铸钢
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第304页（8825字）
在铁一碳二元合金中，碳的质量分数低于2．06%的铁碳合金称为钢．一部分钢是先铸成钢锭再锻造或轧制成各种钢材；而另一部分钢则是用来直接铸造成铸件的，这部分钢称为铸钢．与铸铁相比，铸钢具有较高的强度、塑性和冲击韧性，并具有较好的焊接性能和切削加工性能．
4．3．2．1 铸造碳钢和铸造合金钢
铸钢按合金元素分为铸造碳钢和铸造合金钢两大类；按组织可分为珠光体铸钢、铁素体铸钢、马氏体铸钢和奥氏体铸钢．
1．铸造碳钢
以碳为主要元素并含有少量其他合金元素的钢，称为铸造碳钢．铸造碳钢根据含碳量的多少可以分为以下三类：
低碳钢：ω(C)≤0．25%；
中碳钢：ω(C)=0．25%～0．60%；
高碳钢：ω(C)=0．60%～2．0%．
一般工程用铸造碳钢的牌号、化学成分和力学性能应符合表4-50规定的数值．
表4-50 铸造碳钢的牌号、化学成分和力学性能(GB5676—85)
注：1．ZG后面的两组数字表示力学性能，第一组数字表示该钢号的屈服强度，第二组数字表示抗拉强度．
2．力学性能指适用于壁厚为100mm以下的铸件，当壁厚超过100mm时，仅屈服强度数值可供设计参考．
3．表中AKv为冲击吸收功(V形)；aK为冲击值(U形)．
以力学性能为主要验收依据的一般工程与结构用铸造碳钢和高强度钢，在ZG后面加两组数字，第一组数字表示该牌号铸钢的屈服强度，第二组数字表示其抗拉强度，例如：
以化学成分为主要验收依据的铸造碳钢，在ZG后面接一组数字，表示其名义万分含碳量，例如：
2．铸造合金钢
在一般碳素铸钢内，添加一定量的合金元素，以改变铸钢的性能，这种铸钢称合金钢．按合金元素的含量多少，合金铸钢可分为以下三类：
低合金钢：合金元素总的质量分数≤5%，热处理后具有较高的强度和硬度；
中合金钢：合金元素总的质量分数=5%～10%；
高合金钢：合金元素总的质量分数>10%，具有特殊的耐热、耐蚀或耐磨的性能．
常用铸造合金的牌号及化学成分见表4-51．
表4-51 铸造合金钢的牌号及化学成分
铸造合金钢包括以化学成分为主要验收依据的铸造中、低合金钢和高合金钢，命名方法是在ZG后面用一组数字表示铸钢的名义万分含碳量．在碳的名义含量数字后面排列各主要合金元素符号，每个元素符号后面用整数标出其名义百分含量．
锰元素的平均质量分数小于0．9%时，在牌号中不标元素符号；平均质量分数为0．9%～1．4%时，只标符号不标含量．
其他合金元素平均质量分数为0．9%～1．4%时，该元素符号后面标注数字1．
钼元素平均质量分数小于0．15%，其他元素平均质量分数小于0．5%时，在牌号中不标元素符号；钼的平均质量分数大于0．15%，而小于0．9%时，其他元素平均质量分数大于0．5%、小于0．9%时，在牌号中只标元素符号，不标含量．
铌、硼、氮、稀土等微量合金元素的平均质量分数小于0．5%时，只标其元素符号，不标含量．
当主要合金元素多于三种时，可只标前两种或前三种元素的名义含量．例如：
4．3．2．2 铸造碳钢的铸造性能
铸钢和铸铁相比，综合力学性能高而铸造性能差．
1．充型能力
钢水的充型能力差，为了防止冷隔和浇不足等缺陷，铸钢件的壁厚不能小于8mm；浇注系统的结构力求简单，截面尺寸比铸件大；铸型常用干型．
