑄造合金鋼兩大類。,1.鑄造碳鋼根據(jù)含碳量的不同，鑄造碳鋼可分為低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼三種。其中中碳鋼應(yīng)用最多。一般工程用鑄造碳鋼的化學(xué)成分見表3-12、力學(xué)性能見表3-13（GB11352-1989）。,表3-12一般工程用鑄造碳鋼的化學(xué)成分的上限值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）,表3-13一般工程用鑄造碳鋼的力學(xué)性能,2.鑄造合金鋼為了改善和提高鑄造碳鋼的某些性能，在鑄鋼中加入一種或幾種合金元素，即為鑄造合金鋼。常用于加入鋼中的合金元素主要有鉻、鉬、鎳、鎢、鈷、鋁、釩、鈦、硼等，當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.8%、硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.4%也為鑄造合金鋼。按加入合金元素的含量多少，鑄造合金鋼可分為低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼三種。一般工程與結(jié)構(gòu)用低合金鑄鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3-14（GB/T14408-1993）。,表3-14一般工程與結(jié)構(gòu)用低合金鑄鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能,常用的一些特殊鑄造高合金鋼有不銹耐酸鋼（如ZG1Cr17、ZG1Cr18Ni9Ti）、耐磨高錳鋼（如ZGMn13-1）、耐熱鋼（如ZG35Cr26Ni12）等。,二、鑄鋼熔煉,1.鑄鋼熔煉設(shè)備鑄鋼車間所用的煉鋼設(shè)備有電弧爐、鋼包精煉爐、平爐、感應(yīng)電爐及等離子電弧爐等。感應(yīng)電爐及等離子電弧爐主要用于熔煉高級合金鋼及高溫合金，用來澆注要求較高而且比較復(fù)雜的鑄件。電弧爐在鑄鋼車間使用最廣，它熔煉速度快，鋼液溫度高，而且容易控制，有良好的脫磷、脫硫條件，可以熔煉出質(zhì)量較高的碳鋼和合金鋼，適宜于澆注各種類型的鑄件。,電弧爐熔煉是利用電極與金屬料之間放電產(chǎn)生的電弧所發(fā)出的熱量來熔化金屬料和使鋼液進(jìn)行過熱的。鑄鋼車間使用的多是三相電弧爐。我國目前使用的電弧爐最小容量為0.5t，最大容量可達(dá)100t。三相電弧爐主要由爐體、爐蓋、電極、電極升降與夾持機(jī)構(gòu)、傾爐機(jī)構(gòu)、電氣裝置和水冷裝置等構(gòu)成。見圖3-16。,圖3-16三相電弧爐結(jié)構(gòu),1爐體2出鋼槽3爐蓋4電極夾持機(jī)構(gòu)5電極6電極升降機(jī)構(gòu)7變壓器8傾爐機(jī)構(gòu),2.鑄鋼的熔煉操作電弧爐按照所采用爐渣和爐襯耐火材料的性質(zhì)分為堿性電弧爐和酸性電弧爐。堿性電弧爐具有較強(qiáng)的脫磷和脫硫能力，對爐料的適應(yīng)能力強(qiáng)。鑄鋼多用堿性電弧爐煉鋼。（1）煉鋼材料煉鋼所用的材料主要分耐火材料、金屬爐料和其它輔助材料。,1）耐火材料堿性電弧爐的耐火材料主要是鎂磚和鎂砂，用來砌筑、打結(jié)和修補(bǔ)電弧爐爐襯。鎂砂用的粘結(jié)劑是焦油瀝青或鹵水，一般打結(jié)爐襯時用焦油瀝青，修補(bǔ)爐襯時用鹵水。,2）金屬爐料電弧爐煉鋼的金屬材料包括廢鋼、生鐵、廢鐵，鐵合金和脫氧劑等。,生鐵。為煉鋼生鐵，要求磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.1%，硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.05%。廢鋼。因一般廢鋼來源復(fù)雜，應(yīng)分類保管，以便在配料時能合理地利用各種合金元素。鐵合金。