碳鋼、低合金鋼、高合金鋼鑄造技術與方法
日期：2021-06-12 / 人氣：1757
1鑄造碳鋼
我國多年來沿用的是以鋼的含碳量作為分級的標準。表1列出鑄造碳鋼的國家標準中，關于鋼的牌號，化學成份和機械性能的要求，牌號中的“ZG"表示鑄鋼，其后的數字表示鋼中碳的重量分數的公稱值，以萬分之幾表示。鑄造碳鋼依其雜質元素磷和硫含量的高低而分為三級，磷和硫單項質量分數各低于0.04%的特質(Ⅰ級)鋼;低于0.05%的優質(Ⅱ級)鋼.低于0.06%的為普通（Ⅲ級）鋼。
一般工程用鑄造碳鋼的標準（GB5676-85）將鑄造碳鋼按照室溫下的機械性能分為5個牌號，即ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-640。對鋼中的基本化學成分只規定其質量分數的上限，對鋼中殘余合金元素的限制比較寬。
2鑄造低合金鋼
2.1 通用鑄造低合金鋼系列鋼種
在機械制造中，通用的鑄造低合金鋼主要包括錳系、鉻系和鎳系三個系列。這些系列鋼種是在鑄造碳鋼的成分基礎上進行合金化，并通過相就的熱處理，以獲得比鑄造鋼更高的常溫機械性能的。
1）錳系低合金鋼
以錳作為主要合金化元素，而以硅、鉬等作為輔助強化元素，構成錳鋼、錳硅鋼、錳硅鉻鋼和錳鉬鋼。
2）鉻系低合金鋼
以鉻作為主要合金化元素，而以鉬、鎳等作輔助強化元素，構成鉻鋼，鉻鎳鋼。
3）鎳系低合金鋼
以鎳作為主要合金化元素，而以鉻或與作輔化元素構成鎳鋼、鎳鉻鋼、鎳鉻鉬系鋼種。
2.2 具有特殊性能和用途的低合金鋼種
根據對鑄件提出的特殊使用性能要求，進行鋼的合金設計，即是有專門用途的鑄造低合金鋼種，其中包括用于厚大截面而又不允許淬火處理的析出強化型低合金鋼，耐熱用低合金鋼，低溫用低合金鋼以及抗磨用低合金鋼等。
3 鑄造高合金鋼
在鑄造高合金鋼中，加入有合金元素總量在10%（質量分數）以上，加入的合金元素可以是一種，兩種，或更多種。鋼中含有大量合金元素后，組織發生了根本的變化。使得鋼具有特殊的使用性能，例如ωMn=13%的奧氏體高錳鋼，具有很高的抗沖擊磨損的性能，又如ωcr=18%、ωNi=的奧氏體不銹鋼，具有很好的耐腐性能等，因此，高合金鑄鋼實際上是特種鑄鋼。
與特種鑄鐵相比，高合金鑄鋼具有更高的性能，特別是機械性能，如高鉻抗磨白口鑄鐵，雖有很高的抗磨性，但其韌性則較差，不適于在高沖擊力的作用下工作，而高錳鋼則既有很高的抗磨性，又有很高的沖擊韌性，能經受高沖擊磨損。又如高硅鑄鐵在酸類公質中有強而蝕性，但其強度很低，極易脆裂。而奧氏體不銹鋼則既具有而蝕性，又有較高的強度和很高的沖擊韌性，適用于經受沖擊或震動條件下的耐蝕鑄件，如而酸泵的旰輪等。再如高鉻鑄鐵雖有很高的耐熱性，但也是低強度、高脆性的材料，而高鉻鎳鋼和鉻錳氮鋼則具有很高的強度和韌性。因此，高合金鑄鋼比特種鑄鐵更適合于在重載荷、沖擊和震動條件下工作的機器零件，比特種鑄鐵具有更大的可靠性和安全性。
由于高合金鋼中含有大量合金元素，故在鑄造性能、焊接性能以及切削加工性能方面均比碳鋼和低合金鋼差。在鑄造性能方面，每種高合金鋼均有其特點，生產上需要根據其鑄造性能特點來制定相應的鑄造工藝。在焊接方面，一般需要使用特定的合金焊條。有些鋼種焊接時還需要采取惰性氣體保護，必在時還需要在焊前進行鑄件預熱和在焊后進行的改善焊接部位組織以及消除焊接應力的熱處理等。在切削加工方面，由于高合金鋼種硬度很高，有的鋼種韌性很強，以至于用加工一般碳鋼及低合金所用的刀具和切削工具，不能進行加工，而必須采用特定的刀具切削工藝。
