铸造合金及其熔炼-铸钢、有色.ppt

1、铸造合金及其熔炼，讲师：河南科技大学，第1章：铸钢在机械制造业中的应用。由于铸钢具有高强度和良好的韧性，因此适用于制造承受重载荷、冲击和振动的零件。耐磨、耐腐蚀、耐热等特殊使用性能的特殊钢种适用于某些特殊的工作条件。铸钢材料的范围从普通碳钢、低合金钢到高合金钢。由于铸造方法，尺寸、质量和结构复杂性不受限制，所以钢铸件的质量范围从几十克到几百吨，结构范围从最简单到极其复杂。1.1铸钢的特点：与铸铁相比，它的优点和缺点如下：(1)较高的机械性能：高强度和良好的韧性。(2)具有可焊性的铸铁材料一般是不可焊的，而大多数铸钢材料具有可焊性缺陷，可通过焊接进行修复，大型复杂结构的铸钢件可通过铸焊结构生产。

2、(3)冶炼成本高：电弧炉或感应炉冶炼工艺复杂。(4)成型材料成本较高：浇注温度较高(比铁高150，200)，对成型材料的耐火性要求较高。(5)铸件成品率低，铸造性能和流动性差。形成缩孔、热裂纹、冷裂纹和气孔的倾向大于铸铁。近年来铸钢生产技术水平的发展近年来国内外铸钢生产技术水平有了很大提高，主要表现在以下几个方面。(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)采用新的炼钢技术提高钢水质量：炉外采用大大提高了钢的性能，出现了高强度和超高强度铸钢。(3)控制钢的结晶过程，改善铸态组织：控制一次结晶，改善铸钢的组织和性能(孕育处理，微元合金化，细化钢的晶粒，改善

3、铸态组织)。第2章：铸造碳钢的等级和机械性能2.1工程用铸造碳钢通常根据其强度进行分级。在中国，根据国际标准化组织标准，根据室温屈服强度和抗拉强度，一般工程用铸造碳钢分为ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-6405。下表显示了中国通用工程用五种牌号铸造碳钢的成分特征和相应的力学性能。2.2铸造碳钢1的结晶过程和铸态组织。结晶过程以亚共析钢为例，钢的结晶过程(1)初晶：当钢水温度降至液相线时，高温铁素体(铁)析出。当温度下降到包晶温度时，发生包晶转变并形成奥氏体。温度继续下降，当钢水通过L区时，奥氏体从钢水中析出。沉淀过程一直持续到固相线(

4、JE)温度，在结晶后，它进入相区，在那里晶粒、枝晶等。(2)二次结晶：当温度下降到GS线和ps线之间的区域时，铁将共析，大量相将沉淀。随着相的沉淀，剩余奥氏体的碳含量增加。当温度达到共析转变温度时，发生共析转变并形成珠光体。在结晶过程之后，钢的结构不会改变。(3)铸态组织特征：晶粒粗大，有时具有魏氏(网状)组织。与热处理后的组织相比，铸态组织具有较粗的晶粒和柱状晶区，铸件断面上的典型晶粒分布如图所示。魏氏结构：魏氏结构见右下图。铁索在奥氏体晶粒中沿某一方向呈条状沉淀。这种形式的铁素体通常出现在碳含量适中的铸件中，特别是薄壁铸件。热处理后，魏氏组织可以转变成更稳定的粒状组织(2)保温时间：必须保

5、证从珠光体到奥氏体的完全转变，具体时间取决于铸件的厚度，即每25厚加热1小时。(3)冷却过程：用炉冷却至200，300以下，然后出炉空冷。(4)特点：优点：冷却速度慢，应力小，避免铸件变形和裂纹。缺点：炉子时间长，冷却速度慢，晶粒细化不能充分发挥。2.正火的加热温度和保温时间与退火相同。不同之处在于，在达到保温时间后，铸件被拉出熔炉并冷却至常温。正火的目的和退火的目的一样。由于冷却速度快，奥氏体是细小分散的珠光体(索氏)，具有高韧性。3.正火和回火为了提高钢的性能，可以采用正火后回火的热处理工艺。回火温度为550650。保持温度23小时，然后空气冷却。回火效果：正火获得的索氏体中的片状渗碳体变

6、成颗粒。钢的性能进一步提高。注意事项：控制加热速率以防止应力和裂纹，特别是在650800，缓慢加热并保持一段时间(由相变应用引起)。碳钢不淬火的原因是淬透性差。碳钢的显微组织及其在不同热处理条件下的力学性能不同。碳钢的金相组织如图1所示。不同热处理条件下的机械性能如图2所示。图1显示了不同碳含量的碳钢在退火状态下的金相组织(均放大100倍)。图中白色纹理为铁素体，黑色(灰色)纹理为珠光体a)C0 . 22；0.30摄氏度；C) C 0.50，2。4影响铸造碳钢力学性能的主要因素1。化学成分(碳、锰、硅、硫、磷)(1)碳碳：钢的主要强化元素，对钢的性能起决定性作用。Cb s ak (2)Mn和S

