铸造工(中级)第三章课件.ppt
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- 铸造 中级 第三 课件
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1、 通过本章学习,主要掌握铸造合金的性能金相组织特点及其熔炼方法。铸造生产中常用的合金主要有铸钢、铸铁及铸造非铁合金。为了获得优质铸件,应根据铸件的技术要求采取各种相应的铸造工艺措施,提高合金的熔炼质量,确保铸造合金的力学性能和使用性能。物质通常分为晶体与非晶体两大类,二者的根本区别是原子的排列是否有规律。(1)晶体凡原子作有规则排列的物质称为晶体,例如冰、盐、石墨及所有的固态金属和合金等都属于晶体。1)有一定的熔化温度:如铁的熔点为1538。2)具有各向异性:指在晶体内各个方向上,具有不同的力学性能。3)具有规则的外形:每一种晶体都有自己规则的外形。1.晶体与非晶体(2)非晶体凡是原子作散乱无
2、序堆积的物质称为非晶体,如普通玻璃、松香、蜡烛等都属于非晶体。1)没有固定的熔化温度。2)具有各向同性。3)外形不规则。(1)晶格实际晶体中的原子都是紧密地堆积在一起的,为了容易看清楚晶体中原子的不同的空间排列方式,一般用假想的线条将各原子的中心连接起来,这样就构成了一个假想的空间格架,每个原子都位于该假想空间格子的各结点上。(2)晶胞为方便起见,通常取晶格中一个能代表原子在空间排列规则的最小基本单元来描述晶体结构,这一基本单元称为“晶胞”。2.晶格与晶胞其特征是晶胞是一个正立方体,在立方体的八个角上和中心各有一个原子。其特征是晶胞是一个正立方体,在立方体的八个顶角和立方体六个面的中心各有一个
3、原子。其特征是晶胞是一个六棱柱体,在六棱柱体的12个角上及两个端面的中心各有一个原子,除此之外,在六棱柱体的中心还有三个均布的原子。2.面心立方晶格3.密排六方晶格1.体心立方晶格(1)结晶概念液态金属是由许多类似晶体结构的原子小集团所组成,其原子仅在几个或几十个原子组成的小集团内部作规则排列,并且这种近程范围内的规则排列还时刻处于忽聚忽散的动荡不定的状态中,而固态金属原子则是在几百到几千个原子范围内作规则的并带有永久性的晶格排列。(2)金属结晶的过冷现象各种金属由液态转变为固态是在一定的结晶温度下进行的。1.金属结晶的基本规律实际上,在液态金属温度下降到T时并未开始结晶,而总是要在低于T的某
4、一温度时才开始结晶,即实际的结晶温度T比T低。(3)金属结晶的条件1)金属结晶的能量条件:金属为什么会在一定的温度下由液态变为固态呢?结晶为什么又必须在过冷的条件下进行?这些都是由结晶的能量条件所决定的。自然界中任何物质所处的能量状态,一般都能自发地由高能量状态向低能量状态转变。图3-1液、固态金属自由能与温度的关系2)金属结晶的结构条件:前面已经讲过,在固态金属内,其原子是规则排列的,这种结构特征称为“远程有序”结构。由于液态金属中原子动能较大,原子运动很激烈,因此近程有序的原子集团很不稳定,时而变大,时而变小,时而产生,时而消失,这种现象称为结构起伏。(4)金属的结晶过程1)金属结晶的一般
5、过程:金属的结晶过程是由以下两个基本过程组成:产生微细的晶核(简称生核)和晶核成长(简称长大)。2)晶核的形成:晶核的形成有两种方式,即均质形核与异质形核。均质形核:前面讲过,当液态金属具有一定的过冷度时,固相的自由能低于液相的能量,这时液态金属中的某些近程有序排列的原子集团就有可能稳定下来,并扩展为有序排列。根据热力学的观点,如果液态金属中某些规则排列的近程有序原子集团(即固相微粒),在体积变化过程中,能使体系的自由能减少,那么这个原子集团便可以自发地扩大而成为一个晶核。异质形核:异质形核的规律与均质形核基本相同,只是异质形核比均质形核要容易得多,并且在不大的过冷度下即可形核。这是因为在杂质
