第八章 铸造高合金钢

8.2 铸造高锰钢（抗磨钢）
三、化学成分对高锰钢性能的影响
1. 含碳量和含锰量 ¾碳量：过低时，形变产生的硬化效果差；过高 时，水韧后仍可能有碳化物的析出，韧性降低。 ¾锰量：过低难于保证获单一奥氏体；过高不利 于加工硬化。 ¾Mn/C一般选8-10
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢）
高锰钢的磨损量与含碳量的关系 含碳量对高锰钢冲击韧性的影响
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢） ¾ 牌号表示举例
牌号
ZG1Cr13 ZGOCr18Ni9
C
0.080.15
≤0.08
ZGOOCrl8Ni10 ≤0.03
ZGOCr18Ni9Ti ≤0.08
Si
≤1.00 ≤1.50 ≤1.50 ≤1.50
化学成分，%
Mn Ni Cr
≤0.60
0.802.00 0.802.00
铸造合金及其熔炼
曾大新
第八章 铸造高合金钢
第八章 铸造高合金钢
什么是铸造高合金钢 ¾ 在铸造合金钢中，合金元素总量在10% 以上，具有特殊的使用性能。高合金铸 钢实际上是特种铸钢。
铸造高合金钢的特点 ¾ 与特种铸铁比较；有更高的性能，特别 是力学性能； ¾ 铸造性能、焊接性能及切削加工性比碳 钢和低合金钢差。
3. 铸造应力大 ¾因为高锰钢的导热性差。
第八章 铸造高合金钢 8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
3
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
一、不锈钢的类型与耐蚀机理
1. 不锈钢的分类 按成分 ¾ 为以铬为主的铬不锈钢 ¾ 以铬、镍为主的铬镍不锈钢。 按金相组织 ¾ 铁素体不锈钢 ¾ 奥氏体不锈钢 ¾ 马氏体不锈钢 ¾ 复相不锈钢
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
2. 热处理与组织 热处理：1050℃固溶后空淬， 500-600℃保温14h进行时效。 组织：板条状低碳马氏体+少量残余奥氏体+弥 散分布极为细小的富铜相。
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
3. 性能与应用 性能特点：高强度、高硬度。 应用：水轮机叶片等。
бb (MPa)
≤0.06 ≤0.6
0.50.8
12.0014.00
3.84.5
0.5-0.7
0.2
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
2. 热处理与组织
950-1100℃加热3h空淬， 620℃ 第回火4h，600℃ 二次回火。
组织：板条状低碳马氏体+少 量残余奥氏体。
性能:
бb (MPa)
бS (MPa)
720-750 480-502
δ (%)
16-22
Ψ
αk
(%) (105J/m2)
31-64 11-15
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
3.铬镍钼马氏体不锈钢的应用
这种钢具有较高的强度、硬度、抗磨性、用于 耐磨性要求较高的铸件，如水轮机转子。
不锈钢冲击式转轮
不锈钢混流式转轮
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
五、析出硬化不锈钢—抗磨耐蚀钢
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
¾ 牌号、成分举例
牌号
ZG1Cr18Ni9
化学成分，%
C Si Mn Ni Cr
≤0.12
≤1.0
1.0 2.0
8.011.0
17.0020.00
ZG1Cr18Ni9Ti
≤0.12
≤1.0
1.0 2.0
8.011.0
17.0020.00
ZG1Cr18Ni12M o2Ti
≤0.12
化学成分（%）
适用
C
Mn Si 范围
1. 10-1. 50 1. 00-1. 40 0. 90-1. 30 0. 90-1. 20
11.0-14.0
低冲击件 0.30-1.00 普通件
复杂件 0.30-0.80 高冲击件
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢） 2、铸态组织
ZGMn13钢的铸态组织
（A+M3C+P少量）
бS (MPa)
δ (%)
Ψ αk (%) (105J/m2)
HBW
1548 1348 16 36 5.8
404
*1050℃固溶处理后， 500 ℃时效的力学性能
7
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
六、不锈钢的发展趋势 1.低碳和超低碳不锈钢
¾提高钢的耐蚀性，也不论是什么牌号的不 锈钢,从耐蚀性的角度看,碳低的总优于碳 高的。
2
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢）
2. 含硅量
硅量0.3-1.0%，硅 降低碳在奥低体中 的溶解度，促进碳 化物析出。
3. 磷和硫
磷和硫是有害元 素，越低越好。
