第十章鑄造高合金鋼

第十章鑄造高合金鋼概述

鑄造不銹鋼

鑄造耐熱鋼鑄造耐磨鋼鑄造高合金鋼的鑄造性能§10-1

概述定義

鑄造高合金鋼是指合金元素總量超過10×10-2的特種鑄鋼。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。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。概述（續(xù)）優(yōu)點1、具有良好的綜合機械性能。2、具有特殊的使用性能。

不銹鋼具有良好的耐蝕性和抗氧化性。

耐磨鋼良好的耐磨性。

耐熱鋼可用于工作溫度高于500℃的鑄件。概述—高合金鋼的應用發(fā)動機葉片、多種泵葉輪、大型運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。

§10-2鑄造不銹鋼

分類

鑄造不銹鋼通常是指在大氣或某些強腐蝕介質中能夠抵抗腐蝕的鋼，一般又稱為鑄造不銹耐酸鋼。按成分可分為：

鉻鋼、鉻鎳鋼和鉻錳氮鋼。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。金屬的腐蝕定義指金屬表面在周圍介質作用下逐漸引起破壞現(xiàn)象。分類按腐蝕機理分：①化學腐蝕：金屬與周圍介質發(fā)生化學反應發(fā)生的破壞。②電化學腐蝕：金屬與電解質溶解液發(fā)生電化學作用而破壞。鋼的電化學腐蝕

電化學腐蝕形成的條件

有電極電位差存在

有電解液（電解質）

應互相接觸（必須有導體聯(lián)系或直接接觸）

電化學腐蝕的實質就是形成原電池

電化學腐蝕的特點

產生電流

產物溶于電解質中，而不存在于表面上

范圍廣、危害大

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)。途徑

提高鋼的電極電位，減輕電化學腐蝕傾向。

在鋼表面形成一層鈍化膜，提高抗蝕性。

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。n/8規(guī)律

對于大多數(shù)固溶體合金，當易鈍化合金元素為1/8，2/8，3/8……n/8的原子分數(shù)時，其抗蝕能力便突然提高。提高鋼的抗蝕性途徑奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼是技術價值最高，應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。

優(yōu)點

具有比馬氏體、鐵素體都好的耐蝕性；具有較好的綜合機械性能；具有良好的鑄造性能和可焊性。

缺點

簡單成分的奧氏體不銹鋼強度低，且具有晶間腐蝕傾向。

Cr的作用在不銹鋼中的作用

在鋼的表面形成Cr2O3保護膜；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。電位／VCr12％-0.62.0

Cr：（18%﹥1/8）鋼中存在一定的C，而與Cr形成碳化鉻而消耗掉部分Cr；

考慮到化學成分的不均勻，尤其是鑄造合金的偏析。

含Cr為18-20%的鉻鋼抗蝕性：在大氣、水等自然條件下相當穩(wěn)定。在HNO3及其它強氧化性介質中具有優(yōu)良抗蝕性。在鹽酸、硫酸及弱氧化性介質中抗蝕性能差。18-8型不銹鋼的抗蝕性Ni：（8%）Ni擴大A體區(qū)。Ni化學性不活潑，具有高的化學穩(wěn)定性。Ni可提高鋼的電極電位，減輕電化學腐蝕，提高抗蝕性。Ni還能提高鋼的耐熱性。18-8型不銹鋼的抗蝕性（續(xù)）鋼在平衡狀態(tài)下的組織為奧氏體、鐵素體和碳化物；在鑄造條件下，共析轉變來不及進行；常溫下得到的組織為奧氏體和碳化物；為了消除碳化物，可將鋼進行固溶化處理。18-8型不銹鋼組織定義

晶間腐蝕是指這種鋼在500～800℃的溫度范圍內保溫一段時間，在標準腐蝕條件下沿晶界會發(fā)生嚴重的腐蝕。危害性

晶間腐蝕危害性極大，針對削弱晶粒間的結合力，降低鋼的強度，嚴重時會使鋼完全粉碎。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Cr23C6鐵素體被腐蝕層消除晶間腐蝕的方法加入合金元素：提高基體的溶碳能力。熱處理：將碳化物固溶到基體之中。1000～1100℃水淬℃小時鐵素體＋碳化物單一的鐵素體工藝

加熱到1050℃，經(jīng)保溫一段時間后，在空氣或水中迅速冷卻。

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，低的強度。18-8型不銹鋼的熱處理——固溶處理對于含Ti和Nb的18-8型不銹鋼進行的穩(wěn)定化處理。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。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850～900℃，保溫一定時間,然后在空氣中冷卻。

18-8型不銹鋼的熱處理—穩(wěn)定化處理合金元素在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型不銹鋼產生晶間腐蝕的原因，列舉3個防止措施？課前思考題

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)缺點如下：

機械性能優(yōu)于鉻鎳鋼；

流動性好，但易產生縮孔、氣孔等缺陷；

CrMnNiN不銹鋼抗蝕性比鉻鎳鋼差。Cr-Mn-N不銹鋼

在18Cr-8Ni型基礎上加Ti，Ti的作用主要是防止產生晶間腐蝕。

鑄態(tài)組織

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。

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不銹鋼深圳市民中心玻璃幕墻寧波機場玻璃幕墻

成分

鉻量為(11.7-18)×10-2；按碳含量，Cr13型鋼有五個牌號：0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13，作為鑄造不銹鋼的是ZG1Cr13和ZG2Cr13。

