铸钢及其熔炼课件

1、铸钢及其熔炼1 绪言学习本课程的目的目的化学成分金相组织热处理机械性能钢液质量使用性能1-1HTQTKTZGb100-350400-900300-700400-2000s/250-600200-530200-1800/2-182-124-40ak/606015-200(U)/小小5-65HB150-250180-300120-270120-600-1/200-300200-250170-6001-21.铸钢件的特点1）机械性能要远远优于铸铁；2）具有许多特殊的性能，如耐热、耐磨、耐蚀等；3）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；5）铸件各部分结构

2、可设计均匀，能抵抗变形；6）价格较低廉。1-32.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、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、耐火性、热传导性、膨胀性等；3）正确的造型工艺设计，工艺收得率：4070%；4）适宜的热处理；5）合理的铸件结构设计。1-4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。3.铸钢生产概况（1）世界铸钢产量统计铸钢约占钢产量的1%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2000万T/年左右；铸造合金钢比例增加，如德国、日本已升至4050%，一般占2030%。1-63.铸钢

3、生产概况（2）铸钢生产涉及的工业及部门（3）铸钢生产水平的标志 产量；质量；合金钢铸件的比重； 品种；熔炼设备；产品。电弧炉：最大中国：50T外：300T1-7例：2 铸钢的结晶过程2-11.Fe-C二元平衡相图碳钢部分特点1）钢铁分界点：E 2.14% C；2）铸造碳钢的成分 C0.05%，流动性（P使液相线）。Si：由于能起脱氧和镇静作用，故能使流动性。2-19影响因素（2）钢液中的气体和夹杂物： 气体，夹杂物 流动性 脱碳处理越好 气体、夹杂上浮，清理越彻底 流动性 脱氧操作越合适流动性 2-20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

4、后加Si-FeAl-Mn-Si或Si-Ca流动性（螺旋试样，mm）65140150-1802-21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（3）浇注温度和浇注速度 浇注温度越高，流动性越好。但太高的浇注

5、温度，易导致热裂、粘砂、晶粒粗大等缺陷，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，否则冲坏铸型，造成废品。例下表。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（1

6、）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。三阶段的收缩量总和称为体积总收缩率。2-26如：0.30%C碳钢 D=7.84g/cm3总体积收缩率：11.6%（1593-20）其中：液态（15931504 ）：1.4% 凝固（15041454 ）：3.0% 固态（145420 ）： 7.2%2-27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 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“体收缩”。 “体收缩”产生缩孔和缩松。2-29缩孔和缩松的数量和分配与下

7、述因素有关：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。2-302-31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，缩孔率越大。见下表。 2-32ZG25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，但缩孔。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：2-33（3）线收缩 碳钢在固态阶段的收缩表现为铸件尺寸上的缩小，成为“线收缩”，其为产生应力、变形、开裂的原因。碳钢自由收

8、缩率为 2.202.40%碳钢受阻收缩率为 2.002.20%2-342-353）热裂铸钢件容易产生开裂，其分类：裂纹热裂断口氧化，呈暗黑色，且形状弯曲 （有树枝晶特征）；冷裂断口齐整、洁净、呈银白色。2-36（1）热裂产生的条件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；液态金属流动性差。2-37（2）热裂形成的过程 热裂出现的温度范围凝固后期， 固相线附近； 铸件收缩过程中由于受型芯阻碍作用 受到拉力；2-38（2）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 膜。薄膜强度很低，高温塑性差，易于断裂。 如 0.30%C碳钢，在 14101385 时， b= 0

9、.762.15 N/mm2，= 0.230.44%。2-392-40（3）热裂的影响因素：化学成分： 0.20%C左右（包晶点），Mn， P、 S热裂抗力。见上图工艺因素：a. 熔炼工艺 b. 铸件结构特点 c. 浇注温度 d. 造型工艺 e. 砂型（芯）的溃散性2-414）冷裂 铸件完全凝固后，冷却至塑性弹性转变温度（600700）以下时产生的裂纹称为冷裂。2-42（1）冷裂产生的原因 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。2-43（2）冷裂的影响因素化学成分 低碳钢塑性好，不易产生冷裂；高碳钢塑性差，容易产生冷裂。 P、S促进冷裂；P的危害作用比S大。2-44（2）

10、冷裂的影响因素 工艺因素：a.熔炼工艺：脱氧程度若夹杂物多，使钢的塑 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 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 应力大；d.水爆清砂。2-456.钢中的气体 钢中的气体主要是氢、氮和氧，危害 最大的是氢。2-46严格的限制标准是：H：13PPmO：6080PPmN：80110PPm*1PPm=10-6=0.0001%2-472-481）氢氢的危害： 产生大量细小的气孔、针孔，存在于铸件表皮 下（白点）冷却较慢； 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）冷却较快。2-49 2H=

