1、铸钢及其熔炼铸钢及其熔炼1 绪言学习本课程的目的学习本课程的目的目的目的化学成分化学成分金相组织金相组织热处理热处理机械性能机械性能钢液质量钢液质量使用性能使用性能1-1HTQTKTZGb100-350400-900300-700400-2000s/250-600200-530200-1800/2-182-124-40ak/606015-200(U)/小小小小5-65HB150-250180-300120-270120-600-1/200-300200-250170-6001-21.铸钢件的特点铸钢件的特点1）机械性能要远远优于铸铁；）机械性能要远远优于铸铁；2）具有许多特殊的性能，如耐热、耐
2、磨、耐蚀等；）具有许多特殊的性能，如耐热、耐磨、耐蚀等；3）有良好的焊接性能，利于铸件组合及修补；）有良好的焊接性能，利于铸件组合及修补；4）尺寸形状与成品接近，节约原料，机械加工简化；）尺寸形状与成品接近，节约原料，机械加工简化；5）铸件各部分结构可设计均匀，能抵抗变形；）铸件各部分结构可设计均匀，能抵抗变形；6）价格较低廉。）价格较低廉。1-32.获得优良铸钢件的条件获得优良铸钢件的条件1）优质的、脱氧的、高温的、去除了有害杂质的、）优质的、脱氧的、高温的、去除了有害杂质的、并符合铸件用途的材质；并符合铸件用途的材质；2）良好的造型材料：强度、压溃性、透气性、耐火）良好的造型材料：强度、压
3、溃性、透气性、耐火性、热传导性、膨胀性等；性、热传导性、膨胀性等；3）正确的造型工艺设计，工艺收得率：）正确的造型工艺设计，工艺收得率：4070%；4）适宜的热处理；）适宜的热处理；5）合理的铸件结构设计。）合理的铸件结构设计。1-4铸钢件生产工艺过程铸钢件生产工艺过程1-5注：如为熔模铸造，则上半部分为型壳的制造过程。注：如为熔模铸造，则上半部分为型壳的制造过程。3.铸钢生产概况铸钢生产概况（1）世界铸钢产量统计）世界铸钢产量统计铸钢约占钢产量的铸钢约占钢产量的1%左右；铸件产量的左右；铸件产量的1520%；铸钢件总产量绝对数字增长快，目前已达铸钢件总产量绝对数字增长快，目前已达2000万万
4、T/年左右；年左右；铸造合金钢比例增加，如德国、日本已升至铸造合金钢比例增加，如德国、日本已升至4050%，一般占，一般占2030%。1-63.铸钢生产概况铸钢生产概况（2）铸钢生产涉及的工业及部门）铸钢生产涉及的工业及部门（3）铸钢生产水平的标志）铸钢生产水平的标志 产量；质量；合金钢铸件的比重；产量；质量；合金钢铸件的比重；品种；熔炼设备；产品。品种；熔炼设备；产品。电弧炉：最大电弧炉：最大中国：中国：50T外：外：300T1-7例：例：2 铸钢的结晶过程铸钢的结晶过程2-11.Fe-C二元平衡相图碳钢部分特点二元平衡相图碳钢部分特点1）钢铁分界点：）钢铁分界点：E 2.14%C；2）铸造
5、碳钢的成分）铸造碳钢的成分 C0.05%，流动性，流动性（P使液相线使液相线）。）。Si：由于能起脱氧和镇静作用，故能使流动性：由于能起脱氧和镇静作用，故能使流动性。2-19影响因素影响因素（2）钢液中的气体和夹杂物：）钢液中的气体和夹杂物：气体气体，夹杂物，夹杂物 流动性流动性 脱碳处理越好脱碳处理越好 气体、夹杂上浮，清理越彻底气体、夹杂上浮，清理越彻底 流动性流动性 脱氧操作越合适脱氧操作越合适流动性流动性 2-20例：脱氧操作对钢水流动性影响例：脱氧操作对钢水流动性影响脱氧剂种类及加入次序先加 Si-Fe后加Mn-Fe先加Mn-Fe后加Si-FeAl-Mn-Si或Si-Ca流动性（螺旋
6、试样，mm）65140150-1802-21讨论：原因：对氧的亲和力：讨论：原因：对氧的亲和力：Mn SiAl先加Mn-Fe后加Si-Fe：则先生成MnO，后生成SiO2，然后互相作用生成MnSiO3低熔点，呈球状，容易集聚上浮，去除。先加Si-Fe，后加Mn-Fe：则先生成大量SiO2，加Mn-Fe后只生成少量MnO，最后也只有少量MnSiO3，而大量的SiO2以固态尖角形质点存在于钢液中，不易积聚，尺寸小，成为夹杂。复合脱氧剂（Al-Mn-Si，Si-Ca）：更易形成复合低熔点盐。2-22影响因素影响因素（3）浇注温度和浇注速度）浇注温度和浇注速度 浇注温度越高，流动性越好。但太浇注温度越
