合金材料与熔炼04

1、1合金材料及熔炼蔡启舟Tel:mail: 材料成型及控制工程专业选修课2第二章 铸钢 3引 言铸钢材料与铸铁材料相比，其优点与缺点如下： 力学性能较高，具有可焊性，不仅有利于铸件缺陷的修补，而且能够采用铸焊结构的方法，以满足一些特殊零件的要求。 钢的熔炼成本、造型材料成本较高；铸造流动性较差，易形成缩孔、热裂、冷裂及气孔，铸钢件的成品率低。4三峡左岸三峡左岸70万上冠万上冠84603022G=115,500kg 5100万核电高中压外缸,G=71,600kg6精密铸造工具用铸钢件7 185MN上油缸横梁，材质GS20Mn5，毛坯重量520t，浇注钢水量829.5t。

2、这是目前世界上一次组织精炼钢水最多、浇注吨位最重的特大型铸钢件。80t、50t、30t电弧炉，150t、60t、40tLF精炼炉等冶炼设备全部投入生产，于2008年5月22日通过10炉6包联合浇注成功，改写了世界铸造史。 中信重工机械股份有限公司82.1 铸造碳钢 铸造碳钢是用途极广的工程材料。它具有比普通铸铁高的强度、塑性、韧性及良好的焊接性。与铸造合金钢相比，铸造碳钢除加入硅、锰等脱氧剂外不添加合金元素，对原材料的要求不高，成本低，熔铸工艺易于掌握。 宝钢5M宽厚板轧机（铸件重量492t，钢液重量773t） 9表 一般工程用碳钢的力学性能铸钢牌号最 小 值屈服强度s或0.2(MPa)抗拉强

3、度b(MPa)伸长率(%)断面收缩率(%)根据合同选择其一冲击韧性Akv(J)k (J/cm2)ZG200-40020040025403060ZG230-45023045022322545ZG270-50027050018252235ZG310-57031057015211530ZG340-640340640101810202.1.1 铸造碳钢的化学成分及性能 (1) 铸钢的性能10铸钢牌号CSiMnSP残余元素NiCrCuMoVZG200-4000.200.500.800.010.300.350.300.200.05ZG230-4500.300.90ZG270-5000.40ZG310-57

4、00.500.60ZG340-6400.60 对上限每减少C0.01%，允许增加Mn0.04%。ZG200-400含锰量最高至1.00%，其余四个牌号Mn最高至1.2%。 残余元素总量不超过1.00%，如需方无要求，残余元素可不进行分析。表2-2 一般工程用铸造碳钢的化学成分(wt%) (2) 铸钢的化学成分112.1.2 铸造碳钢的结晶与组织 一次结晶： L-Fe(铁素体) -Fe + L (奥氏体)(1) 结晶过程12 在近平衡状态下，多面体的棱角前沿液相中的溶质浓度梯度较大，其扩散速度较快；而大平面前沿液相中溶质梯度较小,其扩散速度较慢；这样棱角处晶体长大速度大，平面处较小，近于球形的多

5、面体逐渐长成星形，从星形再生出分枝而成树枝状。 13 在一次结晶过程中，奥氏体以树枝状的形态析出，通过奥氏体相区时发生晶体分裂过程，一个奥氏体树枝晶分裂成为若干个粒状奥氏体小晶粒，这就是奥氏体的粒化过程。奥氏体晶粒发生粒化是由于能量作用和应力作用的结果。一方面随着温度降低，晶体的体积能减小而表面能增大，趋向于形成细小的晶粒；另一方面，钢在冷却过程中由于收缩而产生的内应力也促使大晶粒分裂成较小的晶粒。由于奥氏体晶粒发生了粒化过程，因此，人们在碳钢的低温显微组织中看不到树枝晶。 奥氏体的粒化14 (奥氏体) 先共析铁素体 (奥氏体) + Fe3C 二次结晶15 晶粒粗大 晶粒粗大则晶界的比表面积较

6、小，因而钢的强度较低。柱状晶具有各向异性，在其横向上的力学性能特别是韧性较低。在经受外力冲击作用时，易沿晶界发生断裂 。(2) 铸态组织 碳钢的铸造过程决定了其铸态组织有以下几个特点： 16 铸造碳钢的晶粒大小在很大程度上与冷却速度有关。铸件厚大，铸型的导热性能差、浇注温度高却降低冷却速度，因面使铸钢的晶粒粗大。 为了防止铸钢件晶粒粗大，设计铸件时应尽可能不使铸件局部过热适当降低钢液的浇注温度和铸型温度(如熔模精铸)，改善铸型散热条件，如对大型铸钢件采用强制通风和水冷等措施来加速冷却。 变质处理也是防止铸钢晶粒粗大的有效措施。采用Ti、V、W、Mo和RE等元素进行变质处理，可以有效地增加外来晶

