铸造合金及其熔炼铸钢有色.pptx

第一章 绪 论 在机械制造业中，铸钢的应用颇为广泛。由于铸钢具有高的强度和良好的韧性，故适于制造承受重载荷及经受冲击和振动的零件。具有抗磨、耐蚀、耐热等特殊使用性能的专用钢种，则适用于一些特殊的工况条件。铸钢材料的品种从普通碳钢、低合金钢至高合金钢。由于采用铸造方法成形，能够在尺寸、质量和结构复杂程度等方面不受限制，故铸钢件的质量从几十克到数百吨，结构从最简单到极复杂。1.1 铸钢的特点：与铸铁材料相比，其优点与缺点如下 (1)力学性能较高：强度高，韧性好。(2)具有焊接性 铸铁材料一般是不能焊接的，而铸钢材料中大部分都具有 焊接性缺陷可焊补、可用铸焊结构生产结构复杂的大型铸钢件。(3)熔炼成本较高：采用电弧炉或感应电炉冶炼冶炼过程复杂。(4)造型材料成本较高：浇注温度较高(比铁高150200)，对造型材料的 耐火度要求高。(5)铸件成品率较低 铸造性能差、流动性较差，形成缩孔、热裂、冷裂及 气孔的倾向均比铸铁要大。第1页/共39页1.2 近年来铸钢生产技术水平发展状况 近年来国内外在铸钢生产技术水平方面有很大的提高，主要表现在以下几方面。(1)铸钢的性能不断提高，品种日益齐全：碳钢合金钢低合金高强度钢 铸造高合金钢。(2)采用炼钢新技术，提高钢液质量：采用炉外使钢的性能大幅提高，出现 了高强度、超高强铸钢。(3)控制钢的结晶过程，改善铸态组织：一次结晶的控制，改善铸钢组织、性能（孕育处理、微量元素合金化细化钢的晶粒、改善铸态组织）。第二章 铸造碳钢 2.1 铸造碳钢的牌号及力学性能 工程用铸造碳钢大体上是按其强度划分牌号的，我国按照ISO标准，根据室温下的屈服强度和抗拉强度进行分级，将一般工程用铸造碳钢分为ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-6405个牌号。下表给出了我国一般工程用铸造碳钢5个牌号的成分特点和其对应的力学性能。第2页/共39页第3页/共39页2.2 铸造碳钢的结晶过程和铸态组织1、结晶过程 以亚共析钢为例介绍钢的结晶过程（1）一次结晶：当钢液温度降至液相线(AB)时，有高温铁素体(-Fe)析出。温度下降至包晶温度时，发生包晶转变，生成奥氏体。温度继续下降，穿过L+区时，又有奥氏体自钢液中析出，此析出过程进行到固相线(JE)温度为止，结晶完毕进入相区，在相区，粒化，树枝晶等轴晶。（2）二次结晶：当温度下降至GS线与PS线之间的区域时，有先共析铁素 第4页/共39页体相析出。随着相的析出，剩余奥氏体的含碳量上升。当温度达到共析转变温度时，发生共析转变，形成珠光体。结晶过程完，钢的组织不再变化。（3）铸态组织 特征：晶粒粗大，有时还有魏氏（网状）组织。与热处理后的组织相比，铸态组织的晶粒较粗大，而且存在柱状晶区，铸件断面上典型 的晶粒分布见右图。魏氏组织：魏氏体组织 形态见右下图。铁索体在奥氏体晶粒内部以一定的方向呈条状析出。这种形态的铁素体常出现在中等含碳量，特别是壁较薄的铸件中。通过热处理，可使魏氏体组织转变为更稳定的粒状组织形态。2.3 碳钢铸件的热处理、金相组织及力学性能。目的：细化晶粒，消除魏氏体(或网状组织)和消除铸造应力。热处理方法有退火、正火或正火加回火。第5页/共39页1、退火 （1）加入温度：将铸件加热至奥氏体温度并保温一段时间，然后随炉冷却。适宜的加热温度AC3以上3050，依钢的含碳量而定，见右图。（2）保温时间：要保证由珠光体奥氏体完全转变,具体时间依铸件厚度而定，一般每25厚，加热1小时。（3）冷却过程：随炉冷却到200300以下，出炉空冷。（4）特点：优点 冷却速度慢，产生的应力小，可避免铸件变形和裂纹。缺点炉子占用时间长，冷速慢，晶粒细化作用不能充分发挥。2 2、正火 正火所采用的加热温度及保温时间与退火第6页/共39页相同。