作為合金元素添加劑，用于調(diào)整鋼液的化學(xué)成分。有硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵、鈦鐵、鎢鐵和釩鐵等。,3）其它輔料有氧化劑、還原劑（脫氧劑）、增碳劑和造渣劑等。電弧爐用的氧化劑有鐵礦石和氧氣；還原劑有錳鐵、硅鐵、鋁、焦炭等；增碳劑有碎電極、焦炭及專用商品增碳劑；造渣劑有石灰石、石灰和氟石等。所有爐料應(yīng)分類妥善保管，嚴(yán)防混雜和潮濕。,（2）堿性電弧爐煉鋼工藝過程在煉鋼工藝上有兩種基本方法，即氧化法和不氧化法。兩種方法的區(qū)別在于是否有氧化期。此外，還有一種從氧化法演變出來的方法叫吹氧返回法。鑄鋼車間煉鋼一般采用氧化法。氧化法煉鋼的工藝過程包括補(bǔ)爐、裝料、熔化期、氧化期、還原期和出鋼。,1）補(bǔ)爐一般每煉完一爐鋼以后，在裝料前，照例要進(jìn)行補(bǔ)爐。目的是修補(bǔ)侵蝕和損壞的爐襯。補(bǔ)爐材料用鹵水鎂砂。補(bǔ)爐工具和方法一般為大鏟貼補(bǔ)、鐵鍬投補(bǔ)或用機(jī)械化設(shè)備補(bǔ)爐。出鋼后打開爐門，升起電極，立即扒凈殘鋼、殘?jiān)杆龠M(jìn)行補(bǔ)爐操作。補(bǔ)爐操作的要點(diǎn)是：爐溫高、操作快、補(bǔ)層薄，以利于補(bǔ)爐材料的燒結(jié)。,2）裝料補(bǔ)爐完畢，即可裝料。一般小容量電弧爐由人工進(jìn)行裝料，3t以上的電弧爐用料罐從爐頂裝料。在往料罐中裝料時，需要合理地布置爐料。原則是盡量多裝料并使?fàn)t料熔化快，爐料要裝得緊密，以利于導(dǎo)電和電熱。3）熔化期熔化期的任務(wù)是將固體爐料熔化成鋼液，并進(jìn)行脫磷。,裝料完畢，蓋好爐蓋，檢查無誤即可通電熔化。爐料的熔化過程是電極下面的爐料先被熔化，形成三個熔井，隨后電極不斷向下移動，爐料不斷熔化，經(jīng)1525min即達(dá)最低位置，形成三個小井，即所謂“穿井”。隨著熔化的進(jìn)行，爐底鋼液液面上升，電極也應(yīng)相應(yīng)地向上回升。于是電極周圍的爐料就會塌落下來，即所謂“塌料”。這樣，爐料被逐漸熔化。為加快熔化過程，可以人工用耙子將邊緣離電極較遠(yuǎn)而不易被熔化的爐料推到電極下面，這種操作稱為“推料助熔”。在爐內(nèi)有一定鋼液后，也可采取“吹氧助熔”的方法來加速爐料的熔化。吹氧壓力一般控制在0.5MPa左右。吹氧管從爐門插入鋼液內(nèi)吹氧，但不能深入到爐底或靠近爐壁以防損壞爐襯。在熔化過程中，應(yīng)造好爐渣。目的是為了覆蓋鋼液，避免鋼液直接暴露在電弧下而吸氣和氧化，并在熔化期就能夠脫去一部分磷，同時可穩(wěn)定電弧。,4）氧化期氧化期的主要任務(wù)是脫磷，去除鋼液中的氣體和夾雜物，并提高鋼液的溫度。5）還原期還原期的任務(wù)是脫氧、脫硫和調(diào)整鋼液溫度及化學(xué)成分。6）出鋼出鋼時要求鋼液流柱要粗，不能散流，而且要使鋼液與爐渣一起出到盛鋼桶中（即所謂“大口出鋼”、“鋼渣混出”）。鋼液全部傾出后，在鋼液表面蓋上保溫材料，鎮(zhèn)靜5min后開始澆注。,第三節(jié)鑄造非鐵合金及其熔煉,一、鑄造銅合金1.鑄造青銅（1）鑄造錫青銅錫青銅具有良好的耐磨性、耐蝕性，同時還具有足夠的強(qiáng)度和一定塑性，常用于制造耐磨和耐蝕零件，如軸套、軸瓦和要求耐蝕的管配件、閥門、泵體等。鑄造錫青銅的錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在4%10%范圍內(nèi)。增加錫量，使塑性下降而強(qiáng)度增高。錫量較高，易產(chǎn)生“錫汗”。錫青銅不易形成集中縮孔，所以不用很大的補(bǔ)縮冒口。其線收縮率不大，鑄件變形、縮裂的傾向較小。為了進(jìn)一步改善錫青銅的性能，常加入一些鋅、鉛、磷、鎳等元素。鑄造錫青銅的牌號、成分及性能見表2-11。,表2-11鑄造錫青銅,（2）鑄造鋁青銅鋁青銅是應(yīng)用最多的一種無錫青銅。其鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常為6%11%。