第十章铸造高合金钢

1、南昌航空大学铸造工程系第十章 铸造高合金钢p 概述p 铸造不锈钢p 铸造耐热钢p 铸造耐磨钢p 铸造高合金钢的铸造性能南昌航空大学铸造工程系10-1 概述p 定义 铸造高合金钢是指合金元素总量超过1010-2的特种铸钢。p 合金元素的作用 钢中加入大量合金元素，使组织发生了很大变化，使钢具有特殊的使用性能。p 分类 铸造高合金钢按用途可分为：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、耐磨耐蚀钢、低温钢和工具钢等。南昌航空大学铸造工程系概述（续）优点1、具有良好的综合机械性能。2、具有特殊的使用性能。p 不锈钢具有良好的耐蚀性和抗氧化性。p 耐磨钢良好的耐磨性。p 耐热钢可用于工作温度高于500的铸件。南昌航空大

2、学铸造工程系概述高合金钢的应用发动机叶片、多种泵叶轮、大型运载火箭液体燃料贮箱，广泛用于石油、化工、航空、电力、冶金等工业中。 南昌航空大学铸造工程系10-2 铸造不锈钢 南昌航空大学铸造工程系分类铸造不锈钢通常是指在大气或某些强腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的钢，一般又称为铸造不锈耐酸钢。p按成分可分为： 铬钢、铬镍钢和铬锰氮钢。p按显微组织可分为： 马氏体、铁素体、奥氏体、奥氏体铁素体和沉淀硬化不锈钢。南昌航空大学铸造工程系金属的腐蚀p 定义指金属表面在周围介质作用下逐渐引起破坏现象。p 分类按腐蚀机理分： 化学腐蚀：金属与周围介质发生化学反应发生的破坏。 电化学腐蚀：金属与电解质溶解液发生电化学

3、作用而破坏。南昌航空大学铸造工程系钢的电化学腐蚀钢的电化学腐蚀p 电化学腐蚀形成的条件 有电极电位差存在 有电解液（电解质） 应互相接触（必须有导体联系或直接接触）p 电化学腐蚀的实质就是形成原电池p 电化学腐蚀的特点 产生电流 产物溶于电解质中，而不存在于表面上 范围广、危害大南昌航空大学铸造工程系p 金属的钝化 指活泼金属由易腐蚀的活性状态变为耐腐蚀的钝性状态。p 途径n 提高钢的电极电位，减轻电化学腐蚀倾向。n 在钢表面形成一层钝化膜，提高抗蚀性。n 在合金组织中尽可能获单相组织，降低钢的阴极活性，提高钢的耐蚀性。p n/8规律对于大多数固溶体合金，当易钝化合金元素为1/8，2/8，3/

4、8n/8的原子分数时，其抗蚀能力便突然提高。提高钢的抗蚀性途径南昌航空大学铸造工程系奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢是技术价值最高，应用最广泛的耐蚀材料，一般含有一定量的铬和镍，称为铬镍不锈钢，最具有代表性的是含18%Cr、8-11%Ni的18-8型不锈钢。p 优点 具有比马氏体、铁素体都好的耐蚀性；具有较好的综合机械性能；具有良好的铸造性能和可焊性。p 缺点 简单成分的奥氏体不锈钢强度低，且具有晶间腐蚀倾向。南昌航空大学铸造工程系 Cr的作用在不锈钢中的作用 在钢的表面形成Cr2O3保护膜；按照n/8 (Cr与Fe的mol比)的规律提高金属基体的电极电位。南昌航空大学铸造工程系p Cr：（18%1/

5、8）n钢中存在一定的C，而与Cr形成碳化铬而消耗掉部分Cr；n 考虑到化学成分的不均匀，尤其是铸造合金的偏析。p含Cr为18-20%的铬钢抗蚀性：n在大气、水等自然条件下相当稳定。n在HNO3及其它强氧化性介质中具有优良抗蚀性。n在盐酸、硫酸及弱氧化性介质中抗蚀性能差。18-8型不锈钢的抗蚀性南昌航空大学铸造工程系Ni：（8%）p Ni扩大A体区。p Ni化学性不活泼，具有高的化学稳定性。p Ni可提高钢的电极电位，减轻电化学腐蚀，提高抗蚀性。p Ni还能提高钢的耐热性。18-8型不锈钢的抗蚀性（续）南昌航空大学铸造工程系p 钢在平衡状态下的组织为奥氏体、铁素体和碳化物；p 在铸造条件下，共析

6、转变来不及进行；p 常温下得到的组织为奥氏体和碳化物；p 为了消除碳化物，可将钢进行固溶化处理。18-8型不锈钢组织南昌航空大学铸造工程系p 定义 晶间腐蚀是指这种钢在500800的温度范围内保温一段时间，在标准腐蚀条件下沿晶界会发生严重的腐蚀。p 危害性 晶间腐蚀危害性极大，针对削弱晶粒间的结合力，降低钢的强度，严重时会使钢完全粉碎。p 原因 晶间腐蚀是由于碳化物(Cr、Fe)23C6沿晶界析出而引起其周围区域铬的贫化所致。18-8型不锈钢的晶间腐蚀南昌航空大学铸造工程系消除晶间腐蚀的方法p加入合金元素：提高基体的溶碳能力。p热处理：将碳化物固溶到基体之中。南昌航空大学铸造工程系p 工艺 加