为了保证钢水充满铸型并获得良好的铸件，必须采取足够高的浇注温度．一般浇注温度应在液相线温度以上50～100．℃．小铸件、薄壁铸件以及结构复杂的铸件应该采取较高的浇注温度；大铸件、重型铸件、厚壁铸件以及容易产生热裂的铸件应该采取较低的浇注温度．铸造碳钢浇注各类铸件时的浇注温度如表4-52所示．
表4-52 铸造碳钢浇注各类铸件时的浇注温度
注：系光学高温计测定的温度．
2．收缩
铸钢的体收缩率和线收缩率比铸铁大．铸造碳钢的体收缩率主要和钢的含碳量有关．不同含碳量铸造碳钢的体收缩率如表4-53所示．金属从凝固起至室温的整个冷却过程中，能自由进行收缩，称为自由收缩．在实际生产中，铸件在凝固和冷却过程中，受到机械阻碍的作用，不能自由进行收缩，这种收缩称为受阻收缩．受阻收缩一般小于自由线收缩值．铸造碳钢受机械阻碍作用对线收缩的影响如表4-54所示．
表4-53 不同含碳量铸造碳钢的体收缩率
表4-54 铸造碳钢受机械阻碍作用对线收缩的影响
3．热裂
热裂是铸钢件中常见的缺陷之一，容易在铸件的热节及内浇道和冒口的根部等处产生．硫和氧促使钢产生热裂，含碳量对热裂的影响也很大．试验证明：含碳量很低的钢和高碳钢容易产生热裂，而碳的质量分数在0．20%左右的钢热裂的敏感性最小。
4．冷裂
冷裂是铸件完全凝固以后冷却至塑性-弹性转变温度以下(对碳钢约为700℃)时产生的．当铸件的残余应力超过钢的强度时，就会产生裂纹，常发生在铸件壁厚相差比较大的部位．硫和磷含量的增加，使钢的强度、塑性降低，因而冷裂倾向增大．随着含碳量的增加，钢的塑性下降，冷裂的敏感性也加大．
4．3．2．3 铸造高合金钢
1．耐腐蚀铸造不锈钢及镍基铸造合金
高合金耐腐蚀不锈钢也称为不锈耐酸钢，主要用于各种介质腐蚀条件下．耐腐蚀不锈钢有铬不锈钢和镍、铬不锈钢两大类。影响不锈钢腐蚀性能的主要是含碳量和析出的碳化物，所以耐腐蚀不锈钢含碳量越低越好，通常碳的质量分数≤0．08%．但是，耐热钢的高温力学性能则决定于其组织中稳定的碳化物沉淀相．所以耐热钢的含碳量都较高，一般碳的质量分数在0．20%以上．若依据化学成分和金相组织分类，高铬不锈钢的金钼组织因含碳量和含铬量的不同而有所不同．随碳和铬含量的提高，其金相组织由铁素体变为铁素体和碳化物、马氏体或莱氏体．铬镍不锈钢的组织视其含镍量而定，可以是双相(在奥氏体基体中有铁素体)或单相奥氏体．镍铬不锈钢在常温下应为γ+a+碳化物，但在铸造冷却条件下，共析转变来不及发生，因此得到γ+碳化物．将这样组织的钢加热到1200℃，使碳化物溶解于γ相中，然后淬火，使碳化物来不及析出，从而可以获得单相奥氏体．这样的组织是过饱和的，常温下是稳定的，但在高温下碳化物又析出．因此，这种钢不能在高温条件下使用，含镍量高的Ni-Cr钢均为单相奥氏体．耐腐蚀不锈钢的化学成分见表4-55，力学性能和热处理工艺见表4-56．
表4-55 耐腐蚀不锈钢的化学成分(ω)(GB2100—80) %
注：1．需要作拼焊件的铬镍奥氏体耐腐蚀钢的铸件中磷的质量分数应≤0．04%，硅的质量分数应≤1．2%；
2．图纸和技术文件中不得采用代号．
表4-56 耐腐蚀不锈钢的热处理工艺和力学性能(≥)(GB2100—80)