7、高，流动性越好。但太高的浇注温度，易导致热裂、粘砂、晶粒高的浇注温度，易导致热裂、粘砂、晶粒粗大等缺陷，所以也要适当控制。粗大等缺陷，所以也要适当控制。2-23铸造碳钢的浇注温度及过热度铸造碳钢的浇注温度及过热度牌号液相线温度出钢温度浇注温度过热度ZG15ZG25 ZG35 ZG45 ZG551525151515001490148016001620159016101580160015701590157015901560159015501580154015801530157015301570356035604080408050902-24浇注速度以快为宜，但不能过快，否则浇注速度以快为宜，但不能
8、过快，否则冲坏铸型，造成废品。例下表。冲坏铸型，造成废品。例下表。铸造碳钢的浇注速度铸造碳钢的浇注速度铸件壁厚（mm）型腔由液面上升速度mm/s3020102024303660722-252）收缩）收缩（1）铸造碳钢的收缩过程：）铸造碳钢的收缩过程：分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩三过程。三分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩三过程。三阶段的收缩量总和称为体积总收缩率。阶段的收缩量总和称为体积总收缩率。%100 原来体积总体积收缩体积总收缩率2-26如：如：0.30%C碳钢碳钢 D=7.84g/cm3总体积收缩率：总体积收缩率：11.6%（1593-20）其中：液态（其中：液态（15931504）
9、：）：1.4%凝固（凝固（15041454）：）：3.0%固态（固态（145420）：）：7.2%2-27碳钢的体积总收缩率（碳钢的体积总收缩率（%）含碳量（%）0.100.400.701.00体积总收缩率（%）10.511.312.114.02-28（2）缩孔和缩松）缩孔和缩松 碳钢在液态阶段和凝固阶段的收缩表现碳钢在液态阶段和凝固阶段的收缩表现为金属体积的缩小，液面下降，称为为金属体积的缩小，液面下降，称为“体收体收缩缩”。“体收缩体收缩”产生缩孔和缩松。产生缩孔和缩松。2-29缩孔和缩松的数量和分配与下述因素有关：缩孔和缩松的数量和分配与下述因素有关：与含碳量即结晶温度间隔有关。间隔大，
10、与含碳量即结晶温度间隔有关。间隔大，由于树枝晶发达，缩松倾向加大；见下图。由于树枝晶发达，缩松倾向加大；见下图。2-302-31缩孔和缩松的数量和分配与下述因素有关：缩孔和缩松的数量和分配与下述因素有关：过热温度越高，冒口补缩越好，缩孔率越过热温度越高，冒口补缩越好，缩孔率越大。见下表。大。见下表。2-32ZG25的缩孔率的缩孔率过热温度1500155016501750缩孔率%6.37.49.511.6增大结晶冷却速度，有利于减少缩松。其增大结晶冷却速度，有利于减少缩松。其原因是由于加大液相中的温度梯度，限制了原因是由于加大液相中的温度梯度，限制了树枝晶的发展，改善了补缩条件，从而缩松树枝晶的
11、发展，改善了补缩条件，从而缩松，但缩孔，但缩孔。例如金属型的缩松比例较小。例如金属型的缩松比例较小。缩孔和缩松的数量和分配与下述因素有关：缩孔和缩松的数量和分配与下述因素有关：2-33（3）线收缩）线收缩 碳钢在固态阶段的收缩表现为铸件尺寸上的碳钢在固态阶段的收缩表现为铸件尺寸上的缩小，成为缩小，成为“线收缩线收缩”，其为产生应力、变形、，其为产生应力、变形、开裂的原因。开裂的原因。碳钢自由收缩率为碳钢自由收缩率为 2.202.40%碳钢受阻收缩率为碳钢受阻收缩率为 2.002.20%100铸件铸件模型线收缩率lll2-342-353）热裂）热裂铸钢件容易产生开裂，其分类：铸钢件容易产生开裂，
12、其分类：裂纹裂纹热裂热裂断口氧化，呈暗黑色，且形状弯曲断口氧化，呈暗黑色，且形状弯曲 （有树枝晶特征）；（有树枝晶特征）；冷裂冷裂断口齐整、洁净、呈银白色。断口齐整、洁净、呈银白色。2-36（1）热裂产生的条件）热裂产生的条件金属具有较大的线收缩，且受到阻碍；金属具有较大的线收缩，且受到阻碍；液态金属中存在低熔点夹杂的偏析；液态金属中存在低熔点夹杂的偏析；液态金属流动性差。液态金属流动性差。2-37（2）热裂形成的过程）热裂形成的过程 热裂出现的温度范围热裂出现的温度范围凝固后期，凝固后期，固相线附近；固相线附近；铸件收缩过程中由于受型芯阻碍作用铸件收缩过程中由于受型芯阻碍作用 受到拉力；受到
