【正文】 4）.特殊性能鋼 合金元素在鋼中的作用 合金元素對(duì)鋼中基本相的影響（15min） 1．形成合金鐵素體2．形成碳化物 合金元素對(duì)鐵碳相圖的影響 （10min） 合金元素對(duì)熱處理及性能的影響 （15min）1．對(duì)鋼在加熱時(shí)奧氏體化的影響2．對(duì)過冷奧氏體分解的影響3．對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響 結(jié)構(gòu)鋼 普通結(jié)構(gòu)鋼 （10min）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼1．成分特點(diǎn)2．熱處理特點(diǎn)普通結(jié)構(gòu)鋼使用時(shí)一般不進(jìn)行熱處理，大多數(shù)是在熱軋狀態(tài)下或熱軋后正火狀態(tài)下使用。鋁硅鑄造鋁合金：又稱為硅鋁明 純銅 黃銅黃銅是以鋅作為主要合金元素的銅合金．通常把銅鋅二元合金稱為普通黃銅，用“黃”字漢語拼音字首“H”表示，其后附以數(shù)字表示平均含銅量。其中砂型鑄造工藝如圖71所示。 圖71 砂型鑄造工藝流程圖 造型方法造型是砂型鑄造的重要工序，有手工造型和機(jī)器造型兩類。各種常用手工造型方法的特點(diǎn)及其適用范圍見下表：表 常用手工造型方法的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍 造型方法 主要特點(diǎn) 適用范圍 按砂箱特征區(qū)分 鑄型由上型和下型組成，造型、起模、修型等操作方便 適用于各種生產(chǎn)批量，各種大、中、小鑄件 鑄型由上、中、下三部分組成，中型的高度須與鑄件兩個(gè)分型面的間距相適應(yīng)。造型簡(jiǎn)單，鑄件不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)型缺陷 適用于一端為最大截面，且為平面的鑄件 模樣是整體的，但鑄件的分型面是曲面。造型簡(jiǎn)單，節(jié)省工時(shí) 常用于最大截面在中部的鑄件 鑄件上有妨礙起模的小凸臺(tái)、肋條等。但生產(chǎn)率低，要求操作者的技術(shù)水平較高 主要用于有等截面的或回轉(zhuǎn)體的大、中型鑄件的單件或小批量生產(chǎn) ：機(jī)器造型是指用機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)緊砂和起模的造型方法。圖72 震壓造型機(jī)的工作過程填砂→震擊緊砂→輔助壓實(shí)→起模 2）.工藝特點(diǎn) 機(jī)器造型工藝是采用模底板進(jìn)行兩箱造型。型芯可用手工制造，也可用機(jī)器制造。鑄造工藝圖：在零件圖中用各種工藝符號(hào)表示出鑄造工藝方案的圖形，其中包括：鑄件的澆注位置；鑄型分型面；型芯的數(shù)量、形狀、固定方法及下芯次序；加工余量；起模斜度；收縮率；澆注系統(tǒng)；冒口；冷鐵的尺寸和布置等。圖73 支座的鑄造工藝圖、模樣圖及合型圖a)零件圖采用立式澆注，由于全部圓周表面均處于側(cè)立位置，其質(zhì)量均勻一致、較易獲得合格鑄件。2． 對(duì)于容易產(chǎn)生縮孔的鑄件，應(yīng)將厚大部分放在分型面附近的上部或側(cè)面 以便在鑄件厚壁處直接安置冒口，使之實(shí)現(xiàn)自下而上的定向凝固。圖77為一起重臂鑄件，按圖中所示的分型面為一平面，故可采用較簡(jiǎn)便的分模造型；如果選用彎曲分型面，則需采用挖砂或假箱造型，而在大量生產(chǎn)中則使機(jī)器造型的模底板的制造費(fèi)用增加。當(dāng)中心線ab呈垂直時(shí)（圖78b），鑄型必須有三個(gè)分型面才能取出模樣，即用四箱造型。圖78 三通的分型方案圖79所示支架分型方案是避免用活塊的例子。但制造型芯需要專門的工藝裝備，并增加下芯工序，會(huì)增加鑄件成本。圖710 使用型芯減少分型面2．盡量使鑄件全部或大部置于同一砂箱，以保證鑄件精度 如圖711所示。圖712 機(jī)床支架注意：選擇分型面的上述諸原則，對(duì)于某個(gè)具體的鑄件來說難以全面滿足，有時(shí)甚至互相矛盾。數(shù)值取決于：鑄件生產(chǎn)批量、合金的種類、鑄件的大小、加工面與基準(zhǔn)面之間的距離及加工面在澆注時(shí)的位置等。澆注時(shí)鑄件朝上的表面因產(chǎn)生缺陷的機(jī)率較大，其余量應(yīng)比底面和側(cè)面大。 