1、1合金材料及熔煉蔡啟舟Tel:mail: 材料成型及控制工程專業(yè)選修課2第二章 鑄鋼 3引 言鑄鋼材料與鑄鐵材料相比，其優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)如下： 力學(xué)性能較高，具有可焊性，不僅有利于鑄件缺陷的修補(bǔ)，而且能夠采用鑄焊結(jié)構(gòu)的方法，以滿足一些特殊零件的要求。 鋼的熔煉成本、造型材料成本較高；鑄造流動(dòng)性較差，易形成縮孔、熱裂、冷裂及氣孔，鑄鋼件的成品率低。4三峽左岸三峽左岸70萬上冠萬上冠84603022G=115,500kg 5100萬核電高中壓外缸,G=71,600kg6精密鑄造工具用鑄鋼件7 185MN上油缸橫梁，材質(zhì)GS20Mn5，毛坯重量520t，澆注鋼水量829.5t。

2、這是目前世界上一次組織精煉鋼水最多、澆注噸位最重的特大型鑄鋼件。80t、50t、30t電弧爐，150t、60t、40tLF精煉爐等冶煉設(shè)備全部投入生產(chǎn)，于2008年5月22日通過10爐6包聯(lián)合澆注成功，改寫了世界鑄造史。 中信重工機(jī)械股份有限公司82.1 鑄造碳鋼 鑄造碳鋼是用途極廣的工程材料。它具有比普通鑄鐵高的強(qiáng)度、塑性、韌性及良好的焊接性。與鑄造合金鋼相比，鑄造碳鋼除加入硅、錳等脫氧劑外不添加合金元素，對原材料的要求不高，成本低，熔鑄工藝易于掌握。 寶鋼5M寬厚板軋機(jī)（鑄件重量492t，鋼液重量773t） 9表 一般工程用碳鋼的力學(xué)性能鑄鋼牌號(hào)最 小 值屈服強(qiáng)度s或0.2(MPa)抗拉強(qiáng)

3、度b(MPa)伸長率(%)斷面收縮率(%)根據(jù)合同選擇其一沖擊韌性Akv(J)k (J/cm2)ZG200-40020040025403060ZG230-45023045022322545ZG270-50027050018252235ZG310-57031057015211530ZG340-640340640101810202.1.1 鑄造碳鋼的化學(xué)成分及性能 (1) 鑄鋼的性能10鑄鋼牌號(hào)CSiMnSP殘余元素NiCrCuMoVZG200-4000.200.500.800.010.300.350.300.200.05ZG230-4500.300.90ZG270-5000.40ZG310-57

4、00.500.60ZG340-6400.60 對上限每減少C0.01%，允許增加Mn0.04%。ZG200-400含錳量最高至1.00%，其余四個(gè)牌號(hào)Mn最高至1.2%。 殘余元素總量不超過1.00%，如需方無要求，殘余元素可不進(jìn)行分析。表2-2 一般工程用鑄造碳鋼的化學(xué)成分(wt%) (2) 鑄鋼的化學(xué)成分112.1.2 鑄造碳鋼的結(jié)晶與組織 一次結(jié)晶： L-Fe(鐵素體) -Fe + L (奧氏體)(1) 結(jié)晶過程12 在近平衡狀態(tài)下，多面體的棱角前沿液相中的溶質(zhì)濃度梯度較大，其擴(kuò)散速度較快；而大平面前沿液相中溶質(zhì)梯度較小,其擴(kuò)散速度較慢；這樣棱角處晶體長大速度大，平面處較小，近于球形的多

5、面體逐漸長成星形，從星形再生出分枝而成樹枝狀。 13 在一次結(jié)晶過程中，奧氏體以樹枝狀的形態(tài)析出，通過奧氏體相區(qū)時(shí)發(fā)生晶體分裂過程，一個(gè)奧氏體樹枝晶分裂成為若干個(gè)粒狀?yuàn)W氏體小晶粒，這就是奧氏體的?；^程。奧氏體晶粒發(fā)生?；怯捎谀芰孔饔煤蛻?yīng)力作用的結(jié)果。一方面隨著溫度降低，晶體的體積能減小而表面能增大，趨向于形成細(xì)小的晶粒；另一方面，鋼在冷卻過程中由于收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也促使大晶粒分裂成較小的晶粒。由于奧氏體晶粒發(fā)生了?；^程，因此，人們在碳鋼的低溫顯微組織中看不到樹枝晶。 奧氏體的粒化14 (奧氏體) 先共析鐵素體 (奧氏體) + Fe3C 二次結(jié)晶15 晶粒粗大 晶粒粗大則晶界的比表面積較

6、小，因而鋼的強(qiáng)度較低。柱狀晶具有各向異性，在其橫向上的力學(xué)性能特別是韌性較低。在經(jīng)受外力沖擊作用時(shí)，易沿晶界發(fā)生斷裂 。(2) 鑄態(tài)組織 碳鋼的鑄造過程決定了其鑄態(tài)組織有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 16 鑄造碳鋼的晶粒大小在很大程度上與冷卻速度有關(guān)。鑄件厚大，鑄型的導(dǎo)熱性能差、澆注溫度高卻降低冷卻速度，因面使鑄鋼的晶粒粗大。 為了防止鑄鋼件晶粒粗大，設(shè)計(jì)鑄件時(shí)應(yīng)盡可能不使鑄件局部過熱適當(dāng)降低鋼液的澆注溫度和鑄型溫度(如熔模精鑄)，改善鑄型散熱條件，如對大型鑄鋼件采用強(qiáng)制通風(fēng)和水冷等措施來加速冷卻。 變質(zhì)處理也是防止鑄鋼晶粒粗大的有效措施。采用Ti、V、W、Mo和RE等元素進(jìn)行變質(zhì)處理，可以有效地增加外來晶