11、H2 H 塑性、韧性 （FeO）+2H=H2O+Fe例：生产薄壁铸钢件的工厂，由于针孔报废的铸件占废品总量的40%左右。2-502）氮氮的危害：在钢中形成针孔、气孔；和某些元素（Si、Zr、Al等）生产氮化物。2-512）氮好的用途：氮扩大A体区（其作用为Ni的20倍）可用于制造Cr-Mn-N、Cr-Ni-N不锈钢，其加入量为0.200.35%（以BN、CrN、ZrN合金加入）。2-523）氧固态钢中溶解度很小。在500以下，氧在-Fe（A体）中只能溶0.0020.003%，在-Fe（F体）中溶解0.001%2-53氧的危害： 产生气孔C+FeOFe+CO 形成SiO2、FeO、MnO、Al2

12、O3等非金 属夹杂物 FeO和FeS作用，生成低熔点共晶 进入铸件中2-544）除气措施熔炼时脱碳、脱氧：FeO+CFe+CO；浇注前静置（如35分钟）；真空熔炼；其他方法，如AOD法。2-553 铸造碳钢1.概述1）钢的分类碳素钢：原则上指钢中的合金元素不影响其性能。Ni、Cr各0.30%。合金钢10% 高合金钢3-1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：8% 低合金钢 8% 高合金钢3-22）铸钢的分类铸造碳钢铸造合金

13、钢低合金钢高合金钢3-33）铸造碳钢的牌号（1）铸造碳钢国家标准牌号化学成分（%）机械性能（）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: 铸钢级别 级不注级别:ZG25、 ZG25 、ZG25 、级验收成分、

14、性能， 级仅验收性能。 限制其他元素含量：Ni、Cr、Cu各0.30%P0.040.050.06S3-5分类铸造低碳钢ZG15铸造中碳钢ZG25、ZG 35、ZG45铸造高碳钢ZG553-6测试方法：a.全退火性能；b.级测：s 、 b 、 、 、 HB 级测：b 、 s 、 级测：b 、 s c.试块类别：梅花试块、楔型试块、基尔试块。 akV、U、钥匙型、 无缺口。3-7（2）一般工程用铸造碳钢国家标准牌号化学成分（%）机械性能（）CMnSisbAkv(J)aku（J/cm2）ZG200-400ZG230-450ZG270-500ZG310-570ZG340-6400.200.300.40

15、0.500.600.800.90 0.500.6020023027031034040045050057064025221815104032252118302522151060453530203-8注： P、S各0.04% 对上限每减少C 0.01%，允许增加Mn 0.04%。 ZG200-400含Mn最高至1.00%，其余4个牌号 Mn最高至1.20%。 残余元素Ni0.30%、Cr 0.35%、 Cu 0.30%、Mo 0.20%、V 0.05%， 总量1.00%。 3-92.铸造碳钢中的基本元素及作用基本元素：C、Si、Mn、P、S3-10常规元素：C、Si、Mn、P、S合金元素：Cu、N

16、i、Mo、Cr、V等残存元素：H、N、O、Al、Pb、Sn等3-111）碳：0.120.62%（1）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;（3）C0.1%，则b、s 4060，4%, 但s 在C0.60%后不再增加且有下降趋势， 而继续下降，故仅有ZG55。3-122）硅：0.250.45%0.500.60%（特例可0.8%）*（1）脱氧去气； （2）增加淬透性；*（3）强化基体；*（4）少量硅细化珠光体； （5）对机械性能影响不大。3-133）锰：0.35%0.80 0.90%（特例可1.21.5%）*（1）脱氧去气； （2）固溶于F、A中，可部分溶解于渗碳体中形成

17、 (Fe、Mn)3C； （3）增加淬透性，且优于Si；*（4）降低S的有害作用 S+MnMnS； （5）扩大A区，E、S点下移、左移，增加细化P体；*（6）Mn和C 的关系，C上限下降0.01%，则Mn提高 0.04%，Mn最高可达1.21.4%。3-144）磷：0.06% 0.04%（1）含量不高时固溶于F中；（2）易偏析，大于0.05%时即形成二元（+Fe3P）（熔点 1050）、三元（+Fe3P+Fe3C）（熔点900 ） 磷共晶，析出存在于晶界上；（3）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C、Mn，危害性， 使b、HB， 、 ak 、。3-155）

18、硫 0.06%0.04%（1）S以FeS形式存在于钢水中；（2）FeS和Fe（r）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；（4）Mn量的存在可削弱S的有害作用： ；（5）性能。 例：S从0.03%0.01%，则ak1-2倍，T塑-脆30。3-163.铸造碳钢的热处理1）热处理的目的 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。3-17例 ZG45试棒（20-40）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500600600700650700700800255101520152012202040406050802002301

19、80220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（1）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 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（由于先结晶），内层C量偏高。 相偏析：由于各相熔点不同而引起的成分偏析。 如：S共晶：熔点为9001200； P共晶：熔点为9001050 。3-19（2）晶粒粗大铸态晶粒粗大的影响因素 铸件的壁厚； 铸型材料的导热性； 浇注温度。3-20（3）魏氏组织上面已阐述过，Fw使性能。（4）应力 热应力 在冷却或加热过程中：塑性区