13、拉力；2-38（2）热裂形成的过程）热裂形成的过程铸件凝固形成固体骨架时存在一层低熔点薄铸件凝固形成固体骨架时存在一层低熔点薄 膜。薄膜强度很低，高温塑性差，易于断裂。膜。薄膜强度很低，高温塑性差，易于断裂。如如 0.30%C碳钢，在碳钢，在 14101385 时，时，b=0.762.15 N/mm2，=0.230.44%。2-392-40（3）热裂的影响因素：）热裂的影响因素：化学成分：化学成分：0.20%C左右（包晶点），左右（包晶点），Mn，P、S热裂抗力热裂抗力。见上图。见上图工艺因素：工艺因素：a.熔炼工艺熔炼工艺 b.铸件结构特点铸件结构特点 c.浇注温度浇注温度 d.造型工艺造型
14、工艺 e.砂型（芯）的溃散性砂型（芯）的溃散性2-414）冷裂）冷裂 铸件完全凝固后，冷却至塑性铸件完全凝固后，冷却至塑性弹性转变温度（弹性转变温度（600700）以下时产生）以下时产生的裂纹称为冷裂。的裂纹称为冷裂。2-42（1）冷裂产生的原因）冷裂产生的原因 铸件中的内应力（热应力和收缩应力铸件中的内应力（热应力和收缩应力等之和）超过了钢在此时的强度。等之和）超过了钢在此时的强度。2-43（2）冷裂的影响因素）冷裂的影响因素化学成分化学成分 低碳钢塑性好，不易产生冷裂；高碳低碳钢塑性好，不易产生冷裂；高碳钢塑性差，容易产生冷裂。钢塑性差，容易产生冷裂。P、S促进冷裂；促进冷裂；P的危害作用
15、比的危害作用比S大。大。2-44（2）冷裂的影响因素）冷裂的影响因素 工艺因素：工艺因素：a.熔炼工艺：脱氧程度熔炼工艺：脱氧程度若夹杂物多，使钢的塑若夹杂物多，使钢的塑 性、强度降低，导致冷裂；性、强度降低，导致冷裂；b.铸件结构：各部分壁厚相差大，由于收缩时间不一铸件结构：各部分壁厚相差大，由于收缩时间不一 样，易使铸件开裂；样，易使铸件开裂；c.开箱时间：在砂箱中冷却慢，在空气中冷却快，内开箱时间：在砂箱中冷却慢，在空气中冷却快，内 应力大；应力大；d.水爆清砂。水爆清砂。2-456.钢中的气体钢中的气体 钢中的气体主要是氢、氮和氧，危害钢中的气体主要是氢、氮和氧，危害 最大的是氢。最大
16、的是氢。2-46严格的限制标准是：严格的限制标准是：H：13PPmO：6080PPmN：80110PPm*1PPm=10-6=0.0001%2-472-481）氢）氢氢的危害：氢的危害：产生大量细小的气孔、针孔，存在于铸件表皮产生大量细小的气孔、针孔，存在于铸件表皮 下（白点）下（白点）冷却较慢；冷却较慢；以极微小的质点在晶格内部析出，形成很高的以极微小的质点在晶格内部析出，形成很高的 应力状态（氢脆）应力状态（氢脆）冷却较快。冷却较快。2-49 2H=H2 H 塑性、韧性塑性、韧性（FeO）+2H=H2O+Fe例：生产薄壁铸钢件的工厂，由于针孔报例：生产薄壁铸钢件的工厂，由于针孔报废的铸件占
17、废品总量的废的铸件占废品总量的40%左右。左右。2-502）氮）氮氮的危害：氮的危害：在钢中形成针孔、气孔；在钢中形成针孔、气孔；和某些元素（和某些元素（Si、Zr、Al等）生产氮化物。等）生产氮化物。2-512）氮）氮好的用途：好的用途：氮扩大氮扩大A体区（其作用为体区（其作用为Ni的的20倍）可用于制造倍）可用于制造Cr-Mn-N、Cr-Ni-N不锈钢，其加入量为不锈钢，其加入量为0.200.35%（以（以BN、CrN、ZrN合金加入）。合金加入）。2-523）氧）氧固态钢中溶解度很小。固态钢中溶解度很小。在在500以下，氧在以下，氧在-Fe（A体）中只能体）中只能溶溶0.0020.003
18、%，在，在-Fe（F体）中溶体）中溶解解0.001%2-53氧的危害：氧的危害：产生气孔产生气孔C+FeOFe+CO 形成形成SiO2、FeO、MnO、Al2O3等非金等非金 属夹杂物属夹杂物 FeO和和FeS作用，生成低熔点共晶作用，生成低熔点共晶 进入铸件中进入铸件中2-544）除气措施）除气措施熔炼时脱碳、脱氧：熔炼时脱碳、脱氧：FeO+CFe+CO；浇注前静置（如浇注前静置（如35分钟）；分钟）；真空熔炼；真空熔炼；其他方法，如其他方法，如AOD法。法。2-553 铸造碳钢铸造碳钢1.概述概述1）钢的分类）钢的分类碳素钢：原则上指钢中的合金元素不影响其性能。碳素钢：原则上指钢中的合金元
19、素不影响其性能。Ni、Cr各各0.30%。合金钢合金钢10%高合金钢高合金钢3-1美国分类标准：美国分类标准：各元素高于下列含量就可以认为是低合金钢各元素高于下列含量就可以认为是低合金钢Mn：1.00%Si：0.80Ni：0.50Cu：0.50Cr：0.50Mo：0.10V：0.05 W：0.05Al：0.10Ti：0.10Zr：0.10总量：总量：8%低合金钢低合金钢 8%高合金钢高合金钢3-22）铸钢的分类）铸钢的分类铸造碳钢铸造碳钢铸造合金钢铸造合金钢低合金钢低合金钢高合金钢高合金钢3-33）铸造碳钢的牌号）铸造碳钢的牌号（1）铸造碳钢国家标准）铸造碳钢国家标准牌号化学成分（%）机械性能
