第9章 铸钢和铸铁(严选优质)
- 格式：doc
- 大小：3.64 MB
- 文档页数：23
第9章铸钢和铸铁的金相检验9.1 铸钢的金相检验铸钢通过铸造成型，在电站、矿山、建筑、铁路、工程机械和农机等行业中普遍得到应用。
但铸钢也有其自身的特点：由凝固特性决定的较粗大的树枝晶和一次组织、奥氏体组织及室温铸态组织、化学成分的严重偏析(特别对于高合金钢铸件)、钢液自液态至凝固及固态冷却过程中发生的体积收缩、冶炼和浇注时产生的气孔和非金属夹杂物等，这些均会对铸钢件的金相组织和使用性能有影响。
9.1.1 铸钢的分类及常用牌号铸钢可按其化学成分或使用特性分类，两种分类方法见图7.9-1。
图7.9-1铸钢分类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，但也有属于高碳范围的铸钢。
铸造合金钢常含有一定数量的合金元素，如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Cu等。
近几十年来发展的微合金化铸钢，加入了ω≤0.1％的Nb、B、Zr、Be、Ti或稀土等。
常用的铸造碳钢有ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-70、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：ZGl5Mo、ZG25Mo、ZG40Mo、ZG40M02、ZG50M02；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：ZG35CrMoSi。
9.1.2金相组织(1) 凝固至室温形成的组织铸钢在凝固过程中直至室温有三种组织分类：①一次组织或凝固组织：②二次组织或奥氏体组织；③三次组织或室温铸态组织。
钢液凝固时发生成核和晶体生长过程，其成核的相取决于化学成分。
从Fe-C相图可知：含有ωc＜0.1％的钢液由δ相成核，长成δ相的树枝状宏观组织；其二次组织的奥氏体在δ相晶界成核转变成二次奥氏体组织，呈现与一次组织部分重叠的形貌，见图7.9-2，冷至室温得到以魏氏组织铁素体为主的铸态组织。
含ωc＞0.5％的钢液，则由γ相长成γ相的树枝晶和二次奥氏体组织。
而含有中间碳量的钢液，则由δ相成核，发生包晶反应转变成γ相，再由γ相长大成一次和二次组织，见图7.9-3，在室温时大多为具有魏氏组织铁素体的珠光体和铁素体混合铸态组织。
对于碳钢、随着碳含量的增加，珠光体数量增多。
而当化学成分一定时，由于钢液熔化、浇注和铸件冷却条件的不同，使铸件凝固至室温的过程中的组织发生差异。
图7.9-2 由δ相成核的一次晶粒及尔后转变成的图7.9-3 由γ相成核长大的一次晶粒示意图γ相的奥氏体晶界（实线）示意图1) 树枝晶和凝固组织钢液凝固时主要以树枝状方式生长，先结晶的支干部分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，还常因凝固收缩造成枝间晶的不致密。
通过金相的宏观酸蚀或深侵蚀的方法可将树枝晶组织和凝固组织的晶界及不同晶粒区域显示出来。
树枝晶的一次晶轴间和二次晶轴间的间距反映了铸件的凝固速度和枝晶间化学成分偏析的程度，它们的大小都将影响铸件的力学性能。
铸件的凝固组织由表及里由表层的细晶，中心部位的等轴粗晶和介干两者之间沿冷却梯度方问生长的柱状晶三个区域组成。
在一般采用砂摸的铸件中表层的激冷晶粒常不易发现，而拉长的柱状晶粒在普通的碳钢和低合金钢中常仅有一定的长度。
但在高合金钢铸件中则占主导地位。
铸件的截面积越大，冷却速度越慢，则由树枝晶生长而成的柱状晶和等轴粗晶越发达，区域面积也越大。
同一铸件的不同部位截面，柱状晶和等轴晶的大小、各晶区的比例及分布也不相同。
改变冷却或成核条件，可在铸件内部获得全部定向凝固的柱状晶或超细的等轴晶。
钢的化学成分也会影响铸钢的凝固组织。
发达的等轴粗晶和柱状晶的存在，会对铸件的力学性能和铸造性能产生不良的影响。
柱状晶本身较致密，强度及韧塑性较好，但晶间富集了大量的杂质元素和非金属夹杂物，导致晶间强度下降，力学性能呈明显的方向性，严重时还会使铸件冷却时发生沿晶开裂。
在粗大的柱状晶及等轴晶间因凝固收缩不易得到钢液的补充，常在晶间及铸件的心部出现分散的疏松和气孔缺陷，使心部的力学性能低于边缘。
2) 化学成分的偏析由于铸件的复杂形状，往往在铸件不同厚度的截面上同时存在着固相、固液共存和液相三种状态，从而使铸件与铸型之间的热交换是通过若干区域来完成的。
这种区域性的成分不均匀在宏观组织中称为宏观偏析，如大型铸件中的V形和倒V形偏析，中心偏析等。
铸件凝固时的冷却速度越快，宏观偏析(和微观偏析)的程度越严重。
铸件中非金属夹杂物的形成是合金元素和杂质元素宏观偏析和微观偏析的结果。