镍基合金铸件广泛应用于腐蚀介质中．镍基合金分类见表4-57，常用镍基合金的化学成分见表4-58，镍基合金的力学性能见表4-59、表4-60，不锈耐酸钢铸件应用举例见表4-61．
表4-57 镍基合金的类别
表4-58 镍基合金的化学成分①
①表中除给出范围者外，均为最大值．
表4-59 镍基合金室温力学性能③
①残余变形为0．2%的屈服强度；
②硬度要求是针对固熔后时效处理或当铸态加时效处理状态而言；
③表中除给出范围者外，均为最小值．
表4-60 CY-40合金的高温力学性能①
①名义成分碳的质量分数为0．20%、硅的质量分数为1．50%的CY-40合金，熔模铸造试棒的性能．
表4-61 不锈耐酸钢铸件应用举例
2．铸造耐热钢
高合金耐热钢铸件广泛应用于工作温度超过650℃的场合．在许多情况下，这类钢在不同的腐蚀气氛下使用，故强度仅是选择合金钢的判据之一，在不同腐蚀介质中的耐腐蚀性也应予以考虑．
高合金耐热钢主要有高铬钢、高铬镍钢和高镍铬钢三类．这些高合金钢的成分与不锈钢相近，但其含碳量较高，从而在高温下具有较高的强度．高铬钢铬的质量分数为8%～30%，有少量的镍或不含镍，组织是铁素体，在室温下塑性差．由于其在高温下强度较低，主要用于抗燃气腐蚀的条件下．高铬镍钢铬的质量分数超过18%，镍的质量分数超过8%，而含铬量总是超过含镍量，其基本组织是奥氏体，有一些钢中有少量铁素体．与高铬钢相比，高温强度和塑性较高，高温下耐腐蚀能力也较强．这类钢适用于温度高达1093℃的环境中，但是在649～871℃，易产生σ相．高镍铬钢的主要合金元素是镍，质量分数在23%以上，铬的质量分数在10%以上，且含镍量高于含铬量，其组织为单一的奥氏体．通常，适用的温度可达1149℃，并有较好的抗热冲击和热疲劳的性能．耐热钢的各种牌号、化学成分见表4-62，力学性能见表4-63，钢种用途举例见表4-64．
表4-62 耐热钢的化学成分(ω)(GB8492—87) %
表4-63 耐热钢的常温力学性能(≥)(GB8492—87)
表4-64 钢种用途举例
3．铸造耐磨钢
铸造耐磨钢部件主要用于矿山开采、铁路设施、破碎机械、筑路机械、输送机械和挖掘机械等方面．铸件的耐磨性能，不仅取决于金属材料本身的性质，还取决于使用铸件的工况条件．磨损根据其特征，可分为摩擦磨损(一种金属与另一种金属表面接触并有摩擦而致)、磨料磨损(其他金属或非金属磨料打击金属表面，产生凿削而致)和冲击磨损(金属与流动的气体或液体相接触而产生)．铸造耐磨钢可分为奥氏体锰钢、低合金钢、碳钢和石墨钢四类．
高锰钢中锰的质量分数为13%，牌号为ZGMn13．由于锰的作用，这种钢铸态组织为奥氏体和碳化物；经过水韧处理后为单一奥氏体．高锰钢具有加工硬化性质，铸件在经受强烈的冲击或挤压时，表面层的晶粒内部产生滑移现象．滑移使钢强化，使钢的强度和硬度提高，表面层的硬度达到HB450～550左右．冲击韧性和塑性有所降低．这种钢适用于制造经受冲击或挤压条件下的抗磨零件．如挖掘机的抓斗前壁和抓斗齿、拖拉机和坦克的履带板．铸造高锰钢的化学成分见表4-65，力学性能见表4-66．
表4-65 高锰钢的化学成分(GB5680—85)
表4-66 高锰钢的力学性能(GB5680—85)
4．铸造低温钢
在低温条件下使用的阀门、法兰、泵、管件等往往都采用铸钢件，但对该类钢种的材质有比较高的要求．随着温度的降低，铁素体钢的强度和硬度并不降低，而韧性和塑性则显着下降．因此，选择低温下使用的铁素体铸钢件时，应特别注意其在低温下的韧性．