20、（）CMnSisbak(U)ZG15ZG25ZG35ZG45ZG550.120.220.220.320.320.420.420.520.520.620.350.650.500.800.500.800.500.800.500.800.200.450.200.450.200.450.200.450.200.452002402803203505005806504004502520161210403225201860453530203-4注注:铸钢级别铸钢级别 级不注级别级不注级别:ZG25、ZG25、ZG25 、级验收成分、性能，级验收成分、性能，级仅验收性能。级仅验收性能。限制其他元素含量：限制其
21、他元素含量：Ni、Cr、Cu各各0.30%P0.040.050.06S3-5分类分类铸造低碳钢铸造低碳钢ZG15铸造中碳钢铸造中碳钢ZG25、ZG 35、ZG45铸造高碳钢铸造高碳钢ZG553-6测试方法：测试方法：a.全退火性能；全退火性能；b.级测：级测：s 、b 、HB 级测：级测：b 、s 、级测：级测：b 、s c.试块类别：梅花试块、楔型试块、基尔试块。试块类别：梅花试块、楔型试块、基尔试块。akV、U、钥匙型、钥匙型、无缺口。无缺口。3-7（2）一般工程用铸造碳钢国家标准）一般工程用铸造碳钢国家标准牌号牌号化学成分（化学成分（%）机械性能（机械性能（）CMnSisbAkv(J)a
22、ku u（J/cm2）ZG200-400ZG230-450ZG270-500ZG310-570ZG340-6400.200.300.400.500.600.800.90 0.500.6020023027031034040045050057064025221815104032252118302522151060453530203-8注：注：P、S各各0.04%对上限每减少对上限每减少C 0.01%，允许增加，允许增加Mn 0.04%。ZG200-400含含Mn最高至最高至1.00%，其余，其余4个牌号个牌号 Mn最高至最高至1.20%。残余元素残余元素Ni0.30%、Cr 0.35%、Cu 0.
23、30%、Mo 0.20%、V 0.05%，总量总量1.00%。3-92.铸造碳钢中的基本元素及作用铸造碳钢中的基本元素及作用基本元素：基本元素：C、Si、Mn、P、S3-10常规元素：常规元素：C、Si、Mn、P、S合金元素：合金元素：Cu、Ni、Mo、Cr、V等等残存元素：残存元素：H、N、O、Al、Pb、Sn等等3-111）碳：）碳：0.120.62%（1）决定了碳钢中的基本相与组织的比例）决定了碳钢中的基本相与组织的比例;（2）对性能的大小起主要影响）对性能的大小起主要影响;（3）C0.1%，则，则b、s 4060，4%,但但s 在在C0.60%后不再增加且有下降趋势，后不再增加且有下降
24、趋势，而而继续下降，故仅有继续下降，故仅有ZG55。3-122）硅：）硅：0.250.45%0.500.60%（特例可（特例可 0.8%）*（1）脱氧去气；）脱氧去气；（2）增加淬透性；）增加淬透性；*（3）强化基体；）强化基体；*（4）少量硅细化珠光体；）少量硅细化珠光体；（5）对机械性能影响不大。）对机械性能影响不大。3-133）锰：）锰：0.35%0.80 0.90%（特例可（特例可 1.21.5%）*（1）脱氧去气；）脱氧去气；（2）固溶于）固溶于F、A中，可部分溶解于渗碳体中形成中，可部分溶解于渗碳体中形成 (Fe、Mn)3C；（3）增加淬透性，且优于）增加淬透性，且优于Si；*（4
25、）降低）降低S的有害作用的有害作用 S+MnMnS；（5）扩大）扩大A区，区，E、S点下移、左移，增加细化点下移、左移，增加细化P体；体；*（6）Mn和和C 的关系，的关系，C上限下降上限下降0.01%，则，则Mn提高提高 0.04%，Mn最高可达最高可达1.21.4%。3-144）磷：）磷：0.06%0.04%（1）含量不高时固溶于）含量不高时固溶于F中；中；（2）易偏析，大于）易偏析，大于0.05%时即形成二元（时即形成二元（+Fe3P）（熔点）（熔点 1050）、三元（）、三元（+Fe3P+Fe3C）（熔点）（熔点900）磷共晶，析出存在于晶界上；磷共晶，析出存在于晶界上；（3）大量的磷