7、核數(shù)量或阻止晶粒長大。 17 先共析鐵素體的形態(tài)因結(jié)晶條件變化而改變 粒狀組織魏氏組織網(wǎng)狀組織圖2-2 亞共析鋼鑄態(tài)組織中的幾種鐵素體形態(tài) 鑄造碳鋼在其二次結(jié)晶過程中，當(dāng)溫度通過+。兩相區(qū)時(shí)，先共析鐵素體。的析出會(huì)因鋼的含碳量和冷卻速度的不同而長成不同的形態(tài)，通常有粒狀、條狀(魏氏體)和網(wǎng)狀三種。 18 粒狀組織的晶體具有最小的表面能，因而是最穩(wěn)定的形態(tài)。但在奧氏體晶粒中形成這種形態(tài)的鐵素體，需要有較大規(guī)模的原子擴(kuò)散，其中包括碳原子的擴(kuò)散及鐵原子的自擴(kuò)散。實(shí)際上只有在含碳量低而且壁又較厚的鋼鑄件中，才會(huì)在鑄態(tài)下得到這種組織。 粒狀組織19 鐵素體在奧氏體晶粒內(nèi)部以一定的方向呈條狀析出。 鑄鋼中

8、形成魏氏組織的傾向與鋼的含碳量及鑄件壁厚有關(guān)。在亞共析鋼中，中等含碳量(0.2%0.4%)的鋼較易生成魏氏組織。這是因?yàn)槲菏辖M織是鐵素體分布于珠光體晶粒內(nèi)部所構(gòu)成的組織。 魏氏體組織20 魏氏組織的鐵素體出現(xiàn)于含碳量中等，而冷卻條件不足以保證鐵、碳原子充分?jǐn)U散的鑄件中。由于碳含量相對較高，在奧氏體晶內(nèi)鐵原子不易進(jìn)行大規(guī)模的聚集，當(dāng)奧氏體晶粒很大(從晶粒周界至晶粒中心的距離長)時(shí)，進(jìn)行鐵原子充分?jǐn)U散的條件更困難，鐵素體就以沿著慣析面插入奧氏體晶粒內(nèi)部的方式出現(xiàn)，這種結(jié)晶取向使原子的擴(kuò)散距離縮短，有利于鐵素體的快速形成，結(jié)果鐵素體形成針(片)狀，即形成了魏氏組織。魏氏組織的形成過程：21 鐵素體在

9、原奧氏體的晶界處析出。由于奧氏體晶界上晶格缺位多，且組織疏松，故易于鐵素體新相的形核和鐵原子的聚集，從而為網(wǎng)狀組織的形成創(chuàng)造了條件。 網(wǎng)狀組織22 下圖表示了鑄造碳鋼的含碳量及冷卻速度對鑄態(tài)組織中鐵素體形態(tài)的影響。對于鋼的力學(xué)性能最有利的是粒狀組織，具有粒狀鐵素體和珠光體相互交錯(cuò)分布的組織使鋼具有良好的強(qiáng)度和韌性，而魏氏體和網(wǎng)狀組織則使鋼具有較低的力學(xué)性能，特別是韌性。23(3) 宏觀偏析 碳鋼鑄件產(chǎn)生宏觀偏析的主要元素是碳和硫。硫在鋼中以FeS的形態(tài)存在。FeS的熔點(diǎn)為1190，F(xiàn)eS-Fe共晶體的熔點(diǎn)為985，而FeS-FeO-Fe共晶體的熔點(diǎn)為900，故鋼在結(jié)晶過程中，硫總是聚集在最后凝

10、固區(qū)。由于鋼的熔點(diǎn)隨碳量升高而下降，所以最后凝固區(qū)也富聚碳原子，使鑄件厚壁中心比表層含更高的碳、硫濃度而影響組織和性能的均勻性。24 宏觀偏析一旦形成，很難以通過熱處理消除。 在鑄鋼的凝固過程中采取措施來防止。 用加速鑄件凝固或定向凝固方法能有效地防止宏觀偏析。 采用Ti、Zr、RE等元素對鋼液進(jìn)行變質(zhì)處理也能增加凝固結(jié)晶核心、細(xì)化樹枝晶，在一定程度上減輕宏觀偏橋的程度。 一般薄壁鑄鋼件的冷卻較快，結(jié)晶過程的順序性不明顯，不足以形成宏觀偏析。25(4) 鑄造碳鋼中的氣體鋼中氣體主要為氫、氮和氧 26冷卻速率較小，以氣泡的形式析出，在鑄件中形成氣孔。凝固速率快，過飽和的氫分子來不及脫溶，而在鐵的

11、晶格內(nèi)造成應(yīng)力，則會(huì)降低鋼的韌性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使鋼脆化，稱為“氫脆”。氫的有害作用在高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度合金鋼中最為突出，因此必須對鋼液含氫量控制極嚴(yán)。 氫來源：空氣中所含的水蒸氣在電弧的作用下離解而產(chǎn)生的。危害：27來源：空氣中的氮?dú)庠陔娀∽饔孟码x解為氮離子而溶解的。 形成化合物：Si3N4、ZrN、AlN。 少量氮化物具有細(xì)化鋼的晶粒，能提高機(jī)械性能的作用； 但當(dāng)鋼中氮化物數(shù)量多時(shí)，會(huì)使鋼的塑性和韌性降低。 為了避免氮對鋼的性能的不利作用，應(yīng)盡量控制鋼N0.02%。 氮28 氧在鋼液中存在的形態(tài)是以氧化鐵FeO的分子形態(tài)存在。 氧 COm 在鋼液中，含碳量與含氧化亞鐵量之間存在著一定的平衡關(guān)系。而

12、平衡狀態(tài)則是隨溫度的變化而變化的。這種平衡關(guān)系可用下式表示： C鋼液含碳量； O鋼液含氧量，其值系由FeO含量折算而成的。 m溫度的函數(shù)，當(dāng)溫度一定時(shí)，m是常數(shù)。當(dāng)溫度降低時(shí)，m值隨之減小。 29 氧化鐵本身是一種非金屬夾雜物，鋼液凝固后，處于鋼的晶粒邊界，降低鋼的機(jī)械性能。 如果在煉鋼的高溫下，鋼液中存在有較多的FeO，以致于達(dá)到平衡或接近平衡時(shí)，則當(dāng)鋼液澆入鑄型內(nèi)，在溫度降低的條件下，原來鋼液中的含碳量和含氧量超過了平衡值，因而就會(huì)發(fā)生FeO + C Fe + CO的反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)果生成一氧化碳?xì)馀?，在鑄件中造成氣孔。30(5) 非金屬夾雜物來源：在煉鋼過程中產(chǎn)生的，也有的是在澆注過程中鋼液