不同之处是保温时间达到后将铸件拉出炉外空冷至常温。正火的目的与退火相同，由于冷速快，奥氏体细小分散的珠光体（索氏体）、韧性高。3、正火加回火 为了进步提高钢的性能，可采取在正火后加以回火的热处理工艺。回火温度为550650。保温时间23h空冷。回火的作用：使正火得到的索氏体中的片状渗碳体转变为粒状。使钢的性能得到进一步提高。注意事项：控制升温速度，防止应力及裂纹，特别在650800时，缓慢升温并保留一段时间（相变应用产生）。碳钢不进行淬火的原因是因为淬透性差。第7页/共39页4、碳钢组织及不同热处理条件下的力学性能 不同碳钢的金相组织见图1。不同热处理条件下的力学性能见图2图1 1 不同含碳量的碳钢在退火状态下的 金相组织(均为放大100100倍)，图中白色的组 织为铁素体,黑(灰)色的组织为珠光体 a)a)C 0.C 0.2222；b)b)C 0.C 0.3030；c)c)C C 0.0.5050第8页/共39页第9页/共39页2.4 影响铸造碳钢力学性能的主要因素1、化学成分（C、Mn、Si、S、P）（1）碳C：钢的主要强化元素，对钢性能起决定作用。随Cb s ak（2）Mn和Si：是有益元素，可提高钢的强度。Mn与C可在一定的范围内起到互补作用（C低时，Mn可高）；Si上限为0.50.6%。（3）S和P：有害元素。S以硫化铁（FeS）或(MnS)的形式存在于晶界，且熔点低钢凝固结束时便处于液态裂纹。P以磷化铁（Fe2P）的形式存在晶界处，低熔点相，削弱晶粒之间的连接韧性、裂纹。2、气体和非金属夹杂物 有害物质：危害程度与其在钢中的存在形态和含量有关。（1）气体：氢、氮和氯、危害最大的是氢。1）氢：来至炼钢时空气中的水蒸气在电弧的作用下，离解为氢原子和氧原子，而后溶于钢液中。存在方式：铸件慢冷时，有条件析出，聚集成气泡，上浮于铸件表层，如果表层凝固，将在表层下形成氢气孔。快速凝固条件下，氢原子来不及转变为氢分子，以极细的质点在铁的晶格内部析出形成高应力，使塑性和韧性降低，即氢脆。防止措施：钢渣层可有效屏蔽气体的进入。低温熔炼：氢在钢中的溶解度随温度降低而降低。第10页/共39页2）氮：来源于空气中N2，电弧下离解2N，氮原子溶解于钢液中。存在形式：以氮气析出。氮与Si、Zr、Al有强的亲和力，生成氮化物：Si3N4、ZrN、AlN。少量起异质将核作用，细化晶粒，性能，多时塑性和韧性。碳钢中应控制N0.02%（200ppm）。3）氧：存在形式：在钢液中不以原子态存在，凝固中是以FeO形式存在,与钢中C反应，形成气孔(CO气孔)，即(C+FeOFe+CO)，剩余的FeO在钢的晶界析出，熔点低性能。（2）非金属夹杂物来源：炼钢过程中产生；浇注过程中二次氧化；钢液冲蚀铸型而形成。非金属夹杂的数量、形态及分布对钢机械性能影响较大。非金属夹杂有三种类型：类夹杂：呈球状或块状、孤立分布钢中（MS、Al2O3)，对钢的性能影响最小；类夹杂：呈枝状或条状沿晶界分布（FeS,FeO)，对钢的性能影响较大；类夹杂：呈多角形、链状沿晶界分布（氧化铝,硅酸盐），对钢的性能影响较小。非金属夹杂物的形态下见图：图 非金属夹杂物第11页/共39页2.5 碳钢的铸造性能 相对于铸铁、铸钢的铸造性能较差，其原因为：熔点高。结晶温度区间宽，收缩量大，故流动性低，缩孔、松倾向大，易形热裂及冷裂缺陷。碳钢中碳对钢的熔点、结晶温度区间以及收缩率等方面的影响最大，钢的每项铸造性能都与钢的含碳量有关。Mn、Si、S、P对铸造性能或多或少的有影响。1、流动性（1）钢液的浇注温度影响：受过热温度的影响程度最大，T浇，流动性（2）钢液含碳量影响：含C量不同，结晶温度间隔大小不同；树枝晶的发达程度不同，在相同浇注温度下，钢液的含C量，流动性。（3）钢液中气体和夹杂物的影响：悬浮在钢液中的气体和夹杂物使钢液变得粘稠，降低其流动性。