7、热到1050，经保温一段时间后，在空气或水中迅速冷却。p 目的 在于使碳化物溶解获得单一的奥氏体组织，使钢具有良好的抗蚀性，高的塑性和韧性，低的强度。18-8型不锈钢的热处理固溶处理南昌航空大学铸造工程系对于含Ti和Nb的18-8型不锈钢进行的稳定化处理。p 定义 充分发挥钛的作用，使钢中尽可能多的C都形成TiC，并将铬稳定在奥氏体基体中的热处理方法称为稳定化处理。p 工艺 稳定化处理是将钢加热到高于(Cr、Fe)23C6完全溶解的温度，而低于TiC（或NbC）完全溶解的温度，即850900，保温一定时间,然后在空气中冷却。 18-8型不锈钢的热处理稳定化处理南昌航空大学铸造工程系 合金元素在

8、铸造低合金钢中有什么作用？ 稀土元素在铸造低合金钢中有什么作用？ 什么是回火脆性，如何消除？ 基本概念：稳定化处理、金属的钝化 提高钢抗蚀性的途径有哪些？ 18-8型不锈钢产生晶间腐蚀的原因，列举3个防止措施？ 课前思考题课前思考题南昌航空大学铸造工程系一种节镍的不锈钢，用锰和氮代替部分镍；其含铬量与18-8型钢相同，用8%Mn和0.2%N来取代4%Ni。其优缺点如下：p 机械性能优于铬镍钢；p 流动性好，但易产生缩孔、气孔等缺陷；p CrMnNiN不锈钢抗蚀性比铬镍钢差。Cr-Mn-N不锈钢南昌航空大学铸造工程系在18Cr-8Ni型基础上加Ti，Ti的作用主要是防止产生晶间腐蚀。p 铸态组织

9、ZG1Cr18Ni9Ti在较慢的冷却条件下或在铸态下的组织为奥氏体、铁素体和碳化物。p 热处理 为了得到单相奥氏体组织，需固溶处理。此钢铸件经950-1050固溶处理和850-870的稳定化处理。ZG1Cr18Ni9Ti不锈钢南昌航空大学铸造工程系深圳市民中心玻璃幕墙南昌航空大学铸造工程系宁波机场玻璃幕墙南昌航空大学铸造工程系p 成分 铬量为(11.7-18)10-2；按碳含量，Cr13型钢有五个牌号：0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13，作为铸造不锈钢的是ZG1Cr13和ZG2Cr13。p 组织 马氏体不锈钢在高温下具有奥氏体组织，当以适当的速度冷却至室温时，奥氏体转变

10、为马氏体。p 性能Cr13型钢在大气、水和硝酸中具有良好的抗蚀性，但在盐酸中较差。 Cr13型马氏体不锈钢南昌航空大学铸造工程系p 目的目的消除钢中的碳化物，保证其抗蚀性和综合机械性能。p 工工 艺艺退火：退火：目的为了消除铸造应力。淬火：淬火：为了得到M体，防止碳化物析出 控制温度：10001050 淬火组织：ZG1Cr13为M+F体，ZG2Cr13为单一M体回火：回火：为了消除淬火应力并获得良好的综合机械性能。Cr13型不锈钢的热处理南昌航空大学铸造工程系10-3 铸造耐热钢 南昌航空大学铸造工程系铸造耐热钢的概念和分类p 概念 指在高温下具有良好的抗氧化性和热强性的钢种。p 按使用性能分

11、类n 热稳定钢：要求钢在高温下具有良好的抗氧化性，而对高温强度无严格要求。n 热强钢：要求钢在高温下同时具有抗氧化性和强度。p 按组织分类 珠光体、铁素体、马氏体和奥氏体。南昌航空大学铸造工程系钢的氧化钢的氧化通常是指在高温氧化性气氛中被氧化腐蚀的现象，它是化学腐蚀的一种。p 金属的氧化反应： M + 1/2O2 MOp 反应可能性判别条件：n从分解压力 Po2 PMO 金属被氧化 Po2 PMO 金属不被氧化n 从热力学 G 1p影响因素： 膜的化学稳定性。 膜与基体间的附着性。 膜的塑性（不能脆性）。表面膜及其具有保护性的条件南昌航空大学铸造工程系金属的氧化速度与温度间呈指数关系，即 lg

12、V = Q / 2.3RT + A 式 中： V氧化速度g(m2h)-1； T绝对温度，k； Q氧化过程的活化能； A常数； R气体常数。金属的氧化速度南昌航空大学铸造工程系p 改变氧化层结构 钢中加入合金元素，生成尖晶石型氧化物FeOM2O3 或Fe2O3MO，则钢就具有良好的抗氧化性。p提高出现FeO的下限温度 钢中加入合金元素，在与铁形成固溶体的情况下，如果能提高出现FeO的下限温度，也可以提高钢的抗氧化性。提高钢的抗氧化途径南昌航空大学铸造工程系p 合金元素主要有Cr、Al、Si，其次是Ni和Ti 。 p 作为抗氧化元素具有特别意义的是Cr，虽然Si、Al作用比Cr大，但它们在钢中的含