26、共晶促使铸件易产生热裂，增加冷脆性；）大量的磷共晶促使铸件易产生热裂，增加冷脆性；（4）磷的有害作用比硫弱，但随）磷的有害作用比硫弱，但随C、Mn，危害性，危害性，使使b、HB，、ak 、。3-155）硫）硫 0.06%0.04%（1）S以以FeS形式存在于钢水中；形式存在于钢水中；（2）FeS和和Fe（r）形成低熔点共晶）形成低熔点共晶 ；（3）由于硫化物共晶分布在晶界上，促使铸钢易出热裂；）由于硫化物共晶分布在晶界上，促使铸钢易出热裂；（4）Mn量的存在可削弱量的存在可削弱S的有害作用：的有害作用：；（5）性能）性能。例：例：S从从0.03%0.01%，则，则ak 1-2倍，倍，T塑塑-脆
27、脆 30。FeSFerL 985SFeMnFeSMnS).(1181 3-163.铸造碳钢的热处理铸造碳钢的热处理1）热处理的目的）热处理的目的 削弱或消除铸造碳钢铸态存在的缺削弱或消除铸造碳钢铸态存在的缺陷，并获得适宜的金相组织和机械性能。陷，并获得适宜的金相组织和机械性能。3-17例例 ZG45试棒（试棒（20-40）在不同状态下的性能与组织）在不同状态下的性能与组织状态bakHB组织特点铸态锻后退火正火50060060070065070070080025510152015201220204040605080200230180220晶粒粗大，成分不均，有魏氏组织晶粒粗大，成分不均，有魏氏组
28、织晶粒细化，组织均匀比退火的更细，更均匀3-18铸态存在缺陷铸态存在缺陷（1）化学成分偏析）化学成分偏析 过冷偏析：由于存在过冷而导致不平衡结晶，造成成分过冷偏析：由于存在过冷而导致不平衡结晶，造成成分 偏析；偏析；区域偏析：由于铸件断面位置不同而形成的成分偏析；区域偏析：由于铸件断面位置不同而形成的成分偏析；如碳：外层碳量低（由于如碳：外层碳量低（由于先结晶），内层先结晶），内层C量偏高。量偏高。相偏析：由于各相熔点不同而引起的成分偏析。相偏析：由于各相熔点不同而引起的成分偏析。如：如：S共晶：熔点为共晶：熔点为9001200；P共晶：熔点为共晶：熔点为9001050。3-19（2）晶粒粗大
29、）晶粒粗大铸态晶粒粗大的影响因素铸态晶粒粗大的影响因素 铸件的壁厚；铸件的壁厚；铸型材料的导热性；铸型材料的导热性；浇注温度。浇注温度。3-20（3）魏氏组织）魏氏组织上面已阐述过，上面已阐述过，Fw使性能使性能。（4）应力）应力 热应力热应力 在冷却或加热过程中：塑性区在冷却或加热过程中：塑性区无应无应力；弹性区力；弹性区弹性变形（弹性变形（620），符合），符合虎克定律。虎克定律。3-21其应力为：其应力为：=E而而=(t2-t1)=t 体积收缩系数（体积收缩系数（1/）=E t E：铁：铁：70,000160,000 N/mm2 钢：钢：200,000210,000 N/mm2所以，铸钢
30、的热应力要大于铸铁的。所以，铸钢的热应力要大于铸铁的。E钢钢E铁铁3-22 铸造应力铸造应力由于铸型阻碍收缩而致。由于铸型阻碍收缩而致。相变应力相变应力 收缩收缩 膨胀膨胀*如如（M）膨胀）膨胀，V达达6%3-232）热处理工艺）热处理工艺（1）选择原则）选择原则 保证铸件获得合格的机械性能并兼顾铸件的特点保证铸件获得合格的机械性能并兼顾铸件的特点 （壁厚、大小、形状、数量）和工艺的经济性。（壁厚、大小、形状、数量）和工艺的经济性。ZG25以下钢种，采用正火处理，因为这类钢以下钢种，采用正火处理，因为这类钢ak、好，但好，但b、HB低，正火后低，正火后ak、不下降或稍不下降或稍 有下降，而有下
31、降，而b、s、HB，获得较好的综合，获得较好的综合 性能。性能。3-24 对于中碳钢（对于中碳钢（ZG25ZG45），尽量采用正火代），尽量采用正火代 替完全退火。因为实践证明正火后替完全退火。因为实践证明正火后-1以及以及ak值值 提高；提高；对于高碳钢对于高碳钢ZG55，采用完全退火；，采用完全退火；对于厚壁的中、大件和结构复杂的铸件，为防止对于厚壁的中、大件和结构复杂的铸件，为防止 热处理后冷裂或变形，可采用正火热处理后冷裂或变形，可采用正火+回火或完全回火或完全 退火；退火；一般铸造碳钢结构件不采用淬火处理。一般铸造碳钢结构件不采用淬火处理。3-25（2）一般的热处理工艺）一般的热处理