3.1 鑄造抗磨鋼（高錳鋼）
在鑄造抗磨鋼中，高錳鋼是最通用的一種。高錳鋼中錳的公稱含量為13%（質量分數），牌號為ZGMn13，鋼經過熱處理后具有單一奧氏體組織，韌性很好，但硬度并不高，但這種奧氏體有加工硬性，鑄件在工作中經受強烈的沖擊或擠壓時，其表面層組織發生加工硬化，硬度大為提高，因而具有很高的抗磨性。
3.2 鑄造耐蝕鋼（不銹鋼）
鑄造耐蝕鋼的鋼種很多，但基本上都以鉻作為耐蝕的主要合金元素。依照化學成分和組織可分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩類。
1）鉻不銹鋼
鉻不銹鋼的公稱含量為13%，是不銹鋼鋼種當中含鉻量最低的一種。Cr13型鋼是一個系列，按照鋼含量不同而分為五種鋼號，即0Cr13，1Cr13，2Cr13，3Cr13和4Cr13。作為鑄造不銹鋼使用的是耐蝕性較好的ZG 0Cr13和ZG1Cr13兩種。
2）鉻鎳不銹鋼
鉻鎳不銹鋼中鉻的公稱含量ωcr=18%，其耐蝕性能優于Cr13鋼。
3.3 抗磨耐蝕合金鋼（不銹鋼）
由于水力發電和其它工業的需要，近年來國內外發展了抗磨耐蝕合金鋼，其中典型的是用于制造水輪機轉子和單漿葉片所用的鉻鎳鉬馬氏體不銹鋼和析出硬化型鑄造不銹鋼。
抗磨耐蝕不銹鋼也是以鉻為主要耐蝕合金元素的，為了使鋼具有高硬度，應使鋼具有馬氏體組織。為此在鋼中添加鎳和鉬，以便在鉻鎳的聯合作用下，使鋼具仍很高的淬透性，從而使大型厚壁鑄件能在油淬或空泠條件下，得到沿全斷面厚度的馬氏體組織。在析出硬化型不銹鋼中，由于有彌散硬化相在馬氏體基體上析出，因而更進一步提高了鋼的硬度和抗磨性。為了保證有良好的耐蝕性和焊接性，這類鋼中碳的質量分數比較低，一般在0.1%以下。
3.4 鑄造耐熱鋼
耐熱用低于合金鋼在400℃以下的溫度具有抗氧化性，并能保持其強度，但在更高的溫度下具有耐熱性，就需要用高合金鋼。
鋼的高溫性能包括抗氧化性及熱強性兩個方面，抗氧化性是鋼在高溫下具有對氣體介質的氧化腐蝕的穩定性，熱強性則是鋼在高溫下能長期保持承受機械負荷的能力。高溫下使用的鋼種即按照這兩種性能而分為兩類。
1）耐熱不起皮鋼（抗氧化鋼），這是在高溫下具有良好的抗氧化性的鋼，但對鋼的高溫強度無嚴格要求。
2）熱強鋼，這是在高溫下既具有良好的抗氧化性，又能長期保持高強度的鋼。
生產上所用的耐熱溫度在800℃以上的鋼有鉻耐熱鋼、鉻鎳耐熱鋼、鉻錳氮耐熱鋼和鋁錳耐熱鋼等四大類。
3.5 鑄造熱強鋼
1）鋼在高溫下的強度及熱強性
鋼在高溫下受力時，發生兩種現象，即軟化和蠕變。軟化的表現是強度降低，而塑性升高。蠕變的表現是鋼在高溫下受力時，在應力不變的條件下，其變形量不斷增長，直至最后斷裂。
2） 低體熱強鋼
熱強鋼通常按其金相組織而分為珠光體型、馬氏體型和奧氏體型。前兩種含的強化元素較少，熱強性較差，一般用于600℃以下的溫度。奧氏體能固溶大量合金元素，有利于提高鋼的熱強性。因此，在600。C以上的溫度使用的熱強鋼，基本上都是奧氏體型
