第十章鑄造高合金鋼

1、南昌航空大學(xué)鑄造工程系第十章 鑄造高合金鋼p 概述p 鑄造不銹鋼p 鑄造耐熱鋼p 鑄造耐磨鋼p 鑄造高合金鋼的鑄造性能南昌航空大學(xué)鑄造工程系10-1 概述p 定義 鑄造高合金鋼是指合金元素總量超過1010-2的特種鑄鋼。p 合金元素的作用 鋼中加入大量合金元素，使組織發(fā)生了很大變化，使鋼具有特殊的使用性能。p 分類 鑄造高合金鋼按用途可分為：不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、耐磨耐蝕鋼、低溫鋼和工具鋼等。南昌航空大學(xué)鑄造工程系概述（續(xù)）優(yōu)點(diǎn)1、具有良好的綜合機(jī)械性能。2、具有特殊的使用性能。p 不銹鋼具有良好的耐蝕性和抗氧化性。p 耐磨鋼良好的耐磨性。p 耐熱鋼可用于工作溫度高于500的鑄件。南昌航空大

2、學(xué)鑄造工程系概述高合金鋼的應(yīng)用發(fā)動機(jī)葉片、多種泵葉輪、大型運(yùn)載火箭液體燃料貯箱，廣泛用于石油、化工、航空、電力、冶金等工業(yè)中。 南昌航空大學(xué)鑄造工程系10-2 鑄造不銹鋼 南昌航空大學(xué)鑄造工程系分類鑄造不銹鋼通常是指在大氣或某些強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕的鋼，一般又稱為鑄造不銹耐酸鋼。p按成分可分為： 鉻鋼、鉻鎳鋼和鉻錳氮鋼。p按顯微組織可分為： 馬氏體、鐵素體、奧氏體、奧氏體鐵素體和沉淀硬化不銹鋼。南昌航空大學(xué)鑄造工程系金屬的腐蝕p 定義指金屬表面在周圍介質(zhì)作用下逐漸引起破壞現(xiàn)象。p 分類按腐蝕機(jī)理分： 化學(xué)腐蝕：金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的破壞。 電化學(xué)腐蝕：金屬與電解質(zhì)溶解液發(fā)生電化學(xué)

3、作用而破壞。南昌航空大學(xué)鑄造工程系鋼的電化學(xué)腐蝕鋼的電化學(xué)腐蝕p 電化學(xué)腐蝕形成的條件 有電極電位差存在 有電解液（電解質(zhì)） 應(yīng)互相接觸（必須有導(dǎo)體聯(lián)系或直接接觸）p 電化學(xué)腐蝕的實(shí)質(zhì)就是形成原電池p 電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn) 產(chǎn)生電流 產(chǎn)物溶于電解質(zhì)中，而不存在于表面上 范圍廣、危害大南昌航空大學(xué)鑄造工程系p 金屬的鈍化 指活潑金屬由易腐蝕的活性狀態(tài)變?yōu)槟透g的鈍性狀態(tài)。p 途徑n 提高鋼的電極電位，減輕電化學(xué)腐蝕傾向。n 在鋼表面形成一層鈍化膜，提高抗蝕性。n 在合金組織中盡可能獲單相組織，降低鋼的陰極活性，提高鋼的耐蝕性。p n/8規(guī)律對于大多數(shù)固溶體合金，當(dāng)易鈍化合金元素為1/8，2/8，3/

4、8n/8的原子分?jǐn)?shù)時(shí)，其抗蝕能力便突然提高。提高鋼的抗蝕性途徑南昌航空大學(xué)鑄造工程系奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼是技術(shù)價(jià)值最高，應(yīng)用最廣泛的耐蝕材料，一般含有一定量的鉻和鎳，稱為鉻鎳不銹鋼，最具有代表性的是含18%Cr、8-11%Ni的18-8型不銹鋼。p 優(yōu)點(diǎn) 具有比馬氏體、鐵素體都好的耐蝕性；具有較好的綜合機(jī)械性能；具有良好的鑄造性能和可焊性。p 缺點(diǎn) 簡單成分的奧氏體不銹鋼強(qiáng)度低，且具有晶間腐蝕傾向。南昌航空大學(xué)鑄造工程系 Cr的作用在不銹鋼中的作用 在鋼的表面形成Cr2O3保護(hù)膜；按照n/8 (Cr與Fe的mol比)的規(guī)律提高金屬基體的電極電位。南昌航空大學(xué)鑄造工程系p Cr：（18%1/