32、工艺 退火：退火：a.完全退火完全退火 Ac3+(3050)b.扩散退火扩散退火 Ac3+(150250)，一般为，一般为11001200，消除枝晶偏析（主要用于合金钢）消除枝晶偏析（主要用于合金钢）c.球化退火球化退火 A1+(2030)d.去应力退火去应力退火 500650 3-26（2）一般的热处理工艺）一般的热处理工艺正火正火 Ac3+(3050)正火正火+回火回火 Ac3+(3050)+(500650)正火正火 回火回火3-27（2）一般的热处理工艺）一般的热处理工艺 淬火或调质淬火或调质 淬火温度淬火温度:亚共析钢亚共析钢:Ac3+(3050)共、过共：共、过共：Ac1+(3050
33、)调质调质淬火淬火+高温回火高温回火(500650)3-28（2）一般的热处理工艺）一般的热处理工艺 等温淬火等温淬火 A体保温温度：体保温温度：TA化化=Ac3+(3050)淬火温度：淬火温度：T淬火淬火=240360 T淬淬A+B上上；T淬淬B下下 3-29（3）铸造碳钢的热处理工艺）铸造碳钢的热处理工艺（完全）退火；（完全）退火；正火；正火；正火正火+回火回火 *保温时间（保温时间（TA化化）：）：1h/1吋吋3-30例：例：铸造碳钢铸件的热处理规范铸造碳钢铸件的热处理规范3-31牌号牌号正火温度正火温度T1（）回火温度回火温度T2（）范围范围最适宜最适宜ZG15ZG25ZG35ZG45
34、900940880920840880830870910930890910850870840860/6006206006203-324.铸造性能及其缺陷铸造性能及其缺陷特点：特点：1）熔点高）熔点高流动性差、易氧化、吸气，造成流动性差、易氧化、吸气，造成 气孔、粘砂和非金属夹杂气孔、粘砂和非金属夹杂浇注温度高；浇注温度高；2）体收缩大）体收缩大形成缩孔、缩松大形成缩孔、缩松大设置较设置较 大冒口，工艺收得率大冒口，工艺收得率4060%；3）线收缩大）线收缩大易产生热裂、冷裂及变形等。易产生热裂、冷裂及变形等。3-334 铸造低合金钢铸造低合金钢1.碳钢的不足之处碳钢的不足之处1）机械性能有限（如
35、）机械性能有限（如b400650，s 200350）；）；2）淬透性差）淬透性差可淬性差（低碳、大断面不易可淬性差（低碳、大断面不易 强化）；强化）；3）使用温度范围窄（）使用温度范围窄（-40+400）；）；4）耐磨、耐蚀、耐热性能较差（）耐磨、耐蚀、耐热性能较差（ZG球不如中球不如中 MnQT球）。球）。4-12.合金钢的优越性合金钢的优越性1）使）使 大大提高；大大提高；bss 、材料设计许可应力材料设计许可应力=ks4-24-32.合金钢的优越性合金钢的优越性2）提高大断面铸件的均匀性）提高大断面铸件的均匀性淬透性淬透性；例：例：铸钢轧辊材质320ZG65Mn430ZG70Mn2550
36、ZG80Cr4-42.合金钢的优越性合金钢的优越性3）防止回火脆性）防止回火脆性特别是特别是Mo；4-54-64）提高强度、降低铸件自重；）提高强度、降低铸件自重；5）提高钢的特殊性能。）提高钢的特殊性能。例葛洲坝水轮机叶片例葛洲坝水轮机叶片ZGCr13Ni6Mo，每，每 片片40T（毛重（毛重70T）。）。2.合金钢的优越性合金钢的优越性3.合金元素及其在钢中的作用合金元素及其在钢中的作用1）加入目的：提高材质的机械、物理、）加入目的：提高材质的机械、物理、化学性能。化学性能。对于铸造低合金钢，主要目的是提高强对于铸造低合金钢，主要目的是提高强度。度。（对于高合金钢，主要是提高特殊性能）。（
37、对于高合金钢，主要是提高特殊性能）。4-7主要通过三个途径：主要通过三个途径：（1）提高淬透性）提高淬透性（2）细化晶粒，增加）细化晶粒，增加P体量体量（3）固溶强化）固溶强化 bssb、HB、例例Mn由由0.5%1.5%，提高的强度提高的强度 占：占：50%10%40%4-82）常用的合金元素及其作用）常用的合金元素及其作用（1）常用元素）常用元素 常加元素常加元素 Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Cu 微量元素微量元素 B、Nb（Ta）、）、Ti、V、Zr、RE4-94-10举例：合金元素对钢的淬透性的影响举例：合金元素对钢的淬透性的影响J合金元素对钢的共析点含碳量的影响合金元素对钢的共析点