(电弧炉炼钢通过氧化脱碳可以消除钢液中的气体和夹杂物,提高流动性）2、体积收缩率与缩孔率 C碳钢体收缩率大，C含量提高，体收缩率增加；浇注温度对体收缩率影响最大，浇注温度提高，体收缩率增加。即与结晶温度范围有关。第12页/共39页 钢的体积收缩导致铸件中缩孔的形成。钢中的缩孔表现为集中的缩孔和分散的缩孔(缩 松)两种形式。集中缩孔是在钢的液态收缩过程中和凝固收缩过程中形成的。其形成过程见如下图。缩松是在钢的凝固过程中形成的。钢在 凝固过程中生成的奥氏体呈树枝状。在枝晶叉间的钢液凝固时发生体积收缩 而得不到补缩，就会产生细小的、分散的缩 孔，即缩松。集中缩孔的体积与铸件体积之比称为缩孔率：它是设计冒口的重要参考依据。第13页/共39页3、线收缩率 线收缩分三个阶段：共析转变前收缩；共析转变中膨胀；共析转变后收缩。第14页/共39页 总收缩量与含碳量有关，实际收缩时受铸型与型芯的阻碍总是比自由收缩小。通常碳钢线收缩率取2%。4、热裂倾向 热裂是铸钢件常见的缺陷之一。热裂是在钢的固相线附近的温度下形成的，故热裂缝内 部金属表面在高温下被空气中的氧所氧化，呈氧化铁的黑褐色。热裂总是沿晶界裂开 的，故在外观上总是呈弯弯曲曲的形状。影响热裂的因素：（1）含碳量：C很低和很高时，易形成热裂。（2）含硫量：S形成的硫化物熔点低，在钢凝固终了时才凝固在钢的晶界上，显著降低钢的强度，促使热裂形成。（3）含锰量：Mn在一定程度上抵消S的有害作用，防止裂纹形成。（4）含氧量：O以FeO形式存在，析出在晶界上，强度，促使热裂形成。（5）铸件结构、型砂溃散性对钢的热裂都有一定的影响。第15页/共39页5、冷裂倾向 冷裂是铸件凝固以后，冷却至弹性-塑性转变温度（约700）以下时形成的，当铸件内应力超过钢的强度时，即会产生冷裂。裂纹内表面无氧化颜色，比较光亮，裂纹呈直而光滑的形状。影响冷裂的因素：（1）含碳量：C低时，塑性好，不易形成冷裂。见图6-18（2）含硫量：S，硫化物多，塑性低，冷裂倾向大。（3）含磷量：P，形成磷化物，强度，冷裂倾向大，比S严重量。（4）含氧量：氧化物夹杂碳钢强度和塑性，增大冷裂倾向。（5）其它因素：铸件结构；开箱时间；切割冒口；型芯溃散性对钢冷裂均有影响。第16页/共39页第3章 铸造低合金钢3.1 低合金钢的牌号编制 铸造低合金钢是在铸造碳钢化学成分的基础上加入的一种或几种合金元素所构成的钢种，其合金元素的总含量一般不超过5%。铸造低合金钢号编制是以其化学成分为依据：我国铸造低合金钢的钢号的表示方法如下：最前面为铸钢的符号“ZG”，其后是表示钢的含碳量公称值（以万分之一表示），后面是一系列的合金元素符号及相应含量范围的标注数字。并规定：合金元素平均含量（%）1.5时，不标数字（有时当含量为1.11.49时标注“1”字），含量为1.52.49时，标注“2”字，含量为2.53.49时，标注“3”字，依次类推。3.2 合金元素在钢中的作用 1、锰 锰在钢中一部分固溶于铁索体中(或奥氏体中)，另一部分形成合金渗碳体(FeMn)3C。锰是扩大奥氏体相区元素，降低共析温度、共析点的含碳量和Ms点。随着钢中含锰量增加，其显微组织中的珠光体不但细化，而且数量亦增多，从而导致钢的强度和硬度上升。Mn还能抑制碳化物在过冷奥氏体晶界上的析出，使钢保持较高的塑性，降低钢的韧脆性转变温度，因而锰也是低温钢中的主要合金元素之一。锰的最主要优点是能显著提高钢的淬透性；锰的缺点是增大钢热处理时的过热敏感性，加热时温度稍高，晶粒就会粗化。另外锰在低合金范围内还增加回火脆性。第17页/共39页2、硅 硅是低合金钢中常用的一种合金元素。硅在钢中的作用主要有以下3个方面：(1)硅在钢中不形成碳化物，而只形成固溶体。它在铁素体中所产生的固溶强化作用仅次于碳和磷，而优于锰，因此它使钢的强度和硬度上升，但塑性有所下降；(2)硅缩小奥氏体相区，使钢的固态相变温度升高。