5、8）n鋼中存在一定的C，而與Cr形成碳化鉻而消耗掉部分Cr；n 考慮到化學(xué)成分的不均勻，尤其是鑄造合金的偏析。p含Cr為18-20%的鉻鋼抗蝕性：n在大氣、水等自然條件下相當(dāng)穩(wěn)定。n在HNO3及其它強(qiáng)氧化性介質(zhì)中具有優(yōu)良抗蝕性。n在鹽酸、硫酸及弱氧化性介質(zhì)中抗蝕性能差。18-8型不銹鋼的抗蝕性南昌航空大學(xué)鑄造工程系Ni：（8%）p Ni擴(kuò)大A體區(qū)。p Ni化學(xué)性不活潑，具有高的化學(xué)穩(wěn)定性。p Ni可提高鋼的電極電位，減輕電化學(xué)腐蝕，提高抗蝕性。p Ni還能提高鋼的耐熱性。18-8型不銹鋼的抗蝕性（續(xù)）南昌航空大學(xué)鑄造工程系p 鋼在平衡狀態(tài)下的組織為奧氏體、鐵素體和碳化物；p 在鑄造條件下，共析

6、轉(zhuǎn)變來不及進(jìn)行；p 常溫下得到的組織為奧氏體和碳化物；p 為了消除碳化物，可將鋼進(jìn)行固溶化處理。18-8型不銹鋼組織南昌航空大學(xué)鑄造工程系p 定義 晶間腐蝕是指這種鋼在500800的溫度范圍內(nèi)保溫一段時(shí)間，在標(biāo)準(zhǔn)腐蝕條件下沿晶界會發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。p 危害性 晶間腐蝕危害性極大，針對削弱晶粒間的結(jié)合力，降低鋼的強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)會使鋼完全粉碎。p 原因 晶間腐蝕是由于碳化物(Cr、Fe)23C6沿晶界析出而引起其周圍區(qū)域鉻的貧化所致。18-8型不銹鋼的晶間腐蝕南昌航空大學(xué)鑄造工程系消除晶間腐蝕的方法p加入合金元素：提高基體的溶碳能力。p熱處理：將碳化物固溶到基體之中。南昌航空大學(xué)鑄造工程系p 工藝 加

7、熱到1050，經(jīng)保溫一段時(shí)間后，在空氣或水中迅速冷卻。p 目的 在于使碳化物溶解獲得單一的奧氏體組織，使鋼具有良好的抗蝕性，高的塑性和韌性，低的強(qiáng)度。18-8型不銹鋼的熱處理固溶處理南昌航空大學(xué)鑄造工程系對于含Ti和Nb的18-8型不銹鋼進(jìn)行的穩(wěn)定化處理。p 定義 充分發(fā)揮鈦的作用，使鋼中盡可能多的C都形成TiC，并將鉻穩(wěn)定在奧氏體基體中的熱處理方法稱為穩(wěn)定化處理。p 工藝 穩(wěn)定化處理是將鋼加熱到高于(Cr、Fe)23C6完全溶解的溫度，而低于TiC（或NbC）完全溶解的溫度，即850900，保溫一定時(shí)間,然后在空氣中冷卻。 18-8型不銹鋼的熱處理穩(wěn)定化處理南昌航空大學(xué)鑄造工程系 合金元素在

8、鑄造低合金鋼中有什么作用？ 稀土元素在鑄造低合金鋼中有什么作用？ 什么是回火脆性，如何消除？ 基本概念：穩(wěn)定化處理、金屬的鈍化 提高鋼抗蝕性的途徑有哪些？ 18-8型不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的原因，列舉3個(gè)防止措施？ 課前思考題課前思考題南昌航空大學(xué)鑄造工程系一種節(jié)鎳的不銹鋼，用錳和氮代替部分鎳；其含鉻量與18-8型鋼相同，用8%Mn和0.2%N來取代4%Ni。其優(yōu)缺點(diǎn)如下：p 機(jī)械性能優(yōu)于鉻鎳鋼；p 流動性好，但易產(chǎn)生縮孔、氣孔等缺陷；p CrMnNiN不銹鋼抗蝕性比鉻鎳鋼差。Cr-Mn-N不銹鋼南昌航空大學(xué)鑄造工程系在18Cr-8Ni型基礎(chǔ)上加Ti，Ti的作用主要是防止產(chǎn)生晶間腐蝕。p 鑄態(tài)組織

9、ZG1Cr18Ni9Ti在較慢的冷卻條件下或在鑄態(tài)下的組織為奧氏體、鐵素體和碳化物。p 熱處理 為了得到單相奧氏體組織，需固溶處理。此鋼鑄件經(jīng)950-1050固溶處理和850-870的穩(wěn)定化處理。ZG1Cr18Ni9Ti不銹鋼南昌航空大學(xué)鑄造工程系深圳市民中心玻璃幕墻南昌航空大學(xué)鑄造工程系寧波機(jī)場玻璃幕墻南昌航空大學(xué)鑄造工程系p 成分 鉻量為(11.7-18)10-2；按碳含量，Cr13型鋼有五個(gè)牌號：0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13，作為鑄造不銹鋼的是ZG1Cr13和ZG2Cr13。p 組織 馬氏體不銹鋼在高溫下具有奧氏體組織，當(dāng)以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s至室溫時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變