13、量不允许过多，所以Si、Al常常是与Cr配合使用的。p 加入一定量的Cr就能在钢的表面上形成一层含Cr的致密氧化膜（FeOCr2O3或NiOCr2O3 ），能够牢固的附着于铁的表面上不易剥落。 提高钢抗氧化性的合金元素南昌航空大学铸造工程系p 特点特点铸造热稳定钢与同类型的不锈钢相比，其含C量高，含Cr量也偏高，同时加入少量的其它元素，以提高钢的高温强度。p 分类分类铁素体热稳定钢：ZG30Cr26Ni5。奥氏体热稳定钢：ZG45Cr25Ni20。铸造热稳定钢铸造热稳定钢南昌航空大学铸造工程系1、提高热强性方法 钢中加入某些合金元素，通过固溶强化，时效强化等方式以提高其高温强度。Cr：提高钢的

14、抗氧化性，有一定的固溶强化效果，与C 形成碳化物。W、Mo、Nb、V、Ti 等高熔点元素或强碳化物形成元素，主要起固溶强化作用，也可通过碳化物的时效析出而强化合金。2、分 类马氏体热强钢：ZG1Cr11Ni2WMoV。奥氏体热强钢：ZG2Cr21Ni11W2.5。铸造热强钢南昌航空大学铸造工程系10-4 铸造耐磨钢 南昌航空大学铸造工程系概述p零件在承受强烈冲击的同时，能够低抗住坚硬磨料的磨损。如：拖拉机与坦克车的履带板，铁路上的道叉，挖掘机的铲齿等。p为了满足生产现场的要求，金属材料应具有高韧性的同时要具有高的硬度。p普通碳钢的韧性较高，但硬度不够；白口铁的硬度足够，但韧性太低。南昌航空大学

15、铸造工程系高锰钢的发展历史与趋势o1883年，英国人发明了高锰钢，这种钢的特点是在强烈冲击的条件下，具有良好的抗磨性，而在无冲击的条件下抗磨性很差。o在中等冲击条件下，损失一点韧性，提高高锰钢的磨前硬度是高锰钢要研究的内容之一。南昌航空大学铸造工程系高锰钢的成分、铸态组织与性能p成分 C：0.91.3%, Mn:1114%, 0.31.8%, P0.09%, S0.05%，Mn是强烈扩大奥氏体区的元素，可将奥氏体扩大到室温，使奥氏体在室温下稳定存在。p铸态组织 奥氏体少量的珠光体(Fe, Mn)3Cp铸态性能 由于(Fe, Mn)3C分布在晶界上，故很脆南昌航空大学铸造工程系高锰钢热处理p目的

16、 消除铸态组织中的碳化物，获得单一的奥氏体组织。p热处理工艺(水韧处理)：南昌航空大学铸造工程系水韧处理后的组织与性能o组织 奥氏体o性能ak15105J/m2 HB230南昌航空大学铸造工程系高锰钢加工硬化机理(1) 在奥氏体内部，滑移面两侧塞积大量的位错，使奥氏体的硬度增加。 证据：加热到500时，硬度复原。(2) 淬火奥氏体不稳定，变形时诱导马氏体产生，硬度增加。 证据：电镜下可以看到右马氏体存在。南昌航空大学铸造工程系p 铸造低温钢低温钢是指在低温下（-100）工作的钢种，在低温下具有良好的综合性能。p 铸造耐磨耐蚀钢铬是主要合金元素，含量为1310-2，碳含量较低，使钢具有良好的耐蚀

17、性；镍和钼，使钢具有很高的淬透性，使钢具有很高的硬度，提高耐磨性。p铸造工具钢典型铸造工具钢的牌号是ZGW18Cr4V ，经淬火（12601290）和回火（550580）后的组织为回火马氏体和碳化物，具有良好的切削性能。其它铸造高合金钢南昌航空大学铸造工程系10-5 铸造高合金钢的铸造性能南昌航空大学铸造工程系流动性p 合金元素的影响碳 碳含量提高，熔点下降，流动性提高。铬 铬含量提高，易形成难熔小质点氧化物，流动性下降；但当含铬量达到15-17%时，流动性却又提高。锰和镍 含量的增加，钢的熔点和导热性降低，所以提高流动性。硅 增加硅含量，流动性提高。钛、钒、钼、铅降低流动性铜 可显著提高流动性。南昌航空大学铸造工程系p 铸造不锈钢铬含量较高，流动性差，易产生冷隔、浇不足，表面皱皮和夹杂等缺陷。p 铸造耐热钢含有大量的易氧化元素铬、硅、铝等，流动性差。p 铸造耐磨钢 含锰量高，导热性差，凝固慢，流动性良好。各种高合金钢的流