铸钢及其熔炼.ppt

铸钢及其熔炼,1绪言,学习本课程的目的,目的,化学成分金相组织热处理力学性能钢液质量使用性能,1-1,1-2,1.铸钢件的特点,1）力学性能要远远优于铸铁；2）具有许多特殊的性能，如耐热、耐磨、耐蚀等；3）有良好的焊接性能，利于铸件组合及修补；4）尺寸形状与成品接近，节约原料，机械加工简化；5）铸件各部分结构可设计均匀，能抵抗变形；6）价格较低廉。,1-3,2.获得优良铸钢件的条件,1）优质的、脱氧的、高温的、去除了有害杂质的、并符合铸件用途的材质；2）良好的造型材料强度、压溃性、透气性、耐火性、热传导性、膨胀性等；3）正确的造型工艺设计，工艺收得率4070；4）适宜的热处理；5）合理的铸件结构设计。,1-4,铸钢件生产工艺过程,1-5,注如为熔模铸造，则上半部分为型壳的制造过程。,3.铸钢生产概况,（1）世界铸钢产量统计,①铸钢约占钢产量的1左右；铸件产量的1520；②铸钢件总产量绝对数字增长快，目前已达2000万T/年左右；③铸造合金钢比例增加，如德国、日本已升至4050，一般占2030。,1-6,3.铸钢生产概况,（2）铸钢生产涉及的工业及部门（3）铸钢生产水平的标志①产量；②质量；③合金钢铸件的比重；④品种；⑤熔炼设备；⑥产品。,电弧炉最大,,中国50T,外＞300T,1-7,例,2铸钢的结晶过程,2-1,1.Fe-C二元平衡相图碳钢部分特点,1）钢铁分界点E2.14C；2）铸造碳钢的成分C0.05，流动性↑（∵P使液相线↓）。Si由于能起脱氧和镇静作用，故能使流动性↑。,2-19,影响因素,（2）钢液中的气体和夹杂物气体↑，夹杂物↑→流动性↓①脱碳处理越好→气体、夹杂上浮，清理越彻底→流动性↑②脱氧操作越合适→流动性↑,2-20,例脱氧操作对钢水流动性影响,2-21,讨论原因对氧的亲和力Mn2.5后将使ak、δ↓↓原理Mn可使J↑，使正火后P体量↑，分散度↑；淬火后易得M；高温回火后综合性能好；降低T韧-脆。缺点过热敏感性大，易偏析和回火脆性。,4-15,②Mn-Si系,除Mn↑外，Si由0.200.60↗0.81.2左右。加Si的特点a）Si使钢固溶强化，Si-Mn结合使J↑↑，因此，σb、σs、HB↑↑，而δ、ak有所下降；,4-16,b）提高耐磨性，Si减少摩擦中的氧化作用；c）提高耐蚀性，抗海水能力最佳；d）铸造性能好，焊接性能好；e）易发生回火脆性，应速冷；提高T塑-脆↑。,4-17,③Cr、Cr-Mo、Cr-Ni系,Cr0.61.2；Mo0.40.6；Ni0.52.0。特点CrJ↑；Mo↓回火脆性；NiJ↑，σb、ak↑，T塑-脆↓。,4-18,（2）特殊系列低合金钢,①析出强化型加Cu，时效析出富Cu的ε相硬质点（金属间化合物）。,4-19,②高温型,加Mo0.51.0，Crσs400,45,HB↑ak↓（加工硬化）,5-3,变形抗力↑,滑移停止,晶面滑移示意图,5-4,1）加工硬化机理,（1）在滑移面上产生高密度位错，阻碍滑移。位错强化的结果产生第二相M、ε、Cm（2）变形时钢的微观结构有了变化晶粒破碎亚结构小晶块增多结果（3）A体晶格的畸变。外力可分解为σ和τ。τ引起滑移晶格畸变滑移抗力增大。,,A→M析出Cm,5-5,2）加工硬化条件,（1）高锰钢本身应具有最大的变形能力（如σs↓）。变形能力↑、加工硬化↑。（2）具有较大的外加压力和冲击载荷。外加载荷↑，加工硬化↑↑。,5-6,举例一风扇磨冲击板举例二清理滚筒衬板HB500,δ12；球磨机衬板HB300，δ1.01.5,5-7,3.高锰钢的化学成分、性能和铸态组织,1）牌号和成分,高锰钢的化学成分（）（GB5680-85）,5-8,由上可知,5-9,讨论,（1）碳作用①保证获得单相A②强化固溶体A,,过低M过高Cm,5-10,若含碳量过低，A体不足以产生有效的加工硬化（碳溶于A中，使A晶格畸变）。