13、二次 氧化或鋼液沖蝕鑄型而形成的。分類：硫化物類(呈條狀沿晶界分布) 氧化鋁類(呈鏈狀沿晶界分布) 這兩類夾雜危害較大 硅酸鹽類(呈多角形以孤立狀態(tài)分布) 球狀氧化物(孤立狀態(tài)分布) 非金屬夾雜物割裂金屬的基體，降低力學(xué)性能，特別是降低韌性。(夾雜物數(shù)量、夾雜物形態(tài) ）31 氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(A1N)夾雜物呈細(xì)小尖角狀，形成較大的應(yīng)力集中，易導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展，故對鋼的斷裂韌性最為不利。這些鋁的化合物主要來源于煉鋼過程用鋁脫氧。這就是生產(chǎn)高級(jí)鑄鋼時(shí)，規(guī)定不得用鋁脫氧的原因。 Al2O3和A1NAl2O3夾雜物32 硅酸鹽(FeSiO3、MnSiO3、FeOAl2O3SiO2等)夾

14、雜物的熔點(diǎn)比鋼液溫度低，在鋼液中呈液態(tài)存在，又由于它們在鋼液中有較大的界面張力，與鋼液之間不潤濕，因而鋼液凝固后形成球形夾雜物，對鋼的性能削弱作用最小。 硅酸鹽夾雜33 硫化鐵(FeS)和硫比錳(MnS)是鋼液中固有的化合物，可在煉鋼過程中通過脫硫除去。如脫硫過程進(jìn)行不充分，則鋼液中的硫化物殘留量較多。硫化鐵的熔點(diǎn)比鋼液低，故呈液態(tài)存在。它與鋼液之間的界面張力較小，能相互潤濕，因而最后凝固在晶界處呈網(wǎng)狀分布，削弱晶粒之間的連結(jié)，降低鋼的性能。 硫化物夾雜 硫化錳的熔點(diǎn)比鋼液溫度略高，它在固態(tài)鋼中呈顆粒狀元序分布。故在降低鋼的性能方面，比硫化鐵的危害要小。 3420鋼中的FeS夾雜物35 為了盡

15、量減小非金屬夾雜物的有害作用，煉鋼過程應(yīng)采取強(qiáng)有力的脫氧、脫硫及凈化措施。往鋼中加入適量的稀土元素，能產(chǎn)生有效的凈化作用。稀土元素與氧和硫有很強(qiáng)的親和力，能起到很有效的脫氧和脫硫作用。又由于CeS、Ce2O3等稀土硫化物和氧化物呈球狀，故稀土元素能起到改善夾雜物形態(tài)的有益作用。采用RE-Ca復(fù)合變質(zhì)劑對鋼液進(jìn)行變質(zhì)處理，也能收到很好的改善夾雜物形態(tài)的效果。 362.1.3 鑄造碳鋼的基本組元對力學(xué)性能的影響(1) 碳的影響37 硅在鋼中是有益元素，它的主要作用是使鋼液脫氧。硅量低于規(guī)格的鋼，在澆注后易產(chǎn)生氣孔和針孔等缺陷。鑄造碳鋼的硅含量為0.20%0.45%，大部分固溶于鐵素體，少量以非金屬

16、夾雜物形式存在。固溶于鐵素體中的硅也有強(qiáng)化基體的作用。雖然硅在鐵素體中的溶解度很大(18%)，但含量很少，所以對鋼的力學(xué)性能影響不大。 (2) 硅的影響38Mn: 提高鋼的機(jī)械性能； 減少鋼中的含氧量； 減少鋼中硫的有害作用。P: 0.05%, Fe3P, 降低塑性和沖擊韌性。S: FeS或者 FeS與Fe的共晶體形式存在。39退火的目的: 退火的作用是細(xì)化晶粒，提高鋼的力學(xué)性能。退火工藝的主要參數(shù)加熱溫度：Ac3 + 3050保溫時(shí)間：25mm/1h 150mm, 較上述比例時(shí)間略少AC3GS線加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度2.1.4鑄造碳鋼的熱處理(1) 退火40正火的目的： 細(xì)化晶粒，提高鋼的力學(xué)性能

17、。 正火由于冷卻速度快，鋼的晶粒比退火時(shí)更細(xì)些，而且使得奧氏體能在較低的溫度下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，因而能得到分散度更大的珠光體(即索氏體)。由于這些原因，正火處理的鋼的力學(xué)性能，特別是韌性要比退火處理的鋼更高一些。 (2) 正火41 回火能使鋼的性能進(jìn)一步提高的原因是，通過正火得到的索氏體中的滲碳體片在回火溫度下具有轉(zhuǎn)變成顆粒狀的自然趨勢。經(jīng)過一段時(shí)間以后，原來的片狀索氏體變?yōu)榱钏魇象w，從而使鋼的性能得到進(jìn)一步提高。 (3) 正火+ 回火42退火、正火、正火+回火三種工藝條件下的性能對比：432.2 鑄造低合金鋼 鑄造碳鋼雖然應(yīng)用很廣，但在性能上有許多不足之處，如淬透性差，厚斷面鑄件不能采用淬火一

18、回火處理進(jìn)行強(qiáng)化，使用溫度范圍僅限于-40400；抗磨性及耐腐蝕性較差等不能滿足現(xiàn)代工業(yè)對鑄鋼件的多方面需要。 鑄造低合金鋼是在鑄造碳鋼的化學(xué)成分基礎(chǔ)上加入為量不多的一種或幾種合金元素所構(gòu)成的鋼種，其合金元素的總含量一般不超過5。 我國目前應(yīng)用最廣泛的鑄造低合金鋼種屬于錳系和鉻系兩大系列。 442.2.1 合金元素在鋼中的作用溶于鐵素體中形成固溶體；形成碳化物或氮化物；形成金屬間化合物；形成非金屬夾雜物以及游離態(tài)。(1) 合金元素在鋼中存在的形態(tài)：45(2) 合金元素對相圖的影響 擴(kuò)大奧氏體相區(qū)元素Ni、Mn、Co、Cu、N等。 縮小或封閉奧氏體相區(qū)元素Cr、Mo、W、Si、Al等。 合金元素