7、核数量或阻止晶粒长大。 17 先共析铁素体的形态因结晶条件变化而改变 粒状组织魏氏组织网状组织图2-2 亚共析钢铸态组织中的几种铁素体形态 铸造碳钢在其二次结晶过程中，当温度通过+。两相区时，先共析铁素体。的析出会因钢的含碳量和冷却速度的不同而长成不同的形态，通常有粒状、条状(魏氏体)和网状三种。 18 粒状组织的晶体具有最小的表面能，因而是最稳定的形态。但在奥氏体晶粒中形成这种形态的铁素体，需要有较大规模的原子扩散，其中包括碳原子的扩散及铁原子的自扩散。实际上只有在含碳量低而且壁又较厚的钢铸件中，才会在铸态下得到这种组织。 粒状组织19 铁素体在奥氏体晶粒内部以一定的方向呈条状析出。 铸钢中

8、形成魏氏组织的倾向与钢的含碳量及铸件壁厚有关。在亚共析钢中，中等含碳量(0.2%0.4%)的钢较易生成魏氏组织。这是因为魏氏组织是铁素体分布于珠光体晶粒内部所构成的组织。 魏氏体组织20 魏氏组织的铁素体出现于含碳量中等，而冷却条件不足以保证铁、碳原子充分扩散的铸件中。由于碳含量相对较高，在奥氏体晶内铁原子不易进行大规模的聚集，当奥氏体晶粒很大(从晶粒周界至晶粒中心的距离长)时，进行铁原子充分扩散的条件更困难，铁素体就以沿着惯析面插入奥氏体晶粒内部的方式出现，这种结晶取向使原子的扩散距离缩短，有利于铁素体的快速形成，结果铁素体形成针(片)状，即形成了魏氏组织。魏氏组织的形成过程：21 铁素体在

9、原奥氏体的晶界处析出。由于奥氏体晶界上晶格缺位多，且组织疏松，故易于铁素体新相的形核和铁原子的聚集，从而为网状组织的形成创造了条件。 网状组织22 下图表示了铸造碳钢的含碳量及冷却速度对铸态组织中铁素体形态的影响。对于钢的力学性能最有利的是粒状组织，具有粒状铁素体和珠光体相互交错分布的组织使钢具有良好的强度和韧性，而魏氏体和网状组织则使钢具有较低的力学性能，特别是韧性。23(3) 宏观偏析 碳钢铸件产生宏观偏析的主要元素是碳和硫。硫在钢中以FeS的形态存在。FeS的熔点为1190，FeS-Fe共晶体的熔点为985，而FeS-FeO-Fe共晶体的熔点为900，故钢在结晶过程中，硫总是聚集在最后凝

10、固区。由于钢的熔点随碳量升高而下降，所以最后凝固区也富聚碳原子，使铸件厚壁中心比表层含更高的碳、硫浓度而影响组织和性能的均匀性。24 宏观偏析一旦形成，很难以通过热处理消除。 在铸钢的凝固过程中采取措施来防止。 用加速铸件凝固或定向凝固方法能有效地防止宏观偏析。 采用Ti、Zr、RE等元素对钢液进行变质处理也能增加凝固结晶核心、细化树枝晶，在一定程度上减轻宏观偏桥的程度。 一般薄壁铸钢件的冷却较快，结晶过程的顺序性不明显，不足以形成宏观偏析。25(4) 铸造碳钢中的气体钢中气体主要为氢、氮和氧 26冷却速率较小，以气泡的形式析出，在铸件中形成气孔。凝固速率快，过饱和的氢分子来不及脱溶，而在铁的

11、晶格内造成应力，则会降低钢的韧性，严重时会使钢脆化，称为“氢脆”。氢的有害作用在高强度和超高强度合金钢中最为突出，因此必须对钢液含氢量控制极严。 氢来源：空气中所含的水蒸气在电弧的作用下离解而产生的。危害：27来源：空气中的氮气在电弧作用下离解为氮离子而溶解的。 形成化合物：Si3N4、ZrN、AlN。 少量氮化物具有细化钢的晶粒，能提高机械性能的作用； 但当钢中氮化物数量多时，会使钢的塑性和韧性降低。 为了避免氮对钢的性能的不利作用，应尽量控制钢N0.02%。 氮28 氧在钢液中存在的形态是以氧化铁FeO的分子形态存在。 氧 COm 在钢液中，含碳量与含氧化亚铁量之间存在着一定的平衡关系。而