在更高溫度（800℃以上）使用的熱強性材料已不是鋼（鐵基合金），而是鎳基合金或鈷基合金了。
我國多年來沿用的是以鋼的含碳量作為分級的標準。表1列出鑄造碳鋼的國家標準中，關于鋼的牌號，化學成份和機械性能的要求，牌號中的“ZG"表示鑄鋼，其后的數字表示鋼中碳的重量分數的公稱值，以萬分之幾表示。鑄造碳鋼依其雜質元素磷和硫含量的高低而分為三級，磷和硫單項質量分數各低于0.04%的特質(Ⅰ級)鋼;低于0.05%的優質(Ⅱ級)鋼.低于0.06%的為普通（Ⅲ級）鋼。
一般工程用鑄造碳鋼的標準（GB5676-85）將鑄造碳鋼按照室溫下的機械性能分為5個牌號，即ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-640。對鋼中的基本化學成分只規定其質量分數的上限，對鋼中殘余合金元素的限制比較寬。
2鑄造低合金鋼
2.1 通用鑄造低合金鋼系列鋼種
在機械制造中，通用的鑄造低合金鋼主要包括錳系、鉻系和鎳系三個系列。這些系列鋼種是在鑄造碳鋼的成分基礎上進行合金化，并通過相就的熱處理，以獲得比鑄造鋼更高的常溫機械性能的。
1）錳系低合金鋼
以錳作為主要合金化元素，而以硅、鉬等作為輔助強化元素，構成錳鋼、錳硅鋼、錳硅鉻鋼和錳鉬鋼。
2）鉻系低合金鋼
以鉻作為主要合金化元素，而以鉬、鎳等作輔助強化元素，構成鉻鋼，鉻鎳鋼。
3）鎳系低合金鋼
以鎳作為主要合金化元素，而以鉻或與作輔化元素構成鎳鋼、鎳鉻鋼、鎳鉻鉬系鋼種。
2.2 具有特殊性能和用途的低合金鋼種
根據對鑄件提出的特殊使用性能要求，進行鋼的合金設計，即是有專門用途的鑄造低合金鋼種，其中包括用于厚大截面而又不允許淬火處理的析出強化型低合金鋼，耐熱用低合金鋼，低溫用低合金鋼以及抗磨用低合金鋼等。
3 鑄造高合金鋼
在鑄造高合金鋼中，加入有合金元素總量在10%（質量分數）以上，加入的合金元素可以是一種，兩種，或更多種。鋼中含有大量合金元素后，組織發生了根本的變化。使得鋼具有特殊的使用性能，例如ωMn=13%的奧氏體高錳鋼，具有很高的抗沖擊磨損的性能，又如ωcr=18%、ωNi=的奧氏體不銹鋼，具有很好的耐腐性能等，因此，高合金鑄鋼實際上是特種鑄鋼。
與特種鑄鐵相比，高合金鑄鋼具有更高的性能，特別是機械性能，如高鉻抗磨白口鑄鐵，雖有很高的抗磨性，但其韌性則較差，不適于在高沖擊力的作用下工作，而高錳鋼則既有很高的抗磨性，又有很高的沖擊韌性，能經受高沖擊磨損。又如高硅鑄鐵在酸類公質中有強而蝕性，但其強度很低，極易脆裂。而奧氏體不銹鋼則既具有而蝕性，又有較高的強度和很高的沖擊韌性，適用于經受沖擊或震動條件下的耐蝕鑄件，如而酸泵的旰輪等。再如高鉻鑄鐵雖有很高的耐熱性，但也是低強度、高脆性的材料，而高鉻鎳鋼和鉻錳氮鋼則具有很高的強度和韌性。因此，高合金鑄鋼比特種鑄鐵更適合于在重載荷、沖擊和震動條件下工作的機器零件，比特種鑄鐵具有更大的可靠性和安全性。
由于高合金鋼中含有大量合金元素，故在鑄造性能、焊接性能以及切削加工性能方面均比碳鋼和低合金鋼差。在鑄造性能方面，每種高合金鋼均有其特點，生產上需要根據其鑄造性能特點來制定相應的鑄造工藝。在焊接方面，一般需要使用特定的合金焊條。有些鋼種焊接時還需要采取惰性氣體保護，必在時還需要在焊前進行鑄件預熱和在焊后進行的改善焊接部位組織以及消除焊接應力的熱處理等。在切削加工方面，由于高合金鋼種硬度很高，有的鋼種韌性很強，以至于用加工一般碳鋼及低合金所用的刀具和切削工具，不能進行加工，而必須采用特定的刀具切削工藝。