当硅量较高时，珠光体转变温度较高。硅能降低碳在铁素体中的扩散速度，阻碍回火碳化物的析出和长大，提高钢的回火脆性抗力，使第一类回火脆性区向更高的温度推移。(3)硅对提高钢的淬透性的作用较小，若将硅与其它元素配合时，其作用比单独使用时 要大得多，这就是为什么在低合金结构铸钢中，Si总是与其它元素配合使用的原因.3、铬 铬既能溶于铁素体，又能形成多种碳化物。铬与碳的结合力大于Fe和Mn，而 小于W和Mo。在渗碳体中它可以置换部分铁原子而形成含铬的(Fe,Cr)3C合金渗碳体。铬具有提高淬透性和固溶强化的双重作用，因此铬能使钢热处理后的强度显著提高。铬具有提高淬透性和固溶强化的双重作用，因此铬能使钢热处理后的强度显著提高。当铬含量小于2时，它在提高钢强度和硬度的同时还可提高其塑性和韧性，这是铬的一个独特优点，故铬多用于低合金调质钢中。此外，铬还能提高钢的耐蚀性，但增加钢的回火脆性。4、钼 钼在钢中既能形成固溶体，也可形成碳化物。随着钢中含钼量的增加，钼所形成的碳化物按如下次序变化：Mo23C6Mo2CMo5C。钼可使钢的C曲线右移，从而显著提高钢淬透性，其作用强于铬，而次于锰。钼使钢C曲线的珠光体转变部分与贝氏体转变部分发生分离，能使钢在连续冷却中获得贝氏体，故钼是贝氏体钢中的主要合金元素。钼单独加入钢中时，能增加回火脆性，当它与其它导致回火脆性的元素如锰、铬等配合使用时，却能降低或抑制回火脆性。通常加入0.40的钼就能产生这种效果第18页/共39页5、镍 镍在钢中的作用主要有以下几个方面：(1)镍只形成固溶体，不形成碳化物，镍增加铁素体的强度而很少降低铁素体的塑性，而且镍也能使钢的强度提高，塑韧性上升。(2)镍是扩大奥氏体相区的元素，它固溶于钢中，能显著提高钢的淬透性。例如加入 2%Ni可足以保证壁厚200毫米的铸件获得相当一致的力学性能。(3)镍对钢弹性的提高比强度较剧烈，因此钢的Rp0.2/Rm比随镍量的增加而增加。在相同的Rm值时，镍钢比其他钢种有更高的利用效果。(4)镍降低碳在-Fe中的溶解度，使钢的组织获得更多的珠光体，有利于钢的强化。镍的这种作用对生产异形铸件非常重要，因为这允许壁厚相差较大的铸件热处理时，即使在较高的温度下长时间的保温，也能获得均匀一致的组织和力学性能。改善铸 件断面力学性能的均匀性。(5)镍能提高钢热处理后的强度和硬度，同时保持较高的塑性、韧性。而且也能改善钢 在低温下的韧性，故镍也是低温用钢的主要合金元素。此外，镍还能显著提高钢的 耐蚀性和抗氧化能力。6、铜 铜是扩大奥氏体相区的元素。在钢中不形成碳化物，但固溶量不大，在1484 下，Cu在奥氏体中的溶解度约为7.58.0；在铁素体中的溶解度更小，在共析温度 下Cu的最大溶解度为2.13，700时减至0.52，室温下仅0.2。过剩的铜以较 纯铜质点游离析出。因此，可通过适当的热处理，发挥铜在钢中的沉淀强化作用，这种作用对于强化大截面铸件，改善断面组织的均一性有着实际意义。多用于中心 不易淬透的大断面铸钢件，以保证铸件中心具有足够的硬度第19页/共39页铜在许多方面与镍相似，铜在铸钢力学性能方面的作用可归纳为三个方面：1)固溶强化，其作用略强于硅；2)在含量超过0.75时，经固溶化处理和时效处理后，产生沉淀强化作用；3)提高钢的韧性，降低钢的韧脆性转变温度。铜降低钢的熔点，改善钢液的流动性，有利于铸件的生产。7、稀土元素 我国具有丰富的稀土资源，应该大力推广应用，稀土在钢中的作用主要有以下几个方面：1)净化钢液：稀土元素是强烈的脱氧剂，其脱氧能力介于MgCa之间，大大超过锰、硅、铝。稀土不仅与氢有较强的亲合力，能与钢中的氢生成稀土氢化物，因而能消除或抑制氢在钢中的危害(如氢脆、白点等)。稀土还能与钢中低熔点杂质元素如铅、锑、铋和砷等形成高熔点化合物，可消除这些元素沿晶界分布所造成的脆性。