20、无应力；弹性区弹性变形（620），符合虎克定律。3-21其应力为：=E而= (t2-t1)=t 体积收缩系数（1/ ）=E t E：铁：70,000160,000 N/mm2 钢：200,000210,000 N/mm2所以，铸钢的热应力要大于铸铁的。E钢E铁3-22 铸造应力由于铸型阻碍收缩而致。 相变应力 收缩 膨胀 *如 （M）膨胀， V达6%3-232）热处理工艺（1）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 （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ak、 好，但b、HB低，正火后ak、不下降或稍 有下降，而b、 s、HB，获得

21、较好的综合 性能。3-24 对于中碳钢（ZG25ZG45），尽量采用正火代 替完全退火。因为实践证明正火后-1以及ak值 提高； 对于高碳钢ZG55，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 热处理后冷裂或变形，可采用正火+回火或完全 退火； 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 退火： a. 完全退火 Ac3+(3050) b. 扩散退火 Ac3+(150250)，一般为11001200 ， 消除枝晶偏析（主要用于合金钢） c. 球化退火 A1+(2030) d. 去应力退火 500650 3-26（2）一般的热处理工艺正火 Ac3+(3050)

22、正火+回火 Ac3+(3050)+ (500650 ) 正火 回火3-27（2）一般的热处理工艺 淬火或调质 淬火温度:亚共析钢: Ac3+(3050) 共、过共： Ac1+(3050) 调质淬火+高温回火(500650 )3-28（2）一般的热处理工艺 等温淬火 A体保温温度：TA化= Ac3+(3050) 淬火温度：T淬火=240360 T淬A+B上；T淬B下 3-29（3）铸造碳钢的热处理工艺（完全）退火； 正火； 正火+回火 *保温时间（TA化）：1h/1吋3-30例：铸造碳钢铸件的热处理规范3-31牌号正火温度T1（）回火温度T2 （）范围最适宜ZG15ZG25ZG35ZG45900

23、940880920840880830870910930890910850870840860/6006206006203-324.铸造性能及其缺陷特点：1）熔点高流动性差、易氧化、吸气，造成 气孔、粘砂和非金属夹杂浇注温度高； 2）体收缩大形成缩孔、缩松大设置较 大冒口，工艺收得率4060%； 3）线收缩大易产生热裂、冷裂及变形等。3-334 铸造低合金钢1.碳钢的不足之处1）机械性能有限（如b400650，s 200350）；2）淬透性差可淬性差（低碳、大断面不易 强化）；3）使用温度范围窄（-40+400）；4）耐磨、耐蚀、耐热性能较差（ZG球不如中 MnQT球）。4-12.合金钢的优越性1

24、）使 大大提高；材料设计许可应力=ks4-24-32.合金钢的优越性2）提高大断面铸件的均匀性淬透性；例：铸钢轧辊材质320ZG65Mn430ZG70Mn2550ZG80Cr4-42.合金钢的优越性3）防止回火脆性特别是Mo；4-54-64）提高强度、降低铸件自重；5）提高钢的特殊性能。 例葛洲坝水轮机叶片ZGCr13Ni6Mo，每 片40T（毛重70T）。2.合金钢的优越性3.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、 化学性能。 对于铸造低合金钢，主要目的是提高强度。 （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：（1）提高淬透性（2）细化晶粒，增加P体量

25、（3）固溶强化例Mn由0.5%1.5%，提高的强度 占： 50% 10% 40%4-82）常用的合金元素及其作用（1）常用元素 常加元素 Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Cu 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J合金元素对钢的共析点含碳量的影响含量%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：RE的特点：（最佳含

26、量0.05%左右） 净化钢液； 改善夹杂物形态分布； 改善铸态组织； 改善ak、等性能； 容易二次氧化。4-12（2）元素作用：综合分析： 固溶强化； 提高钢的淬透性； 细化P体； 减小回火脆性； 提高抗氧化性； 降低韧-脆性转变T； 提高钢的高温强度； 析出强化。 等等4-134.铸造低合金钢的钢种类型及举例分析1）钢种类型：（1）通用系列低合金钢 Mn、Mn-Si、Cr、Cr-Ni、Cr-Mo-Ni系等。4-14 Mn系：Mn由0.50.8%1.52.5%，2.5%后将使ak、原理：Mn可使J，使正火后P体量，分散 度；淬火后易得M；高温回火后综合 性能好；降低T韧-脆。缺点：过热敏感性大

27、，易偏析和回火脆性。4-15 Mn-Si系 除Mn外，Si由0.200.60%0.81.2%左右。加Si的特点：a）Si使钢固溶强化，Si-Mn结合使J ，因此，b、 s、HB ，而、ak有所下降；4-16b）提高耐磨性，Si减少摩擦中的氧化作用；c）提高耐蚀性，抗海水能力最佳；d）铸造性能好，焊接性能好；e）易发生回火脆性，应速冷；提高T塑-脆。4-17 Cr、Cr-Mo、Cr-Ni系Cr：0.61.2%；Mo：0.40.6%；Ni：0.52.0%。特点：Cr：J；Mo：回火脆性； Ni：J ，b、ak ， T塑-脆。4-18（2）特殊系列低合金钢 析出强化型： 加Cu，时效析出富Cu的相硬