6、上的形核功较小的缘故。实际金属液体中总是存在着各种固体的杂质微粒,液态金属结晶时,往往优先依附于这些固体杂质表面形成异质晶核。3)晶核的生长 晶核的生长方式:当液体中形成晶核以后,它的表面比较稳定,液体中的原子便能陆续地排列上去,使晶核迅速长大。晶体长大的过程就是液体中的原子向晶体表面堆砌的过程,也就是固相界面逐渐向液体内部推移的过程。晶核长大的方式与金属固 液界面处的结构有关,即界面是粗糙还是光滑的有关。晶体生长的形态:金属晶核的生长形态主要取决于固-液界面前沿的液体温度分布情况。在实际铸造生产中,金属是在铸型内结晶的,热量靠型壁向外散失。晶粒大小是影响金属的力学性能的重要指标之一,与粗晶粒
7、金属相比,细晶粒金属在常温时具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。(1)增加过冷度当增大过冷度时,液态金属的实际结晶温度降低,其形核机会便增加,因此生成的晶核就增多,晶粒也就变细了。由于过冷度与冷却速度有关:冷却速度越大,过冷度也就越大,因此加快冷却速度有利于获得细晶粒组织。2.晶粒大小及其控制(2)孕育处理如果在液态金属中加入孕育剂,这些孕育剂熔化时就会在液体中产生大量的固体微粒,这些固体微粒即成为外来晶核,使液体中晶粒数量迅速增加,因而显著细化了晶粒。在某些情况下,加入的孕育剂能起到机械阻碍作用,它们吸附在晶核表面,阻碍晶核长大,也同样地起到了细化晶粒的作用。大多数金属结晶完成后晶格不再发生变
8、化,但也有少数的金属,如铁、钴、钛、锡等,在结晶成固态后继续冷却时,还会发生晶格的变化,即从一种晶格转变为另一种晶格。3.金属的同素异晶转变根据溶质原子在溶剂晶格中的分布情况,固溶体又有置换固溶体和间隙固溶体两种基本类型。合金组元之间发生相互化合作用而组成的一种具有一定化学成分、完全不同于原晶格的固相,称为金属化合物。有些液态合金结晶后,既不形成固溶体,也不形成单一的金属化合物,而形成由多种晶格的晶体组成的混合物,这种混合物称为机械混合物。3.机械混合物2.金属化合物1.固溶体铁碳合金在液态下,碳是以原子形式溶解于铁中,形成铁碳液溶体。(1)铁素体碳在铁中的固溶体称为铁素体,用符号F表示。所以
9、铁素体的显微组织与纯铁没有明显的区别,它的力学性能的特点是塑性和韧性好,强度和硬度低,其抗拉强度b=250300MPa;屈服点s=120MPa;伸长率=50%;断面收缩率=85%;冲击韧度K=300J/cm;硬度80HBS。1.铁碳合金的基本相(2)奥氏体碳在铁中的固溶体称为奥氏体,用符号A表示。奥氏体在高温区是稳定的,一般在室温下不会出现奥氏体组织。(3)渗碳体通常把铁和碳形成的化合物碳化三铁(FeC)称为渗碳体,其化学成分(质量分数)为碳6.69%、铁93.31%。(4)莱氏体莱氏体是由脆性相渗碳体为基础所组成的,因性能脆而硬,是白口铁中最基本的组织。(5)珠光体珠光体是铁素体和渗碳体呈片
10、状交替排列的机械混合物,性能介于铁素体和渗碳体之间,是铸铁中比较理想的基本组织。铁碳相图就是用来表示铁碳合金的成分、温度与组织结构之间关系的图形,是根据长期生产实践的经验,并在大量的科学实验基础上总结出来的。相图既可以表明合金成分与组织间的关系,又可以反应不同合金的结晶特点。(1)力学性能与相图的关系从结晶过程的分析可知,铁碳合金组织实际上都是由铁素体和渗碳体两相组成的混合物,其力学性能取决于两相的综合平均结果。3.合金的性能与相图的关系2.铁碳相图图3-3合金性能图3-4合金的流动性(2)铸造性能与相图的关系以铸铁部分为例,共晶成分的合金是在恒温下进行结晶的,其熔点最低,流动性最好。结晶温度