2)改善夹杂物形态及分布:第二类硫化物、A1N和A12O3等夹杂物是铸造碳钢和低合金钢 的主要有害夹杂物。加入稀土元素，可使原先以薄膜状或链状分布在晶界的低熔点硫 化物、氧化物夹杂物变为稀土硫化物、稀土氧化物及稀土硫氧化物。由于它们的熔点 远比原有夹杂的高，在钢液中易聚集成球状而浮出，使钢中夹杂物数量减少。而残留 在钢中部分夹杂也呈球团状在晶粒内分布，从而消除其危害性。3)改善铸态组织 稀土系表面活性元素，易在固液相界面上富集，在枝晶晶体前沿形 成了吸附薄膜，提高了晶核稳定性，阻止铁原子穿过吸附薄膜，抑制柱状晶区生长，细化晶粒，消除柱状晶和魏氏组织。4)提高钢的性能 稀土元素对钢的强度影响不大，但显著提高钢的常温和低温韧性，改 善钢的高温塑性，消除铸造产生的热裂，提高钢的热强度和抗氧化不起皮性。第20页/共39页3.2 锰系铸造低合金钢 铸造碳钢中含有Mn0.80.9主要是为了脱氧及减轻硫的有害作用。当钢中含锰量提高至1.1I.8时，就成为铸造低锰钢。在这个含量范围内，锰能提高钢的强度和硬 度，而不降低塑性。含锰量更高时会损害钢的塑性。锰在低合金钢中的主要作用是提高钢的淬透性，它是在一些合金元素中提高淬透性方面是最强的，见右图。锰系铸造低合金系列中比较常用的钢号及有关数据见下表。第21页/共39页第22页/共39页 生产中发现单元锰钢的缺点是热处理中过热敏感性大(加热温度过高时易发生晶粒长大 现象)，并易使钢产生回火脆性。为了克服单元锰钢的缺点，生产中多采用多元锰钢生产铸件。生产中最常用的是锰硅钢，这种钢中含硅量为0.600.80。在锰硅钢中，硅起到以下三方面的作用。1)硅小于1能使锰钢产生显著的强化作用，而塑性几乎不降低。锰和硅的共同作用 使钢的淬透性进一步提高，因此，锰硅钢比单元锰钢具有更好的力学性能。2)在锰钢中加入硅可提高钢的表面强化效果，即在外力挤压作用下，钢的表面层硬度 提 高，从而提高钢的耐磨性，故锰硅钢常用于铸制齿轮毛坯。3)锰硅钢具有比较良好的耐海水腐蚀的能力，故可用作船用零件。锰硅钢的缺点是易产生回火脆性，在热处理时铸件回火后应速冷。住锰硅钢中加入适量的合金元素铬，能进一步提高钢的淬透性，使钢得到更高的强度和硬度。锰硅铬钢具有高的耐磨性，常用于铸制重型机械中的大齿轮毛坯等。锰除了提高淬透性及细化珠光体等强化作用之外，还具有使铁索体韧化、改善钢的低温韧性的作用。例如：铸造低碳锰钢ZG06MnNb(化学成分:C0.07，Si0.170.37，Mnl.601.80，Nb0.030.04)即是在低温(-90)条件下使用的钢种。由于钢的含碳量低，故钢的组织是以铁素体为主，锰的作用在于提高铁索体的低温韧性，而Nb则是起细化晶粒的作用。细化晶粒也是提高钢的韧性的一种途径。第23页/共39页3.3 铬系铸造低合金钢 1、Cr的作用（1）提高淬透性，单元Cr钢采用油淬可淬透钢壁厚2030mm铸件。（2）抑制回火碳化物的析出，ZG40Cr钢可采用调质处理（淬火+高温回火）生产铸造齿轮零件。（3）Cr2%，能完全固溶于铁素体中，提高钢的强度，不降低塑性。2、铬钼钢 单元铬钢的缺点是有回火脆性，向Cr钢中加入适量的钼可减轻钢的回火脆性；提高淬透性和渗碳体的热稳定性，防止高温下珠光体分解；再结晶温度，防止高温下晶粒长大；因此，铬钼钢有良好的耐热性，可在450650下使用。例如：ZG20CrMoV（C0.150.25，Mo0.40.6，V0.50.6）、ZGl5Cr1MolV用于制造钢汽轮机的高压缸和主汽阀等重要铸件，可在高温高压的过热蒸汽作用下长期地工作。常见铬系铸造合金钢的钢号、化学成分、力学性能见下表。