800~1250 頂面 底、側(cè)面 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~10 ~ 鑄件的孔、槽：一般來說，較大的孔、槽應(yīng)當(dāng)鑄出，以減少切削加工工時(shí)，節(jié)約金屬材料，并可減小鑄件上的熱節(jié)；較小的孔則不必鑄出，用機(jī)加工較經(jīng)濟(jì)。在鑄造工藝圖上，加工表面上的起模斜度應(yīng)結(jié)合加工余量直接表示出，而不加工表面上的斜度（結(jié)構(gòu)斜度）僅需用文字注明即可。4. 型芯頭 型芯頭可分為垂直芯頭和水平芯頭兩大類，如圖714所示。一般大量生產(chǎn)的定型產(chǎn)品、特殊重要的單件生產(chǎn)的鑄件，鑄造工藝設(shè)計(jì)訂得細(xì)致，內(nèi)容涉及較多。表 鑄造工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容和一般程序項(xiàng)目 內(nèi)容 用途及應(yīng)用范圍 設(shè)計(jì)程序 鑄 造 工 藝 圖 在零件圖上用規(guī)定的紅、蘭等各色符號(hào)表示出：澆注位置和分型面，加工余量，收縮率，起模斜度，反變形量，澆、冒口系統(tǒng)，內(nèi)外冷鐵，鑄肋，砂芯形狀、數(shù)量及芯頭大小等 是制造模樣、模底板、芯盒等工裝以及進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備和驗(yàn)收的依據(jù) 適用于各種批量的生產(chǎn) 在制訂鑄造工藝方案時(shí)，主要應(yīng)著眼于工藝上的簡(jiǎn)化。本方案的主要優(yōu)點(diǎn)是適于鑄出軸孔，鑄后軸孔的飛邊少，便于清理。此時(shí)，凸臺(tái)A不妨礙起模，但凸臺(tái)E和槽C妨礙起模，也需采用活塊或型芯來克服。其優(yōu)點(diǎn)是鑄件不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)型缺陷；基準(zhǔn)面朝下，其質(zhì)量容易保證；同時(shí)，鑄件最薄處在鑄型下部，金屬液易于充滿鑄型。此時(shí)，為了使下芯、合箱及鑄件的清理簡(jiǎn)便，只能按照方案I從軸孔中心線處分型。同時(shí)，因鑄件的尺寸允許偏差較大，九個(gè)軸孔不必鑄出，留待直接切削加工而成。如圖134a所示。3．熔化蠟?zāi)＃撓灒? 通常將帶有蠟?zāi)＝M的型殼放在80~90℃的熱水中，使蠟料熔化后從澆注系統(tǒng)中流出。熔模鑄造的特點(diǎn)是：（1）鑄件精度高、表面質(zhì)量好，是少、無切削加工工藝的重要方法之一，其尺寸精度可達(dá)IT11~IT14，~。（3）鑄造合金種類不受限制，用于高熔點(diǎn)和難切削合金，更具顯著的優(yōu)越性。金屬型鑄造是將金屬液澆注到金屬鑄型中獲得鑄件的方法鑄造（金屬液態(tài)成形）：將液態(tài)金屬在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷卻后，獲得所需形狀和尺寸的毛坯或零件的方法。當(dāng)鑄件冷卻后，首先取出中間的楔片及兩個(gè)小金屬芯，然后將兩個(gè)半金屬芯沿水平方向向中心靠攏，再向上拔出。圖720 鋁合金活塞的金屬型簡(jiǎn)圖金屬型的鑄造工藝措施由于金屬型導(dǎo)熱速度快，沒有退讓性和透氣性，為了確保獲得優(yōu)質(zhì)鑄件和延長(zhǎng)金屬型的使用壽命，必須采取下列工藝措施：（1）加強(qiáng)金屬型的排氣（2）表面噴刷防粘砂涂料（3）預(yù)熱金屬型（4）開 型因金屬型無退讓性，除在澆注時(shí)正確選定澆注溫度和澆注速度外，澆注后，如果鑄件在鑄型中停留時(shí)間過長(zhǎng)，易引起過大的鑄造應(yīng)力而導(dǎo)致鑄件開裂。（2）鑄件壁厚要均勻，壁厚不能過?。ˋlSi合金2~4mm，AlMg合金為3~5mm）。但金屬型的制造成本高，不宜生產(chǎn)大型、形狀復(fù)雜和薄壁鑄件；由于冷卻速度快，鑄鐵件表面易產(chǎn)生白口，切削加工困難；受金屬型材料熔點(diǎn)的限制，熔點(diǎn)高的合金不適宜用金屬型鑄造。熱壓室壓鑄機(jī)的壓室與坩堝連成一體，而冷壓室壓鑄機(jī)的壓室是與坩堝分開的。圖721 臥式冷壓室壓鑄機(jī)工作原理（二）壓鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性1．壓鑄件上應(yīng)消除內(nèi)側(cè)凹，以保證壓鑄件從壓型中順利取出。