铸造材料及其熔炼

我国多年来沿用的是以钢的含碳量作为分级的标准。表1列出铸造碳钢的国家标准中，关于钢的牌号，化学成份和机械性能的要求，牌号中的“ZG"表示铸钢，其后的数字表示钢中碳的重量分数的公称值，以万分之几表示。铸造碳钢依其杂质元素磷和硫含量的高低而分为三级，磷和硫单项质量分数各低于0.04%的特质(Ⅰ级)钢;低于0.05%的优质(Ⅱ级)钢.低于0.06%的为普通（Ⅲ级）钢。

表1铸造碳钢的牌号、化学成分及机械性能

钢号

化学成分

机械性能

一般工程用铸造碳钢的标准（GB5676-85）将铸造碳钢按照室温下的机械性能分为5个牌号，即ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570和ZG340-640。对钢中的基本化学成分只规定其质量分数的上限，对钢中残余合金元素的限制比较宽。

2、铸造低合金钢

2.1通用铸造低合金钢系列钢种

在机械制造中，通用的铸造低合金钢主要包括锰系、铬系和镍系三个系列。这些系列钢种是在铸造碳钢的成分基础上进行合金化，并通过相就的热处理，以获得比铸造钢更高的常温机械性能的。

1）锰系低合金钢：以锰作为主要合金化元素，而以硅、钼等作为辅助强化元素，构成锰钢、锰硅钢、锰硅铬钢和锰钼钢。

2）铬系低合金钢：以铬作为主要合金化元素，而以钼、镍等作辅助强化元素，构成铬钢，铬镍钢。

3）镍系低合金钢：以镍作为主要合金化元素，而以铬或与作辅化元素构成镍钢、镍铬钢、镍铬钼系钢种。

2.2具有特殊性能和用途的低合金钢种

根据对铸件提出的特殊使用性能要求，进行钢的合金设计，即是有专门用途的铸造低合金钢种，其中包括用于厚大截面而又不允许淬火处理的析出强化型低合金钢，耐热用低合金钢，低温用低合金钢以及抗磨用低合金钢等。

3、铸造高合金钢

在铸造高合金钢中，加入有合金元素总量在10%（质量分数）以上，加入的合金元素可以是一种，两种，或更多种。钢中含有大量合金元素后，组织发生了根本的变化。使得钢具有特殊的使用性能，例如ωMn=13%的奥氏体高锰钢，具有很高的抗冲击磨损的性能，又如ωcr=18%、ωNi=的奥氏体不锈钢，具有很好的耐腐性能等，因此，高合金铸钢实际上是特种铸钢。

与特种铸铁相比，高合金铸钢具有更高的性能，特别是机械性能，如高铬抗磨白口铸铁，虽有很高的抗磨性，但其韧性则较差，不适于在高冲击力的作用下工作，而高锰钢则既有很高的抗磨性，又有很高的冲击韧性，能经受高冲击磨损。又如高硅铸铁在酸类公质中有强而蚀性，但其强度很低，极易脆裂。而奥氏体不锈钢则既具有而蚀性，又有较高的强度和很高的冲击韧性，适用于经受冲击或震动条件下的耐蚀铸件，如而酸泵的旰轮等。再如高铬铸铁虽有很高的耐热性，但也是低强度、高脆性的材料，而高铬镍钢和铬锰氮钢则具有很高的强度和韧性。因此，高合金铸钢比特种铸铁更适合于在重载荷、冲击和震动条件下工作的机器零件，比特种铸铁具有更大的可靠性和安全性。

由于高合金钢中含有大量合金元素，故在铸造性能、焊接性能以及切削加工性能方面均比碳钢和低合金钢差。在铸造性能方面，每种高合金钢均有其特点，生产上需要根据其铸造性能特点来制定相应的铸造工艺。在焊接方面，一般需要使用特定的合金焊条。有些钢种焊接时还需要采取惰性气体保护，必在时还需要在焊前进行铸件预热和在焊后进行的改善焊接部位组织以及消除焊接应力的热处理等。在切削加工方面，由于高合金钢种硬度很高，有的钢种韧性很强，以至于用加工一般碳钢及低合金所用的刀具和切削工具，不能进行加工，而必须采用特定的刀具切削工艺。

3.1铸造抗磨钢（高锰钢）

在铸造抗磨钢中，高锰钢是最通用的一种。高锰钢中锰的公称含量为13%（质量分数），牌号为ZGMn13，钢经过热处理后具有单一奥氏体组织，韧性很好，但硬度并不高，但这种奥氏体有加工硬性，铸件在工作中经受强烈的冲击或挤压时，其表面层组织发生加工硬化，硬度大为提高，因而具有很高的抗磨性。

3.2铸造耐蚀钢（不锈钢）

铸造耐蚀钢的钢种很多，但基本上都以铬作为耐蚀的主要合金元素。依照化学成分和组织可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两类。

1）铬不锈钢

铬不锈钢的公称含量为13%，是不锈钢钢种当中含铬量最低的一种。Cr13型钢是一个系列，按照钢含量不同而分为五种钢号，即0Cr13，1Cr13，2Cr13，3Cr13和4Cr13。作为铸造不锈钢使用的是耐蚀性较好的ZG0Cr13和ZG1Cr13两种。