19、對奧氏體相區(qū)的影響46 對共析點(diǎn)位置的影響 擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素均使共析點(diǎn)降低，而縮小奧氏體相區(qū)的元素則使共析點(diǎn)升高。 固溶于固溶體的合金元素都使共析點(diǎn)左移，并降低共析點(diǎn)含碳量；而溶入滲碳休或生成合金碳化物的合金元素也使共析點(diǎn)左移，但是一些強(qiáng)碳化物元素，如Ti、V、Nb、Zr等由于形成不溶于奧氏體的碳化物而使共析點(diǎn)右移。47(3) 合金元素對組織和性能的影響 固溶于鐵素體的合金元素均不同程度地提高其屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度。其中多數(shù)合金元素在提高鐵素體強(qiáng)度的同時(shí)，使其塑性、韌性降低。 強(qiáng)化鐵素體48 使共析點(diǎn)左移的合金元素均減少共析點(diǎn)含碳量，增加亞共析鋼中珠光體的比例，使強(qiáng)度提高；擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元

20、素使共析溫度降低，因而細(xì)化珠光體，提高強(qiáng)度。 增加和細(xì)化珠光體 某些合金元素的碳化物或氮化物能在鋼液凝固過程中成為奧氏體的非均質(zhì)晶核，因而能細(xì)比鋼的晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。常見的能產(chǎn)生細(xì)化作用的合金元素有鉻、鎢、鉬、釩、鋁、鈦、鈮等其中以鈦、釩的作用最為顯著。 細(xì)化晶粒49 某些合金元素能在鋼的表面形成致密而穩(wěn)定性高的氧化膜，在高溫下防止鋼的內(nèi)部被氧化和發(fā)生脫碳，故能提高鋼的耐熱性。而形成合金滲碳體、合金碳化物以及與鐵形成金屬間相的合金元素能防止鋼在高溫下發(fā)生珠光體分解和晶界軟化現(xiàn)象，從而提高鋼的高溫強(qiáng)度及抗蠕變性能。 析出(沉淀)強(qiáng)化 當(dāng)合金元素在鐵素體中的溶解度度隨著溫度下降而顯著降低時(shí)，該

21、元素將在共祈溫度以下從過飽和鐵素體中析出，使鋼的基體處于高應(yīng)力狀態(tài)，而使其強(qiáng)化。最常用來產(chǎn)生析出強(qiáng)化作用的元素是銅。 提高耐熱性和熱強(qiáng)性50 有些合金元素一方面通過固溶化作用和熱處理使基體變?yōu)閺?qiáng)韌性極好的馬氏體、貝氏體、奧氏體；另一方面又形成硬化相碳化物，使鋼獲得良好的抗磨性能。具有這種作用的合金元素有Cr、Mo、V、Nb等。 改善低溫性能 少數(shù)合金元素如鋒Ni、錳使鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低，從而改善鋼的低溫韌性。 提高抗蝕性 有些合金元素(如鉻)使鋼的表面形成致密和化學(xué)穩(wěn)定性高的鈍化保護(hù)膜，阻止腐蝕介質(zhì)侵入鋼的內(nèi)部。并提高金屬基體相的電極電位。 提高抗磨性512.2.2 普通鑄造低合金鋼(1)

22、錳系低合金鋼鑄 造 碳 鋼：Mn(0.80.9)%，主要作用：脫氧及減輕硫的有害作用。鑄造低錳鋼：Mn(1.101.80)%，錳能提高鋼的強(qiáng)度和硬度，而不降低塑性。含錳量更高時(shí)會(huì)損害鋼的塑性。52錳在低合金鋼中的作用 提高鋼的淬透性， 固溶強(qiáng)化 降低共析轉(zhuǎn)變溫度，細(xì)化珠光體53化學(xué)成分(wt%)力學(xué)性能CMnb(MPa)s(MPa)(%)0.10.8420320300.11.5460350290.11.9550380260.60.8670570190.61.5760710140.61.988082012表 不同含碳量和含錳量的退火鋼的力學(xué)性能若要求強(qiáng)度高和正常塑性，則錳量較低而碳量較高；若要求

23、強(qiáng)度正常和較高的塑性，則應(yīng)含較低碳量和較高錳量；壁厚較大時(shí)，需增加錳含量以提高淬透性。單元錳系低合金鋼 54單元錳鋼的主要缺點(diǎn)有二： 過熱敏感性大，在熱處理過程中，過熱不太大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)粗大晶粒。這種粗晶組織使鑄件中心部分的力學(xué)性能降低，故這種鋼只適于鑄造壁厚較小(70mm)的鑄件； 對回火脆性敏感。為了克服這些缺點(diǎn)，在單元錳鋼中加入其它合金元素，發(fā)展成多元低合金錳鋼。 55 多元錳低合金鋼 Si：0.600.80%, 其作用： 固溶強(qiáng)化 表面強(qiáng)化 提高鋼的耐海水腐蝕的能力 錳硅低合金鋼的缺點(diǎn)是易產(chǎn)生回火脆性，在熱處理時(shí)鑄件回火后應(yīng)快冷。 ZG20MnSi: C0.160.22, Mn1.001

24、.30, Si0.600.80900920正火、510600回火b：510MPa, s:290, :14%56Cr: 能進(jìn)一步提高鋼的淬透性，使鋼得到更高的強(qiáng)度和硬度。錳硅鉻鋼具有高的耐磨性，常用于制造重型機(jī)械中的大齒輪毛坯等。ZG30MnSiCr： C0.280.38, Mn0.901.20, Si0.500.70, Cr0.500.70880900正火、400450回火b：690MPa, s: 340, : 14%ZG06MnNb：Nb: 0.030.04%低溫鋼(-90)57(2) 鉻系鑄造低合金鋼 58 鉻使鋼具有良好的淬透性，壁厚2530mm的鑄件可以采用油淬。鉻在鋼的回火過程中能抑