常用的低温用铸钢有以下几种：
(1)碳钢．用于低温的碳钢，碳的质量分数通常在0．30%以下，常温抗拉强度大致在410～600MPa之间．含碳量太低，虽韧性很好，但强度往往较低．为了保证有较好的韧性，磷和硫的质量分数均应分别低于0．025%．碳钢适用于－45℃以上，其在－45℃以下的夏氏V形缺口冲击功可在17J以上．
(2)低合金钢．低温用钢中加入合金元素的目的，通常不在于和较高的含碳量配合而得到高强度，而在于保持适当的强度而进一步降低含碳量，以改善钢的韧性．低温用低合金钢的特点是含碳量低．我国曾试用过的几种低合金钢见表4-67．
表4-67 低温用低合金钢(试验钢种)
(3)高合金钢．马氏体铬镍钢和奥氏体钢(如ZG1Cr18Ni9)均可用于低温条件．奥氏体钢的韧性随环境温度降低而下降的程度，没有铁素体钢那样显着，在超低温(－200℃以下)条件下，奥氏体钢仍具有良好的韧性，而铁素体钢的韧性则大大降低．
4．3．2．4 铸造工具钢
1．铸造刀具钢
铸造刀具钢是以钨为主要合金元素的高合金钢，还含有铬、钒、钼等元素．铸态组织为莱氏体，不宜直接应用．一般经过淬火、回火处理，处理后的组织为回火马氏体和碳化物．铸造刀具钢具有良好的切削性能铸造性能的特点是浇注温度低(为细化晶粒和防止偏析)，收缩量大，形成缩孔的倾向大；导热性差，容易产生热裂．其化学成分、热处理工艺和性能见表4-68和表4-69．
表4-68 铸造刀具钢的化学成分
表4-69 铸造刀具钢的热处理工艺及性能
2．铸造模具钢
铸造模具钢保持了铸件的激冷层，使用性能好，常用于水压机砧模、某些大型模锻件锻模等，一般经正火、回火或调质处理后使用．铸造模具钢的化学成分见表4-70．
表4-70 模具用铸钢的化学成分(厂标)
4．3．2．5 铸钢件的热处理
铸钢件的热处理是控制铸钢件显微组织，使之具有要求性能所不可缺少的生产工序之一．铸钢件的热处理以铁-碳平衡相图为依据．铸钢件的铸态组织决定于其化学成分和凝固结晶过程．一般说来，铸钢件易产生较严重的枝晶偏析，所得组织极不均匀，尤以高合金铸钢件更为明显．此外，由于铸钢件结构和壁厚的差异，同一铸件的各部位往往有不同的组织结构，并残留有相当大的内应力．因此，铸钢件(尤其是合金铸件)一般都以热处理状态供货．由于铸造组织的特点，铸钢件的热处理往往与化学成分类同的锻钢或轧材件不尽相同．
1．铸钢件热处理的特点
铸钢件热处理的特点有：
(1)铸钢件的铸态组织中，常有粗大枝晶及偏析．热处理时，其加热温度应稍高于类同成分的锻钢件，其奥氏体化保温时间也要适当延长．
(2)某些合金钢铸件的铸态组织偏析严重．为消除其对铸件最终热处理的影响，需予以均匀化处理．
(3)铸钢件形状复杂，壁厚相差大，必须考虑截面效应所导致试样与实际铸件在组织和性能上的差异．
(4)铸钢件凝固冷却后，各部位都有程度不同的铸造应力．
(5)铸钢件热处理时，必须根据其结构特点合理堆放，尽量避免铸件变形．
2．铸钢件的热处理方式
按加热和冷却条件不同，铸钢件的主要热处理方式有：退火、正火、均匀化处理、淬火、回火、固溶处理、沉淀硬化、消除应力处理及除氢处理．各种热处理的主要特点及适用范围见表4-71．
表4-71 各种热处理规范、组织变化、目的及适用范围
