铸造合金及其熔炼铸钢有色.pptx

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1、 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

2、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

3、（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。

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、，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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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2.1

21、3，700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

22、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

23、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，

24、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

25、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，Si0.1

26、70.37，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

27、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，0.8

28、8%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12

29、5mm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

30、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

31、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

32、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ZGM

33、n13，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

34、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

35、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

36、）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，

37、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

38、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

39、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

40、。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，

41、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

42、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