38、含碳量的影响含量含量%2461015NiMnCrSiWMo0.750.650.600.550.340.230.680.530.530.450.200.170.600.450.470.370.200.210.450.320.400.300.27/0.200.250.35/4-11特例说明：特例说明：RE的特点：（最佳含量的特点：（最佳含量0.05%左右）左右）净化钢液；净化钢液；改善夹杂物形态分布；改善夹杂物形态分布；改善铸态组织；改善铸态组织；改善改善ak、等性能；等性能；容易二次氧化。容易二次氧化。4-12（2）元素作用：）元素作用：综合分析：综合分析：固溶强化；固溶强化；提高钢的淬透性；提
39、高钢的淬透性；细化细化P体；体；减小回火脆性；减小回火脆性；提高抗氧化性；提高抗氧化性；降低韧降低韧-脆性转变脆性转变T；提高钢的高温强度；提高钢的高温强度；析出强化。析出强化。等等等等4-134.铸造低合金钢的钢种类型及举例分析铸造低合金钢的钢种类型及举例分析1）钢种类型：）钢种类型：（1）通用系列低合金钢）通用系列低合金钢 Mn、Mn-Si、Cr、Cr-Ni、Cr-Mo-Ni系等。系等。4-14 Mn系：系：Mn由由0.50.8%1.52.5%，2.5%后将使后将使ak、原理：原理：Mn可使可使J，使正火后，使正火后P体量体量，分散，分散 度度；淬火后易得；淬火后易得M；高温回火后综合；高
40、温回火后综合 性能好；降低性能好；降低T韧韧-脆脆。缺点：过热敏感性大，易偏析和回火脆性。缺点：过热敏感性大，易偏析和回火脆性。4-15 Mn-Si系系 除除Mn外，外，Si由由0.200.60%0.81.2%左右。左右。加加Si的特点：的特点：a）Si使钢固溶强化，使钢固溶强化，Si-Mn结合使结合使J，因此，因此，b、s、HB，而，而、ak有所下降；有所下降；4-16b）提高耐磨性，）提高耐磨性，Si减少摩擦中的氧化作用；减少摩擦中的氧化作用；c）提高耐蚀性，抗海水能力最佳；）提高耐蚀性，抗海水能力最佳；d）铸造性能好，焊接性能好；）铸造性能好，焊接性能好；e）易发生回火脆性，应速冷；提高
41、）易发生回火脆性，应速冷；提高T塑塑-脆脆。4-17 Cr、Cr-Mo、Cr-Ni系系Cr：0.61.2%；Mo：0.40.6%；Ni：0.52.0%。特点：特点：Cr：J；Mo：回火脆性；回火脆性；Ni：J，b、ak，T塑塑-脆脆。4-18（2）特殊系列低合金钢）特殊系列低合金钢 析出强化型：析出强化型：加加Cu，时效析出富，时效析出富Cu的的相硬质点相硬质点（金属间化合物）。（金属间化合物）。CuC1.22.0%0.40.5%0.10.2%1.31.6%4-19 高温型：高温型：加加Mo：0.51.0%，Cr3.0%，Ni、Mn、V；C0.20%。例。例 ZG20CrMoV。4-20 低温
42、型低温型加加Ni：2.04.0，Mn：0.801.0%，V、Ti、Nb、RE；C10%；组织：由组织：由P、F单一单一F、A、M或或F+A、F+M；性能：特殊性能性能：特殊性能。5-11.高锰钢的特点：高锰钢的特点：1）材质）材质A、无磁、加工硬化；、无磁、加工硬化；2）机械性能）机械性能ak，HB由由200 550；3）铸造性能）铸造性能流动性能好；流动性能好；4）加工性能）加工性能差、一般不加工；差、一般不加工；5）热处理）热处理水韧处理。水韧处理。HB、ak。5-22.高锰钢的加工硬化高锰钢的加工硬化加力加力塑性变形塑性变形沿滑移面滑移沿滑移面滑移变形变形 P()s 40045HB ak
43、（加工硬化）（加工硬化）5-3变形抗力变形抗力滑移停止滑移停止晶面滑移示意图晶面滑移示意图5-41）加工硬化机理）加工硬化机理（1）在滑移面上产生高密度位错，阻碍滑移。位错）在滑移面上产生高密度位错，阻碍滑移。位错强化的结果产生第二相强化的结果产生第二相M、Cm？（2）变形时钢的微观结构有了变化：晶粒破）变形时钢的微观结构有了变化：晶粒破碎碎亚结构小晶块增多亚结构小晶块增多结果结果（3）A体晶格的畸变。外力可分解为体晶格的畸变。外力可分解为和和。引引起滑移起滑移晶格畸变晶格畸变滑移抗力增大。滑移抗力增大。AM？析出析出Cm？5-52）加工硬化条件：）加工硬化条件：（1）高锰钢本身应具有最大的变
44、形能力（如）高锰钢本身应具有最大的变形能力（如s）。）。变形能力变形能力、加工硬化、加工硬化。（2）具有较大的外加压力和冲击载荷。外加载荷）具有较大的外加压力和冲击载荷。外加载荷，加工硬化加工硬化。5-6举例一：风扇磨冲击板举例一：风扇磨冲击板举例二：清理滚筒衬板举例二：清理滚筒衬板 HB500,=12；球磨机衬板球磨机衬板 HB300，=1.01.55-73.高锰钢的化学成分、性能和铸态组织：高锰钢的化学成分、性能和铸态组织：1）牌号和成分：）牌号和成分：高锰钢的化学成分（高锰钢的化学成分（%）（GB5680-85）牌号CMnSiSP适用范围ZGMn13-11.10-1.5011.00-14