含磷量对高锰钢冲击韧性的影响
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢）
四、提高高锰钢性能的途径
1. 孕育和变质处理 目的：细化钢的晶粒和消除柱状晶，从而 提高韧性。 孕育处理 ¾ 加入钒、钛、铌、锆，形成这些元素的碳化物 或氮化物，起异质核心作用，采用冲入法。 ¾ 悬浮浇注：用钨粉或锰铁粉在浇注时撒布在钢 液上，起结晶核心作用。
1. 位错堆积理论 ¾ 这种理论认为高锰钢在经受强力挤压或冲击作 用后，晶粒内部产生相对滑移，在滑移面的两方 造成高密度位错，而位错阻碍滑移的进一步运 动，即起到位错强化的作用。
2. 形变诱导相变理论 ¾ 认为高锰钢中奥氏体是处于相对稳定状态，在 受力而发生变形时，由于应变诱导的作用，了生 奥氏体向马氏体的转变，在钢的表面产生马氏 体，因而具有高的硬度。
处理工艺 z固溶处理后，将钢加热至850-950℃，保温 （加钛4小时，加铌2小时 ），然后水淬。
奥氏体不锈钢晶界腐蚀
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
4. 铬镍不锈钢的用途 在硝酸、大部分有机酸、磷酸和碱等强 腐蚀性介质中均具有良好的耐蚀性，加 入钼、铜铬镍钢对硫酸的耐蚀性好，铬 镍不锈钢广泛应用于化工设备和石油加 工设备零件。
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢）
3. 合金化
目的：进一步提高屈 服强度和耐磨性。 方法：加入2%的铬或 1%的钼。
合金元素对高锰钢 屈服强度的影响
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢）
五、高锰钢的铸造性能
1. 流动性好 ¾因为高锰钢的导热性差，凝固慢。
2. 热裂倾向大 ¾因为高锰钢的线收缩大（自由收缩 2.5%-3.0%）。
金相 组织
铁氏体 铁氏体+马氏体
马氏体
铁氏体+碳化物
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
2. 金相组织
平衡状态：F+碳化物 铸态： F+M+碳化物 淬火组织
¾ ZG0Cr13：F ¾ ZG1Cr13：F+M ¾ ZG2Cr13：M
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
3. 热处理 目的（Cr13)
¾ 消除碳化物 ¾ 消除贫铬区 ¾ 得马氏体
第八章 铸造高合金钢
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢）
R.A.Hadfield(英）于1883年发明这种钢； 钢中能锰的公称含量13%，牌号ZGMn13.
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢） 一、高锰钢的化学成分、热处理及性能
1、成分特点
牌号
ZGMn13-1 ZGMn13-2 ZGMn13-3 ZGMn13-4
—
8.0011.00 8.0012.00
12.0014.00
17.0020.00
18.0020.00
0.80- 8.00- 17.002.00 11.00 20.00
其他
—
—
— Ti:5*（C0.02）-0.7
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
2. 不锈钢的耐蚀机理 形成Cr2O3钝化模 铬使铁基固溶体的电极电位提高 铬吸收铁的电子使铁钝化
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢）
四、提高高锰钢性能的途径
变质处理
¾加入稀土（0.1%-0.2%），减弱树枝状晶的 生长，减小柱状晶的比例。 2. 时效强化
目的：进一步提高硬度和耐磨性。 方法：加入固溶度随温度下降而降低的元 素，如钒、钛、钼等，水淬后在350℃时效 8-12h，析出弥散的颗粒状碳化物。
9 当平均含碳量≥1.00%时，用两位数字表示，如 11Cr17(平均含碳量为1.10%)；
9 当1.0%>平均含碳量≥0.08%时，用一位数字表示,如 2Cr13（平均含碳量为0.20%）
9 当0.08%>含碳量上限> 0.03%时，以“0”表示，如 0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%）
9 当含碳量≤0.03% （超低碳），以“00”表示，如 00Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%）
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
热处理工艺 淬火
¾ 将钢加热至奥氏体化区温度（ 10001050℃），保温（2小时左右），使铸 态中的碳化物充分固溶在奥氏体中， 然后水淬。
回火 ¾ 加热到750℃左右保温。
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
4. 铬不锈钢的应用
低铬（13%）：在空气及弱腐蚀性介质中耐蚀性 良好，在食品、医药和化工设备上用得较多.