12、平衡状态则是随温度的变化而变化的。这种平衡关系可用下式表示： C钢液含碳量； O钢液含氧量，其值系由FeO含量折算而成的。 m温度的函数，当温度一定时，m是常数。当温度降低时，m值随之减小。 29 氧化铁本身是一种非金属夹杂物，钢液凝固后，处于钢的晶粒边界，降低钢的机械性能。 如果在炼钢的高温下，钢液中存在有较多的FeO，以致于达到平衡或接近平衡时，则当钢液浇入铸型内，在温度降低的条件下，原来钢液中的含碳量和含氧量超过了平衡值，因而就会发生FeO + C Fe + CO的反应。反应结果生成一氧化碳气泡，在铸件中造成气孔。30(5) 非金属夹杂物来源：在炼钢过程中产生的，也有的是在浇注过程中钢液

13、二次 氧化或钢液冲蚀铸型而形成的。分类：硫化物类(呈条状沿晶界分布) 氧化铝类(呈链状沿晶界分布) 这两类夹杂危害较大 硅酸盐类(呈多角形以孤立状态分布) 球状氧化物(孤立状态分布) 非金属夹杂物割裂金属的基体，降低力学性能，特别是降低韧性。(夹杂物数量、夹杂物形态 ）31 氧化铝(Al2O3)和氮化铝(A1N)夹杂物呈细小尖角状，形成较大的应力集中，易导致裂纹的萌生和扩展，故对钢的断裂韧性最为不利。这些铝的化合物主要来源于炼钢过程用铝脱氧。这就是生产高级铸钢时，规定不得用铝脱氧的原因。 Al2O3和A1NAl2O3夹杂物32 硅酸盐(FeSiO3、MnSiO3、FeOAl2O3SiO2等)夹

14、杂物的熔点比钢液温度低，在钢液中呈液态存在，又由于它们在钢液中有较大的界面张力，与钢液之间不润湿，因而钢液凝固后形成球形夹杂物，对钢的性能削弱作用最小。 硅酸盐夹杂33 硫化铁(FeS)和硫比锰(MnS)是钢液中固有的化合物，可在炼钢过程中通过脱硫除去。如脱硫过程进行不充分，则钢液中的硫化物残留量较多。硫化铁的熔点比钢液低，故呈液态存在。它与钢液之间的界面张力较小，能相互润湿，因而最后凝固在晶界处呈网状分布，削弱晶粒之间的连结，降低钢的性能。 硫化物夹杂 硫化锰的熔点比钢液温度略高，它在固态钢中呈颗粒状元序分布。故在降低钢的性能方面，比硫化铁的危害要小。 3420钢中的FeS夹杂物35 为了尽

15、量减小非金属夹杂物的有害作用，炼钢过程应采取强有力的脱氧、脱硫及净化措施。往钢中加入适量的稀土元素，能产生有效的净化作用。稀土元素与氧和硫有很强的亲和力，能起到很有效的脱氧和脱硫作用。又由于CeS、Ce2O3等稀土硫化物和氧化物呈球状，故稀土元素能起到改善夹杂物形态的有益作用。采用RE-Ca复合变质剂对钢液进行变质处理，也能收到很好的改善夹杂物形态的效果。 362.1.3 铸造碳钢的基本组元对力学性能的影响(1) 碳的影响37 硅在钢中是有益元素，它的主要作用是使钢液脱氧。硅量低于规格的钢，在浇注后易产生气孔和针孔等缺陷。铸造碳钢的硅含量为0.20%0.45%，大部分固溶于铁素体，少量以非金属

16、夹杂物形式存在。固溶于铁素体中的硅也有强化基体的作用。虽然硅在铁素体中的溶解度很大(18%)，但含量很少，所以对钢的力学性能影响不大。 (2) 硅的影响38Mn: 提高钢的机械性能； 减少钢中的含氧量； 减少钢中硫的有害作用。P: 0.05%, Fe3P, 降低塑性和冲击韧性。S: FeS或者 FeS与Fe的共晶体形式存在。39退火的目的: 退火的作用是细化晶粒，提高钢的力学性能。退火工艺的主要参数加热温度：Ac3 + 3050保温时间：25mm/1h 150mm, 较上述比例时间略少AC3GS线加热时的转变温度2.1.4铸造碳钢的热处理(1) 退火40正火的目的： 细化晶粒，提高钢的力学性能