45、.000.30-1.000.0500.090低冲击件ZGMn13-21.10-1.40普通件ZGMn13-30.90-1.300.30-0.800.080复杂件ZGMn13-40.90-1.200.070高冲击件5-8由上可知：由上可知：CMnSiPS0.91.4%1114%0.31.0%0.070.09%0.055-9讨论：讨论：（1）碳：作用：保证获得单相）碳：作用：保证获得单相A 强化固溶体强化固溶体A过低过低M过高过高Cm5-10 若含碳量过低，若含碳量过低，A体不足以产生有效的加工体不足以产生有效的加工硬化（碳溶于硬化（碳溶于A中，使中，使A晶格畸变）。故一般而晶格畸变）。故一般而言
46、，在一定范围内，随言，在一定范围内，随C，其耐磨性，其耐磨性，使用寿，使用寿命命，但，但ak；5-11 但含碳量过高，也会导致：铸态组但含碳量过高，也会导致：铸态组织中织中Cm；对于厚壁铸件，中心导热；对于厚壁铸件，中心导热差，由于差，由于C量高，热处理后仍不免析出量高，热处理后仍不免析出Cm。5-12C%磨损量磨损量%1.01.21.31.50.70.40.50.35-135-14（2）锰：作用：与碳复合作用，稳定）锰：作用：与碳复合作用，稳定A体，此体，此 外还有强化固溶作用。外还有强化固溶作用。C1.0%，Mn8%，即可在水冷后得到全部，即可在水冷后得到全部A体；体；但为了但为了ak、，
47、故将，故将Mn量限定为量限定为Mn1114%。Mn/C=8105-155-16（3）硅：推荐值）硅：推荐值0.30.8%Si由由Mn-Fe带入带入 （含（含Si24%）。）。适量的适量的Si对对A体强化有利；体强化有利；Si降低降低A体中体中C的溶解度的溶解度过量的过量的Si会排挤会排挤A 体中的体中的C排出的排出的C在晶界上形成在晶界上形成Cm，使，使ak 而基体中的而基体中的C，加工硬化，加工硬化。5-175-185-19（4）磷：）磷：0.09（推荐（推荐0.06%）P高是由高是由Mn-Fe 带入（其中含带入（其中含P0.20.4%）。）。P是有害元是有害元 素，使素，使ak。5-20（
48、5）硫：）硫：0.05%由于由于Mn的大量存在（与的大量存在（与S中和），一般中和），一般S0.03%。有害作用低于有害作用低于P。5-21（2）性能：）性能：bsakHBZGMn136504002015150179229ZG455703101521301505-22与与ZG45作比较作比较高锰钢性能特点：高锰钢性能特点：ak；试棒无试棒无“颈缩颈缩”现象，整个断面均匀减少。现象，整个断面均匀减少。5-233）铸态组织：）铸态组织：平衡态：平衡态：+（Fe.Mn）3C （室温）（室温）铸态：铸态：+（Fe.Mn）3C 有时有少量有时有少量（M、P、S）产物）产物5-244.高锰钢的热处理高锰钢
49、的热处理:1）目的：消除）目的：消除Cm，得到单相，得到单相A。5-252）工艺：水韧处理）工艺：水韧处理（1）加热（保温）温度：使）加热（保温）温度：使Cm完全溶解，完全溶解，一般一般10001050就可以。就可以。（2）加热速度：均匀缓慢加热。加热太快，）加热速度：均匀缓慢加热。加热太快，易产生裂纹。（原因：导热差，线膨易产生裂纹。（原因：导热差，线膨 胀大）胀大）5-26（3）保温时间：）保温时间：100h=0.51.0h=1.01.5h=23h45-27(4)冷却：迅速水冷冷却：迅速水冷要求：要求：一般控制铸件在空气中停留时间一般控制铸件在空气中停留时间1 分钟（低于分钟（低于950
50、时，开始析出时，开始析出 Cm）。）。淬前冷却水淬前冷却水T30；淬后冷却水淬后冷却水T60。5-28(5)典型工艺典型工艺5-29（6）回火问题：一般不回火！）回火问题：一般不回火！ZGMn13稳定工作温度稳定工作温度260,则则CA体中析出体中析出形成形成Cm A体部分转变成体部分转变成P或或S。5-30*回火特例：回火特例：用于有用于有V-Mo-Ti时的时效强化；时的时效强化；回火（回火（600650）用于机加工零件。）用于机加工零件。5-315.高锰钢的铸造性能及工艺特点高锰钢的铸造性能及工艺特点1）流动性好。）流动性好。原因：原因：（1）导热系数）导热系数,差；差；（2）熔点低，）熔