第24页/共39页第25页/共39页3.4 抗磨用的铸造低合金钢 抗磨用的铸造低合金钢要求：高硬度、高强度和韧性，低合金抗磨钢按基体组织可分为如下三类1、珠光体渗碳体抗磨钢 才 典型的钢种为高碳铬镍钼铸钢（0.72%C，0.88%Mn，0.30%Si，1.56%Cr，0.75%Ni，0.38%Mo），经970退火，890正火和530回火后，具有高的强度和硬度（s=1260Mpa、b=1490Mpa、HBW=415）因而具有较高的抗磨性。其中Cr、Mo稳定珠光体，保证形成珠光体组织，又使钢在磨擦生热时珠光体不致分解。二、马氏体抗磨钢 加入几种提高钢淬透性的合金元素，使钢具有马氏体组织，从而获得高硬度。例如国外应用的Si-Mr-Cr-Mo-Ni马氏体耐磨钢，其化学成分为：0.40.6%C,1.31.5%Mn,0.71.0%Si,0.70.9%Cr,0.250.75%Mo,1.5%Ni，这种钢具有很强的淬透性，厚度达125mm的铸件，在空冷条件下就可获得马氏体组织，其硬度超过珠光体抗磨钢一倍以上，具有很高的抗磨性。同时还具有一定的韧性，能适应冲击磨损的工作条件。三、奥氏体贝氏体抗磨钢 具有贝氏体和奥氏体的混合基体组织，具有高硬度与良好的韧性的综合性能，也称为等温淬火高碳硅合金钢，典型的化学成分:0.60.9%C,2.32.4%Si，0.3%Mo。采用等温淬火处理：将钢加热到奥氏体区固溶化以后，在320360范围内进行等温淬火，形成小于47%稳定奥氏体的贝氏体混合基体组织。第26页/共39页3.5 低合金钢铸件的热处理 1、热处理的目的 热处理的目的：细化晶粒、改善铸态组织、消除铸造应力，发挥合金元素提高淬透性的作用。生产中一般采用淬火+回火或正火+回火处理。2、热处理的特点：（1）预先退火热处理 目的：消除合金元素的偏析，使成分均匀化，形成铸造应力，细化组织。预先退火的加热温度见下表。第27页/共39页（2）淬火（正火）温度及保温时间 低合金钢中由于大多数合金元素均有稳定碳化物的作用，同时由于合金元素在奥氏体中的扩散速度比铁和碳都慢得多，因此，淬火、正火的加热温度比碳钢要高，一般采用Ac3+（50100），保温时间与碳钢相同，即每25mm厚铸件壁厚加1小时。（3）回火后的冷却速度 合金元素Mn、Cr、Mo单独使用时，使钢产生回火脆性，而当Mo与Mn或Cr配合使用 时，能抑制钢的回火脆性。无论在何种情况下，低合金铸件在回火后，均应采取快冷。在铸件允许，不易产生变形情况下，可采用水冷。3.6 低合金钢的铸造性能 低合金钢的铸造性能与相同含碳量的碳钢相近，合金元素对铸造性能的影响表现在如下几个方面：1、流动性合金元素对低合金钢流动性的影响表现在三个方面（1）对钢液相线温度的影响，高溶点的元素Mo、Cr使液相线温度，流动性。（2）Mn、Ni、钢液导热率，流动性。（3）易氧化在钢中形成氧化膜的合金元素，如Cr、Mo降低流动性。2、热裂倾向 合金元素对热裂倾向有一定影响。（1）易形成氧化物的合金元素，如Cr、Mo热裂倾向；第28页/共39页（2）易形成异质晶核，细化晶粒的的元素如Ti、Zr和V，热裂抗力。（3）加RE变质，可减少钢液中的硫和氧的有害作用。热裂倾向。3、冷裂倾向：合金元素对形成冷裂有显著影响。由于合金元素降低钢的导热率，增加钢的弹性模量，在冷却过程中增大热应力，虽然合金元素提高钢的强度，但铸件中内应力增大的幅度超过强度的提高，故使冷裂的倾向增大，持别是铬、锰、钼等元素的影响较大。第四章 铸造高合金钢 当钢中加入的合金元素含量在10%以上时，我们将这种钢叫高合金钢，加入的合金元素可以是一种，也可以是多种。下面我们介绍几种高合金钢。4.1 高锰钢 高锰钢是1883年由英国的R.A.Hodfield发明的，至今已有100多年的历史了。高锰钢中Mn的公称含量为13%，牌号为ZGMn13，经热处理后具有单一奥氏体组织，韧性好，硬度不高，但奥氏体有加硬化性，在使用过程中，其表面受冲压或挤压，表面组织发生加工硬化，硬度大为提高，具有很高的耐磨性。