28、质点（金属间化合物）。CuC1.22.0%0.40.5%0.10.2%1.31.6%4-19 高温型：加Mo：0.51.0%，Cr3.0%，Ni、Mn、V；C0.20%。例 ZG20CrMoV。4-20 低温型加Ni：2.04.0，Mn：0.801.0%，V、Ti、Nb、RE；C10%；组织：由P、F单一F、A、M或F+A、F+M；性能：特殊性能。5-11.高锰钢的特点：1）材质A、无磁、加工硬化；2）机械性能ak，HB由200550；3）铸造性能流动性能好；4）加工性能差、一般不加工；5）热处理水韧处理。HB、ak。5-22.高锰钢的加工硬化加力塑性变形沿滑移面滑移变形 P() s 4004

29、5HB ak （加工硬化）5-3变形抗力滑移停止晶面滑移示意图5-41）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：晶粒破碎亚结构小晶块增多结果（3）A体晶格的畸变。外力可分解为和。引起滑移晶格畸变滑移抗力增大。AM？析出Cm？5-52）加工硬化条件：（1）高锰钢本身应具有最大的变形能力（如s）。 变形能力、加工硬化。（2）具有较大的外加压力和冲击载荷。外加载荷， 加工硬化。5-6举例一：风扇磨冲击板举例二：清理滚筒衬板 HB500,=12； 球磨机衬板 HB300，=1.01.55-73.高锰钢的化学成分、性能和铸

30、态组织：1）牌号和成分：高锰钢的化学成分（%） （GB5680-85）牌号CMnSiSP适用范围ZGMn13-11.10-1.5011.00-14.000.30-1.000.0500.090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：CMnSiPS0.91.4%1114%0.31.0%0.070.09%0.055-9讨论：（1）碳：作用：保证获得单相A 强化固溶体A过低M过高Cm5-10 若含碳量过低，A体不足以产生有效的加工硬化（碳溶于A中，使A晶格畸变

31、）。故一般而言，在一定范围内，随C，其耐磨性，使用寿命，但ak；5-11 但含碳量过高，也会导致：铸态组织中Cm；对于厚壁铸件，中心导热差，由于C量高，热处理后仍不免析出Cm。5-12C%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A体，此 外还有强化固溶作用。 C1.0%，Mn8%，即可在水冷后得到全部A体； 但为了ak、，故将Mn量限定为Mn1114%。 Mn/C = 8105-155-16（3）硅：推荐值0.30.8%Si由Mn-Fe带入 （含Si24%）。 适量的Si对A体强化有利； Si降低A体中C的溶解度过量的Si会排挤

32、A 体中的C排出的C在晶界上形成Cm，使ak 而基体中的C，加工硬化。5-175-185-19（4）磷：0.09（推荐0.06%）P高是由Mn-Fe 带入（其中含P0.20.4%）。P是有害元 素，使ak。5-20（5）硫： 0.05%由于Mn的大量存在（与S中和），一般S0.03%。有害作用低于P。5-21（2）性能：bsakHBZGMn136504002015150179229ZG455703101521301505-22与ZG45作比较高锰钢性能特点： ak； 试棒无“颈缩”现象，整个断面均匀减少。5-233）铸态组织：平衡态：+（Fe.Mn）3C （室温）铸态：+ （Fe.Mn）3C

33、有时有少量（M、P、S）产物5-244.高锰钢的热处理:1）目的：消除Cm，得到单相A。5-252）工艺：水韧处理（1）加热（保温）温度：使Cm完全溶解， 一般10001050就可以。（2）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 胀大）5-26（3）保温时间：100h=0.51.0h=1.01.5h=23h45-27(4)冷却：迅速水冷要求： 一般控制铸件在空气中停留时间1 分钟（低于950 时，开始析出 Cm）。 淬前冷却水T30 ； 淬后冷却水T60 。5-28(5)典型工艺5-29（6）回火问题：一般不回火！ZGMn13稳定工作温度260 ,则CA体中析出形

34、成Cm A体部分转变成P或S。5-30*回火特例： 用于有V-Mo-Ti时的时效强化； 回火（600650 ）用于机加工零件。5-315.高锰钢的铸造性能及工艺特点1）流动性好。原因： （1）导热系数,差；（2）熔点低，1370 。5-322）收缩大：（1）线收缩：在冷却过程中，没有固溶膨胀， 故线收缩率为2.53.0%。*必须保证尺寸精度！（2）体收缩：结晶凝固区间大，体收缩大；但流动性 好，易补缩。 *缩孔体积4%（一般钢种缩孔体积10%）！ *一般不设冒口或设小冒口！5-335.高锰钢的铸造性能及工艺特点3）裂纹倾向大（1）高温强度低原因：柱状晶、穿晶、晶粒粗大（2）线收缩大若型芯退让性