17、。 正火由于冷却速度快，钢的晶粒比退火时更细些，而且使得奥氏体能在较低的温度下发生共析转变，因而能得到分散度更大的珠光体(即索氏体)。由于这些原因，正火处理的钢的力学性能，特别是韧性要比退火处理的钢更高一些。 (2) 正火41 回火能使钢的性能进一步提高的原因是，通过正火得到的索氏体中的渗碳体片在回火温度下具有转变成颗粒状的自然趋势。经过一段时间以后，原来的片状索氏体变为粒状索氏体，从而使钢的性能得到进一步提高。 (3) 正火+ 回火42退火、正火、正火+回火三种工艺条件下的性能对比：432.2 铸造低合金钢 铸造碳钢虽然应用很广，但在性能上有许多不足之处，如淬透性差，厚断面铸件不能采用淬火一

18、回火处理进行强化，使用温度范围仅限于-40400；抗磨性及耐腐蚀性较差等不能满足现代工业对铸钢件的多方面需要。 铸造低合金钢是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一般不超过5。 我国目前应用最广泛的铸造低合金钢种属于锰系和铬系两大系列。 442.2.1 合金元素在钢中的作用溶于铁素体中形成固溶体；形成碳化物或氮化物；形成金属间化合物；形成非金属夹杂物以及游离态。(1) 合金元素在钢中存在的形态：45(2) 合金元素对相图的影响 扩大奥氏体相区元素Ni、Mn、Co、Cu、N等。 缩小或封闭奥氏体相区元素Cr、Mo、W、Si、Al等。 合金元素

19、对奥氏体相区的影响46 对共析点位置的影响 扩大奥氏体相区的元素均使共析点降低，而缩小奥氏体相区的元素则使共析点升高。 固溶于固溶体的合金元素都使共析点左移，并降低共析点含碳量；而溶入渗碳休或生成合金碳化物的合金元素也使共析点左移，但是一些强碳化物元素，如Ti、V、Nb、Zr等由于形成不溶于奥氏体的碳化物而使共析点右移。47(3) 合金元素对组织和性能的影响 固溶于铁素体的合金元素均不同程度地提高其屈服强度及抗拉强度。其中多数合金元素在提高铁素体强度的同时，使其塑性、韧性降低。 强化铁素体48 使共析点左移的合金元素均减少共析点含碳量，增加亚共析钢中珠光体的比例，使强度提高；扩大奥氏体相区的元

20、素使共析温度降低，因而细化珠光体，提高强度。 增加和细化珠光体 某些合金元素的碳化物或氮化物能在钢液凝固过程中成为奥氏体的非均质晶核，因而能细比钢的晶粒，提高强度和韧性。常见的能产生细化作用的合金元素有铬、钨、钼、钒、铝、钛、铌等其中以钛、钒的作用最为显著。 细化晶粒49 某些合金元素能在钢的表面形成致密而稳定性高的氧化膜，在高温下防止钢的内部被氧化和发生脱碳，故能提高钢的耐热性。而形成合金渗碳体、合金碳化物以及与铁形成金属间相的合金元素能防止钢在高温下发生珠光体分解和晶界软化现象，从而提高钢的高温强度及抗蠕变性能。 析出(沉淀)强化 当合金元素在铁素体中的溶解度度随着温度下降而显著降低时，该

21、元素将在共祈温度以下从过饱和铁素体中析出，使钢的基体处于高应力状态，而使其强化。最常用来产生析出强化作用的元素是铜。 提高耐热性和热强性50 有些合金元素一方面通过固溶化作用和热处理使基体变为强韧性极好的马氏体、贝氏体、奥氏体；另一方面又形成硬化相碳化物，使钢获得良好的抗磨性能。具有这种作用的合金元素有Cr、Mo、V、Nb等。 改善低温性能 少数合金元素如锋Ni、锰使钢的韧脆转变温度降低，从而改善钢的低温韧性。 提高抗蚀性 有些合金元素(如铬)使钢的表面形成致密和化学稳定性高的钝化保护膜，阻止腐蚀介质侵入钢的内部。并提高金属基体相的电极电位。 提高抗磨性512.2.2 普通铸造低合金钢(1)

22、锰系低合金钢铸 造 碳 钢：Mn(0.80.9)%，主要作用：脱氧及减轻硫的有害作用。铸造低锰钢：Mn(1.101.80)%，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。52锰在低合金钢中的作用 提高钢的淬透性， 固溶强化 降低共析转变温度，细化珠光体53化学成分(wt%)力学性能CMnb(MPa)s(MPa)(%)0.10.8420320300.11.5460350290.11.9550380260.60.8670570190.61.5760710140.61.988082012表 不同含碳量和含锰量的退火钢的力学性能若要求强度高和正常塑性，则锰量较低而碳量较高；若要求