25、制碳化物的析出，從而有利于采用調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）方法進(jìn)行熱處理。 2%以下的鉻能完全固溶于鐵素體中，提高其強(qiáng)度，而不降低塑性，這也是鉻作為合金元素的優(yōu)點(diǎn)之一。 ZG40Cr鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后具有良好的力學(xué)性能，特別是有較高的硬度，故常用于鑄造齒輪毛坯等重要鑄件。 單元鉻鋼的缺點(diǎn)：回火脆性 (1) ZG40Cr59 鉬能進(jìn)一步提高鋼的淬透性 鉻和鉬都具有提高滲碳體熱穩(wěn)定性，防止在高溫條件下珠光體發(fā)生分解的作用，而且鉬能顯著提高鋼的再結(jié)晶溫度，防止鋼在高溫下發(fā)生晶粒長大，因此鉻鉬鋼具有良好的耐熱性能。 當(dāng)往鋼中加入適量的第三種合金元素釩時(shí)，能顯著地細(xì)化晶粒，使鋼的強(qiáng)度和韌性進(jìn)一步提高。而且釩也具

26、有防止鋼在高溫下晶粒長大的作用。因此鉻鉬釩鋼適用于耐熱零件。 (2) ZG20CrMo，ZG20CrMoV，ZG15Cr1Mo1V602.2.3 鎳系鑄造低合金鋼Ni在鋼中的作用：固溶強(qiáng)化提高淬透性細(xì)化珠光體降低鋼的韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度提高鋼在高溫下的抗氧化性 含Ni1.01.5%的鎳低合金鋼用于對韌性要求較高的大型鑄鋼件，如造船中用于艏柱和艉柱鑄件。61Ni2.03.0%(C0.25%)：-73Ni3.04.0%(C0.15%)：-101Ni4.05.0% (C0.15%)：-115低溫鋼 以鎳作為主要合金元素，而以鉻或鉻與鉬作為輔助強(qiáng)化元素構(gòu)成鎳鉻低合金鋼或鎳鉻鉬低合金鋼。62632.2.4

27、 低合金高強(qiáng)度(HSLA)鑄鋼HSLAHigh Strength Low Alloy高強(qiáng)度鑄鋼：s420MPa，超高強(qiáng)度鑄鋼：s750MPa同時(shí)具有高強(qiáng)度和高韌性。64同時(shí)獲得高強(qiáng)度和高韌性的途徑： (1) 低含碳量 碳在提高鋼的強(qiáng)度的同時(shí)，降低塑性和韌性，因而不適于作為高強(qiáng)韌鋼的主要強(qiáng)化元素。 (2) 多種合金元素復(fù)合強(qiáng)化 采用多種少量(或微量)合金元素對鋼進(jìn)行有效的強(qiáng)化，強(qiáng)烈提高淬透性，細(xì)化鋼的晶粒，從而獲得高強(qiáng)度。65 (3) 多階段熱處理 充分發(fā)揮合金元素提高淬透性的作用，細(xì)化組織和提高性能，如低碳馬氏體具有較高的塑性變形能力。 (4) 鋼液凈化 鋼中的氣體和夾雜物降低鋼的強(qiáng)度和韌性，

28、特別是韌性降低幅度大。經(jīng)過爐外精煉，將氣體和夾雜物降至很低的程度，從而保持了鋼的高強(qiáng)度和高韌性。66C0.12%, Mn0.600.90%, Si0.200.50%, Ni5.255.50%, Cr0.400.70%, Mo0.300.65%, V0.050.10%, Al0.0150.035%, Ti0.02%, Cu 0.25%, P 0.01%, S 0.008%, O 35ppm, H 2ppm.熱處理工藝：954空冷，899淬火(水冷)，843淬火(水冷)，593回火(水冷)力學(xué)性能：s=903924MPa, b=10141027MPa, =14%, =45%, Ak = 83102

29、J美國HY130低合金超強(qiáng)鋼：化學(xué)成分672.2.5 微量合金化鑄鋼(1) 釩、鈮系微量合金化鑄鋼 釩-鈮系微量合金化鑄鋼的優(yōu)點(diǎn)：具有良好的綜合力學(xué)性能，同時(shí)還具有良好的焊接性能。 成分設(shè)計(jì)原則： 低含碳量，保證良好的韌性和焊接性能 加入Nb和V(或單一Nb，或單一V)，形成大量細(xì)小的Nb(C,N), V(C,N)，作為結(jié)晶核心，細(xì)化晶粒。 通過熱處理并加入Mo，得到析出強(qiáng)化效果。6869(2) 硼系微量合金化鑄鋼 硼(B)有強(qiáng)烈提高鋼的淬透性的能力，因而可使鑄鋼通過調(diào)質(zhì)方法獲得很細(xì)的晶粒，達(dá)到高強(qiáng)度與高韌性的結(jié)合。 硼(B)鋼含碳量較高(C0.370.44%)，有的牌號(hào)中還加入Cr、Mo、V

30、等合金元素，已達(dá)到復(fù)合強(qiáng)化效果。 為了使鑄造硼鋼有良好的效果，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： B0.005%，但B易在晶界析出硼化物，造成“硼脆”。 B易與N、O化合而失去應(yīng)有的作用，煉鋼中在加B之前應(yīng)充分除氣和脫氧。70鋼號(hào)CMnSiCrBZG40B0.37-0.440.50-0.800.17-0.370.0010.005ZG40MnB0.37-0.441.00-1.400.17-0.370.0010.005ZG40CrB0.37-0.440.70-1.000.17-0.370.40-0.600.0010.005表 我國含硼微量合金化鑄鋼的化學(xué)成分(%)712.2.6 抗磨用鑄造低合金鋼 往鋼中加入少量鉻