1、ZGMn13化学成分我国高锰钢的牌号及化学成分见下表第29页/共39页由表可知，高锰钢的成分范围为：0.91.4%C，11.014.0%Mn,0.31.0%Si。当钢中锰的含量较高，而碳的含量较低时，则钢的韧性较高，而硬度较低。2、高锰钢的组织（1）高锰钢的铸态组织 高锰钢的铸态组织为奥氏体+碳化物，右图为 Fe-C-Mn三元合金相图Mn13的等成分截面图。由图可见，13Mn和1.3C的钢在 常温下的组织应为+M3C组织，但在铸造条件下，相变达不到乎衡状态，因而高锰钢的铸态组织主要由奥氏体+碳化物及+少量的相变产物珠光体所组成(见下图)。由图可知，沿奥氏体晶界析出的 碳化物降低钢的韧性。第30页/共39页（2）高锰钢的水韧处理组织 为消除高锰钢组织中碳化物，将钢加热至奥氏体区温度（10501100，视钢中碳化物尺寸大小而定），并保温一段时间（相当于每25mm壁厚保温Ih)，使铸态组织中的碳化物基本上都固溶到奥氏体中，然后在水中进行淬火(通常称为水韧处理)，得到单一的奥氏体组织(见右上）。这种奥氏体钢在经受冲击或挤压时，将在表面层发生变形，因而产生强化，硬度由原来的HBS229增高至450550MW以上。这种表面层高硬度与内部高韧性 的结合，使得高锰钢具有很高的抵抗冲击磨损的能力。第31页/共39页3、高锰钢的性能 高锰钢水韧处理后的力学性能指标为:b637735MPa,s396MPa,Ak150J/cm2。高锰 钢的焊接性能很差，由于高锰钢的热导率低(相当于碳钢的13左右)，焊接过程中易产生大的应力导致铸件开裂。4、提高高锰钢性能的途径（1）孕育和变质:由于高锰钢晶粒粗大，特别是厚壁铸件，断面上的柱状晶区持别发达，甚至出现“穿晶”现象，严重降低钢的韧性。因此，细化钢的晶粒和消除柱状晶，对于改善高锰钢钢的韧性，有显著的效果。1）加细化剂:加入Ti、Zr、Nb、V形成碳化物或氮化物起结晶质核心作用细化晶粒。2）孕育处理：浇注过程中撒入钨粉或锰铁碎屑实现是悬浮浇注，能显著细化晶粒。3）稀土变质（Re0.10.2%），有效减弱柱状晶生长，缩小柱状晶区，显著提高钢的韧性。（2）时效强化 加入固溶度随温度下降而降低的元素，如V、Ti、Mo在钢的热处理时以碳化物的形式析出，如采用1080固溶后，水淬，并在350时进行812h时效，得到组织为奥氏体中析出高弥散分布的微细颗粒状碳化物，显著提高高锰钢的硬度和耐磨性。（高C，低Mn有利于时效强化）。（3）合金化 由于高锰钢的屈服强度低，加入2%Cr或1%Mo，提高高锰钢的强度和耐磨性。第32页/共39页5、高锰钢的铸造性能（1）流动性 高锰钢导热性差，凝固速度慢，流动性良好，适应于浇注薄壁和复杂结构铸件，高锰钢液相线温度TL=1370，高锰钢的浇注温度一般为14201470，根据铸件情况而定。（2）热裂倾向 高锰钢线收缩大（自由线收缩2.53.0%），高温强度低，易发生热裂，注意铸型和型芯的退让性。（3）应力 高锰钢导热性差，热应力比碳钢大差，铸态下，强度低，受应力作用易开裂，尽可能不采用冒口，局部热节处可用冷铁激冷。（4）粘砂 高锰钢液中含有较多的MnO，且为碱性，采用硅砂铸型时（酸性），容易发生化学粘砂，生产中采用碱性或中性的耐火材料做铸型和型芯表面涂料。如采用镁砂粉或铬矿粉涂料。4.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）第33页/共39页4.2 铸造不锈钢及其耐蚀原理 铸造不锈钢主要用于制造化工设备中经受液体或气体腐蚀的铸件。在石油工 业、化纤工业以及食品医药工业中得到应用。世界上通用的不锈钢可概括地分别两类：铬不锈钢和铬镍不锈钢。我国的铸造不锈钢的 钢号、化学成分和用途见下表。第34页/共39页 1、抗腐蚀原理 （1）抗化学腐蚀 不锈钢的耐蚀性主要是其中的铬。铬溶于铁的晶格中形成固溶体。