23、强度正常和较高的塑性，则应含较低碳量和较高锰量；壁厚较大时，需增加锰含量以提高淬透性。单元锰系低合金钢 54单元锰钢的主要缺点有二： 过热敏感性大，在热处理过程中，过热不太大时就会出现粗大晶粒。这种粗晶组织使铸件中心部分的力学性能降低，故这种钢只适于铸造壁厚较小(70mm)的铸件； 对回火脆性敏感。为了克服这些缺点，在单元锰钢中加入其它合金元素，发展成多元低合金锰钢。 55 多元锰低合金钢 Si：0.600.80%, 其作用： 固溶强化 表面强化 提高钢的耐海水腐蚀的能力 锰硅低合金钢的缺点是易产生回火脆性，在热处理时铸件回火后应快冷。 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，常用于制造重型机械中的大齿轮毛坯等。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%低温钢(-90)57(2) 铬系铸造低合金钢 58 铬使钢具有良好的淬透性，壁厚2530mm的铸件可以采用油淬。铬在钢的回火过程中能抑

25、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。 2%以下的铬能完全固溶于铁素体中，提高其强度，而不降低塑性，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：回火脆性 (1) ZG40Cr59 钼能进一步提高钢的淬透性 铬和钼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

26、有防止钢在高温下晶粒长大的作用。因此铬钼钒钢适用于耐热零件。 (2) ZG20CrMo，ZG20CrMoV，ZG15Cr1Mo1V602.2.3 镍系铸造低合金钢Ni在钢中的作用：固溶强化提高淬透性细化珠光体降低钢的韧性-脆性转变温度提高钢在高温下的抗氧化性 含Ni1.01.5%的镍低合金钢用于对韧性要求较高的大型铸钢件，如造船中用于艏柱和艉柱铸件。61Ni2.03.0%(C0.25%)：-73Ni3.04.0%(C0.15%)：-101Ni4.05.0% (C0.15%)：-115低温钢 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钢或镍铬钼低合金钢。62632.2.4

27、 低合金高强度(HSLA)铸钢HSLAHigh Strength Low Alloy高强度铸钢：s420MPa，超高强度铸钢：s750MPa同时具有高强度和高韧性。64同时获得高强度和高韧性的途径： (1) 低含碳量 碳在提高钢的强度的同时，降低塑性和韧性，因而不适于作为高强韧钢的主要强化元素。 (2) 多种合金元素复合强化 采用多种少量(或微量)合金元素对钢进行有效的强化，强烈提高淬透性，细化钢的晶粒，从而获得高强度。65 (3) 多阶段热处理 充分发挥合金元素提高淬透性的作用，细化组织和提高性能，如低碳马氏体具有较高的塑性变形能力。 (4) 钢液净化 钢中的气体和夹杂物降低钢的强度和韧性，

28、特别是韧性降低幅度大。经过炉外精炼，将气体和夹杂物降至很低的程度，从而保持了钢的高强度和高韧性。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.热处理工艺：954空冷，899淬火(水冷)，843淬火(水冷)，593回火(水冷)力学性能：s=903924MPa, b=10141027MPa, =14%, =45%, Ak = 83102

29、J美国HY130低合金超强钢：化学成分672.2.5 微量合金化铸钢(1) 钒、铌系微量合金化铸钢 钒-铌系微量合金化铸钢的优点：具有良好的综合力学性能，同时还具有良好的焊接性能。 成分设计原则： 低含碳量，保证良好的韧性和焊接性能 加入Nb和V(或单一Nb，或单一V)，形成大量细小的Nb(C,N), V(C,N)，作为结晶核心，细化晶粒。 通过热处理并加入Mo，得到析出强化效果。6869(2) 硼系微量合金化铸钢 硼(B)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(B)钢含碳量较高(C0.370.44%)，有的牌号中还加入Cr、Mo、V

30、等合金元素，已达到复合强化效果。 为了使铸造硼钢有良好的效果，应注意以下两点： B0.005%，但B易在晶界析出硼化物，造成“硼脆”。 B易与N、O化合而失去应有的作用，炼钢中在加B之前应充分除气和脱氧。70钢号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 我国含硼微量合金化铸钢的化学成分(%)712.2.6 抗磨用铸造低合金钢 往钢中加入少量铬