35、不好，铸件结构复杂（3）导热性能差易产生冷裂易引发热裂5-345.高锰钢的铸造性能及工艺特点4）化学粘砂严重：MnO FeO + SiO2 SiMn低熔点复合物（钢水）（型砂）MnO SiO25-355.高锰钢的铸造性能及工艺特点6.提高高锰钢质量的措施：1）控制好化学成分主要是C、Mn、 Mn/C、P。5-362）低温浇注：T浇=14201470 举例：T浇（） 晶粒等级b15301480146014301410134562934845115676084.311.018.021.323.45-376.提高高锰钢质量的措施：）控制好水韧处理温度消除Cm，1100；）控制钢中夹杂物主要是MnO；

36、）合金化和变质处理细化晶粒； 合金元素：Cr：2.0% 变质剂：V 0.20.3% Ti 0.100.15% Mo：1.0%； Zr 0.10.2% Nb：0.05%等）提高冷速金属型、冷铁等；）悬浮浇注1.02.0%Mn-Fe（200目），随钢液浇注。*注：高锰钢必须用碱性电炉熔炼。 5-386.提高高锰钢质量的措施：6 铸造高合金不锈钢及其系列 不锈钢属于耐腐蚀钢，所谓耐腐蚀材料是指腐蚀速度100 ）；2）形成单相的、；6-62.防止腐蚀的途径3）消除含Cr碳化物的形成，避免晶粒表面产 生贫铬层；4）利用 规律，加入Cr、Ni、Mo等提高钢 电极电位的元素；5）提高熔炼质量。6-76-83

37、.铬不锈钢在大气、水汽、盐水中不锈蚀。Cr13 0Cr13 1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13铸钢工具钢医疗器械、弹簧、滚动轴 承、炊具等。C组织0.060.08%F0.100.12%F+M0.160.24%M6-9钢号SiMnSPCrZG0Cr130.060.081.00.60.030.03512.014.0ZG1Cr130.12ZG2Cr130.160.246-10讨 论1）含Cr量的确定：Cr=12+10C（%）2）组织（ZG1Cr13）：平衡态：F+Cm； 铸 态：F+M+Cm。6-11讨 论3）热处理（1）目的：消除Cm（若Cm中Cr，则钝化 膜不能形成，耐蚀性）；消除

38、铸态应力，组织不均匀，穿晶 等；消除相变应力；细化晶粒； 得到合适的组织性能。6-12（2）工艺：退火（消除铸造应力）淬火 （得到M，防止Cm析出）回 火（消除淬火应力，提高综合性 能，特别ak，S回）。6-136-14（3）性能：s 450，b 630。 16% 40% ak 60 J/cm2。6-154.铬镍不锈钢 ZGCr18Ni9Ti从Cr-C-Ni三元相图看：加入Cr17%时，得F+Cm组织；同时加入Cr17%和Ni8%时，得A+F+Cm组织。6-16因此，其金相组织为平衡态：F+A+Cm铸 态：A+Cm热处理：A6-17Cr当量=Cr+1.4Mo+1.5Si+Nb-4.99作用形成

39、。Ni当量=Ni+30C+0.5Mn+26(N-0.02)+2.77作用形成。6-181）用途和特点：（1）耐蚀性优于ZGCr13，用于强腐蚀性介质 （如HNO3等）。（2）无磁A体钢；（3）塑性、韧性优良；（4）高温和低温性能均好，在-150+500 内组织性能稳定。6-192）化学成分和机械性能（1）化学成分：ZG1Cr18Ni9TiCSiMnSPCrNiTi0.121.01.02.00.030.0417.020.08.011.00.30.76-20说明： Si1.0%。在此范围内，取上限，则抗氧化性 好，耐热性好，改善钢的流动性能。 Ti：定C形成Ti的碳化物（TiC）而避免铬的化 合物

40、(Cr.Fe)3C生成。 Ti加入量（C-0.02）%50.8% （也可加Nb） 此外，由于O、N的存在，而Ti与其有强烈的亲合力，故Ti量可提高至0.70.8%。6-21（2）机械性能： s200，b 450， 25%， 32%，ak100 J/cm2。6-223）晶间腐蚀：(1)原因：铸态组织为A+Cm（或热处理后残存 较多的Cm）Cm (CrFe)3C中Cr而 A体中Cr A体晶界边上一层Cr量 形成贫铬层耐蚀性 。6-23(2)减少晶间Cm的措施 降低C量； 钢液净化； 严控热处理高温固溶化处理，水冷； 加Ti、Nb形成TiC、Nb4C3。6-244）热处理目的：获得单相A体。工艺：固

41、溶化处理。6-255）铸造性能（1）流动性差，易氧化Cr量高，生成 Cr2O3膜；（2）体收缩大力求顺序凝固，冒口尺寸 比碳钢件大2030%；（3）热裂倾向大线收缩3.0%；（4）易产生热粘砂钢液温度高。6-265.抗磨耐蚀不锈钢1）马氏体时效钢牌号CSiMnCrNiCuPSMoCB-7Cu0.071.01.015.517.03.64.62.33.30.040.04/ZG17-4MoPH15.017.03.54.52.53.50.0350.030.40.66-27热处理bsakHB1038油淬+496 时效1h空冷13101172145433.94001050 空冷+（500600） 时效（1