奥氏体不锈钢晶界腐蚀奥氏体不锈钢晶界腐蚀8383铸造不锈钢耐蚀钢铸造不锈钢耐蚀钢铬镍不锈钢的用途铬镍不锈钢的用途在硝酸大部分有机酸磷酸和碱等强在硝酸大部分有机酸磷酸和碱等强腐蚀性介质中均具有良好的耐蚀性加腐蚀性介质中均具有良好的耐蚀性加入钼铜铬镍钢对硫酸的耐蚀性好铬入钼铜铬镍钢对硫酸的耐蚀性好铬镍不锈钢广泛应用于化工设备和石油加镍不锈钢广泛应用于化工设备和石油加工设备零件
高铬：对硝酸的耐蚀性高，适合于制造生产硝 酸的容器、管道、阀体等。
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
三、铸造铬镍不锈钢
1. 化学成分 ¾ 以铬、镍为主要合金元素、铬的公称含量为 18%，镍含量高于8%，镍使钢具有奥氏体组织。
5
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
三、铸造铬镍不锈钢
1. 化学成分 ¾ 以铬、镍为主要合金元素、铬的公称含量为 18%，镍含量高于8%，镍使钢具有奥氏体组织。 ¾ 加入少量碳化物形成元素钛、铌，使钢中基体溶 解多余的碳形成碳化钛、碳化铌，从而避免碳化 铬的形成； ¾ 加入钼、铜，提高对硫酸的耐蚀性； ¾ 加入硅，进一步提高对高浓度（98%）硝酸的及 其它氧化性酸类耐蚀性。
1. 化学成分 钢中加入Mo、Cu等元素，时效处理时在马氏 体基体上析出弥散硬化相，因而更进一步提高 了钢的硬度和抗磨性。
典型牌号和成分：
牌号 ZG17-4PH
化学成分，%
C Si Mn Cr Ni Mo Cu
≤0.07 ≤1.0
0.40.6
15.0017.00
3.54.5
0.4-0.6
2.53.5
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢） 4、高锰钢的应用
高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零 件。如拖拉机的履带板、球磨机衬板、破碎机 牙板、挖掘机铲齿和铁路辙岔等。
挖掘机
颚 式 破 碎 机
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢）
挖 掘
破 碎
机
机
铲
牙
齿
板 铁路辙岔
球磨机衬 板
履带
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢）
二、高锰钢的加工硬化机理
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢）
2、热处理及其组织
¾水韧处理--将钢加热到 1100-1100℃,使碳化物溶 入奥氏体，并进行水淬。 ¾组织：单一的奥氏体.
高锰钢水韧处理组织
高锰钢淬火组织与C、Mn关系
1
8.2 铸造高锰钢（抗磨钢）
3、高锰钢的性能 力学性能
¾σb>637-735MPa, σs>396MPa ¾HBS<229，受冲击或挤压后达450-550HBW 焊接性差 ¾因热导率低、和熔池中大量氧化锰夹杂 因加工硬化，难于切削加工。
6
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
四、铬镍钼马氏体不锈钢—抗磨耐蚀钢
1. 化学成分 以铬为主要合金元素，添加镍和钼，使钢具仍 很高的淬透性，从而使大型厚壁铸件能在油淬 或空泠条件下，得到马氏体组织。
典型牌号和成分：
牌号
化学成分，% C Si Mn Cr Ni Mo RE
ZG0Cr13Ni4MoR
4
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
二、铸造铬不锈钢
1. 化学成分
牌号
ZG0Cr13 ZG1Cr13 ZG2Cr13 ZGCr28
牌号、成分举例
化学成分，%
C
Si Mn Cr
≤0.08 ≤0.12 0.16-0.24
0.50-1.00
≤1.00
0.501.30
≤0.6
0.50.8
12.0014.00
26.0030.00
2.奥氏体-铁素体双相不锈钢
¾比奥氏体不锈钢力学性能更高，优良抗应 力腐蚀开裂能力；含镍量低于奥氏体不锈 钢，生产成本上有较大优势。
目的 z消除碳化物，得单一奥氏体。
处理工艺 z将 钢 加 热 至 奥 氏 体 化 区 温 度 （ 10501100℃），保温（2小时左右），使铸态中 的碳化物充分固溶在奥氏体中，然后水淬。
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
稳定化处理
目的 z使碳能充分与钛、铌作用生成碳化钛、碳 化铌，以将铬稳定在奥氏体晶粒内。
≤1.0
1.0 2.0
11.013.0
16.0019.00
其他
—
Ti:5*（C0.02）-0.7
Ti:0.3-0.7 Mo:2.0-3.0
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
2. 金相组织
平衡状态 ¾ A+F+碳化物
铸态 ¾ A+碳化物
淬火组织 ¾ 单一A
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
不锈钢的组织状态图
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
类型 铁素 马氏 奥氏 能性 体系 体系 体系 淬火性 无 可 无 耐蚀性 佳 可 优 可焊性 尚可 不可 优
磁性 有 有 无
不锈钢的性能比较
8.3 铸造不锈钢（耐蚀钢）
不锈钢的牌号
¾含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+…… ¾含碳量以千分之一为单位