31、、钼可得到高温稳定性好的全珠光体基体，采用(0.60%-0.85%)C可使钢的强度、硬度提高。典型珠光体抗磨钢成分：(0.60%-0.85%)C，(1.50%-2.0%)Cr, 0.35%Mo, 0.80%Mn, (0.30%-0.70%)Si，0.75%Ni，经正火回火处理后硬度达到HBS300-415。 (1) 珠光体型抗磨钢72 利用铬、镍、钼、硅、锰多元合金化得到很高的淬透性，通过水(油)淬在较大截面上获得高硬度的马氏体基体。 为了满足不同工况的需要，按含量分为低碳(0.2%-0.3%)和高碳(0.35%-0.60%)两类马氏体钢，前者适用于承受较大冲击和耐磨的零件，如推土机端齿等，后

32、者适用于冲击负载较小但要求抗磨粒磨损的零件，如破碎机衬板等。(2) 马氏体抗磨钢73 成分为：(0.6%-0.9%)C，(2.3%-2.4%)Si，0.3%Mo的铸钢(320-360)等温火淬火后得到奥氏体贝氏体基体，力学性能达到b1310MPa，15%，它的高抗磨性来源于组织中的贝氏体以及可产生加工硬化作用的奥氏体。(3) 奥氏体贝氏体抗磨钢742.2.7低合金耐热钢 ZG20CrMo，ZG20CrMoV，不仅强度高，而且有好的高温抗蠕变性能。 铬(Cr)在低合金钢中部分溶入固溶体中提高基体的高温性能，铬碳化物在高温条件下聚集缓慢，阻碍晶界滑移，使钢保持较高的强度、硬度。 钼(Mo)能显著提

33、高钢的再结晶温度(1%Mo提高再结晶温度115)，并促使Mo2C碳化物弥散析出，防止回火脆性，从而提高高温强度。铬和钼联合作用即可显著改善蠕变性能。 钒(V)不仅因为形成高溶点化合物V4C3、VN起非均质晶核作用而细化晶粒、提高强度，它们分布在晶界上阻碍滑移，从而提高抗蠕变能力。例如ZG20CrMoV钢560持久强度b/1000h达到(90-100)MPa。 752.2.7铸造低合金钢的热处理 (1) 预先退火热处理 由于低合金钢中合金元宏偏析倾向大，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。因此应先进行消除应力和细化组织的退火处理，以后再进

34、行铸件的粗加工和其后的淬火回火或正火回火处理。 76表 铸造低合金钢的热处理温度()钢种预先退火温度淬火或正火温度回火温度低Mn850950870930600680低Mn-Cr9301000870930600680Si-Mn8501000850900600680低Mo9001000870930600700Cr-Mo870100087093065075077 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打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体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

35、碳钢铸件更高一些的加热温度，一般采用在Ac3 + (50-100)。 低合金钢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。(2) 淬火(正火)温度及保温时间78 合金元素锰、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，低合金钢铸件在回火后，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。 (3) 回火后的冷却速度792.3 铸造高合金钢 铸造高合金钢含有10%以上的一种或多种合金元素。加入大量

36、合金元素的主要目的是改变合金的物理及化学特性，即改变材料的耐热性、耐蚀性和耐磨性，但其强度、韧性、塑性比特种铸铁高得多，而且具有特种铸铁所缺乏或没有的加工性和焊接性。因此，对那些既要求高强度、高韧性又要求承受高温、耐蚀或抗磨的机械零件应选用高合金耐热钢、不锈钢或抗磨钢。802.3.1 高锰钢(1) 高锰钢的成分、组织及性能 牌号CMnSiSP适用范围ZGMn13-11.101.5011.014.00.301.000.070.09低冲击件ZGMn13-21.001.40普通件ZGMn13-30.901.300.300.800.08复杂件ZGMn13-40.901.20高冲击件表 高锰钢的化学成分

37、(%) 81平衡条件：+ M3C铸造条件：奥氏体碳化物少量的相变产物珠光体82ZGMn13的铸态组织 由于高锰钢铸态组织存在大量碳化物故性能不高。83水韧处理目的：消除碳化物，加热温度：10501100（根据钢中碳化物细小或粗大而定），保温时间：相当于每25mm壁厚保温1h水韧处理后的组织(2) 高锰钢的热处理 84 高锰钢热处理后的性能：b(637-735) MPa,s396MPa, Ak150J/cm2, HBS229 加工硬化后表层硬度上升到HBW450550。 高锰钢的焊接性能很差，因为其导热率仅为碳钢的1/3焊接过程易产生大应力而开裂，并形成大量氧化锰夹杂，降低力学性能。 高锰钢有强

