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一、铸钢的分类及常用牌号
铸钢的碳含量的质量分数通常不超过0.6%。多数铸钢件的碳含量处于低碳或中碳范围,但也有属高碳范围的铸钢。
常用的铸造碳钢有ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640等,它们的碳含量的质量分数(%)依次为≤0.20、≤0.30、≤0.40、≤0.50、 ≤0.60。
常用的铸造合金钢有钼系钢:ZG15Mo, ZG25Mo, ZG40Mo, ZG40Mo2, ZG50Mo2;铬系及铬钼系钢:ZG40Cr, ZG35CrMo;硅锰系钢:ZG20SiMn, ZG35SiMn, ZG42SiMn, ZG50SiMn;锰钼钢:ZG50MnMo;铬锰硅钢:ZG35CrMnSi。
二、铸钢的铸态组织特点
1.晶粒粗大 宏观组织可见粗大树枝晶,显微组织中常有不同程度的魏氏组织。
(1) 由于铸钢的浇注温度很高,冷却比较慢,生成的凝固组织为粗大的树枝晶,导致以后形成的奥氏体晶粒很粗大。铸钢晶粒大小与凝固时的冷却速度有关,铸件壁愈厚,晶粒愈粗大,砂型铸造比金属模铸造的晶粒粗大。
(2) 宏观组织的粗大树枝晶,是由于钢液凝固时主要以树枝晶方式生长,先结晶的支干部含杂质元素和合金元素较少,最后凝固的部分和树枝晶间则杂质元素和非金属夹杂物偏聚,还因凝固收缩造成枝晶间的不致密。因此,采用金相宏观酸蚀或深侵蚀的方法可使粗大的树枝晶显示出来。
(3) 魏氏组织的存在,是由于铸钢在高温形成粗晶粒奥氏体,在冷却时游离铁素体沿晶界析出外,还有一部分铁素体成片状从晶界伸向晶粒内部,或在晶粒内部独自析出,最后得到片状铁素体分布在珠光体上的组织即是魏氏组织。
2.成分偏析和组织不均匀 由于铸件的复杂形状,各部位冷却先后次序不同,在不同厚度截面上同时存在着固相、固液共存和液相三种状态,使铸件的凝固结晶是先后通过若干区域来完成的,结果造成了区域性的成分不均匀和组织不一致,在宏观组织中称为宏观偏析。从微观上看则存在枝晶偏析,使晶内与晶界成分也不一样。铸件凝固时的冷却速度越快,宏观和微观偏析的程度越严重。
铸件中非金属夹杂物主要是颗粒状或多角形的脆性金属氧化物,呈球状或颗粒状、块状、不连续的细小点,条状的塑性夹杂硫化物和常呈较大的球状或颗粒状的硅酸盐。其形成是合金元素和杂质元素宏观及微观偏析的结果。这些夹杂物主要分布在树枝间或树枝晶间。
3.存在各种铸造缺陷 它属于铸件的宏观组织缺陷,包括缩孔(残余)、疏松、气孔、夹杂物、热裂纹、由固态收缩引起的冷裂纹及鱼眼状白点发纹等。这些铸造缺陷一旦出现,又未经过压力加工予以改善,将会破坏金属的连续性,恶化钢的性能。因此,都是铸钢宏观组织中必须严格控制的缺陷。
4.铸钢的铸态组织 亚共析铸钢的铸态典型组织是魏氏组织铁素体和粗大的奥氏体晶粒。其中奥氏体在过冷条件下会进一步相变为先共析铁素体、共析组织珠光体,甚至形成一系列如贝氏体或马氏体等非平衡组织。
低、中合金铸钢与铸造碳钢具有相似的宏观组织。但由于化学成分及冷却速度的影响,其铸态组织可由珠光体、细珠光体、贝氏体、马氏体,以及块状或片状铁素体(魏氏组织)组成。
铸钢在凝固过程中,奥氏体沿截面厚度方向长出不同形状的晶粒,表层为细晶区、中心区域为粗大等轴晶区,两者之间为柱状晶区。截面越厚、冷却速度越慢,柱状晶和等轴晶越长大,按晶粒度标准评级常大于1级。粗大的二次组织(奥氏体)冷却相变后将生成粗大的铸态组织(室温组织)。
三、铸钢热处理后的组织特点
为了改善铸钢件的组织:细化晶粒、消除魏氏组织、减少偏析和消除铸造应力,铸钢一般要进行热处理。由于铸件的形状较复杂、截面厚薄相差较多、体积通常也较大,因此热处理方式一般较简单。常用的为退火、正火、回火、淬火回火及对铸件局部表面进行高频淬火,也可进行表面化学热处理。
1.退火 根据对铸件的质量要求及铸态组织的情况,可以采用消除应力退火、高温扩散退火、完全退火或不完全退火。
(1) 消除应力退火 一般铸钢件常作消除应力退火(去应力退火)。目的主要是为了消除铸件的内应力、防止开裂。去应力退火后的组织仍保持铸态组织特征。
(2) 高温扩散退火 质量及性能要求较高的高合金铸钢件需作高温扩散退火。主要目的是消除铸件的严重偏析,使成分和组织均匀化。经高温扩散退火后可获得均匀的再结晶组织。但由于扩散退火的温度高,致使晶粒较粗,而且铸件表面会产生氧化脱碳现象。因此,高温扩散退火后的铸件还需进行完全退火或正火处理。
(3) 完全退火 是所有铸钢牌号的预处理。目的是细化晶粒、消除粗大的魏氏组织、软化基体及消除应力。完全退火的组织是消除了铸态组织,得到细化的铁素体和珠光体。
(4) 不完全退火 用于技术要求不高的铸钢件的退火。目的是降低硬度、改善铸件的切削性能及消除应力。不完全退火后的铸钢具有部分组织转变和细化的特点。
2.正火或正火、回火 正火是一般要求铸钢件的交货状态。正火的主要目的是使铸钢件得到高于退火状态的性能。正火后的组织具有更均匀、细小的特点。可为铁素体和珠光体,或贝氏体、马氏体的混合组织。
正火处理会在铸件中产生内应力。对于性能要求较高的铸钢件需消除内应力。因此,这类铸件在正火后还需进行550~700℃回火处理2~3h,不仅可消除内应力,而且可使珠光体的片状趋于球化,进一步提高铸件的韧塑性。
3.淬火、回火 为了强化工件,铸钢件可以进行淬火-回火处理。它主要用于低、中、高合金铸钢件和部分铸造碳钢。但铸造碳钢进行调质处理较少,合金铸钢调质处理较多。
淬火后的组织特点是使铸钢中的碳化物溶解,得到贝氏体或淬火马氏体组织。淬火-回火可以消除淬火应力,调整铸钢件的韧塑性与强度的配合。其常见组织为回火索氏体(调质处理)或回火马氏体(淬火一低温回火)。
表面高频淬火是为了使铸钢件的局部表面获得马氏体组织,来提高表面硬度增加耐磨性。轴承信息港特别报道