組織

馬氏體不銹鋼在高溫下具有奧氏體組織，當以適當?shù)乃俣壤鋮s至室溫時，奧氏體轉變?yōu)轳R氏體。

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

目的消除鋼中的碳化物，保證其抗蝕性和綜合機械性能。

工

藝退火：目的為了消除鑄造應力。淬火：為了得到M體，防止碳化物析出

控制溫度：1000～1050℃

淬火組織：ZG1Cr13為M+F體，ZG2Cr13為單一M體回火：為了消除淬火應力并獲得良好的綜合機械性能。Cr13型不銹鋼的熱處理§10-3

鑄造耐熱鋼

鑄造耐熱鋼的概念和分類

概念

指在高溫下具有良好的抗氧化性和熱強性的鋼種。

按使用性能分類

熱穩(wěn)定鋼：要求鋼在高溫下具有良好的抗氧化性，而對高溫強度無嚴格要求。

熱強鋼：要求鋼在高溫下同時具有抗氧化性和強度。

按組織分類

珠光體、鐵素體、馬氏體和奧氏體。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，它是化學腐蝕的一種。

金屬的氧化反應：

M+1/2O2

→MO

反應可能性判別條件：從分解壓力Po2>PMO

金屬被氧化

Po2<PMO

金屬不被氧化從熱力學△G<0金屬被氧化必要條件：

致密系數(shù)α>1影響因素：膜的化學穩(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性的條件

金屬的氧化速度與溫度間呈指數(shù)關系，即

lgV=－Q/2.3RT+A式中：V—氧化速度g(m2·h)-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)。金屬的氧化速度改變氧化層結構

鋼中加入合金元素，生成尖晶石型氧化物FeO·M2O3或Fe2O3·MO，則鋼就具有良好的抗氧化性。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合金元素主要有Cr、Al、Si，其次是Ni和Ti。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，但它們在鋼中的含量不允許過多，所以Si、Al常常是與Cr配合使用的。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（FeO·Cr2O3或NiO·Cr2O3

），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特點鑄造熱穩(wěn)定鋼與同類型的不銹鋼相比，其含C量高，含Cr量也偏高，同時加入少量的其它元素，以提高鋼的高溫強度。

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1、提高熱強性方法鋼中加入某些合金元素，通過固溶強化，時效強化等方式以提高其高溫強度。Cr：提高鋼的抗氧化性，有一定的固溶強化效果，與C形成碳化物。W、Mo、Nb、V、Ti等高熔點元素或強碳化物形成元素，主要起固溶強化作用，也可通過碳化物的時效析出而強化合金。2、分類馬氏體熱強鋼：ZG1Cr11Ni2WMoV。奧氏體熱強鋼：ZG2Cr21Ni11W2.5。鑄造熱強鋼§10-4鑄造耐磨鋼

概述零件在承受強烈沖擊的同時，能夠低抗住堅硬磨料的磨損。如：拖拉機與坦克車的履帶板，鐵路上的道叉，挖掘機的鏟齒等。為了滿足生產現(xiàn)場的要求，金屬材料應具有高韌性的同時要具有高的硬度。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。高錳鋼的發(fā)展歷史與趨勢1883年，英國人發(fā)明了高錳鋼，這種鋼的特點是在強烈沖擊的條件下，具有良好的抗磨性，而在無沖擊的條件下抗磨性很差。在中等沖擊條件下，損失一點韌性，提高高錳鋼的磨前硬度是高錳鋼要研究的內容之一。高錳鋼的成分、鑄態(tài)組織與性能成分

C：0.9~1.3%,Mn:11~14%,0.3~1.8%,P≤0.09%,S≤0.05%，Mn是強烈擴大奧氏體區(qū)的元素，可將奧氏體擴大到室溫，使奧氏體在室溫下穩(wěn)定存在。鑄態(tài)組織

奧氏體＋少量的珠光體＋(Fe,Mn)3C鑄態(tài)性能

由于(Fe,Mn)3C分布在晶界上，故很脆奧氏體珠光體(Fe,Mn)3C高錳鋼熱處理目的

消除鑄態(tài)組織中的碳化物，獲得單一的奧氏體組織。熱處理工藝(水韌處理)：℃小時1050～110030～70℃100～150℃／小時600水淬25mm壁厚為1小時注意：(1)從打開爐們到入水的時(2)處理后水溫水韌處理后的組織與性能組織

奧氏體性能ak≥15×105J/m2HB≤230高錳鋼加工硬化機理(1)在奧氏體內部，滑移面兩側塞積大量的位錯，使奧氏體的硬度增加。

證據(jù)：加熱到500℃時，硬度復原。(2)淬火奧氏體不穩(wěn)定，變形時誘導馬氏體產生，硬度增加。

證據(jù)：電鏡下可以看到右馬氏體存在。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。鑄造耐磨耐蝕鋼鉻是主要合金元素，含量為13×10-2，碳含量較低，使鋼具有良好的耐蝕性；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。鑄造工具鋼典型鑄造工具鋼的牌號是ZGW18Cr4V，經(jīng)淬火（1260～1290℃）和回火（550～580℃）后的組織為