7、i:是有益元素，可提高钢的强度。锰和碳在一定范围内可以起到互补作用(碳含量低时，锰含量高)；硅的上限为0.50.6%。(3)硫和磷：有害元素。硫以硫化铁(FeS)或硫化锰(MnS)的形式存在于晶界，低熔点钢在凝固结束时处于液态裂纹中。磷以磷化铁(Fe2P)的形式存在于晶界，磷化铁具有低熔点相，削弱了晶粒间的连接韧性和裂纹。2.气体和非金属夹杂物的有害物质：危害程度与它在钢中的存在形式和含量有关。(1)气体：氢气、氮气和氯气，其中最有害的是氢气。1)氢：在炼钢过程中，空气中的水蒸气在电弧的作用下分解成氢原子和氧原子，然后溶解在钢水中。现有模式：铸件缓慢冷却时，会有条件地沉淀，聚集成气泡，浮在铸件

8、表面。如果表面凝固，氢孔将在表面下形成。在快速凝固的条件下，氢原子转化为氢分子为时已晚，极细的颗粒在铁晶格中沉淀形成高应力，这降低了塑性和韧性，即氢脆。预防措施：钢渣层能有效屏蔽气体进入。低温熔化：氢在钢中的溶解度随着温度的降低而降低。2)氮：N2来自空气，在电弧下离解2N，氮原子溶解在钢水中。存在形式：由氮沉淀。氮与硅、锆和铝有很强的亲和力，形成氮化物：氮化硅、氮化锆和氮化铝。少量起到异相成核、细化晶粒、提高性能、塑性和韧性的作用。碳钢中应控制0.02%(200ppm)。3)氧：存在形式：氧在钢液中不是以原子状态存在，而是在凝固过程中以FeO的形式存在，FeO与钢中的碳反应形成孔隙(CO孔隙

9、)，即(CFeFeFeCo)，剩余的FeO沉淀在钢的晶界，熔点低。(2)非金属夹杂物来源：炼钢时产生；浇注过程中的二次氧化；钢水是由铸模腐蚀形成的。非金属夹杂物的数量、形状和分布对钢的力学性能有很大影响。非金属夹杂物有三种类型：非金属夹杂物的形态如下图所示：2.5碳钢的铸造性能比铸铁和铸钢差，因为其熔点高。结晶温度范围宽，收缩大，流动性低，缩孔疏松倾向大，易形成热裂纹和冷裂纹缺陷。碳钢中碳对钢的熔点、结晶温度范围和收缩率影响最大，钢的各项铸造性能都与钢的碳含量有关。锰、硅、硫和磷对可铸性有不同程度的影响。1.流动性(1)钢水浇注温度的影响：受过热温度、t浇注、流动性影响最大(2)钢水碳含量的影

10、响：不同的c含量导致不同的结晶温度区间；枝晶发育的程度不同。在相同的浇注温度下，钢水的含碳量和流动性。(3)钢水中气体和夹杂物的影响：悬浮在钢水中的气体和夹杂物使钢水变粘，降低了钢水的流动性。(在电弧炉炼钢中，通过氧化和脱碳可以消除钢液中的气体和夹杂物，改善流动性)。体积收缩率和收缩率碳钢的收缩率较大，碳含量增加，体积收缩率增加；浇注温度对体积收缩影响最大，随着浇注温度的升高，体积收缩增大。即结晶温度范围。钢的体积收缩导致铸件缩孔的形成。钢材收缩的特点是集中收缩和分散收缩(缩松)。钢在液态收缩和凝固收缩过程中会形成集中缩孔。形成过程如下图所示。缩孔是在钢凝固过程中形成的。钢凝固过程中产生的奥氏

11、体是树枝状的。当枝晶叉之间的液态钢凝固时，它将在没有进料的情况下体积收缩，这将产生细小且分散的缩孔，即缩孔。集中缩孔体积与铸件体积之比称为缩孔比，是冒口设计的重要参考。3.线性收缩率线性收缩分为三个阶段：转变前的共析收缩；共析转变中的膨胀：共析转变后的收缩。总收缩率与碳含量有关，实际收缩率受模具和型芯的影响总是小于自由收缩率。通常，碳钢的线性收缩率为2%。4.热裂倾向热裂是铸钢件的常见缺陷之一。热裂纹是在钢的固相线附近的温度下形成的，因此热裂纹内的金属表面被高温空气中的氧氧化，被氧化铁氧化成黑褐色。热裂纹总是沿着晶界开裂，因此它在外观上总是呈弯曲的形状。影响热裂解的因素：(1)碳含量：当碳含量