当钢中含铬量达到一定的浓度(约12)以上时，就会在钢的晶粒表面形成一层致密的、含氧化铬(Cr2O3)的薄膜，其组成可以用FeOCr2O3表示。这种氧化膜在氧化性酸类(如硝酸)中具 有高的化学稳定性，称为钝化膜。这层钝化膜的作用在于保护晶粒内部免受腐蚀。不锈钢的最低含铬量为13.提高含铬量，抵抗氧化性介质腐蚀的能力增强。Cr含超过25以后，再继续提高合格量时，对提高耐蚀性方面 所起的作用就不显著了。（2）抗电化学腐蚀 Cr溶于铁素体中，使电极电位，降低组织中两相电位差，减轻电化学腐蚀。合金元素Ni、Mo、Cu也有以上作用。2、铸造铬镍不锈钢的成分及性能（1）铬镍不锈钢化学成分：铬镍不锈钢中铬的公称含量为18%,加入8%的Ni后，可得到全奥氏体组织。化学成分为：18%Cr、8%Ni（2）组织：铬镍不锈钢的铸态组织：奥氏体+碳化物；经固溶处理（10501100保温一段的时间后水淬）后的组织为单相奥氏体。使钢具有了较高的强度和良好的第35页/共39页塑性和韧性。铬镍不锈钢固溶处理后的组织见下图。(3)性能：铬镍不锈钢具有较高的强度，良好的塑性和韧性3、铬镍不锈钢的缺点：铬镍不锈钢易发生晶间贫铬现象（见右上图）：碳化物在晶界析出，由于碳化物中含有很高的铬（含铬量比钢的平均含铬量高出许多），因此，它的析出使钢的晶粒内界面层的出现贫铬现象，导致钢的钝化膜不易形成，钢的耐蚀性。由于晶界耐蚀性降低腐蚀沿晶界向晶内扩展，出现晶间腐蚀，危险性比均匀腐蚀更为严重。第36页/共39页4、防止措施（1）严格控制钢的含碳量 尽量C，厚壁铸件取规格成份的下限（2）加入适量的碳化物形成元素（Ti或Nb），使C在溶于奥氏体后的剩余部分形成碳化钛或碳化铌。从而避免碳化铬的形成，使铬全部固溶在奥氏体内。须配合适当的热处理工艺。例如：固溶处理后，再加热到850900保温一段时间，然后再进行淬火(稳定化处理)，（加热温度高于碳化铬的固溶温度，低于碳化钛的固溶温度）。5、常见铬镍不锈钢（1）耐硝酸钢（ZG1Cr18Ni9Ti）（2）耐硫酸钢（ZG1Cr18Ni12MoTi和ZG1Cr18Ni14Mo3Cu2Ti,耐强酸ZG1Cr18Ni20Si2）（3）双相不锈钢（ZG0Cr13Ni7Si4（奥氏体 铁素体）6、合金元素对钢组织的影响 在不锈钢中，合金元素种类较多，而每种元素对钢的组织都有一定的影响。通常 按照对组织形成的影响而将合金元素分为两类，即以铬为主的铁索体形成元素和以镍为主的奥氏体形成元素，并依照每种元素所起作用的大小，折合成相应的铬当量值或镍当量值。（1）以Cr为主的铁素形成元素：Cr当量=（Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb）100%（2）以Ni为主的奥氏体形成元素：Ni当量=（Ni+30C+0.5Mn）100%钢的组织与铬当量和镍当量之间的关系如下图第37页/共39页7、提高铸造不锈钢的性能的途径（1）降低含碳量，减少碳化铬的形成，提高耐蚀性；采用超低碳不锈钢：C0.03%（2）钢液净化 去除夹杂，防止其破坏表面氧化铬膜的连续性，提高钢的局部耐蚀性。8、铬镍不锈钢的铸造性能（1）流动性差，易形成冷隔：由于钢液中含铬量高，易形成氧化铬夹杂，流动性；氧化铬膜还使钢易产生冷隔和表面皱皮等缺陷。（2）体收缩大，易产生缩孔和缩松，力求顺序凝固，冒口比碳钢大2030%。（3）易产生热裂：线收缩大(3.03.2%)，高温强度低易收缩受阻而产生热裂。为防止热裂，应加强铸型和型芯的容让性。（4）易产生热粘砂：钢液温度高，易发生粘砂。为了保证铸件表面质量，可采用耐火度高的涂料，如 铬矿粉涂料、镁砂粉涂料、锆砂粉涂料等来涂刷铸型和型芯的表面。9、铬镍不锈钢的应用范围 可用于与硝酸、磷酸、氧化性酸类介质中；加Mo、Cu后可用于硫酸中。不适应盐酸和强碱介质。第38页/共39页感谢您的观看！第39页/共39页