故一般而言，在一定范围内，随C↑，其耐磨性↑，使用寿命↑，但ak↓；,5-11,但含碳量过高，也会导致①铸态组织中Cm↑；②对于厚壁铸件，中心导热差，由于C量高，热处理后仍不免析出Cm。,5-12,5-13,5-14,（2）锰作用与碳复合作用，稳定A体，此外还有强化固溶作用。,①C1.0，Mn8，即可在水冷后得到全部A体；但为了↑ak、δ，故将Mn量限定为Mn1114。②Mn/C810,5-15,5-16,（3）硅推荐值0.30.8Si由Mn-Fe带入（含Si24）。,①适量的Si对A体强化有利；②Si降低A体中C的溶解度过量的Si会排挤A体中的C排出的C在晶界上形成Cm，使ak↓↓而基体中的C↓，加工硬化↓。,5-17,5-18,5-19,（4）磷≤0.09％（推荐≤0.06）P高是由Mn-Fe带入（其中含P0.20.4）。P是有害元素，使ak↓↓。,5-20,（5）硫≤0.05,由于Mn的大量存在（与S中和），一般S≤0.03。有害作用低于P。,5-21,2）性能,5-22,与ZG45作比较,高锰钢性能特点,①ak↑↑；②ψ≈δ；③试棒无“颈缩”现象，整个断面均匀减少。,5-23,3）铸态组织,平衡态α（Fe.Mn）3C（室温）铸态γ（Fe.Mn）3C[有时有少量γ→α（M、P、S）产物],5-24,4.高锰钢的热处理,1）目的消除Cm，得到单相A。,5-25,2）工艺水韧处理,（1）加热（保温）温度使Cm完全溶解，一般10001050℃就可以。（2）加热速度均匀缓慢加热。加热太快，易产生裂纹。（原因导热差，线膨胀大）,5-26,（3）保温时间,5-27,4冷却迅速水冷,要求①一般控制铸件在空气中停留时间17和Ni8时，得AFCm组织。,6-16,因此，其金相组织为,,平衡态FACm铸态ACm热处理A,6-17,Cr当量Cr1.4Mo1.5SiNb-4.99作用形成α。Ni当量Ni30C0.5Mn26N-0.022.77作用形成γ。,6-18,1）用途和特点,,（1）耐蚀性优于ZGCr13，用于强腐蚀性介质（如HNO3等）。（2）无磁A体钢；（3）塑性、韧性优良；（4）高温和低温性能均好，在-150℃500℃内组织性能稳定。,6-19,2）化学成分和力学性能,（1）化学成分ZG1Cr18Ni9Ti,6-20,说明,①Si≤1.0。在此范围内，取上限，则抗氧化性好，耐热性好，改善钢的流动性能。②Ti定C形成Ti的碳化物（TiC）→而避免铬的化合物CrFe3C生成。Ti加入量≥（C-0.02）50.8（也可加Nb）此外，由于O、N的存在，而Ti与其有强烈的亲合力，故Ti量可提高至0.70.8。,6-21,（2）力学性能σs≥200，σb≥450，δ≥25，ψ≥32，ak≥100J/cm2。,6-22,3）晶间腐蚀,1原因铸态组织为ACm（或热处理后残存较多的Cm）→CmCrFe3C中Cr↑而A体中Cr↓→A体晶界边上一层Cr量↓→形成贫铬层→耐蚀性↓。,6-23,2减少晶间Cm的措施,①降低C量；②钢液净化；③严控热处理高温固溶化处理，水冷；④加Ti、Nb形成TiC、Nb4C3。,6-24,4）热处理,目的获得单相A体。工艺固溶化处理。,6-25,5）铸造性能,（1）流动性差，易氧化Cr量高，生成Cr2O3膜；（2）体收缩大力求顺序凝固，冒口尺寸比碳钢件大2030；（3）热裂倾向大线收缩3.0；（4）易产生热粘砂钢液温度高。,6-26,5.抗磨耐蚀不锈钢,1）马氏体时效钢,6-27,6-28,特点分析,（1）σs1100，HB400高强度抗磨耐蚀钢；（2）基体为MA残少ε相硬质点（时效沉淀硬化）。,6-29,2）马氏体不锈钢ZG0Cr13Ni4MoR,6-30,热处理9501100℃空冷625℃第一次回火600℃第二次回火,用途水轮机转子和叶片,6-31,6.