铸造合金及其熔炼 第七章铸造低合金钢

1、第七章第七章 铸造低合金钢铸造低合金钢 第一节第一节 概述概述 一、铸造碳钢性能不足一、铸造碳钢性能不足 1、淬透性差; 2、使用温度范围小(-40400); 3、抗磨性及耐腐蚀性差. 二、铸造低合金钢概念、分类、牌号二、铸造低合金钢概念、分类、牌号 1、铸造低合金钢在铸造碳钢的化学成分基 础上加入为量不多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不超过5%。 2、铸造低合金钢 锰系铸造低合金钢：mn为主加元素 铬系铸造低合金钢：cr为主加元素 3、 牌号 我国铸造合金刚的钢号表示方法如下：最前面为铸钢 的符号zg，其后是表示钢的含碳公称值（以万分之一表 示），后面是一系列的合金元

2、素符号以及相应含量范围的 标注数字，标注规定是：合金元素平均含量（%）1.5时， 不标数字，含量为1.5-2.49时，标注“2”字，含量为2.5- 3.49时，标注“3”字，以此类推。 第二节第二节 锰系铸造低合金钢锰系铸造低合金钢 锰系铸造低合金系列中比较常用的钢号及有 关数据见表7-1。 铸造碳钢中含有mn0.8%-0.9%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. 10%-1. 80%时，就成为铸造低锰钢。在 这个范围内，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最

3、强的，见图7-1。 由于锰钢的淬透性良好，故可采取淬火加回火(调质)的热 处理方法来使其充分强化。 由于锰在铁素体中起固溶强化作用并使钢的共析转变 温度降低，使钢组织中的珠光体分散度增大，因此即使是 采用正火处理方法，铸造低锰钢的强度也比相同含碳量的 铸造碳钢为高。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。 多元锰钢克服了单元锰钢的缺点，并能获得更 高的性能。最常用的是锰硅钢，这种钢中含硅量为 0.6%-0.8%。在锰硅钢中，硅起到以下三方面的作用。 1、小于1%能使锰钢产生显著的强化作用，而塑性 几乎不降低。同时，锰和硅的共同作用使

4、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。 往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。 第三节第三节 铬系铸造低合金钢铬系铸造低合金钢 铬系铸造低合金钢系列中比较常用的钢号及有关数 据见表7-2。 单元铬钢主

5、要是zg40gr。铬使钢具有良好的淬透 性，壁厚25-30mm的铸件可以采用油淬。铬在钢的回火 过程中能抑制碳化物的析出，从而有利于采用调质(淬 火+高温回火)方法进行热处理口此外，含量在2%以下的 铬能完全固溶于铁素体中，提高其强度，而不降低其塑 性，这也是铬作为合金元素的优点之一。zg40cr钢经 过调质处理后具有良好的力学性能，特别是有较高的硬 度，故常用于铸造齿轮毛坯等重要铸件。 单元铬钢的缺点是具有回火脆性。往铬钢中加入适 量的钼，能减轻钢的回火脆性倾向。加相能进一步提高钢 的淬透性。此外，由于铬和铂都具有提高渗碳体热稳定性， 防止在高温条件下珠光体发生分解的作用，而且钼能显著 提高

6、钢的再结晶温度，防止钢在高温下发生晶粒长大，因 此铬钼钢具有良好的耐热性能。当往钢中加入适量的第三 种合金元素钒时，能显著地细化晶粒，使钢的强度和韧性 进一步提高。而且钒也具有防止钢在高温下晶粒长大的作 用。因此铬铝钒钢适用于耐热零件，在高温(450一650 ) 条件下应用。如zg20crmov和zg15cr1mo1 v钢在汽轮机 制造中，用于制造高压缸和主汽阀等重要铸件，在高温高 压的过热蒸汽的作用下长期地工作。这种在高温下具有持 久强度的钢属于热强钢。 第四节第四节 镍系铸造低合金钢镍系铸造低合金钢 镍在钢中的作用：镍在钢中的作用： 1）固溶强化，提高强度硬度。 2）提高淬透性 3）细化珠

7、光体 4）降低韧-脆转变温度 图7-2 5）提高钢在高温下的耐氧化性 以镍作为主要合金元素，而以铬或铬与钼作 为辅助强化元素构成镍铬低合金铸钢或镍铬钼低 合金铸钢。国外采用含镍的铸造低合金钢较多， 其典型的钢种的性能见表7-3。在镍铬钼低合金钢 中，由于镍的提高钢的塑性和韧性的作用，使得 铬与钼等合金元素得以充分发挥其强化作用，从 而使钢具有良好的综合力学性能。由于镍的价格 较贵，使钢的生产成本较高，这是含镍低合金铸 钢的缺点。 第五节第五节 低合金高强度铸钢（低合金高强度铸钢（hsla） 近年来，由于炼钢和铸造技术的发展，低 合金高强度铸钢开始在生产中应用，出现 了屈服强度达到420mpa以