12、很低或很高时，容易形成热裂解。(2)硫含量：硫形成的硫化物熔点低，凝固结束时在钢的晶界上凝固，显著降低钢的强度，促进热裂纹的形成。(3)锰含量：锰在一定程度上抵消了硫的有害作用，防止裂纹的形成。(4)氧含量：氧以FeO的形式存在，沉淀在晶界上，其强度促进了热裂纹的形成。(5)铸件组织和砂的溃散性对钢的热裂纹有一定的影响。5.冷裂纹倾向当铸件凝固后冷却到弹塑性转变温度(约700)以下时，形成冷裂纹。当铸件的内应力超过钢的强度时，就会产生冷裂纹。裂纹内表面光亮无氧化色，裂纹平直光滑。影响冷裂纹的因素：(1)碳含量：碳含量低时，塑性好，不易形成冷裂纹。见图6-18 (2)。硫含量：s，硫化物多，塑性

13、低，易冷裂。(3)磷含量：磷形成磷化物，具有很大的强度和冷裂纹倾向，比硫更严重。(4)氧含量：碳钢与氧化物混合后的强度和塑性增加了冷裂纹倾向。(5)其他因素：铸件结构；开箱时间；切割立管；核心可折叠性具有I铸造低合金钢的命名基于其化学成分：中国铸造低合金钢的命名如下：铸钢的符号“ZG”在前面，后面是钢的碳含量的标称值(以万分之一表示)，后面是一系列合金元素的符号和相应含量范围的标识号。还规定当合金元素的平均含量(%)为1.5时，不标注数字(有时当含量为1.11.49时标注“1”)，当含量为1.52.49时标注“2”，当含量为2.53.49时标注“3”，依此类推。3.2合金元素在钢1中的作用。钢

14、中的锰部分溶解在铁索(或奥氏体)中，而另一部分形成合金渗碳体(FeMn)3C。锰是一种扩大奥氏体相面积、降低共析温度、共析点碳含量和Ms点的元素。随着钢中锰含量的增加，组织中珠光体不仅细化，而且增加，导致钢的强度和硬度增加。锰还能抑制过冷奥氏体晶界上碳化物的析出，保持钢的高塑性，降低钢的韧性和韧脆转变温度，因此锰也是低温钢的主要合金元素之一。锰的主要优点是它能显著提高钢的淬透性；锰的缺点是在热处理过程中增加了钢的过热敏感性。当加热过程中温度稍高时，晶粒会变粗。此外，锰还会增加低合金范围内的回火脆性。硅硅是低合金钢中常见的合金元素。硅在钢中有三个主要功能：硅不会在钢中形成碳化物，而只会形成固溶体

15、。它在铁素体中的固溶强化效果仅次于碳和磷，但优于锰，因此它提高了钢的强度和硬度，但降低了塑性。硅减少了奥氏体相区，提高了钢的固相转变温度。硅含量越高，珠光体转变温度越高。硅可以降低碳在铁素体中的扩散速率，阻碍回火碳化物的析出和生长，提高钢的抗回火脆性，使第一回火脆性区向更高温度移动。(3)硅对提高钢的淬透性影响不大。如果硅与其他元素结合，其效果比单独使用时大得多，这就是为什么在低合金结构的铸钢中，硅总是与其他元素结合。铬与碳的结合力大于铁和锰，但小于钨和钼。它能取代渗碳体中的一些铁原子，形成含铬的(铁、铬)3C合金渗碳体。铬具有提高淬透性和固溶强化的双重功能，因此铬能显著提高热处理后钢的强度。

16、铬具有提高淬透性和固溶强化的双重功能，因此铬能显著提高热处理后钢的强度。当铬含量小于2%时，不仅可以提高钢的强度和硬度，还可以提高其塑性和韧性，这是铬的独特优势，所以铬主要用于低合金调质钢。此外，铬还能提高钢的耐蚀性，但会增加钢的回火脆性。4.钼可以在钢中形成固溶体和碳化物。随着钢中钼含量的增加，钼形成的碳化物按以下顺序变化：Mo23C6Mo2CMo5C。钼能使钢的碳曲线向右移动，从而显著提高钢的淬透性，其效果强于铬，次于锰。钼将钢的碳曲线的珠光体转变部分与贝氏体转变部分分开，使钢在连续冷却中获得贝氏体，因此钼是贝氏体钢中的主要合金元素。当钼单独添加到钢中时，它可以增加回火脆性，但是当它与引起回火脆性的其它元素如锰和铬一起使用时，它可以降低或抑制回火脆性。通常，这种效果可以通过添加0.40钼来产生。5.镍在钢中的作用主要包括以下几个方面：(1)镍只形成固溶体，而不形成碳化物。镍提高了