2）铬镍不锈钢

铬镍不锈钢中铬的公称含量ωcr=18%，其耐蚀性能优于Cr13钢。

3.3抗磨耐蚀合金钢（不锈钢）

由于水力发电和其它工业的需要，近年来国内外发展了抗磨耐蚀合金钢，其中典型的是用于制造水轮机转子和单浆叶片所用的铬镍钼马氏体不锈钢和析出硬化型铸造不锈钢。

抗磨耐蚀不锈钢也是以铬为主要耐蚀合金元素的，为了使钢具有高硬度，应使钢具有马氏体组织。为此在钢中添加镍和钼，以便在铬镍的联合作用下，使钢具仍很高的淬透性，从而使大型厚壁铸件能在油淬或空泠条件下，得到沿全断面厚度的马氏体组织。在析出硬化型不锈钢中，由于有弥散硬化相在马氏体基体上析出，因而更进一步提高了钢的硬度和抗磨性。为了保证有良好的耐蚀性和焊接性，这类钢中碳的质量分数比较低，一般在0.1%以下。

3.4铸造耐热钢

耐热用低于合金钢在400℃以下的温度具有抗氧化性，并能保持其强度，但在更高的温度下具有耐热性，就需要用高合金钢。

钢的高温性能包括抗氧化性及热强性两个方面，抗氧化性是钢在高温下具有对气体介质的氧化腐蚀的稳定性，热强性则是钢在高温下能长期保持承受机械负荷的能力。高温下使用的钢种即按照这两种性能而分为两类。

1）耐热不起皮钢（抗氧化钢），这是在高温下具有良好的抗氧化性的钢，但对钢的高温强度无严格要求。

2）热强钢，这是在高温下既具有良好的抗氧化性，又能长期保持高强度的钢。

生产上所用的耐热温度在800℃以上的钢有铬耐热钢、铬镍耐热钢、铬锰氮耐热钢和铝锰耐热钢等四大类。

3.5铸造热强钢

1）钢在高温下的强度及热强性

钢在高温下受力时，发生两种现象，即软化和蠕变。软化的表现是强度降低，而塑性升高。蠕变的表现是钢在高温下受力时，在应力不变的条件下，其变形量不断增长，直至最后断裂。

2）低体热强钢

热强钢通常按其金相组织而分为珠光体型、马氏体型和奥氏体型。前两种含的强化元素较少，热强性较差，一般用于600℃以下的温度。奥氏体能固溶大量合金元素，有利于提高钢的热强性。因此，在600。C以上的温度使用的热强钢，基本上都是奥氏体型

在更高温度（800℃以上）使用的热强性材料已不是钢（铁基合金），而是镍基合金或钴基合金了。

    4、铸钢的熔炼

       4.1 炼钢的目的和要求

       炼钢的目的和要求包括以下四个方面：

       1） 将炉料熔化成钢液，并提高其过热温度，保证浇注的需要。

        2） 将钢液中的硅，锰和碳（治炼合金钢时，还包括有合金元素）的含量，控制在规则范围以内。

       3） 降低钢液中的有害元素硫和磷，使共含量降低到规定限度以下。

        4） 清除钢液中的非金属夹杂物和气体，使钢液纯净。

       4.2 炼钢的方法，特点和应用

       1）电弧炉炼钢

       电弧炉的基本构造如图1所示。利用电弧产生的热量来熔化炉料和提高钢液过热温度。由于电弧炉不用燃料燃烧的方法加热，故容易控制炉气的性质。可按照冶炼的要求，使之成为氧化性或还原性。电弧炉成为在铸钢方面应用最普遍的炼钢炉。

       2）感应电炉炼钢

       炼钢采用无芯感应电炉，其工作原理和构造铸铁的电炉相同。炉体结构与外观如图2所示，主要包括感应器和坩埚两部分。但由于炼钢需要消耗更多的热量，故在输入功率方面比同样容量的熔炼铸铁用炉大。炼钢用的感应电炉依炉子容量（坩埚直径）的不同而采用不同的频率，容量在10kg左右的用高频（10000Hz以上），容量从100~500kg的用中频（1000~3000Hz），而容量在500kg以上的感应电炉采用工业用电频率（50Hz）。

       3）平炉炼钢

       平炉的构造如图2所示。用煤气或重油作燃料，与预热送风相混合，进行燃烧，产生的火焰直接喷射在炉料上，进行加热和熔化，由于是靠火焰加热，故炉气呈氧化性，炼钢过程中元素烧损较电炉重，平炉的容量大，一般自几十吨至数百吨，适用于浇注重型铸件。

       4）钢包精炼炉

       用电弧炉熔化炉料，然后将钢液倾入钢包精炼炉中（图3），用氩气进行吹炼，能有效地清除钢液中的气体和夹杂物，提高钢液的质量。在钢包精炼炉基础上发展起来的氩氧脱碳（AOD）法和真空氩氧脱碳（VOD）法是冶炼高纯净度钢液，特别是低碳的高纯净度钢液的先进方法，特别适用于生产高强度钢、超高强度钢等钢种。