42、4）h水冷15481348163658.04046-28特点分析：（1）s 1100，HB400 高强度抗磨耐蚀钢；（2）基体为M+A残少+相硬质点（时效沉淀硬化）。6-292）马氏体不锈钢 ZG0Cr13Ni4MoRCMnSiCrNiMoPSRE0.060.50.80.612143.84.50.50.70.0350.0350.2（加入量）6-30 热处理9501100空冷625 第一次回火600 第二次回火bsak72075048050016223060110150用途：水轮机转子和叶片6-316.其他1）耐热钢化学成分金相组织耐热温度（）CCr00.080.080.1213141620F8

43、008258509000.200.250.100.150.100.20253213151418F+M10001050 850 9000.200.250.150.20 13151520(+2Ni)M8259000.301.001320F+Cm9001.001.202.002.5025303035La105011006-322）热强钢一般都是A体型钢如：ZG1Cr14Ni14Mo2WNbZG2Cr25Ni13TiZG3Cr18Ni25Si2：Cb ；Si抗氧化性热强性晶粒强化晶界强化初生骨格强化6-333）低温钢（1）F-P型低合金钢的使用温度为-40 -110。（2）若-150 左右则使用Ni-

44、Cr 18/8型钢（A型）。6-343）低温钢（3）为了避免18/8型钢在更低温下使A体中析出 Cm，则应采用更高的Cr、Ni。 如 ZG1Cr18Ni12、ZG1Cr25Ni20等。（4）ZGMn13A体钢不宜用作低温钢，因其在-40 时即失去韧性。6-357 铸钢的熔炼一、概述1.炼钢的目的： 1）将固体炉料（生铁、废钢等）熔化成钢液； 2）将钢液中的碳、硅、锰及其他合金元素的含量， 炼到规格范围以内； 3）脱去钢液中的有害元素P、S至规定的范围； 4）去除气体和非金属夹杂； 5）提高钢液温度，保证浇注需要。7-12.炼钢的方法1）电弧炉碱性酸性*氧化法 吹氧返回法 不氧化法2）平炉7-2

45、2.炼钢的方法3）感应炉（无芯）4）转炉5）其他真空感应电炉、电渣熔铸、AOD炉外精炼等。高频200,000300,000Hz中频1,0002,500Hz工频50Hz7-33.钢中的炉渣1）炉渣的成分： 酸性：SiO2、P2O5、TiO2、V2O5； 碱性：CaO、MgO、FeO、MnO； 中性：Al2O3、Fe2O3、Cr2O3； 其他：CaF2、CaS、FeS、CaC2。7-43.钢中的炉渣2）炉渣的作用：（1）收集消除杂质；（2）去除S、P；（3）控制氧化与还原；（4）保护钢液不被氧化；（5）避免气体侵入；（6）避免温度下降。7-53）炉渣中主要成分的特征分类 熔点（）形状分类 熔点（）

46、形状MnS1620链条SiO21723尖角FeS1190薄网MnO1850尖角Al2O32050尖角MnSiO31291球粒AlN2200尖角SiO2-Al2O3-CaO1300球粒7-6二、炼钢控制工艺：1.熔化炉料：前提：补炉；配料和装料。总能耗：7001000度电/吨钢; 熔化期占三分之二左右。7-7脱C、Si、Mn采用氧化法； C+OCO Si+O （SiO2） Mn+O （MnO） 增C、Si、Mn 加入相应炉料： Si-Fe、Mn-Fe、C粉、Cu、Ni。7-82.成分控制：3.去除P、S1）脱磷反应： P的存在形式FeP、Fe2P、Fe3P 2Fe2P+5 (FeO)+4(CaO

47、)(4CaOP2O5)+9 Fe+Q分析：反应的热力学条件：（1）强氧化性渣：（ FeO） P （2）高碱度：(CaO) P 碱度 R=2.53.5为佳。（3）低温：反应为放热反应温度反应平衡右移。 （电弧炉：1460为佳） 7-9氧化期2）脱硫反应： S的存在形式FeS FeS+(CaO)(CaS)+(FeO)Q分析：反应的热力学条件：（1）强还原性渣： （FeO ） S（2）高碱度：（CaO）S（3）高温：反应为吸热反应温度反应平衡右移。3.去除P、S7-10还原期*小结： 对于脱S、P反应，在碱性电弧炉炼钢中易于控制；而在感应炉中则不易控制。7-114.去气除夹杂反应原理：（FeO）+C

48、Fe+COQ*一般脱碳量：0.300.40%（0.01/个）反应条件：（1）（FeO） 强氧化性，15%（2） T 吸热反应（3）炉渣流动性好。 动力学*小结：此反应在感应炉中难于实现。 上浮过程中，带出H、O、N和夹杂热力学7-12氧化期后期达到符合工艺要求的出钢温度。7-135.提高钢水温度三、感应炉炼钢1.炼钢工艺： 由于没有氧化脱碳过程，不能降碳（即不能去气除夹杂），没有氧化期，不能很有效地脱磷和脱硫，所以感应炉炼钢一般采用不氧化法装入法、重熔法。7-14优点：（1）热效率高，加热速度快；（2）钢水温度和成分均匀；（3）氧化烧损较轻，吸气较少。7-152.原理和特点1）感应炉结构：7-