10、為馬氏體。p 性能Cr13型鋼在大氣、水和硝酸中具有良好的抗蝕性，但在鹽酸中較差。 Cr13型馬氏體不銹鋼南昌航空大學(xué)鑄造工程系p 目的目的消除鋼中的碳化物，保證其抗蝕性和綜合機(jī)械性能。p 工工 藝藝退火：退火：目的為了消除鑄造應(yīng)力。淬火：淬火：為了得到M體，防止碳化物析出 控制溫度：10001050 淬火組織：ZG1Cr13為M+F體，ZG2Cr13為單一M體回火：回火：為了消除淬火應(yīng)力并獲得良好的綜合機(jī)械性能。Cr13型不銹鋼的熱處理南昌航空大學(xué)鑄造工程系10-3 鑄造耐熱鋼 南昌航空大學(xué)鑄造工程系鑄造耐熱鋼的概念和分類p 概念 指在高溫下具有良好的抗氧化性和熱強(qiáng)性的鋼種。p 按使用性能分

11、類n 熱穩(wěn)定鋼：要求鋼在高溫下具有良好的抗氧化性，而對高溫強(qiáng)度無嚴(yán)格要求。n 熱強(qiáng)鋼：要求鋼在高溫下同時(shí)具有抗氧化性和強(qiáng)度。p 按組織分類 珠光體、鐵素體、馬氏體和奧氏體。南昌航空大學(xué)鑄造工程系鋼的氧化鋼的氧化通常是指在高溫氧化性氣氛中被氧化腐蝕的現(xiàn)象，它是化學(xué)腐蝕的一種。p 金屬的氧化反應(yīng)： M + 1/2O2 MOp 反應(yīng)可能性判別條件：n從分解壓力 Po2 PMO 金屬被氧化 Po2 PMO 金屬不被氧化n 從熱力學(xué) G 1p影響因素： 膜的化學(xué)穩(wěn)定性。 膜與基體間的附著性。 膜的塑性（不能脆性）。表面膜及其具有保護(hù)性的條件南昌航空大學(xué)鑄造工程系金屬的氧化速度與溫度間呈指數(shù)關(guān)系，即 lg

12、V = Q / 2.3RT + A 式 中： V氧化速度g(m2h)-1； T絕對溫度，k； Q氧化過程的活化能； A常數(shù)； R氣體常數(shù)。金屬的氧化速度南昌航空大學(xué)鑄造工程系p 改變氧化層結(jié)構(gòu) 鋼中加入合金元素，生成尖晶石型氧化物FeOM2O3 或Fe2O3MO，則鋼就具有良好的抗氧化性。p提高出現(xiàn)FeO的下限溫度 鋼中加入合金元素，在與鐵形成固溶體的情況下，如果能提高出現(xiàn)FeO的下限溫度，也可以提高鋼的抗氧化性。提高鋼的抗氧化途徑南昌航空大學(xué)鑄造工程系p 合金元素主要有Cr、Al、Si，其次是Ni和Ti 。 p 作為抗氧化元素具有特別意義的是Cr，雖然Si、Al作用比Cr大，但它們在鋼中的含

13、量不允許過多，所以Si、Al常常是與Cr配合使用的。p 加入一定量的Cr就能在鋼的表面上形成一層含Cr的致密氧化膜（FeOCr2O3或NiOCr2O3 ），能夠牢固的附著于鐵的表面上不易剝落。 提高鋼抗氧化性的合金元素南昌航空大學(xué)鑄造工程系p 特點(diǎn)特點(diǎn)鑄造熱穩(wěn)定鋼與同類型的不銹鋼相比，其含C量高，含Cr量也偏高，同時(shí)加入少量的其它元素，以提高鋼的高溫強(qiáng)度。p 分類分類鐵素體熱穩(wěn)定鋼：ZG30Cr26Ni5。奧氏體熱穩(wěn)定鋼：ZG45Cr25Ni20。鑄造熱穩(wěn)定鋼鑄造熱穩(wěn)定鋼南昌航空大學(xué)鑄造工程系1、提高熱強(qiáng)性方法 鋼中加入某些合金元素，通過固溶強(qiáng)化，時(shí)效強(qiáng)化等方式以提高其高溫強(qiáng)度。Cr：提高鋼的

