图２-25 壁厚不同的应力框铸件热应力的形成过程
1-粗杆 2-细杆 3-横梁
铸造应力使铸件的精度和使用寿命大大降低。在存放、加工甚至使用过程中,铸件内的残留应力将重新分布,使铸件发生变形或裂纹。它还降低了铸件的耐腐蚀性，其中机械应力尽管是暂时的,但是当它与其他应力相互叠加时,也会增大铸件产生变形与裂纹的倾向,因此必须尽量减小或消除之。要减少铸造应力就应设法减少铸件冷却过程中各部位的温差,使各部位收缩一致, 如将浇口开在薄壁处,在厚壁处安放冷铁,即采取同时凝固原则。此外,改善铸型和砂芯的退让性,减少机械阻碍作用,以及通过热处理等方法也可减少或消除铸造应力。
② 铸造变形与裂纹 如前所述,当铸件中存在内应力时,会使其处于不稳定状态。当铸造应力值超过合金的屈服强度时,铸件将发生塑性变形;当铸造应力值超过合金的抗拉强度时,铸件将产生裂纹。
对于厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特点的杆类、板类及轮类等铸件,当残余铸造应力超过铸件材料的屈服强度时,往往产生翘曲变形。一般来说,薄壁或外层部位冷却速度快,存在压应力,如果铸件刚度不够,应力释放后往往会引起伸长或外凸变形;反之,厚壁或内层部位冷却速度慢,存在拉应力,会导致压缩或内凹变形。例如,前述应力框铸件如果连接两杆的横梁刚度不够,结果会出现如图2-26所示的翘曲变形。图2-27 a所示T形梁铸钢件,板Ⅰ厚、板Ⅱ薄,若铸钢件刚度不够,将发生图中虚线所示的板Ⅰ内凹、板Ⅱ外凸的变形;反之,如果板Ⅰ薄、板Ⅱ厚时,将发生反向翘曲(图2-27b)。图所示为床身,导轨部分厚,侧壁部分薄,铸 造后往往发生导轨面下凹变形。
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图2-26 应力框铸件变形示意图 图2-27 T形梁铸件变形示意图
图2-28 床身导轨的挠曲变形
变形会使铸造应力重新分布,残留应力减小一些,但不会完全消除。铸件产生变形以后,常因加工余量不够或因铸件放不进夹具无法加工而报废。前述防止铸造应力的方法,也是防止变形的基本方法。此外,工艺上还可采取某些措施,如反变形法,即在模样上做出与挠曲量相等,但方向相反的预变形量。来消除床身导轨的变形,见图2-28，当铸造应力超过材料的强度极限时,铸件会产生裂纹,裂纹有热裂纹和冷裂纹两种。热裂纹是在铸件凝固末期的高温下形成的。此时,结晶出来的固体已形成完整的骨架开始进入固态收缩阶段,但晶粒间还有少量的液体,因此合金的强度很低。如果合金的固态收缩受到铸型或型芯的阻碍,使机械应力超过了在该温度下该合金的强度,就会发生裂纹。热裂纹具有裂纹短,缝隙宽,形状曲折,缝内严重氧化、裂口沿晶界产生和发展等特征。热裂纹是铸钢和铝合金铸件常见的缺陷。裂纹是在较低温度下形成的裂纹,当铸件产生的应力的总和大于该温度下金属的强度时,则产生冷裂。冷裂常出现在铸件受拉伸的部位,其形状细小,呈连续直线状,裂纹断口表面具有金属光泽或轻微氧化色。壁厚差别大、形状复杂的铸件,尤其是大而薄的铸件易发生冷裂纹。
铸件中存在任何形式的裂纹都严重损害其力学性能,使用时会因裂纹扩展使铸件断裂,发生事故。凡是减少铸造内应力或降低合金脆性的因素,都有利于防止裂纹的产生。
§2.4合金的熔炼与浇注
一、铸铁的熔炼与浇注
1. 熔炼炉
铸铁的熔炼炉有冲天炉、电弧炉和感应电炉,其中以冲天炉应用最广泛。目前,国内95%以上的铸铁是冲天炉溶炼的。它具有热效率高,熔化率高，设备简单,成本较底和连续熔化等优点 。
冲天炉是以焦炭为燃料的竖式化铁炉。其大致结构及熔化过程见图2-29。主要由炉体、支撑部分、送风系统和前炉等组成。其大小以每小时熔炼的铁水量来表示,常用的为(1.5～
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10)t/h。
图2-29冲天炉示意图
2. 冲天炉炉料及其作用
为熔炼一定化学成分的铸铁,需要往炉内装入各种原料,称为冲天炉炉料。它包括金属料,燃料和熔剂,按比例配备,分批加入炉内。
金属料 包括铸造生铁、铁合金(硅铁、锰铁、络铁等)、废钢和回炉铁(浇冒 口、废铸件)。铸造生铁是由炼铁厂的高炉熔炼的,它是冲天炉熔炼各种铸铁的主要原料;加入废钢,用以降低铸铁的碳含量;加硅铁、锰铁等铁合金,用以调节铸铁的硅、锰含量,加回炉铁,是利用废料降低铸铁的生产成本。
燃料 通常,冲天炉用焦炭作为燃料。近年来,我国有些部门用煤粉作燃料。
熔剂 熔炼铸铁时、熔剂与焦炭的灰分、夹杂物(砂子、土)等形成金属氧化物,再与被蚀炉衬（高熔点酸性氧化物）相互作用,形成低熔点的熔渣,与铁水分离,排出炉外。常用熔剂有石灰石(CaCO3)、萤石(CaF２)