隨鋁量的增加，合金的強(qiáng)度、硬度提高，而塑性下降。,鋁青銅比錫青銅有更高的力學(xué)性能，更好的耐磨性和耐蝕性。常用于制造在高負(fù)荷、高速條件下工件的耐磨零件，如軸套、齒輪、蝸輪等。兩元鋁青銅在緩慢冷卻的情況下，易產(chǎn)生“緩冷脆性”，在砂型鑄造厚大鑄件時，顯得特別突出。加入錳、鐵、鎳可以防止緩冷脆性。鋁青銅的結(jié)晶溫度范圍小，屬于層狀凝固，流動性好，體積收縮大，易形成集中縮孔，采用大冒口補(bǔ)縮能夠獲得組織致密的鑄件。鋁青銅易氧化和吸氣，鑄件易產(chǎn)生夾渣和氣孔。,鑄造鋁青銅的牌號、成分及性能見表2-12。表2-12鑄造鋁青銅,2.鑄造黃銅普通黃銅的力學(xué)性能比純銅高，不生銹，耐腐蝕，能很好地承受壓力加工。通常鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，即所謂三七黃銅。特殊黃銅隨加入的元素不同，其性能特點(diǎn)各異。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%1.5%的錫，能改善抗海水的腐蝕能力，故錫黃銅有著名的海軍黃銅之稱。,鑄造黃銅的牌號、成分及性能見表2-13,表2-13鑄造黃銅,表2-13鑄造黃銅（續(xù)）,二、鑄造鋁合金,鑄造鋁合金密度小，塑性高，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕性能，力學(xué)性能好，鑄造性能亦好。因此，在航空工業(yè)、機(jī)械制造、電氣工業(yè)、鐵路運(yùn)輸及日用工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。鑄造鋁合金按主要加入元素的不同分為四類，即鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅合金，其代號分別用ZL1xx、ZL2xx、ZL3xx、ZL4xx表示。部分鑄造鋁合金的代號、化學(xué)成分及力學(xué)性能見表2-14（GB/T11731995）。,表2-14鑄造鋁合金,表2-14鑄造鋁合金（續(xù)）,1.鑄造鋁硅合金又稱硅鋁明，其常用的硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%13%。硅鋁明是共晶合金，流動性好、收縮小、裂紋傾向小，易獲得致密鑄件。常用來制造活塞、氣缸蓋、電動機(jī)外殼、風(fēng)葉片等。,在鋁硅合金的共晶組織中，硅呈粗大片狀，所以合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率都不高。對合金液進(jìn)行變質(zhì)處理，可以改善合金的力學(xué)性能。一般鋁硅合金都要進(jìn)行變質(zhì)處理。普通鋁硅合金（Al-Si二元合金）不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，單純靠變質(zhì)處理仍不能滿足所需的強(qiáng)度要求。在此基礎(chǔ)上加入鎂或銅，可以實(shí)現(xiàn)熱處理強(qiáng)化，例如加鎂的ZL101、ZL104，加銅的ZL107，同時加鎂和銅的ZL105、ZL110等。,2.鑄造鋁銅合金其常用的銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為4%5%。鋁銅合金有較好的高溫力學(xué)性能，隨著含銅量的增加，合金的高溫強(qiáng)度也增加，但同時脆性增大。,鋁銅合金可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，含銅5%的合金強(qiáng)化效果最佳。鋁銅合金的切削性能較好，但耐蝕性和鑄造性能比鋁硅合金差，易出現(xiàn)縮松、熱裂等缺陷。,三、鑄造非鐵合金的熔煉設(shè)備,用于鑄造非鐵合金熔煉的熔化爐很多，常用的有坩堝爐、反射爐和感應(yīng)電爐1.