38、的加工硬化现象，故很难进行切削加工，因此，高锰钢铸件一般都不进行机械加工，铸件的沟、槽、孔应尽量铸出。85 本理论认为高锰钢在经受强力挤压或冲击作用下，晶粒内部产生最大切应力的许多互相平行的平面之间，产生相对滑移，结果在滑移界面的两方造成高密度的位错，而位错阻碍滑移的进一步运动，即起到位错强化的作用。其结果是增强了钢抵抗变形的能力和提高了钢的硬度。(3) 高锰钢的加工硬化机理 位错堆积论理论86 本理论认为高锰钢中奥氏体是处于相对稳定的状态，在受力而发生变形时，由于应变诱导的作用，发生奥氏体向马氏体的转变，在钢的表面层中产生马氏体，因而具有高硬度。 形变诱导相变论87(4) 化学成分对高锰钢性

39、能的影响 一般选择Mn/C值为810，铸件愈厚应取较高的Mn/C值。增加含碳量会使钢的抗磨性能提高，但会降低其韧性。Si(0.31.0)%，硅降低碳在奥氏体中的溶解度，促使碳化物析出，使钢的抗磨性和冲击韧性均降低。 硫量经常是比较低(S0.03%)88孕育处理 单独加入：Ti(0.100.15)%或Zr(0.100.20)%； 复合加入：Ti为(0.060.12)%和V为(0.200.35)%。 孕育时，吹入一些氮气或加入含氮的合金，如氮化锰等钨粉或锰铁碎屑(粒度12mm)在浇注钢液过程撒布，以实现悬浮浇注，也能有效的细化钢的晶粒。变质处理 用稀土变质(加入的稀土占钢液重的(0.10.2)%)

40、，能有效地减弱树状晶的生长，缩小柱状晶区的比例，从而显著提高钢的韧性。 孕育和变质处理(5) 提高高锰钢性能的途径89(0.20.3)%V，(0.70.8)%Mo，或(0.10.2)%Ti 热处理方法：将钢在1080固溶后，水淬，并在350温度进行812h的人工时效，析出高度弥散的富钼、钒、钛的微细颗粒碳化物，从而显著提高高锰钢的硬度和抗磨性。 为了增强时效强化效果，可适当提高钢的含碳量和降低含锰量，从而使奥氏体基体有较高的强度和硬度，这样可使析出相能更充分地产生其强化效果。 时效强化90 2%Cr或1%Mo 主要目的：提高屈服强度， 加入合金元素还能提高钢的抗拉强度和抗磨性 合金化912.3

41、.2 铸造耐蚀钢(不锈钢)(1)不锈钢的耐蚀性 钢的腐蚀 金属的腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀表2-6 不同金属的标准电极电位金属金属MgAlMnZnCrFeCuNiHAgAu电位电位(V)-1.55-1.30-1.10-0.76-0.51-0.44-0.34-0.230.00+0.80+1.5092不锈钢可概括地分别两类：铬不锈钢和铬镍不锈钢其耐蚀原理为： 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。 合

42、金元素铬固溶在铁素体中，能提高它的电极电位，缩小两相之间电极电位的差值，从而减轻电化学腐蚀现象。不锈钢的耐蚀原理 93n/8(mol)规律 当合金元素的加入量满足n/8mol关系时，固溶体的电极电位都有显著的提高，而腐蚀程度也相应有显著的减轻。表 钢中加入合金元素的需求量94(2) 不锈钢的化学成分、组织和分类 不锈钢的化学成分除铬(Cr)外，最主要的合金元素是碳(C)和镍(Ni)。此外，还有锰、硅、铜、氮、钼、钛和铌等。 影响不锈钢组织的合金元素可归纳为两类： 如铬、钼、钛、铌、硅等元素都具有体心立方晶格，它们都缩小奥氏体相区，扩大铁素体相区，为铁素体形成元素。 如镍、锰、铜、碳、氮等元素都

43、具有面心立方晶格，它们都扩大奥氏体相区，缩小铁素体相区，为奥氏体形成元素。 95 Cr当量 (Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb)100% Ni当量 (Ni + 30C + 0.5Mn)100%96 马氏体不锈钢 包括全马氏体组织的马氏体钢、以马氏体组织为主的马氏体一铁素体钢和马氏体一碳化物钢。其共同特点是存在转变，因而可以大部分或全部进行热处理强化。 铁素体不锈钢 其组织为铁素体，不能进行热处理强化。 奥氏体不锈钢 常温下其组织也为奥氏体，不能进行热处理强化。这类钢是目前最重要的一类不锈钢。 奥氏体一铁素体不锈钢 这类钢的具有奥氏体一铁素体双相组织。 沉淀硬化马氏体不锈钢 这是近