8、上的高强度铸钢 和750mpa以上的超高强度铸钢，这些钢同 时具有高强度强度和高韧性，能满足机械 设计对材料的高断裂韧性值的要求。在前 面表7-2和表7-3列出的钢种中，有一些即 属于低合金高强度钢。 至于超高强度铸钢，为了获得很高的 强韧性，需要在钢的化学成分设计上，在 钢的冶炼技术上，铸件的热处理上采取一 系列的措施来保证。 同时获得高强度和高韧性的途径是: 1、低含碳量 2、多种合金元素复合强化 3、多阶段热处理 4、钢液净化 第六节第六节 微量合金化铸钢微量合金化铸钢 定义定义： 以v、nb、zr、ti、b和稀土 作为合金化 元素的铸造低合金钢，加入量一般小于0.1%。 生产中常用的两

9、个钢种：生产中常用的两个钢种： 1、钒、铌系微量合金化铸钢 表7-4中列出一些钢号的化学成分及性能。 钒铌系微量合金化铸钢的优点是具有良好的 综合力学性能，同时还具有良好的焊接性能。 其化学成分的设计原则是: 1) 低含碳量 保证钢有良好的韧性和焊接性 能。 2）加入铌和钒（或单一铌，单一钒) 由于 铌和钒对钢中的碳和氮有很强的化学亲和力，故 会在钢液中形成大量微细的碳氮化合物nb （c， n） v (c ，n)。它们作为钢结晶的非自发结晶 核心，从而使钢的晶粒细化，获得良好的强韧性。 3） 通过热处理并加入钼，得到析出强化效 果 将铸态的钢加热至奥氏体区温度并保温一段时间， 使钢中的碳氮化合

10、物固溶在奥氏体中，然后进行淬火和回 火。回火过程中有n（c，n）和v （g，n）析出。钼的 作用是从动力学方面延迟这些化合物的析出过程，使之能 在较低的温度下，以弥散的微细质点状态析出。从而在析 出物的周围造成应力场，达到析出强化的效果。 钼对含铌钢的屈服强度的影响见图7-3。 2、硼系合金化铸钢 硼有强烈提高钢的淬透性的能力，因而可使铸钢通 过调质方法获得很细的晶粒，达到高强度与高韧性的结 合。硼钢中的含碳量较高（c0. 37%-0. 44% ），有的牌 号中还加入cr,，mo， v等合金元素，以达到复合强化 的效果。含硼微合金化铸钢的化学成分见表7-5 。 为了使铸造硼钢有良好的效果，应注

11、意以下几点: 1) 规格成分中含硼量的上限虽为0.005%，但实际上应 控制低一些。这是因为硼钢容易在晶界处析出硼化物，造 成“硼脆”。故适当降低含硼量上限为0.003%为宜。 2) 硼易与钢中的氮、氧化合而失去其应有的作用。故 炼钢中在加入硼铁之前应将钢液进行充分的去气和脱氧。 除了上述的铌-钒和硼以外，稀土元素(铈、镧)也可作 为微量元素实现钢的合金化。稀土元素具有脱氧、脱硫、 改善钢中非金属夹杂物形态及改善钢的铸态组织缩小柱 状晶区及减小魏氏体形成倾向的作用。用稀土配合其它微 量合金化元素如铌、钛、钒、硼等，可形成多元化的微合 金化铸钢。 第七节第七节 抗磨用铸造低合金钢抗磨用铸造低合金

12、钢 在上述一些铸造低合金钢中，对性能的要求都是 以强度作为主要标准的。而对于抗磨用钢来说，则最 重要的性能是高硬度。因为只有使钢具有高硬度，才 能抵抗干磨料的剧烈磨损。当然，除了高硬度以外， 还要有一定的强度和韧性。抗磨用铸钢与抗磨用铸铁 相比，在力学性能上的特点是韧性较高。抗磨用的铸 造低合金钢中包括有珠光体渗碳体抗磨钢、马氏体 抗磨钢和奥氏体贝氏体抗磨钢。 一、珠光体一、珠光体渗碳体抗磨钢渗碳体抗磨钢 典型的钢种是高碳铬镍钼铸钢（如c0. 72 %、 mn0.88%、si0.30%、cr1.56%、ni0.75%、mo0.38 % )， 这种钢经过970 退火，890正火和530回火后，具

13、有 很高的强度和硬度，因而具有较强的抗磨性。钢中的铬和 钼是稳定珠光体的元素，既保证在组织中能形成珠光体， 又使钢在工作中因经受剧烈摩擦而产生高温时，其 组织中的珠光体不致发生分解.铬的含量不超过2%时，在 提高强度和硬度的同时，还有提高钢的塑性的作用，因而 能减小钢的脆性。 二、马氏体抗磨钢二、马氏体抗磨钢 通过同时加入儿种提高钢的淬透性的合金元素， 使钢具有马氏体组织，从而获得高硬度。例如国外应用 的si-mn-cr-mo-ni马氏体抗磨铸钢，其化学成分为： c0.4%-0.6%，mn1.3%-1.5%，si0.7%-1.0%，cr0.7%- 0.9%，mo0.25%-0.75%，ni1.

