铸钢基本知识

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3）二次结晶特点
（1）先共析F ①冷速慢，晶粒小→网状、块状F； ②冷速快，晶粒大→魏氏针状Fw。
（2）影响Fw形成的主要因素 ①含碳量中等：0.20-0.40%；②冷却速度快（二次 结晶）；③A体晶粒大。
（3）Fw对性能的影响 塑性、韧性↓，可用热处理消除。
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4）A区特点
铸造碳钢——A粒化，无枝晶；铸造合金钢——有枝 晶。
（2）二次结晶：铸钢在固态下发生相变。GS-GP-PS范围 内。
（3）奥氏体：在一次、二次结晶区间中间。
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2）一次结晶的特点
一次结晶（δ的析出和包晶反应）对铸件晶粒的大小以 及夹杂分布、气孔、缩孔、缩松的形成有重大影响。
（1） δ晶粒愈细，包晶反应过冷度愈大→形成的A体晶 粒愈细；
（2）不平衡结晶→成分偏析（宏观成分偏析）; （3）A体枝晶茂密，结晶偏析↓→晶间缩松↓,性能↑; （4）A晶粒度和晶粒形状。铸件从外向里：细等轴晶区 →柱状晶区→粗等轴晶区。
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②过热温度越高，冒口补缩越好，缩孔率越大。见下表。
ZG25的缩孔率
过热温度 1500 1550
1650
缩孔率% 6.3
7.4
9.5
1750 11.6
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③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。
铸造碳钢的浇注速度
铸件壁厚（mm）
30 20 10
型腔由液面上升速度 mm/s
20-24 30-36 60-72
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2）收缩
（1）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。
体积总收缩率
总体积收缩 原来体积
100 %
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如：0.30%C碳钢 D=7.84g/cm3 总体积收缩率：11.6%（1593-20℃） 其中：液态（1593-1504 ℃）：1.4%
1600-1620 1590-1610 1580-1600 1570-1590 1570-1590
浇注温度℃ 过热度℃
1560-1590 1550-1580 1540-1580 1530-1570 1530-1570
35-60 35-60 40-80 40-80 50-90
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②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。
铸钢及其熔炼
第1章 绪论
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1、铸钢件的特点
1）力学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）铸件各部分结构可设计均匀，能抵抗变形； 6）价格较低廉。
2
HT
σb
100-350
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例：脱氧操作对钢水流动性影响
脱氧剂种类及 先加 Si-Fe 先加Mn-Fe
加入次序
后加Mn-Fe 后加Si-Fe
流动性
65
140
（螺旋试样，mm）
Al-Mn-Si 或Si-Ca
150-180
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讨论:对氧的亲和力：Mn <Si<Al
①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。 ②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。 ③复合脱氧剂（Al-Mn-Si，Si-Ca）：更易形成复合低 熔点盐。
σs
/
δ
/
ak
/
ψ
/
HB
150-250
σ-1
/
QT
400-900 250-600
2-18 <60 小 180-300
200-300
KT
300-700 200-530
2-12 <60 小 120-270
200-250
ZG
400-2000 200-1800
4-40 15-200(U)
5-65 120-600
F+P
P
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③ 1. L →A 2. A 3. A →F 4. A →F析+Cm析
P
L+ A
F+A F+P
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3、关于钢的Fe-C相图的应用实例
1）根据成分确定碳钢中P、F的比例。
P：～0.80%C
F：～0%C
说明：（1）成分—冷速的关系
a.晶粒大小；b.偏析造成P、F比例差。
（2）合金元素对P、F比例的影响：一般而言，随
如 0.30%C碳钢，在 1410-1385℃ 时，σb= 0.76-2.15 N/mm2，δ= 0.23-0.44%。
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（3）热裂的影响因素：
①化学成分： 0.20%C左右（包晶点），Mn↑，P、 S↓——热裂抗力↑。见上图。
②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
外国：＞300T
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铸钢件生产工艺过程
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第2章 铸钢的结晶过程
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1、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 C<0.76%（不存在CmⅡ）； 3）只有介稳定系，而无稳定系。
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金相组织
铸铁
石墨
√
基体（P、F）
√
碳钢 × √
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2、结晶分析
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影响因素：
（3）浇注温度和浇注速度 ①浇注温度越高，流动性越好。但太高的浇注温度，
易导致热裂、粘砂、晶粒粗大等缺陷，所以也要适当控 制。
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铸造碳钢的浇注温度及过热度
牌号
ZG15 ZG25 ZG35 ZG45 ZG55
液相线 温度℃ 1525 1515 1500 1490 1480
出钢温度℃
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（1）热裂产生的条件 ①金属具有较大的线收缩，且受到阻碍； ②液态金属中存在低熔点夹杂的偏析； ③液态金属流动性差。
（2）热裂形成的过程 ① 热裂出现的温度范围——凝固后期，固相线附近； ② 铸件收缩过程中由于受型芯阻碍作用受到拉力；
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③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。
（1）化学成分
C：碳对实际流动性的影响最大。C↑→熔点↓→实际流 动性↑。