3.1 鑄造抗磨鋼（高錳鋼）
在鑄造抗磨鋼中，高錳鋼是最通用的一種。高錳鋼中錳的公稱含量為13%（質量分數），牌號為ZGMn13，鋼經過熱處理后具有單一奧氏體組織，韌性很好，但硬度并不高，但這種奧氏體有加工硬性，鑄件在工作中經受強烈的沖擊或擠壓時，其表面層組織發生加工硬化，硬度大為提高，因而具有很高的抗磨性。
3.2 鑄造耐蝕鋼（不銹鋼）
鑄造耐蝕鋼的鋼種很多，但基本上都以鉻作為耐蝕的主要合金元素。依照化學成分和組織可分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩類。
1）鉻不銹鋼
鉻不銹鋼的公稱含量為13%，是不銹鋼鋼種當中含鉻量最低的一種。Cr13型鋼是一個系列，按照鋼含量不同而分為五種鋼號，即0Cr13，1Cr13，2Cr13，3Cr13和4Cr13。作為鑄造不銹鋼使用的是耐蝕性較好的ZG 0Cr13和ZG1Cr13兩種。
2）鉻鎳不銹鋼
鉻鎳不銹鋼中鉻的公稱含量ωcr=18%，其耐蝕性能優于Cr13鋼。
3.3 抗磨耐蝕合金鋼（不銹鋼）
由于水力發電和其它工業的需要，近年來國內外發展了抗磨耐蝕合金鋼，其中典型的是用于制造水輪機轉子和單漿葉片所用的鉻鎳鉬馬氏體不銹鋼和析出硬化型鑄造不銹鋼。
抗磨耐蝕不銹鋼也是以鉻為主要耐蝕合金元素的，為了使鋼具有高硬度，應使鋼具有馬氏體組織。為此在鋼中添加鎳和鉬，以便在鉻鎳的聯合作用下，使鋼具仍很高的淬透性，從而使大型厚壁鑄件能在油淬或空泠條件下，得到沿全斷面厚度的馬氏體組織。在析出硬化型不銹鋼中，由于有彌散硬化相在馬氏體基體上析出，因而更進一步提高了鋼的硬度和抗磨性。為了保證有良好的耐蝕性和焊接性，這類鋼中碳的質量分數比較低，一般在0.1%以下。
3.4 鑄造耐熱鋼
耐熱用低于合金鋼在400℃以下的溫度具有抗氧化性，并能保持其強度，但在更高的溫度下具有耐熱性，就需要用高合金鋼。
鋼的高溫性能包括抗氧化性及熱強性兩個方面，抗氧化性是鋼在高溫下具有對氣體介質的氧化腐蝕的穩定性，熱強性則是鋼在高溫下能長期保持承受機械負荷的能力。高溫下使用的鋼種即按照這兩種性能而分為兩類。
1）耐熱不起皮鋼（抗氧化鋼），這是在高溫下具有良好的抗氧化性的鋼，但對鋼的高溫強度無嚴格要求。
2）熱強鋼，這是在高溫下既具有良好的抗氧化性，又能長期保持高強度的鋼。
生產上所用的耐熱溫度在800℃以上的鋼有鉻耐熱鋼、鉻鎳耐熱鋼、鉻錳氮耐熱鋼和鋁錳耐熱鋼等四大類。
3.5 鑄造熱強鋼
1）鋼在高溫下的強度及熱強性
鋼在高溫下受力時，發生兩種現象，即軟化和蠕變。軟化的表現是強度降低，而塑性升高。蠕變的表現是鋼在高溫下受力時，在應力不變的條件下，其變形量不斷增長，直至最后斷裂。
2） 低體熱強鋼
熱強鋼通常按其金相組織而分為珠光體型、馬氏體型和奧氏體型。前兩種含的強化元素較少，熱強性較差，一般用于600℃以下的溫度。奧氏體能固溶大量合金元素，有利于提高鋼的熱強性。因此，在600。C以上的溫度使用的熱強鋼，基本上都是奧氏體型
在更高溫度（800℃以上）使用的熱強性材料已不是鋼（鐵基合金），而是鎳基合金或鈷基合金了。