3. 熔炼过程
炉料从加料口装入,在自上而下运动中被上升的炉气预热,在底焦(底层焦炭)顶部(温度约 1200℃)开始熔化,铁水顺着灼热的焦炭空隙下滴,又被进一步加热,温度可达1600℃,再经过过
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道(又称过桥)流入前炉储存。从风口吹人的空气与底焦燃烧后形成高温炉气,自下而上运动,最后变成废气,从烟囱排入大气。
炉料与吹人的空气(风) ,在冲天炉内进行一系列物理化学变化: 焦炭的燃烧 实际是底焦的燃烧,生成CO2与CO变为炉气。
金属料的熔化及其化学成分的变化 金属料熔化后变为铁水,下滴时,流经炽热的焦炭,使其碳含量增加。硅、锰因被氧化而部分减少。焦炭中的硫溶入铁水,增加了铁水中的硫含量。铁水中的磷含量基本不变化。
造渣 在金属料熔化的同时,还进行着造渣过程。原金属料表面的砂粒、氧化物,焦炭中的灰分和铁及合金元素烧损形成的氧化物等物质,一起与熔剂(石灰石等)作用生成熔渣随同铁水聚积到前炉, 这个过程称为造渣。因为熔渣的质量比铁水轻,浮在铁水的上面。最后由前炉的出渣口排出炉外。
4. 炉前铁水质量的控制
为了获得所要求的铸铁种类,并保证其化学成分与力学性能,除了有合理的铸造工艺和炉料配比计算之外,炉前控制铁水质量是重要的工艺环节。其主要工艺措施如下:
图2-30球化处理冲入法
1-球化剂 2-硅铁粒 3-稻草灰 4-铁水
(1)铁水出炉温度根据铸铁的种类、牌号,铸件结构及工艺特点,应合理地确定铁水的出炉温度。一般来说,球墨铸铁的出炉温度比灰铸铁高; 灰铸铁要进行变质(孕育)处理的比不处理的出炉温度高一些。
(2)孕育处理与球化处理孕育处理又叫变质处理。生产高强度铸铁,需要进行孕育处理,即先熔炼碳、硅含量比较低的原铁水,用硅铁做孕育(变质)剂。在出铁时,将粉碎的硅铁均匀地加入出铁槽中,被铁水冲入浇包内,再经过搅拌、扒渣,就能够浇注出高强度铸铁。
在生产球墨铸铁时,要求熔炼的铁水有足够高的碳含量,同时严格控制硫、磷含量,还要加入球化剂和孕育剂。目前,国内应用最广泛的球化剂稀土硅铁合金。将其放在浇包底部特制的槽内,上面盖上硅铁粉与稻草灰，如图2-30。或者在铸型内进行处理,以降低球化剂的用量,并且可提高球墨铸铁的力学性能。
(3)用三角试块炉前控制铁水质量目前在国内多数铸造车间,仍采用三角试块控制铁水质量。即在浇注铸型前,先浇注一个三角试块,将其打断,测量其顶部产生白口的宽度及观察断面的组织结构,如图2-31，以判断铸铁的成分与性能的情况。这种方法简单易行,且比较准确。
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图2-31 三角试块
5. 浇注工艺要点
将铁水从浇包注入铸型的操作,称为浇注。正确地进行浇注,不仅可以减少废品,而且是安全生产的必要条件。其工艺中主要掌握浇注温度与浇注速度。
(1) 浇注温度 铁水注入铸型时所测量到的温度,称为浇注温度。控制浇注温度的原则是,在保证铁水有足够流动性的前提下,尽量降低浇注温度。铁水温度高,流动性好,有利于熔渣的聚积与排除,因而减少铸件夹渣的可能性。但是,温度过高,会使铸件产生缩孔和缩松,组织的晶粒粗大,力学性能下降。温度过低,铁水流动性差,容易产生浇注不足和冷隔等缺陷。
(2) 浇注速度 即单位时间内浇入铸型中的金属液重量,单位为kg/s。一般情况,用浇注时间来控制浇注速度,以分钟计算,也可通过浇注系统进行控制。
二 铸钢的熔炼与浇注简介
对于力学性能要求高的,或要求具有特殊力学、物理、化学性能的重要铸件,要用铸钢(ZG200—400、…)制造,如汽车后桥壳,轧钢机机座,化工设备的泵壳、阀体,以及推土机、坦克的履带板等。铸钢在铸造生产中的应用,仅次于铸铁,居第二位。
1. 铸钢的工艺特点
由于铸钢的流动性比铸铁低,所以,铸钢件的壁厚不得太薄,其截面尺寸比铸铁的大些,浇注系统的结构应力求简单。铸钢的熔点高,收缩大,要求型砂、芯砂具有较高的耐火性,好的透气性与退让性,铸件壁厚尽量均匀,冒口要大一些。铸钢多采用砂型铸造。
2. 铸钢的熔炼和浇注工艺要点
铸钢的熔炼一般采用电弧炉(图2-32) ,利用电弧热进行钢的熔炼。其特点是熔炼周期短,操作方便,可以严格控制钢的化学成分,并且容易获得高温钢水。近年来,感应电炉已用于钢的熔炼,其熔化速度快,合金元素回收率高,钢水温度、成分都比较均匀,质量好,能源损耗少,适用于中、小型铸钢件的生产。
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