31、、鉬可得到高溫穩(wěn)定性好的全珠光體基體，采用(0.60%-0.85%)C可使鋼的強(qiáng)度、硬度提高。典型珠光體抗磨鋼成分：(0.60%-0.85%)C，(1.50%-2.0%)Cr, 0.35%Mo, 0.80%Mn, (0.30%-0.70%)Si，0.75%Ni，經(jīng)正火回火處理后硬度達(dá)到HBS300-415。 (1) 珠光體型抗磨鋼72 利用鉻、鎳、鉬、硅、錳多元合金化得到很高的淬透性，通過水(油)淬在較大截面上獲得高硬度的馬氏體基體。 為了滿足不同工況的需要，按含量分為低碳(0.2%-0.3%)和高碳(0.35%-0.60%)兩類馬氏體鋼，前者適用于承受較大沖擊和耐磨的零件，如推土機(jī)端齒等，后

32、者適用于沖擊負(fù)載較小但要求抗磨粒磨損的零件，如破碎機(jī)襯板等。(2) 馬氏體抗磨鋼73 成分為：(0.6%-0.9%)C，(2.3%-2.4%)Si，0.3%Mo的鑄鋼(320-360)等溫火淬火后得到奧氏體貝氏體基體，力學(xué)性能達(dá)到b1310MPa，15%，它的高抗磨性來源于組織中的貝氏體以及可產(chǎn)生加工硬化作用的奧氏體。(3) 奧氏體貝氏體抗磨鋼742.2.7低合金耐熱鋼 ZG20CrMo，ZG20CrMoV，不僅強(qiáng)度高，而且有好的高溫抗蠕變性能。 鉻(Cr)在低合金鋼中部分溶入固溶體中提高基體的高溫性能，鉻碳化物在高溫條件下聚集緩慢，阻礙晶界滑移，使鋼保持較高的強(qiáng)度、硬度。 鉬(Mo)能顯著提

33、高鋼的再結(jié)晶溫度(1%Mo提高再結(jié)晶溫度115)，并促使Mo2C碳化物彌散析出，防止回火脆性，從而提高高溫強(qiáng)度。鉻和鉬聯(lián)合作用即可顯著改善蠕變性能。 釩(V)不僅因?yàn)樾纬筛呷茳c(diǎn)化合物V4C3、VN起非均質(zhì)晶核作用而細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度，它們分布在晶界上阻礙滑移，從而提高抗蠕變能力。例如ZG20CrMoV鋼560持久強(qiáng)度b/1000h達(dá)到(90-100)MPa。 752.2.7鑄造低合金鋼的熱處理 (1) 預(yù)先退火熱處理 由于低合金鋼中合金元宏偏析傾向大，加上鋼的導(dǎo)熱性能差，在鑄件凝固和冷卻過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力比碳鋼鑄件更大，鑄件更容易變形和開裂。因此應(yīng)先進(jìn)行消除應(yīng)力和細(xì)化組織的退火處理，以后再進(jìn)

34、行鑄件的粗加工和其后的淬火回火或正火回火處理。 76表 鑄造低合金鋼的熱處理溫度()鋼種預(yù)先退火溫度淬火或正火溫度回火溫度低Mn850950870930600680低Mn-Cr9301000870930600680Si-Mn8501000850900600680低Mo9001000870930600700Cr-Mo870100087093065075077 在低合金鋼中，由于多數(shù)合金元素有穩(wěn)定滲碳體的作用，并且合金元素在奧氏體中打散速度比鐵和碳都慢得多，故在低合金鑄件加熱至奧氏體相區(qū)時(shí)，滲碳體的溶解及奧氏體內(nèi)部成分均勻化的過程比碳鋼慢得多。為了加速這一過程，在低合金鋼鑄件淬火或正火時(shí)?？刹扇”?/p>

35、碳鋼鑄件更高一些的加熱溫度，一般采用在Ac3 + (50-100)。 低合金鋼鑄件的保溫時(shí)間與碳鋼鑄件相同，一般是按照鑄件壁厚決定，每25mm增加1h保溫時(shí)間。(2) 淬火(正火)溫度及保溫時(shí)間78 合金元素錳、鉻和單獨(dú)使用的鉬，都會(huì)促使鋼產(chǎn)生回火脆性。而當(dāng)鉬與錳或鉻配合使用時(shí)，能抑制鋼的回火脆性。但在任何情況下，低合金鋼鑄件在回火后，均應(yīng)采取快冷。即使是加鉬的錳鋼或鉻鋼，采取快速冷卻也能改善其力學(xué)性熊，特別是屈服強(qiáng)度和韌性。因此在鑄件結(jié)構(gòu)條件允許，不易產(chǎn)生變形和開裂條件下，可采取水冷。 (3) 回火后的冷卻速度792.3 鑄造高合金鋼 鑄造高合金鋼含有10%以上的一種或多種合金元素。加入大量

36、合金元素的主要目的是改變合金的物理及化學(xué)特性，即改變材料的耐熱性、耐蝕性和耐磨性，但其強(qiáng)度、韌性、塑性比特種鑄鐵高得多，而且具有特種鑄鐵所缺乏或沒有的加工性和焊接性。因此，對那些既要求高強(qiáng)度、高韌性又要求承受高溫、耐蝕或抗磨的機(jī)械零件應(yīng)選用高合金耐熱鋼、不銹鋼或抗磨鋼。802.3.1 高錳鋼(1) 高錳鋼的成分、組織及性能 牌號(hào)CMnSiSP適用范圍ZGMn13-11.101.5011.014.00.301.000.070.09低沖擊件ZGMn13-21.001.40普通件ZGMn13-30.901.300.300.800.08復(fù)雜件ZGMn13-40.901.20高沖擊件表 高錳鋼的化學(xué)成分

37、(%) 81平衡條件：+ M3C鑄造條件：奧氏體碳化物少量的相變產(chǎn)物珠光體82ZGMn13的鑄態(tài)組織 由于高錳鋼鑄態(tài)組織存在大量碳化物故性能不高。83水韌處理目的：消除碳化物，加熱溫度：10501100（根據(jù)鋼中碳化物細(xì)小或粗大而定），保溫時(shí)間：相當(dāng)于每25mm壁厚保溫1h水韌處理后的組織(2) 高錳鋼的熱處理 84 高錳鋼熱處理后的性能：b(637-735) MPa,s396MPa, Ak150J/cm2, HBS229 加工硬化后表層硬度上升到HBW450550。 高錳鋼的焊接性能很差，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱率僅為碳鋼的1/3焊接過程易產(chǎn)生大應(yīng)力而開裂，并形成大量氧化錳夾雜，降低力學(xué)性能。 高錳鋼有強(qiáng)