真正的流动性与结晶间隔有关，间隔大，流动性↓。 S：恶化流动性——由于MnS夹杂。 P：>0.05%，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↑。
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（2）钢液中的气体和夹杂物
气体↑，夹杂物↑ →流动性↓ ① 脱碳处理越好→ 气体、夹杂上浮，清理越彻底 →流动性↑ ② 脱氧操作越合适→流动性↑
[H]：1-3PPm [O]：60-80PPm [N]：80-110PPm
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1）氢：氢的危害
① 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；
② 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[H]=H2↑
[H] ↑ →塑性、韧性↓↓
（FeO）+2[H]=H2O+[Fe]
① 1. L → δ
L+ δ
2. L0.53+ δ0.1 → A0.16 3. δ →A A
A0.16+ δ0.1
பைடு நூலகம்
3-4
A
4. A →F
F+A
5. A →F析+Cm析 F+P
P
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② 1. L → δ
L+ δ
2. L0.53+ δ0.1 → A0.16 2-3 A
A0.16
3. A →F
A+F
4. A →F析+Cm析
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（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。
碳钢自由收缩率为 2.20-2.40% 碳钢受阻收缩率为 2.00-2.20%
线收缩率 l模型 l铸件 100% l铸件
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（4）热裂
铸钢件容易产生开裂，其分类为： 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。
合金元素加入量↑→则P量↑，而F量↓。
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2）过共析钢
（1）利用CmⅡ——抗磨用； （2）石墨钢（GⅡ）——用于轧辊。
3）相图与铸钢热处理
PSK -- A1； GS --A3； ES -- Acm。
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4、铸造碳钢结晶过程的特点
1）特征
（1）一次结晶：钢液浇入铸型后完全凝固成A体前的结晶。 AB-BC～JN-JE范围内。
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4）冷裂
铸件完全凝固后，冷却至塑性——弹性转变温度 （600-700℃）以下时产生的裂纹称为冷裂。
（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。
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（2）冷裂的影响因素
①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。
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4）除气措施
①熔炼时脱碳、脱氧：FeO+C→Fe+CO↑； ②浇注前静置（如3~5分钟）； ③真空熔炼； ④其他方法，如AOD法。
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3）氧：
固态钢中溶解度很小。 在500℃以下，氧在γ-Fe（A体）中只能溶0.0020.003%，在α-Fe（F体）中溶解<0.001%。
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氧的危害：
① 产生气孔[C]+[FeO]→[Fe]+CO↑ ② 形成SiO2、FeO、MnO、Al2O3等非金属夹杂物； ③ FeO和FeS作用，生成低熔点共晶。
铸件壁厚（mm）
30 20 10
型腔由液面上升速度 mm/s
20~24 30~36 60~72
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（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。
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缩孔和缩松的数量和分配与下述因素有关：
①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。
（1）世界铸钢产量统计
①铸钢约占钢产量的1%左右；铸件产量的15-20%； ②铸钢件总产量绝对数字增长快，目前已达2000万T/ 年左右； ③铸造合金钢比例增加，如德国、日本已升至40-50%， 一般占20-30%。
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（2）铸钢生产涉及的工业及部门 （3）铸钢生产水平的标志
①产量；②质量；③合金钢铸件的比重； ④品种；⑤熔炼设备；⑥产品。 最大电弧炉：中国：50T
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5、碳钢结晶对其铸造性能的影响
1）流动性：
定义：钢液充填铸型的能力称为流动性。用螺旋试样测 定。
零流动线：钢液在注入铸型后开始冷却并析出固相树枝 晶，当钢液的20%重量凝固成固相时，钢液停止流动。
真正流动性——同一过热度下（零流动线温度之上）； 实际流动性——同一浇注温度下。
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影响因素
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② 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。
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6、钢中的气体
钢中的气体主要是氢、氮和氧，危害最大的是氢。 严格的限制标准是：
170-600
3
2、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：40-70%； 4）适宜的热处理； 5）合理的铸件结构设计。
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3、铸钢生产概况
凝固（1504-1454 ℃）：3.0% 固态（1454-20 ℃）： 7.2%
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碳钢的体积总收缩率（%）
含碳量 （%）
0.10
体积总收缩率 （%）
10.5
0.40 11.3
0.70 12.1
1.00 14.0
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②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
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。
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2）氮：氮的危害
①在钢中形成针孔、气孔； ②和某些元素（Si、Zr、Al等）生产氮化物。 例：若钢水中N和Al的含量过高，则易生成AlN，产生 “石状断口”（脆性断裂）。
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氮好的作用方面：
氮扩大A体区（其作用为Ni的20倍）可用于制造Cr-MnN、Cr-Ni-N不锈钢，其加入量为0.20-0.35%（以BN、CrN、 ZrN合金加入）。