其主要形式是金属氧化物、硫化物和硅酸盐。
主要分布在树枝间或树枝晶间。
氧化物夹杂物大多为脆性的，形貌为颗粒状或多角形，其中以A1203对性能影响较大。
硅酸盐夹杂物常呈较大的球状或颗粒状，在钢中弧立分布。
铸钢中的硫化物为塑性夹杂物，大多呈灰色，以其形态和分布分成三类，其形态、分布及对性能的影响见表7.9-1。
表7.9-1 铸钢中硫化物的分类及影响类别形态分布影响Ⅰ较大球状或粒状，孤立分布在一次晶界上很小Ⅱ细小点、条状，呈不连续网状，以共晶形式分布在一次晶界上降低塑性Ⅲ粗大块状，MnS为主，在晶界单独分布不大3) 宏观组织缺陷铸件的宏观组织缺陷包括缩孔(残余)、缩松、气孔、热裂纹、夹杂物及由固态收缩引起的冷裂纹和鱼眼状白点发纹等。
无论是在处于半熔化状态的截面变化交界处所产生的热裂纹，或是由于钢液中氢含量偏高而引起的鱼眼状白点发纹，或由收缩应力引起的缩孔、缩松及残留在钢中的气孔或非金属夹杂物，都破坏了金属的连续性，从而恶化钢的性能。
它们都是铸钢宏观组织中必须控制的缺陷。
(2) 铸钢的铸态组织魏氏组织铁素体和粗大的奥氏体晶粒是亚共析铸钢典型的铸态组织，见图7.9-4和图7.9-5。
图7.9-4 ZG270-500魏氏体组织100X图7.9-5 ZG20CrMo铸钢的铸态组织125X铸钢的凝固是个连续的快速冷却过程。
它不同于缓慢冷却或等温过程，从而使冷却时的相变不按照平衡态的转变规律，即在未达到真正共析成分前已发生了共析转变，得到伪共析组织。
在亚共析钢中，进一步提高冷速甚至可形成一系列如贝氏体或马氏体的非平衡组织。
先共析铁素体是过冷奥氏体在稍低于Ar3以下时，在奥氏体晶界上形成的扩散型高温转变产物，随着冷速的变化，它可以呈晶界块状、晶界网状或魏氏组织片状三种形态。
在亚共析钢中，铁素体在奥氏体晶界或晶内成核并沿母相奥氏体一定的惯习面｛111｝r析出片状铁素体，在晶界呈羽毛状或晶内等边三角形状，得到与珠光体共存的混合组织，即铁素体魏氏组织。
随冷速增加，铁素体变厚变疏，甚至转变成其它非平衡组织。
过缓或过快的冷速均会抑制它的产生。
随着含碳量的增加，珠光体量增多，魏氏组织铁素体渐趋不明显，低中合金铸钢与碳钢具有相似的宏观组织，但由于化学成分及冷速的影响，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组成。
铸钢件在凝固过程中，奥氏体沿截面厚度方向长出不同形状的晶粒。
截面越厚，冷速越慢，柱状晶和等轴晶越长大，按晶粒度标准评级常大于1级。
粗大的二次组织将得到粗大的铸态组织，它将明显地影响热处理后的组织，从而影响室温性能。
(3) 热处理后组织铸钢件由于截面厚薄相差悬殊，体积较大，因此热处理工艺一般较简单。
常用的热处理方式为：退火、正火、回火、调质，也可进行表面化学热处理。
但由于铸件的成分偏析严重，致其局部的组织转变较复杂，各部位的显微组织可能有所不同。
结构用铸钢件常用的热处理工艺类型及金相组织见表7.9-2。
表7.9-2结构用铸钢件的热处理方式及其组织形貌类别主要目的规范金相组织应用范围消除应力退火消除内应力，防止开裂加热至Ac1以下100~200℃保温后缓冷仍为铸态组织一般铸钢件常用高温扩散退火成分和组织均匀化加热至Ac3以上120~200℃长时间保温后空冷均匀的再结晶组织，但晶粒度粗，表面氧化脱碳要求高的高合金钢铸件完全退火软化基体，消除应力，细化组织加热至Ac3以上30~60℃保温炉冷消除铸态组织，得到细化的铁素体和珠光体所有牌号铸件的预处理不完全退火降低硬度，改善切削性能，消除应力加热至Ac l~Ac3之间保温后炉冷部分组织转变和细化要求不高铸件的退火处理正火得到高于退火态的力学性能加热至Ac3以上30~60℃保温后空冷组织更均匀、细小，可为铁素体和珠光体或贝氏体、马氏体的混合组织一般要求铸件的交货态淬火提高硬度，满足回火的力学性能加热至Ac3以上20～50℃保温后快冷使碳化物溶解，得到贝氏体或马氏体组织碳钢和低、中、高合金钢铸件回火消除淬火应力，调整韧塑性与强度的配合，淬火加高温回火称调质Ac1以下不同温度保温后空冷回火索氏体(高温回火)或回火马氏体(低温回火)力学性能要求较高的铸件淬、正火后的后续工序金相试样一般取自单铸或附铸试块上，宏观组织试片或断口取自铸件本体。
试样的选取应有代表性和针对性，并应注意：其宏观组织和缺陷的分布会因顺序凝固而呈方向性，其微观组织则由于成分偏析而呈现不均匀。
（1）宏观组织检验用酸蚀法可显示铸件的宏观组织，成分不均匀性及冶金或铸造缺陷。
宏观组织显示的常用侵蚀液及适用范围参见“钢铁酸蚀侵蚀试剂”，宏观组织及缺陷在酸蚀试片上的特征见表7.9-3。
（2）微观组织检验1）铸造碳钢的金相检验晶粒度和非金属夹杂物的评级可按GB／T 8493—1987《一般工程用铸造碳钢金相》，参照GB／T6394—1986《金属平均晶粒度测定方法》。
以ZG310—。