14、抗氧化性，有一定的固溶強(qiáng)化效果，與C 形成碳化物。W、Mo、Nb、V、Ti 等高熔點(diǎn)元素或強(qiáng)碳化物形成元素，主要起固溶強(qiáng)化作用，也可通過碳化物的時(shí)效析出而強(qiáng)化合金。2、分 類馬氏體熱強(qiáng)鋼：ZG1Cr11Ni2WMoV。奧氏體熱強(qiáng)鋼：ZG2Cr21Ni11W2.5。鑄造熱強(qiáng)鋼南昌航空大學(xué)鑄造工程系10-4 鑄造耐磨鋼 南昌航空大學(xué)鑄造工程系概述p零件在承受強(qiáng)烈沖擊的同時(shí)，能夠低抗住堅(jiān)硬磨料的磨損。如：拖拉機(jī)與坦克車的履帶板，鐵路上的道叉，挖掘機(jī)的鏟齒等。p為了滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的要求，金屬材料應(yīng)具有高韌性的同時(shí)要具有高的硬度。p普通碳鋼的韌性較高，但硬度不夠；白口鐵的硬度足夠，但韌性太低。南昌航空大學(xué)

15、鑄造工程系高錳鋼的發(fā)展歷史與趨勢o1883年，英國人發(fā)明了高錳鋼，這種鋼的特點(diǎn)是在強(qiáng)烈沖擊的條件下，具有良好的抗磨性，而在無沖擊的條件下抗磨性很差。o在中等沖擊條件下，損失一點(diǎn)韌性，提高高錳鋼的磨前硬度是高錳鋼要研究的內(nèi)容之一。南昌航空大學(xué)鑄造工程系高錳鋼的成分、鑄態(tài)組織與性能p成分 C：0.91.3%, Mn:1114%, 0.31.8%, P0.09%, S0.05%，Mn是強(qiáng)烈擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，可將奧氏體擴(kuò)大到室溫，使奧氏體在室溫下穩(wěn)定存在。p鑄態(tài)組織 奧氏體少量的珠光體(Fe, Mn)3Cp鑄態(tài)性能 由于(Fe, Mn)3C分布在晶界上，故很脆南昌航空大學(xué)鑄造工程系高錳鋼熱處理p目的

16、 消除鑄態(tài)組織中的碳化物，獲得單一的奧氏體組織。p熱處理工藝(水韌處理)：南昌航空大學(xué)鑄造工程系水韌處理后的組織與性能o組織 奧氏體o性能ak15105J/m2 HB230南昌航空大學(xué)鑄造工程系高錳鋼加工硬化機(jī)理(1) 在奧氏體內(nèi)部，滑移面兩側(cè)塞積大量的位錯(cuò)，使奧氏體的硬度增加。 證據(jù)：加熱到500時(shí)，硬度復(fù)原。(2) 淬火奧氏體不穩(wěn)定，變形時(shí)誘導(dǎo)馬氏體產(chǎn)生，硬度增加。 證據(jù)：電鏡下可以看到右馬氏體存在。南昌航空大學(xué)鑄造工程系p 鑄造低溫鋼低溫鋼是指在低溫下（-100）工作的鋼種，在低溫下具有良好的綜合性能。p 鑄造耐磨耐蝕鋼鉻是主要合金元素，含量為1310-2，碳含量較低，使鋼具有良好的耐蝕

17、性；鎳和鉬，使鋼具有很高的淬透性，使鋼具有很高的硬度，提高耐磨性。p鑄造工具鋼典型鑄造工具鋼的牌號是ZGW18Cr4V ，經(jīng)淬火（12601290）和回火（550580）后的組織為回火馬氏體和碳化物，具有良好的切削性能。其它鑄造高合金鋼南昌航空大學(xué)鑄造工程系10-5 鑄造高合金鋼的鑄造性能南昌航空大學(xué)鑄造工程系流動性p 合金元素的影響碳 碳含量提高，熔點(diǎn)下降，流動性提高。鉻 鉻含量提高，易形成難熔小質(zhì)點(diǎn)氧化物，流動性下降；但當(dāng)含鉻量達(dá)到15-17%時(shí)，流動性卻又提高。錳和鎳 含量的增加，鋼的熔點(diǎn)和導(dǎo)熱性降低，所以提高流動性。硅 增加硅含量，流動性提高。鈦、釩、鉬、鉛降低流動性銅 可顯著提高流動性。南昌航空大學(xué)鑄造工程系p 鑄造不銹鋼鉻含量較高，流動性差，易產(chǎn)生冷隔、澆不足，表面皺皮和夾雜等缺陷。p 鑄造耐熱鋼含有大量的易氧化元素鉻、硅、鋁等，流動性差。p 鑄造耐磨鋼 含錳量高，導(dǎo)熱性差，凝固慢，流動性良好。各種高合金鋼的流