14、5%。这种钢具有很强的淬 透性，厚度达125mm的铸件，在空冷条件下能够得到马 氏体组织。因而能用于大型抗磨铸件。这种钢的硬度超 过珠光体抗磨钢一倍以上，因而具有很高的抗磨性。同 时还具有一定的韧性，因而能适应冲击磨损的工作条件。 三、奥氏体三、奥氏体贝氏体抗磨钢贝氏体抗磨钢 这是近年来新发展的钢种。因具有贝氏体基体及分布 于其上的奥氏体而具有高硬度与良好韧性的综合。这种钢 被称为等温淬火高碳硅合金铸钢。其组织的形成机理与等 温淬火奥氏体和贝氏体球墨铸铁相似。这种钢的化学成分 为c0.6%-0.9%，si2.3%-2.4%，mo0.3%，经过加热至奥氏 体区固溶化以后，在320 -360 温度

15、范围内进行等温淬 火，可形成带有4 7%以下稳定奥氏体的贝氏体组织。钢在 等温淬火过程中，组织状态随时间的转变过程示如图7-4。 当第一阶段结束后，即会有从奥氏体巾析出碳化物的趋势， 而碳化物的析出将会使钢的韧性降低、提高含硅量至2.3%- 2.4%，以硅进行合金化的目的即是为了抑制和延缓碳化物 的析出过程，这种钢在经过2h等温淬火后可得到很高的强 度、塑性和抗磨性。这种钢的抗磨性好。 不仅是由于组织中有高硬度的贝氏体，而且钢中的奥氏体 在外力作用下，由于形变诱导作用而发生马氏体相变，也 起到了硬化的作用。 第八节第八节 低合金铸钢件的热处理低合金铸钢件的热处理 在铸造碳钢条件下，热处理是为了

16、细化晶粒 、改善铸态组织和消除铸造应力。而对于低合 金钢铸件，热处理不仅具有上述的作用，而且还 要发挥合金元素提高钢的淬透性的作用。因此低 合金钢铸件的主要热处理方式是淬火+回火或回 火+回火。低合金钢铸件的热处理工艺特点如下 一、预先退火热处理一、预先退火热处理 由于低合金钢中合金元素偏析倾向大，加上 钢的导热性能差，在铸件凝固和冷却过程中所产生 的内应力比碳钢铸件更大，铸件更容易变形和开裂。 因此应光进行消除应力和细化组织的退火处理，以 后再进行铸件的粗加工和其后的淬火回火或正 火回火处理。预先退火的加热温度见表7-6。对 于一些大型铸件，由于钢的晶粒内部元素的偏析程 度更大，故当必要时还

17、可采取扩散退火。扩散退火 的加热温度高（1000 以上）。保温时间长(10多 小时)，不仅多消耗能源，而且还使铸件表面氧化， 并可能产生铸件变形，因此只有在特殊需要时，才 采用这种热处理方式。 二、淬火二、淬火(正火正火)通度及保温时间通度及保温时间 在低合金钢中，由于多数合金元素有稳定渗碳体的 作用，并且合金元素在奥氏体中扩散速度比铁和碳都慢 得多，故在低合金铸件加热至奥氏体相区时，渗碳体的 溶解及奥氏沐内部成分均匀化的过程比碳钢慢得多。为 了加速这一过程，在低合金钢铸件淬火或正火时，可采 取比碳钢铸件更高一些的加热温度，一般采用在ac3+ （50-100 ）。 表7一6中列举了一些铸造低合

18、金钢的加热温度。低合 金铸件的保温时间与碳钢铸件相同，一般是按照铸件壁厚 决定，每25mm增加1h保温时间。 三、回火后的冷却速度三、回火后的冷却速度 合金元索锰、铬和单独使用的钼，都会促使钢产生回火 脆性。而当钼与锰或铬配合使用时，能抑制钢的回火脆性。 但在任何情况下，低合金铸件在回火后，均应采取快冷。 即使是加钼的锰钢或铬钢，采取快速冷却也能改善其力学 性熊，特别是屈服强度和韧性。因此在铸件结构条件允许， 不易产生变形和开裂条件下，可采取水冷。 第九节第九节 低合金钢的铸造性能低合金钢的铸造性能 由于低合金钢是在碳钢的化学成分基础上， 加入为量不多的合金元素构成的，因此某种低合 金钢的铸造性能与相同含碳量的碳钢是相近的。 合金元素对于钢的各项铸造性能的影响主要表现 在如下几个方面。 一、流动性一、流动性 合金元素对钢的流动性的影响表现在三个方面:对钢 的液相线温度的影响，对钢液热导率的影响，以及对形成 夹杂物的影响。一般情况是，高熔点的合金元素，如钼、 铬等，均使钢的液相线温度上升，降低流动性。降低钢液 热导率的合金元素如锰、镍等，均延长钢液的流动时间， 提高流动性。容易氧化，在钢液中形成氧化膜的合金元素 如铬、铝等.均降低流动性。当然这些合金元素对钢液流 动性的影响与它们的含量有关。几种钢液的流动性比较见 图7-6。 二、热裂倾向二、热裂倾向 合金元素