38、的加工硬化現(xiàn)象，故很難進(jìn)行切削加工，因此，高錳鋼鑄件一般都不進(jìn)行機(jī)械加工，鑄件的溝、槽、孔應(yīng)盡量鑄出。85 本理論認(rèn)為高錳鋼在經(jīng)受強(qiáng)力擠壓或沖擊作用下，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生最大切應(yīng)力的許多互相平行的平面之間，產(chǎn)生相對滑移，結(jié)果在滑移界面的兩方造成高密度的位錯(cuò)，而位錯(cuò)阻礙滑移的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，即起到位錯(cuò)強(qiáng)化的作用。其結(jié)果是增強(qiáng)了鋼抵抗變形的能力和提高了鋼的硬度。(3) 高錳鋼的加工硬化機(jī)理 位錯(cuò)堆積論理論86 本理論認(rèn)為高錳鋼中奧氏體是處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，在受力而發(fā)生變形時(shí)，由于應(yīng)變誘導(dǎo)的作用，發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，在鋼的表面層中產(chǎn)生馬氏體，因而具有高硬度。 形變誘導(dǎo)相變論87(4) 化學(xué)成分對高錳鋼性

39、能的影響 一般選擇Mn/C值為810，鑄件愈厚應(yīng)取較高的Mn/C值。增加含碳量會(huì)使鋼的抗磨性能提高，但會(huì)降低其韌性。Si(0.31.0)%，硅降低碳在奧氏體中的溶解度，促使碳化物析出，使鋼的抗磨性和沖擊韌性均降低。 硫量經(jīng)常是比較低(S0.03%)88孕育處理 單獨(dú)加入：Ti(0.100.15)%或Zr(0.100.20)%； 復(fù)合加入：Ti為(0.060.12)%和V為(0.200.35)%。 孕育時(shí)，吹入一些氮?dú)饣蚣尤牒暮辖穑绲i等鎢粉或錳鐵碎屑(粒度12mm)在澆注鋼液過程撒布，以實(shí)現(xiàn)懸浮澆注，也能有效的細(xì)化鋼的晶粒。變質(zhì)處理 用稀土變質(zhì)(加入的稀土占鋼液重的(0.10.2)%)

40、，能有效地減弱樹狀晶的生長，縮小柱狀晶區(qū)的比例，從而顯著提高鋼的韌性。 孕育和變質(zhì)處理(5) 提高高錳鋼性能的途徑89(0.20.3)%V，(0.70.8)%Mo，或(0.10.2)%Ti 熱處理方法：將鋼在1080固溶后，水淬，并在350溫度進(jìn)行812h的人工時(shí)效，析出高度彌散的富鉬、釩、鈦的微細(xì)顆粒碳化物，從而顯著提高高錳鋼的硬度和抗磨性。 為了增強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化效果，可適當(dāng)提高鋼的含碳量和降低含錳量，從而使奧氏體基體有較高的強(qiáng)度和硬度，這樣可使析出相能更充分地產(chǎn)生其強(qiáng)化效果。 時(shí)效強(qiáng)化90 2%Cr或1%Mo 主要目的：提高屈服強(qiáng)度， 加入合金元素還能提高鋼的抗拉強(qiáng)度和抗磨性 合金化912.3

41、.2 鑄造耐蝕鋼(不銹鋼)(1)不銹鋼的耐蝕性 鋼的腐蝕 金屬的腐蝕：化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕表2-6 不同金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位金屬金屬M(fèi)gAlMnZnCrFeCuNiHAgAu電位電位(V)-1.55-1.30-1.10-0.76-0.51-0.44-0.34-0.230.00+0.80+1.5092不銹鋼可概括地分別兩類：鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼其耐蝕原理為： 鉻溶于鐵的晶格中形成固溶體。當(dāng)鋼中含鉻量達(dá)到一定的濃度(約12%)以上時(shí)，就會(huì)在鋼的晶粒表面形成一層致密的、含氧化鉻(Cr2O3)的薄膜，其組成可以用FeOCr2O3表示。這種氧化膜在氧化性酸類(如硝酸)中具有高的化學(xué)穩(wěn)定性，稱為鈍化膜。 合

42、金元素鉻固溶在鐵素體中，能提高它的電極電位，縮小兩相之間電極電位的差值，從而減輕電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。不銹鋼的耐蝕原理 93n/8(mol)規(guī)律 當(dāng)合金元素的加入量滿足n/8mol關(guān)系時(shí)，固溶體的電極電位都有顯著的提高，而腐蝕程度也相應(yīng)有顯著的減輕。表 鋼中加入合金元素的需求量94(2) 不銹鋼的化學(xué)成分、組織和分類 不銹鋼的化學(xué)成分除鉻(Cr)外，最主要的合金元素是碳(C)和鎳(Ni)。此外，還有錳、硅、銅、氮、鉬、鈦和鈮等。 影響不銹鋼組織的合金元素可歸納為兩類： 如鉻、鉬、鈦、鈮、硅等元素都具有體心立方晶格，它們都縮小奧氏體相區(qū)，擴(kuò)大鐵素體相區(qū)，為鐵素體形成元素。 如鎳、錳、銅、碳、氮等元素都

43、具有面心立方晶格，它們都擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，縮小鐵素體相區(qū)，為奧氏體形成元素。 95 Cr當(dāng)量 (Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb)100% Ni當(dāng)量 (Ni + 30C + 0.5Mn)100%96 馬氏體不銹鋼 包括全馬氏體組織的馬氏體鋼、以馬氏體組織為主的馬氏體一鐵素體鋼和馬氏體一碳化物鋼。其共同特點(diǎn)是存在轉(zhuǎn)變，因而可以大部分或全部進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。 鐵素體不銹鋼 其組織為鐵素體，不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。 奧氏體不銹鋼 常溫下其組織也為奧氏體，不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。這類鋼是目前最重要的一類不銹鋼。 奧氏體一鐵素體不銹鋼 這類鋼的具有奧氏體一鐵素體雙相組織。 沉淀硬化馬氏體不銹鋼 這是近