壓鑄件適宜的壁厚：鋅合金為1~4mm，~5mm，銅合金為2~5mm。還能壓鑄鑲嵌件。不足：氣體難以排出，壓鑄件易產(chǎn)生皮下氣孔，壓鑄件不能進(jìn)行熱處理，也不宜在高溫下工作；金屬液凝固快，厚壁處來不及補(bǔ)縮，易產(chǎn)生縮孔和縮松；設(shè)備投資大，鑄型制造周期長(zhǎng)、造價(jià)高，不宜小批量生產(chǎn)。開啟鑄型，取出鑄件，如圖722c所示。（4）省去補(bǔ)縮冒口，金屬利用率提高到90～98%。（一）金屬或合金的流動(dòng)性1.流動(dòng)性好：易于充滿型腔，有利于氣體和非金屬夾雜物上浮和對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。圖723 螺旋型試樣表 常用合金的流動(dòng)性（砂型，試樣截面8㎜8㎜） 合金種類 鑄型種類 澆注溫度/℃ 螺旋線長(zhǎng)度/㎜ 鑄鐵 wC+Si=% wC+Si=% wC+Si=% wC+Si=% 砂型 砂型 砂型 砂型 1300 圖724 FeC合金的流動(dòng)性與含碳量的關(guān)系（2）澆注溫度：鑄鋼1520~1620℃；鑄鐵1230~1450℃；鋁合金680~780℃。合金的收縮經(jīng)歷如下三個(gè)階段，如圖725所示。（2）線收縮率：合金的固態(tài)收縮不僅引起體積上的縮減，同時(shí)還使鑄件在尺寸上減小，因此常用單位長(zhǎng)度上的收縮量來表示。表 幾種鐵碳合金的體積收縮率 合金種類 含碳量（%） 澆注溫度/℃ 液態(tài)收縮（%） 凝固收縮（%） 固態(tài)收縮（%） 總體積收縮（%） 碳素鑄鋼 白口鑄鐵 灰 鑄 鐵 1610 1400 1400 ~ ~ 12~ ~ 表 常用鑄造合金的線收縮率 合金種類 灰鑄鐵 可鍛鑄鐵 球墨鑄鐵 碳素鑄鋼 鋁合金 銅合金 線收縮率（%） ~ ~ ~ ~ ~ ~ 化學(xué)成分不同，其收縮率也略有差別。 縮孔和縮松的形成若液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補(bǔ)足，則在鑄件的最后凝固部位會(huì)形成一些孔洞?？s松：分散在鑄件某些區(qū)域內(nèi)的細(xì)小縮孔。（2）縮松的形成 主要出現(xiàn)在呈糊狀凝固方式的合金中或斷面較大的鑄件壁中，是被樹枝狀晶體分隔開的液體區(qū)難以得到補(bǔ)縮所致。按照這樣的凝固順序，先凝固部位的收縮，由后凝固部位的金屬液來補(bǔ)充；后凝固部位的收縮，由冒口中的金屬液來補(bǔ)充從而將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口之中。圖729 縮孔位置的確定（三）鑄造應(yīng)力 鑄造內(nèi)應(yīng)力有熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力兩類，它們是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的基本原因。2．機(jī)械應(yīng)力的形成 機(jī)械應(yīng)力是合金的線收縮受到鑄型或型芯的機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力，如圖731所示。（四）鑄件的變形 翹曲變形：厚薄不均勻、截面不對(duì)稱及細(xì)長(zhǎng)的桿類、板類及輪類鑄件，當(dāng)鑄造應(yīng)力超過鑄件材料的屈服極限時(shí)產(chǎn)生。圖734 箱體件反變形量方向（五）鑄件的裂紋 當(dāng)鑄造內(nèi)應(yīng)力超過金屬材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鑄件便產(chǎn)生裂紋，根據(jù)產(chǎn)生溫度的不同，裂紋可分為熱裂和冷裂兩種。影響熱裂因素： （1）合金性質(zhì)（合金的結(jié)晶特點(diǎn)和化學(xué)成分）（2）鑄型阻力（鑄型、型芯的退讓性）防止熱裂的方法：合理的鑄件結(jié)構(gòu)；型砂和芯砂的退讓性；嚴(yán)格限制鋼和鑄鐵中硫的含量等。冷裂 低溫形成的裂紋為冷裂。防止冷裂的方法：減小鑄造內(nèi)應(yīng)力和降低合金的脆性。(3)設(shè)計(jì)鑄件上的凸臺(tái)和筋條時(shí)，應(yīng)考慮方便造型；4)鑄件的外形應(yīng)盡可能使鑄件的分型面數(shù)目最少。