49、162）工作原理（1）感应电动势和感应电流： 感应圈内通过交变电流金属炉料（钢液）处于交变磁场产生感应电动势和感应电流炉料本身具有电阻而发热金属炉料（钢水）熔化与过热。电学基本公式：V=IR，Q=I2RT7-17感应电动势 E=4.44Nf （v）式中： 磁通（wb）； N感应器匝数； f 交流电频率（Hz）感应电炉的磁通回路7-18（2）电流透入层：特点：“集肤效应”和“驼峰现象”。式中： 金属电阻率（欧姆厘米）； 相对导磁率； f电流频率（Hz）。7-19说明： 层中集中了80%的电流； 层中，取表皮电流密度为100%，则内界面为37%； 由于金属炉料中的感应电动势和感应电流的分布不均 匀

50、，产生了“集肤效应”，导致炉内温度分布不均匀； 区温度最高，区次之，区最低。7-20说明：电磁搅拌引起“驼峰现象”。电磁作用感应器中电流方向和钢液中感应电流的方向相反电流互相排斥中心部分钢液上升“驼峰”。7-213.坩埚的打结1）原材料（1）酸性（炉衬）：石英砂:56:25%; 23:20%; 0.51.0:30%石英粉：25%要求：Fe2O30.5% 水份1.0%硼酸(H3BO3):1.52.0%*特点：耐火度高 （炉领）：石英砂:12:30%; 0.20.5:50%; 石英粉:20%水玻璃：10%*特点：烧结强度较高感应炉的炉衬主要分为酸性和碱性两种。7-22（2）碱性：（炉衬）：镁砂:2

51、4:15%; 0.81.0:55%; 0.5:30%硼酸：1.51.8% （炉领）：镁砂:1.02.0:40%; 1.0:40%；耐火粘土:20%水玻璃：适量（810%）（3）中性：刚玉（Al2O3）；高铝矾土 (Al2O3-SiO2）；磷酸（H2PO3）感应炉的炉衬主要分为酸性和碱性两种7-233.坩埚的打结2）打结方法：感应器内部和底部铺35层玻璃丝纤维布（或石棉板）打结坩埚底放坩埚模型分层打结坩埚壁打结炉领。7-243.坩埚的打结3）烘干：（1）自然干燥：三天左右（2）烘烤： 间断通电； 低功率（1030%），逐渐加大； 保证一定时间，58h。7-254.熔炼：以酸性中频感应电炉不氧化法

52、为例1）装料：小块炉子底部和中间； 大块贴近坩埚壁。要求：（1）炉料尽可能低S低P； （2）成分明确，精确配料； （3）炉料尽可能排列紧密，尺寸不要太 大、太小，炉料表面无锈无油。7-262）通电熔化：（1）开始10分钟左右，用小功率（4060%）；（2）电流稳定后，加大功率；（3）防止“搭桥”。7-274.熔炼：以酸性中频感应电炉不氧化法为例3）造渣：（1）炉料大部分熔化后，加入造渣材料： 造型新砂60%、碎石灰20%、萤石粉20%； 碎玻璃、稻草灰； 集渣剂。（2）造渣材料加入量： 以复盖住钢水为准； 钢水量的1.01.5%。7-284.熔炼：以酸性中频感应电炉不氧化法为例4）脱氧和调整成

53、分（加合金）：（1）炉料化清后碳钢用Mn-Fe、Si-Fe沉淀脱 氧；合金钢用Mn-Fe、Si-Fe（再加Si-Ca等） 沉淀脱氧。（2）化学成分调整后插铝终脱氧。4.熔炼：以酸性中频感应电炉不氧化法为例7-295）出钢（1）成分合格（2）达到要求温度出钢浇注例：ZG1Cr18Ni9Ti： T出：16201640 T浇：157016004.熔炼：以酸性中频感应电炉不氧化法为例7-305.其它几个问题1）酸性感应炉内元素的变化：元素CSiMnPSCrTiAl烧损(%)515103000510406030507-312）合金元素收得率：元素名称合金名称适宜加入时间收得率（%）酸性碱性NiCuMoW

54、NbCrMnSiVTiB电解镍电解铜Mo-FeW-FeNb-FeCr-FeMn-Fe或金属MnSi-FiV-FeTi-FeB-Fe装料时 出钢前10分钟出钢前710分钟出钢前57分钟出钢前用铝脱氧后加入出钢前加入或出钢时盛钢桶中冲熔1001009898 /95901009295 / /100100100100100979894979095988592507-323）铁合金的成分： 除了合金元素和Fe元素的含量外，还要注意不同的级别，即其他元素的含量。7-33四、碱性感应电炉炼钢中的脱氧和快速熔炼工艺1.感应炉的脱氧工艺 钢在非真空感应炉中熔炼时，氧气通过大气、 钢料及合金、 炉渣、 坩埚进入钢