44、年发展起来的新型马氏体不锈钢。由于其耐蚀件优良、力学性能高而受到重视。这类钢的组织以马氏体为主，可通过沉淀硬化强化。按照不锈钢的组织，通常将其分为以下几类97(3) 马氏体不锈钢最广泛使用的马氏体不锈钢为Cr13不锈钢 0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 马氏体不锈钢的热处理：10001050淬火 + 回火98ZG2Cr13的组织铸态基体为细索氏体，白色树枝状为铁素体，黑色点块为托氏体。10501h，油淬板条马氏体 + 少量残余奥氏体99(4) 铁素体不锈钢 由于不锈钢中含铬高达12.5at以上，而铬强烈地扩大铁素体区、缩小奥氏体区。约14%的铬就可以消除低碳Fe-Cr

45、-C三元合金的奥氏体相区。 如果钢中含碳量提高，获得全铁素体组织所需要的合格量也相应提高。 再添加钼、钛等铁素体形成元素就成为铁素体不锈钢。由于这类不锈钢的含铬量较高，使钢具有耐酸能力，故又称为高铬铁素体耐酸不锈钢。100 铁素体不锈钢因具有高铬低碳成分而耐蚀性比较好，持别是在氧化性酸中有较好的耐蚀能力，而且其耐蚀性随含铬量提高而提高。 但在非氧化性酸，如稀硫酸中的耐蚀能力很低，这是与铬的氧化膜仅在氧化性介质中稳定有关。而加入钼、铜等进步合金化的铁素体钢在非氧化性介质中仍有良好的耐蚀性但仍不及含钼的铬镍奥氏体不锈钢。101晶粒粗大：晶粒极易粗化，铸造缓冷或热处理过热到900以上，晶粒即显著地长

46、大。不能通过热处理细化。加入钛或氮细化晶粒。韧一脆性转变温度高：随钢中含铬量增加，钢的韧一脆性转变温度显著上升。含铬量达30的钢甚至在80时冲击韧性仍处在很低的水平。所以高铬铁素体钢在常温的冲击韧性都很低。晶间马氏体层的形成： 高铬铁素体钢高温加热后水冷，在晶界易出现很薄的马氏体层，这是由于碳、氮等强稳定奥氏体元素在加热时向晶界扩散，导致晶界奥氏体的形成，随后快冷时则转变成马氏体。晶界马氏体层的形成使钢变得很脆。 高铬铁素体钢的力学性能很差，特别是冲击韧性 ：102成分：Cr18%，Ni8%，平衡状态组织：奥氏体、铁素体和碳化物， 铸造条件下，共析转变来不及进行，因而在常温下得到的组织为奥氏体

47、和碳化物。 Cr、Ni耐蚀钢的成分与组织(5) 奥氏体不锈钢103 为了消除碳化物，可将钢进行固溶化处理，即将钢加热至10501100，保温一段时间，而后进行水淬，得到单一奥氏体组织，这样就使钢具有了较高的强度和良好的塑性和韧性。图 ZG1Cr18Ni9Ti钢的固溶处理态组织 固溶处理104产生原因：少量的碳化物在晶界处析出，不锈钢中的碳化物中含有很高的铬，其含铬量比钢的平均含铬量高出很多，因此在晶界上析出碳化物，会造成钢的晶粒内界面层的贫铬现象，使钢的钝化膜不易形成，降低钢的耐蚀性。而由于晶界部位钢的耐蚀性低，致使腐蚀过程易沿着钢的晶界向深处扩展，从而促使晶间腐蚀发生。这种腐蚀方式隐蔽，其危

48、害性比均匀腐蚀更为严重。 晶间腐蚀105 严格控制钢的含碳量，在可能条件下，尽量低一些，特别是对于厚壁铸件，钢的含碳量应按照规格成分的下限控制。防止措施 往钢中加入适量的碳化物形成元素钛或铌，使钢中的碳除了奥氏体能溶解的部分以外，多余的部分形成碳化钛或碳化铌。在固溶化处理后，进行稳定化处理，可充分发挥钛（或铌）的作用以将铬稳定在奥氏体晶粒内部，从而避免晶间腐蚀。 106 合金元素的影响 ZG1Cr18Ni9Ti钢对硝酸及其它氧化性酸类有良好的耐蚀性，但对硫酸的耐蚀性较差。为了提高钢对硫酸的耐蚀性，可往钢中加入Mo和Cu，如ZG1Cr18Ni12Mo2Ti和ZG1Cr18Ni14Mo3Cu2Ti。 在铬镍不锈钢中加入适量的硅，能进一步提高钢对高浓度(98%)硝酸及其它强氧化性酸类的耐蚀性能，如ZG1Cr18Ni20Si2。 由于硅在不锈钢中提高耐蚀性方面有较强的效果，故可代替一部分铬的作用。如近年来发展的ZG0Cr13Ni