铸造合金(高合金钢)

铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
铸造不锈钢的化学成分及性能
一、马氏体不锈钢
典型的马氏体不锈钢钢号有1Cr13～4Cr13等，又称为铬不锈钢。 铬不锈钢的公称含铬量为13%，是不锈钢中含铬最低的一种。铬属于缩 小奥氏体相区的元素，促使钢形成铁素体，它还提高钢的淬透性。
铸这态种下钢的得平到衡的组是织铁：素铁体素+体马+氏碳体化物+沿晶界分布的碳化物。因碳化物 中铬的含量大大超过平均含铬量，会形成晶粒内界面层贫铬，降 低钢的耐腐蚀性。因此要通过热处理来消除组织中的碳化物。
耐热钢的成分
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
耐热钢的成分
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
耐热钢的力学性能
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
稳定化处理 一般是在固溶处理后进行，常用于含Ti、Nb的18-8钢。
固处理后，将钢加热到850～900℃保温后空冷 。 在此高温下，一方面Cr的碳化物完全溶解；同时，可以形成钛、铌 的碳化物，而钛、铌的碳化物是稳定，使碳不可能再形成铬的碳化 物，因而有效地消除了晶间腐蚀。
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
❖加入Ti、Nb等能形成稳Βιβλιοθήκη Baidu碳化物（TiC或NbC）的元素，避免在 晶界上析出Cr23C6，即可防上奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。 为此，还要结合适当的热处理工艺。
❖通过调整钢中奥氏体形成元素与铁素体形成元素的比例，使其具有 奥氏体+铁素体双相组织，其中铁素体占5％—12％。这种双相组织 不易产生晶间腐蚀。
为消除碳化物进行淬火处理（1050-1100℃） 得到单一奥氏体组织—固溶处理。
奥氏体不锈钢是为了克服马氏体不锈钢耐蚀 性不足和铁素体不锈钢脆性过大而发展起来 的。基本成分为Crl8％、Ni8％简称18－8钢。 一般含碳量低于0.1％，利用Cr、Ni配合获得 单相奥氏体组织。
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
两者（低碳/微碳、纯净化）都需要对钢液进行炉外精炼。
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
铸造耐热钢
耐热钢的主要合金元素与不锈钢相近，由于工作温度在650 ℃ 以上，所以含碳量较不锈钢高。普通工程用耐热钢牌号、化学 成分及力学性能。
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
合金元素对铬镍不锈钢组织的影响
合金元素较多，常分为两类：
以铬为主的铁素体形成元素;以镍为主的奥氏体形成元素（Ni、C、Mn、N）；
通常按每一元素相应作用大小，折合成铬当量和镍当量。
Cr当量 Cr Mo 1.5Si 0.5Nb100%
Ni当量 Ni 30C 0.5Mn 100%
高锰钢的组织、性能特点
高锰钢的铸态组织 奥氏体+碳化物+珠光体。
沿晶界析出的碳化物降低钢的韧性， 为消除碳化物，必须进行热处理。
水韧处理 ：将钢加热到奥氏体区温 度（1050~1100℃）保温，使铸态组 织中的碳化物基本上固溶到奥氏体 中，然后在水中淬火，得到单一的 奥氏体组织（或奥氏体+少量的、 颗粒状碳化物）。
牌号
C
Si
Mn
SP
ZGMn13-1 1.1~1.5
0.3~1.0
0.09
ZGMn13-2 1.0~1.4
11.0~14.0 0.05
ZGMn13-3 0.9~1.3
0.08
0.3~0.8
ZGMn13-4 0.9~1.2
0.07
适用范围 低冲击件
普通件 复杂件 高冲击件
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
1.不同点在于前者降低了含碳量，增加了镍的含量，添加一定量的钼和钛。 2.前者的成分设计对提高耐蚀性是有利的。增加镍的含量、降低含碳量，有利于 获得奥氏体组织、避免（减少）晶间碳化物的形成，添加一定量的钼和钛有助于 铬固溶于奥氏体组织中，并且可以通过稳定化热处理来提高耐蚀性。
❖钢液净化（夹杂破坏钝化膜的连续性）
第八章 铸造高合金钢
第一节 概述
高合金钢中合金元素（一种或多种，常用的合金元素有Mn、Cr、Ni、Mo） 总量大于10% 。此时，钢的组织发生很大的变化，使钢具有特殊的使用性能。 如抗磨性、耐腐蚀性、耐热性等。因此，高合金钢实际上就是特种钢。
与特种铸铁相比，高合金钢具有更高的性能，特别是力学性能。韧性更好， 耐冲击。适用于重载、冲击、振动条件下，具有更好的可靠性、安全性。
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
第一节 铸造不锈钢
一.不锈钢及其耐腐蚀原理
腐蚀包括两方面：化学腐蚀、电化学腐蚀。
通用的不锈钢可概括地分为两类，即铬不锈钢和铬镍不锈钢， 主要不锈钢的钢号、成分、用途见p217表8-2。若按使用的组织 可划分为马氏体（M）不锈钢、铁素体（F）不锈钢、奥氏体（A） 不锈钢和奥氏体-铁素体（A-F）双相不锈钢。
时效强化
加入固溶度随温度下降而降低的合金元素（V、Ti、Mo），水韧处理后，
在350 ℃/8-10小时的人工时效时，可在奥氏体中弥散地析出富V、Ti、
Mo的碳化物颗粒，从而明显地提高高锰钢的硬度和抗磨性 。
合金化
高锰钢的屈服强度比拉伸强度低的多。 为此可加入2%Cr或%Mo，改性高锰钢； 超高锰钢。