55、液里，给钢的性能带来极大危害。7-341.1 氧在钢中存在的形式（1）溶解氧（2）化合氧（3）钢液中的总含氧量 溶解氧含量 + 化合氧含量7-35（1）钢液中的溶解氧使合金元素氧化，增大 烧损,且形成夹杂物。（2）钢液凝固过程中溶解氧与钢中的碳反应 生成CO气泡，在铸件内形成气孔。（3）钢凝固后，氧化物、硫氧化物以夹杂物 形态存在于钢中，对钢的性能产生明显 不利影响。1.2 氧在钢中的危害7-36（1）大气中的氧及水蒸汽。（2）炉渣中的氧化铁。（3）炉料带入的氧化铁及其他氧化物。（4）炉衬材料高温下氧化物的分解。1.3 氧进入钢液的途径 7-37 沉淀脱氧是向钢中加入对氧亲合力大于铁的元素，与

56、钢液中的溶解氧化合，形成不溶于钢液的氧化物，且该氧化物借助浮力自钢液中排出而使钢中含氧量下降的方法。1.4 脱氧方法之一 沉淀脱氧7-38（1）选择脱氧元素的原则 对氧的亲合力要强。脱氧能力顺序为： Ba、Ca、Ce、La、Mg、Be、Zr Al、Ti、B、Si、C、V、Mn、Cr7-397-40 具有与钢相似的熔点、比重，且沸点高、 溶解度大。 与氧形成的产物容易聚集长大自钢液中浮 出。 钢中能容许残留的脱氧元素存在。7-41 单一元素脱氧时，其氧化物熔点高于钢,不利于聚集上浮。 SiO2 1723/2.38 MnO 1850/5.37 CaO 2570/3.34 A12O3 2050/3.

57、96（2）单一元素脱氧剂与复合 元素脱氧剂7-42 复合元素脱氧时,生成复合氧化物，熔点下 降，容易聚集上浮。 MnOSiO2 1291/3.72 3MnO3SiO2A12O3 1195/4.18 3CaOSiO2 1475/2.9 综上所述: 硅、锰是复合脱氧剂中必不可少 的元素。7-43（3）几种沉淀脱氧剂的特点 锰(锰铁、金属锰、电解锰） 硅（硅铁、结晶硅） 锰和硅（分别使用或锰硅合金） 铝（纯铝） 铝-硅-锰合金7-44 钙合金（硅钙合金、硅钙锰合金、硅钙铝钡合金） 如：硅钙铝钡的成份 Ca 1013% Si 3550% Al 1921% Ba 921% Fe 余量稀土元素（镧、铈、镨

58、、钕） 其他脱氧元素(镁、钛、锆、硼) 7-451.5 脱氧方法之二 扩散脱氧 根据能斯脱分配定律，能同时溶解于炉渣和钢液两相中的氧，在一定温度下，溶解反应达到平衡时，两相中氧的浓度比为常数。扩散脱氧就是向炉渣中不断加入脱氧剂，使炉渣中氧（FeO）降低;而钢液中的氧将不断地向炉渣扩散,直到新的平衡为止,从而降低了钢液中氧含量,这就是扩散脱氧的原理。扩散脱氧剂有碳粉、硅铁粉、铝粉、硅钙粉、碳化钙、铝石灰等。7-46(1)影响扩散脱氧的因素温度 钢渣接触面大小 炉渣成份7-47(2)扩散脱氧剂的选择 脱氧能力与效果 残余的脱氧元素对钢的性能的影响(3)感应炉不利于扩散脱氧的原因 熔池的上表面积与体

59、积之比小 渣层温度低 熔化时间短7-48（1）沉淀脱氧能使钢中含氧量降到较低水平， 但在钢中留下氧化夹杂物多。（2）扩散脱氧降低含氧量的速度较慢，但氧化 夹杂物数量最少。（3）先扩散脱氧后，再进行沉淀脱氧可以进一 步降低钢中的氧和夹杂物的含量。*（4）也可采用先沉淀脱氧，再进行扩散脱氧 的复合脱氧法。1.6 综合脱氧法7-492.钢中的非金属夹杂物（选学）钢在熔炼和浇注过程中,形成的各种氧 化物、硫化物、以及其复合化合物,均 以夹杂物的形态存在于钢中,现代的冶 炼技术还不可能将它们完全彻底从钢 中排除。7-50研究表明夹杂物的数量、大小、形态 和分布状况对钢的性能有明显的影响, 当夹杂物含量降

60、到一定水平时,钢材性 能将发生质变的提高。7-51在当前冶金和铸钢行业已将生产纯净钢作为技术进步的主攻方向，这首先要在熔炼中对钢中的夹杂物进行严格的冶金控制。7-52 一些围绕纯净钢生产的精炼技术如 AOD炉、VOD炉、电渣熔铸、喂 线技术、钢包吹氩及喷粉技术等 等，已得到推广应用。7-53（1）简单型氧化物的夹杂。（2）复合型氧化物的夹杂。（3） 简单型硫化物的夹杂。（4） 复合型硫化物的夹杂。（5） 氮化物夹杂。（6） 硫氧化物的夹杂。2.1 钢中夹杂物的种类7-542.2 非金属夹杂物的性质和特点 （1）夹杂物的塑性 脆性不变形夹杂物。 如Al2O3 CeS TiN 半塑性夹杂物。 如F