铸造合金及其熔炼 第七章 铸造低合金钢

第七章 铸造低合金钢第一节 概述一、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 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 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 镍系铸造低合金钢镍在钢中的作用：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 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 微量合金化铸钢定义：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 抗磨用铸造低合金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%，Ni1.5%。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 低合金铸钢件的热处理在铸造碳钢条件下，热处理是为了细化晶粒 、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(正火)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