由于含有大量的合金元素，在铸造性能、焊接性能及切削性能等方面均比 碳钢、低合金钢差。
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
第二节 高锰钢（Hadfield Steel）
高锰钢是一种应用广泛的耐磨钢，其公称含锰量为13%， 牌号为ZGMn13。
铸态组织：奥氏体+碳化物和少量的珠光体，脆性大；
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
高锰钢的铸造性能
流动性 因锰量高，液相线温度低，导热性差，凝固慢，流动性好；
热裂倾向 收缩大，高温强度低；
应力 导热差，应力大 ；
粘砂 钢液中含有较多的碱性氧化物（MnO），当使用硅砂作为 造型材料时，容易产生化学粘砂。
铸造合金及其熔炼
第二节 高锰钢（Hadfield Steel）
一.高锰钢的碳—锰含量、热处理及性能
工程上高锰钢作为抗磨材料使用，主要成分为：0.9-1.4% C，11.0-14.0%Mn。 碳量高、则硬度高、脆性大，适用于低冲击条件； 碳量低、韧性好，可用于高冲击的条件下。 我国的高锰钢的技术条件中，按用途将高锰钢分为四个牌号。
（1）加入合金元素，提高基体的电极电位，从而提高钢的抗电化学腐蚀能力。
（2）加入合金元素使钢的表面形成一层稳定的、致密的与钢的基体结合牢固 的钝化膜。从而提高钢的耐化学腐蚀能力。
（3）加入合金元素使钢在常温时能以单相状态存在，减少微电池数目从而 提高钢的耐蚀性。 （4）加入Mo、Cu等元素，提高钢抗非氧化性酸腐蚀的能力；加入Ti、Nb等元素， 消除Cr的晶间偏析，从而减轻了晶间腐蚀倾向；加入Mn、N等元素，代替部分Ni 获得单相奥氏体组织，同时能大大提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。
铸造镍铬不锈钢（奥氏体不锈钢）
晶间腐蚀 这是由于在晶界上析出富Cr的Cr23C6。使其周围基体产生贫铬 区，从而形成腐蚀原电池而造成的。生产中经固溶处理后有时发现在晶界 处仍有少量碳化物析出，这样将导致晶间腐蚀。对此，可采取以下措施：
❖严格控制碳含量，尽量降低碳量（碳量降至0.03％以下即可满足 抗晶间腐蚀性能的要求）
水韧处理后碳化物固溶于奥氏体得到单一的奥氏体组织， 具有很好的塑性、韧性；
服役过程中受到很大的冲击载荷或接触应力时，表层奥氏体 产生加工硬化现象，硬度迅速提高具有很好的耐磨性。
常用于制造球磨机衬板、挖掘机斗齿、破碎机颚板、坦克和 拖拉机的履带板等。
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
硅含量：Si降低碳在奥氏体中溶解度，促使碳化物析出，使抗磨性、 韧性下降。
磷含量：锰铁中含磷高，因此高锰钢的含磷量较高，降低韧性，易开裂；
硫含量：因锰高，硫的含量较低，有害作用较小。
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
提高高锰钢性能的途径
孕育和变质：
孕育：V、Ti、Nb、Zr等形成碳化物和氮化物起异质形核作用，细化晶粒； 变质：加入稀土抑制、削弱树枝晶的生长，减小柱状晶的比例，提高韧性。
加热到1000-1050℃保温奥氏体化，然后水淬，因淬火后形成较大 应力还须回火处理（750℃）。
在温度不高的、弱腐蚀性介质中有良好的耐蚀性。如食品、医药等行业。
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
铸造不锈钢的化学成分及性能
二、铸造镍铬不锈钢（奥氏体不锈钢）
铬镍不锈钢的公称含铬量为18%，当钢中 镍量达到8%时，平衡组织为铁素体+奥氏 体+碳化物。但铸造条件下，共析转变来 不及进行因而得到奥氏体组织+碳化物。
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
铸造镍铬不锈钢（奥氏体不锈钢）
热处理(固溶处理+稳定化处理 )
固溶处理 将钢加热到1050～1150℃后水淬，主要目的是使碳化
物溶于奥氏体中，并将此状态保留到室温 ，这样钢的耐蚀性会有 很大改善。对于薄壁件可采用空冷 ，一般情况采用水冷。
铬镍不锈钢的组织可根据铬当 量和镍当量由右图大致判断。
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
提高铸造不锈钢性能的途径
❖降低含碳量（尽量避免碳化铬的形成）
➢分析奥氏体钢ZG0Cr18Ni12Mo2Ti成分与标准18-8型奥氏体钢ZG1Cr18Ni9 的不同点，从组织及耐蚀性两方面阐述成分设计是如何考虑的？
铬是主要合金元素，铬溶于铁的晶格中形成固溶体，当铬量大于 12%时，能够在钢的表面形成一层致密的氧化膜（Cr2O3），其化 学稳定性很高，能保护内部组织；同时，铬固溶于铁素体提高其 电极电位，减轻电化学腐蚀 。
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
不锈钢的合金化原理
提高材料的耐蚀性的关键是合金化，通过合金化并结合热处理获得理想的组 织，其方法如下：
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
高锰钢的性能特点
性能特点
❖ 加工硬化 ❖ 焊接性能差 ❖ 难以切削加工
高锰钢的加工硬化机理
位错堆积理论
形变诱导相变理论 ?
铸造合金及其熔炼
`
2003@合肥工业大学材料学院材料成型与控制
化学成分对高锰钢性能的影响
碳、锰含量：碳锰间应有合适的配合，一般选择 Mn/C为8-10，碳量过 低，加工硬化效果差；碳量过高，热处理时困难、且处理后仍会有碳化物 析出； 为获得单一的奥氏体组织需要足够的锰量，但过高的锰量不利于 钢的形变硬化