鑄件內(nèi)圓角半徑R的尺寸見表112 鑄件上部大的水平面（按澆注位置）最好設(shè)計(jì)成傾斜面，以免產(chǎn)生氣孔、夾砂和積聚非金屬夾雜物 為了防止裂紋，應(yīng)盡可能采用能夠自由收縮或減緩收縮受阻的結(jié)構(gòu)，如輪輻設(shè)計(jì)成彎曲形狀 在鑄件的連接或轉(zhuǎn)彎處，應(yīng)盡量避免金屬的積聚和內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，厚壁與薄壁相連接要逐步過渡，并不能采用銳角連接，以防止出現(xiàn)縮孔、縮松和裂紋。表 砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(jì) mm 鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鋁合金 銅合金 ＜200200 200200~500500 ＞500500 5~8 10~12 15~20 3~5 4~10 10~15 4~6 8~12 12~20 3~5 6~8 — 3~ 4~6 — 3~5 6~8 — 常用合金鑄件的制造常用合金：鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金中的鋁、銅合金，本節(jié)主要介紹這幾種合金的性能、生產(chǎn)特點(diǎn)、應(yīng)用以及如何選擇鑄造方法等。在實(shí)際應(yīng)用中，鑄鐵是以鐵、碳和硅為主要元素的多元合金。圖735 灰鑄鐵的顯微組織 a）鐵素體灰鑄鐵b）鐵素體+珠光體灰鑄鐵c）珠光體灰鑄鐵 性能特征：灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和彈性模量均比鋼低得多，通常σb約為120~250MPa，抗壓強(qiáng)度與鋼接近，一般可達(dá)600~800MPa，塑性和韌度近于零，屬于脆性材料，不能鍛造和沖壓；焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的傾向大，焊接區(qū)常出現(xiàn)白口組織，焊后難以切削加工，焊接性差；灰鑄鐵的鑄造性能優(yōu)良，鑄件產(chǎn)生缺陷的傾向??；由于石墨的存在切削加工性能好，切削加工時(shí)呈崩碎切屑，通常不需加切削液；灰鑄鐵的減振能力為鋼的5~10倍，是制造機(jī)床床身、機(jī)座的主要材料；灰鑄鐵的耐磨性好，適于制造潤(rùn)滑狀態(tài)下工作的導(dǎo)軌、襯套和活塞環(huán)等。鑄鐵石墨化：主要影響因素是化學(xué)成分和冷卻速度。硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素。硫嚴(yán)重阻礙石墨化的元素。錳能抵消硫的有害作用，故屬于有益元素。磷 磷的影響不顯著，可降低鐵液的粘度而提高鑄鐵的流動(dòng)性。（2）冷卻速度 相同化學(xué)成分的鑄鐵，若冷卻速度不同，其組織和性能也不同。鑄件的冷卻速度主要取決于鑄型材料的導(dǎo)熱性和鑄件的壁厚。2．灰鑄鐵的用途 根據(jù)牌號(hào)的不同而選用：低負(fù)荷和不重要的零件，如防護(hù)罩、小手柄、蓋板和重錘等；承受中等負(fù)荷的零件，如機(jī)座、支架、箱體、帶輪、軸承座、法蘭、泵體、閥體、管路、飛輪和電動(dòng)機(jī)座等；承受較大負(fù)荷的重要零件，如機(jī)座、床身、齒輪、汽缸、飛輪、齒輪箱、中等壓力閥體、汽缸體和汽缸套等；承受高負(fù)荷、要求耐磨和高氣密性的重要零件，如重型機(jī)床床身、壓力機(jī)床身、高壓液壓件、活塞環(huán)、齒輪和凸輪等。孕育鑄鐵的另一優(yōu)點(diǎn)是冷卻速度對(duì)其組織和性能的影響甚小，因此鑄件上厚大截面的性能較為均勻，如圖737所示。孕育處理時(shí)，應(yīng)將硅鐵均勻地加入到出鐵槽中，由出爐的鐵液將其沖入澆包中。灰鑄鐵件主要用砂型鑄造，澆注溫度較低，因而對(duì)型砂的要求也較低，中小件大多采用經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的濕型鑄造。通常σb=（400~900）MPa，δ=2%~18%，同時(shí)，仍保持灰鑄鐵某些優(yōu)良性能，如良好的耐磨性和減震性，缺口敏感性小，切削加工性能好等。高碳（%~%）可改善鑄造性能和球化效果，低的錳、磷可提高球墨鑄鐵的塑性與韌度。球化劑：我國(guó)廣泛采用的球化劑是稀土鎂合金。但稀土的球化作用較鎂弱，單純用稀土作球化劑時(shí)，石墨球不夠圓