11、范围的大小还影响到缩孔的性质。(1)相图的应用1)在铸造工艺上的应用:铁碳相图中的液相线表明了不同含碳量的钢和铁的熔化温度,因而可以根据相图确定熔化温度和浇注温度。液相线和固相线之间的垂直距离反映出合金结晶温度范围的大小,它与合金的流动性和收缩性有关。4.相图的应用和局限性图3-5铁碳相图与热加工温度之间的关系2)在热处理工艺上的应用:铁碳相图的左下角部分是钢进行热处理的重要依据,它明确示出了不同含碳量的钢加热或冷却时发生变化的规律和具体温度。图3-6各种退火及正火的加热温度范围3)对钢铁材料进行组织和性能的综合分析:通过相图,便能对钢和铁在不同含碳量和不同温度范围时的组织和性能作出科学的判断
12、,以便正确地选用材料和对它进行合理的加工。图3-7铁碳合金的成分与组织组成物间的关系(2)相图的局限性1)相图是在极其缓慢加热和冷却的所谓平衡条件下得到的,而实际生产中极难达到平衡状态,所以对于快速加热或冷却时铁碳合金组织变化的规律就不能很好说明。2)相图只绘出合金在平衡条件下存在的相,并未告知相的形状、大小和分布,而这些主要取决于相的本性及形成条件。3)相图中的相和组织是在平衡条件下出现的,而实际生产中为改变合金的性能,往往采用淬火等强化手段,以得到不平衡组织,相图却不能反映这些不平衡组织。4)相图是用极纯的铁和碳配制的合金测定的,而实际应用的钢铁材料中均含有多种杂质元素,这些元素对临界点和
13、相的成分都会有影响,这时必须用三元或多元相图才能确切表示。虽然如此,铁碳相图仍不失为研究钢铁材料的基础。目前,世界各国工程用铸造碳钢大体上按强度分类,并制订相应的牌号。工程与结构用的高强度铸钢,可以是经过热处理的碳钢和低合金钢。铸焊结构有其优点,铸钢的性能良好使其在这个方面的应用有广阔的前景。1.一般工程用铸造碳钢3.焊接结构用铸钢2.一般工程与结构用的高强度铸钢(1)碱性电弧炉炼钢原理钢中含碳量和其他杂质如硅、锰、硫、磷都较生铁(铸铁)为低。(2)碱性电弧炉氧化法熔炼操作碱性电弧炉炼钢有氧化法和不氧化法两种,以前者应用较多,碱性电弧炉氧化法炼钢过程可分为装料、熔化期、氧化期、还原期等几个阶段
14、。1)装料:装料应密实,能加快熔化速度又节省电力。2)熔化期:熔化期的目的是在最短的时间内将固体金属料,熔化为均匀的钢液。1.电弧炉熔炼操作在整个熔化过程中,电弧功率和电压应随时进行调整。3)氧化期:氧化期的任务是脱磷、除气、升温。4)还原期:还原期的任务是脱氧、脱硫、调整成分和温度。氧化期结束,应迅速、全部扒去氧化渣,然后按钢液中含锰量的中限加入锰铁,并加入石灰、萤石迅速造成一层薄薄的挡渣盖住钢液。5)合金元素加入的顺序:熔炼合金钢时要加入各种铁合金。镍:镍不会被氧化,且因镍含氢较多,故应早一些加入炉中。(3)熔炼工艺举例(碱性氧化法)1)熔炼钢种:ZG230450铸造碳钢化学成分(质量分数
15、):022%029%C020%045%Si050%080%Mn004%P、S2)配料:废钢的质量分数为65%85%;炼钢生铁的质量分数为15%20%;3)当一半炉料熔化后,吹氧助熔。4)炉料熔清后扒去大部分炉渣,取样分析C、Mn、P。5)炉温1550,加铁矿石进行氧化。氧化期总脱碳的质量分数要求035%。6)当钢液温度达到1610时,其成分的质量分数为:锰0.15%、磷0.015%、碳0.18%时,便可迅速扒除全部氧化渣。7)扒除氧化渣后,立即加入(质量分数)石灰0.7%、氟石0.5%、电石0.2%及中碳锰铁(w(C)为1%,w(Mn)60%)至钢液锰的质量分数达0.60%。加入预脱氧剂铝锰硅
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