坩堝爐坩堝爐結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。見圖2-10。工作時，把金屬爐料放在坩蝸中，加熱坩堝使其熔化、升溫。由于坩堝內(nèi)的爐料不與熱源直接接觸，金屬不受燃料和爐氣的污染，在成分控制、降低燒損和熔煉純凈合金方面，效果都較理想。但坩堝爐的熱慣性較大，合金溫度難于控制，適用于小批量生產(chǎn)。,圖2-10回轉(zhuǎn)式坩堝爐,坩堝爐常用的坩堝有石墨坩堝和鐵質(zhì)坩堝兩種。石墨坩堝用石墨和耐火材料的混合料燒制而成，適用于熔化熔點(diǎn)較高的銅合金等。鐵質(zhì)坩堝是由鑄鐵、鑄鋼或鋼板制成，常用于熔化低熔點(diǎn)的鋁合金等。,坩堝的規(guī)格，是按充滿坩蝸95%的錫青銅液的重量分號表示的，如120號坩堝表示充滿坩蝸95%的錫青銅液的重量為120kg。熔煉其它合金時，其容量可根據(jù)各種合金的密度按比例折算。石墨坩堝使用前先在120150溫度下烘干，然后再放入爐內(nèi)加熱，用后應(yīng)放在干燥的地方。,2.反射爐反射爐的容量較大，適合大型非鐵合金鑄件生產(chǎn)的需要。圖2-11為重油反射爐的結(jié)構(gòu)示意圖。反射爐熔煉時，高溫火焰從燃燒,圖2-11重油反射爐,室進(jìn)入爐膛，通過爐頂、爐壁將熱量反射到爐膛中的金屬爐料上，使其熔化、升溫。這種爐子的熔化效率高，但金屬燒損嚴(yán)重，成分難以控制。,3.感應(yīng)電爐感應(yīng)電爐具有熔煉質(zhì)量好，金屬損失少，功率控制方便、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化和無排煙問題、勞動條件好等一系列優(yōu)點(diǎn)，已得到日益廣泛的應(yīng)用。,從結(jié)構(gòu)上來看，感應(yīng)電爐分為有芯感應(yīng)爐和無芯感應(yīng)爐兩類，無芯感應(yīng)爐按電源頻率不同，可分為高頻爐、中頻爐和工頻爐三種。用于非鐵合金熔煉的是工頻有芯感應(yīng)爐，工頻無芯感應(yīng)爐和中頻無芯感應(yīng)爐。,四、鑄造鋁合金的熔煉操作,1.熔煉材料（1）金屬爐料金屬爐料包括新金屬料、回爐料及中間合金。新金屬料有純金屬錠及預(yù)制合金錠，按純度和用途分類?；貭t料是指生產(chǎn)中的澆冒口和廢舊料。中間合金是為了把一種或多種難熔或易燒損元素加入鑄造合金中而特殊制備的合金。熔制鋁合金常用的中間合金有鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金及鋁錳合金等。,（2）輔助材料,1）熔劑熔劑的作用是熔解和吸附鋁液中的氧化物等雜質(zhì)，降低其熔點(diǎn)，并形成流動性好的熔渣，隔離鋁液，減少合金的吸氣和氧化。常用的熔劑如50%NaCl+50%KCl的混合物。2）精煉劑用于精煉。精煉的目的是為了除去鋁液中的非金屬夾雜物、金屬氧化物和氣體。常用的精煉劑有：ZnCl2、MnCl2、C2Cl6（六氯乙烷）、氯氣、氮?dú)獾取?）變質(zhì)劑用于變質(zhì)處理。對鋁合金進(jìn)行變質(zhì)處理，可以達(dá)到細(xì)化組織，提高性能的目的。鋁合金用的變質(zhì)劑是NaF、NaCl、KCl等鹽類的混合物，常用的有67%NaF+33%NaCl及25%NaF+62%NaCl+13%KCl等。,2.熔煉工藝鋁合金的牌號很多，其具體熔煉工藝也各有不同，但其基本原則都是相同的。鋁合金熔煉大致分以下幾個環(huán)節(jié)：熔化前的準(zhǔn)備裝料熔化調(diào)整化學(xué)成分精煉變質(zhì)處理調(diào)整溫度澆注。,熔化前的準(zhǔn)備包括對爐料、坩堝的清理及預(yù)熱，對操作工具（撇渣勺、取樣勺、鐘罩、夾料鉗等）進(jìn)行烘烤等。對于鐵質(zhì)工具，需刷上涂料，以防鐵熔入合金造成影響。裝料前按配料計(jì)算將爐料稱好。裝料的一般順序?yàn)椋合燃诱紶t料主要部分的爐料和難熔及不易氧化的爐料，待其全部熔化后，再加中間合金，同時輕輕攪動鋁液以加速熔化，均勻成分，最后加入易燒損和