44、年發(fā)展起來的新型馬氏體不銹鋼。由于其耐蝕件優(yōu)良、力學(xué)性能高而受到重視。這類鋼的組織以馬氏體為主，可通過沉淀硬化強(qiáng)化。按照不銹鋼的組織，通常將其分為以下幾類97(3) 馬氏體不銹鋼最廣泛使用的馬氏體不銹鋼為Cr13不銹鋼 0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 馬氏體不銹鋼的熱處理：10001050淬火 + 回火98ZG2Cr13的組織鑄態(tài)基體為細(xì)索氏體，白色樹枝狀為鐵素體，黑色點(diǎn)塊為托氏體。10501h，油淬板條馬氏體 + 少量殘余奧氏體99(4) 鐵素體不銹鋼 由于不銹鋼中含鉻高達(dá)12.5at以上，而鉻強(qiáng)烈地?cái)U(kuò)大鐵素體區(qū)、縮小奧氏體區(qū)。約14%的鉻就可以消除低碳Fe-Cr

45、-C三元合金的奧氏體相區(qū)。 如果鋼中含碳量提高，獲得全鐵素體組織所需要的合格量也相應(yīng)提高。 再添加鉬、鈦等鐵素體形成元素就成為鐵素體不銹鋼。由于這類不銹鋼的含鉻量較高，使鋼具有耐酸能力，故又稱為高鉻鐵素體耐酸不銹鋼。100 鐵素體不銹鋼因具有高鉻低碳成分而耐蝕性比較好，持別是在氧化性酸中有較好的耐蝕能力，而且其耐蝕性隨含鉻量提高而提高。 但在非氧化性酸，如稀硫酸中的耐蝕能力很低，這是與鉻的氧化膜僅在氧化性介質(zhì)中穩(wěn)定有關(guān)。而加入鉬、銅等進(jìn)步合金化的鐵素體鋼在非氧化性介質(zhì)中仍有良好的耐蝕性但仍不及含鉬的鉻鎳奧氏體不銹鋼。101晶粒粗大：晶粒極易粗化，鑄造緩冷或熱處理過熱到900以上，晶粒即顯著地長

46、大。不能通過熱處理細(xì)化。加入鈦或氮細(xì)化晶粒。韌一脆性轉(zhuǎn)變溫度高：隨鋼中含鉻量增加，鋼的韌一脆性轉(zhuǎn)變溫度顯著上升。含鉻量達(dá)30的鋼甚至在80時(shí)沖擊韌性仍處在很低的水平。所以高鉻鐵素體鋼在常溫的沖擊韌性都很低。晶間馬氏體層的形成： 高鉻鐵素體鋼高溫加熱后水冷，在晶界易出現(xiàn)很薄的馬氏體層，這是由于碳、氮等強(qiáng)穩(wěn)定奧氏體元素在加熱時(shí)向晶界擴(kuò)散，導(dǎo)致晶界奧氏體的形成，隨后快冷時(shí)則轉(zhuǎn)變成馬氏體。晶界馬氏體層的形成使鋼變得很脆。 高鉻鐵素體鋼的力學(xué)性能很差，特別是沖擊韌性 ：102成分：Cr18%，Ni8%，平衡狀態(tài)組織：奧氏體、鐵素體和碳化物， 鑄造條件下，共析轉(zhuǎn)變來不及進(jìn)行，因而在常溫下得到的組織為奧氏體

47、和碳化物。 Cr、Ni耐蝕鋼的成分與組織(5) 奧氏體不銹鋼103 為了消除碳化物，可將鋼進(jìn)行固溶化處理，即將鋼加熱至10501100，保溫一段時(shí)間，而后進(jìn)行水淬，得到單一奧氏體組織，這樣就使鋼具有了較高的強(qiáng)度和良好的塑性和韌性。圖 ZG1Cr18Ni9Ti鋼的固溶處理態(tài)組織 固溶處理104產(chǎn)生原因：少量的碳化物在晶界處析出，不銹鋼中的碳化物中含有很高的鉻，其含鉻量比鋼的平均含鉻量高出很多，因此在晶界上析出碳化物，會(huì)造成鋼的晶粒內(nèi)界面層的貧鉻現(xiàn)象，使鋼的鈍化膜不易形成，降低鋼的耐蝕性。而由于晶界部位鋼的耐蝕性低，致使腐蝕過程易沿著鋼的晶界向深處擴(kuò)展，從而促使晶間腐蝕發(fā)生。這種腐蝕方式隱蔽，其危

48、害性比均勻腐蝕更為嚴(yán)重。 晶間腐蝕105 嚴(yán)格控制鋼的含碳量，在可能條件下，盡量低一些，特別是對于厚壁鑄件，鋼的含碳量應(yīng)按照規(guī)格成分的下限控制。防止措施 往鋼中加入適量的碳化物形成元素鈦或鈮，使鋼中的碳除了奧氏體能溶解的部分以外，多余的部分形成碳化鈦或碳化鈮。在固溶化處理后，進(jìn)行穩(wěn)定化處理，可充分發(fā)揮鈦（或鈮）的作用以將鉻穩(wěn)定在奧氏體晶粒內(nèi)部，從而避免晶間腐蝕。 106 合金元素的影響 ZG1Cr18Ni9Ti鋼對硝酸及其它氧化性酸類有良好的耐蝕性，但對硫酸的耐蝕性較差。為了提高鋼對硫酸的耐蝕性，可往鋼中加入Mo和Cu，如ZG1Cr18Ni12Mo2Ti和ZG1Cr18Ni14Mo3Cu2Ti。 在鉻鎳不銹鋼中加入適量的硅，能進(jìn)一步提高鋼對高濃度(98%)硝酸及其它強(qiáng)氧化性酸類的耐蝕性能，如ZG1Cr18Ni20Si2。 由于硅在不銹鋼中提高耐蝕性方面有較強(qiáng)的效果，故可代替一部分鉻的作用。如近年來發(fā)展的ZG0Cr13Ni