其他,1）耐热钢,6-32,2）热强钢,一般都是A体型钢如ZG1Cr14Ni14Mo2WNbZG2Cr25Ni13TiZG3Cr18Ni25Si2C↑→↑σb；Si↑→↑抗氧化性,↑热强性,,晶粒强化晶界强化初生骨格强化,6-33,3）低温钢,（1）F-P型低合金钢的使用温度为-40-110℃。（2）若-150℃左右则使用Ni-Cr18/8型钢（A型）。,6-34,3）低温钢,（3）为了避免18/8型钢在更低温下使A体中析出Cm，则应采用更高的Cr、Ni。如ZG1Cr18Ni12、ZG1Cr25Ni20等。（4）ZGMn13A体钢不宜用作低温钢，因其在-40℃时即失去韧性。,6-35,7铸钢的熔炼,一、概述,1.炼钢的目的1）将固体炉料（生铁、废钢等）熔化成钢液；2）将钢液中的碳、硅、锰及其他合金元素的含量，炼到规格范围以内；3）脱去钢液中的有害元素P、S至规定的范围；4）去除气体和非金属夹杂；5）提高钢液温度，保证浇注需要。,7-1,2.炼钢的方法,1）电弧炉,,碱性酸性,,*氧化法吹氧返回法不氧化法,2）平炉,7-2,2.炼钢的方法,3）感应炉（无芯）4）转炉5）其他真空感应电炉、电渣熔铸、AOD炉外精炼等。,,高频200,000300,000Hz中频1,0002,500Hz工频50Hz,,7-3,3.钢中的炉渣,1）炉渣的成分酸性SiO2、P2O5、TiO2、V2O5；碱性CaO、MgO、FeO、MnO；中性Al2O3、Fe2O3、Cr2O3；其他CaF2、CaS、FeS、CaC2。,7-4,3.钢中的炉渣,2）炉渣的作用（1）收集消除杂质；（2）去除S、P；（3）控制氧化与还原；（4）保护钢液不被氧化；（5）避免气体侵入；（6）避免温度下降。,7-5,3）炉渣中主要成分的特征,7-6,二、炼钢控制工艺,1.熔化炉料前提补炉；配料和装料。总能耗7001000度电/吨钢;熔化期占三分之二左右。,7-7,脱C、Si、Mn↓采用氧化法；[C][O]→CO↑[Si][O]→（SiO2）[Mn][O]→（MnO）增C、Si、Mn↑加入相应炉料Si-Fe、Mn-Fe、C粉、Cu、Ni。,7-8,2.成分控制,3.去除P、S,1）脱磷反应P的存在形式[FeP]、[Fe2P]、[Fe3P]2[Fe2P]5FeO4CaO→4CaOP2O59[Fe]Q分析反应的热力学条件（1）强氧化性渣（FeO）↑↑→[P]↓（2）高碱度CaO↑↑→[P]↓碱度R2.53.5为佳。（3）低温反应为放热反应温度↓→反应平衡右移。（电弧炉1460℃为佳）,7-9,氧化期,2）脱硫反应S的存在形式[FeS][FeS]CaO→CaSFeO－Q分析反应的热力学条件（1）强还原性渣（FeO）↓↓→[S]↓（2）高碱度（CaO）↑↑→[S]↓（3）高温反应为吸热反应温度↑→反应平衡右移。,3.去除P、S,7-10,还原期,*小结,对于脱S、P反应，在碱性电弧炉炼钢中易于控制；而在感应炉中则不易控制。,7-11,4.去气除夹杂,反应原理（FeO）[C]→[Fe]CO↑－Q*一般脱碳量0.300.40（0.01/个）反应条件（1）（FeO）↑强氧化性，15（2）T↑吸热反应（3）炉渣流动性好。动力学*小结此反应在感应炉中难于实现。,,上浮过程中，带出H、O、N和夹杂,,热力学,7-12,,氧化期后期,达到符合工艺要求的出钢温度。,7-13,5.提高钢水温度,三、感应炉炼钢,1.炼钢工艺由于没有氧化脱碳过程，不能降碳（即不能去气除夹杂），没有氧化期，不能很有效地脱磷和脱硫，所以感应炉炼钢一般采用不氧化法装入法、重熔法。,7-14,优点,（1）热效率高，加热速度快；（2）钢水温度和成分均匀；（3）氧化烧损较轻，吸气较少。,7-15,2.原理和特点,1）感应炉结构,7-16,2）工作原理,（1）感应电动势和感应电流感应圈内通过交变电流→金属炉料（钢液）处于交变磁场→产生感应电动势和感应电流→炉料本身具有电阻而发热→金属炉料（钢水）熔化与过热。电学基本公式VIR，QI2RT,7-17,感应电动势E4.44φNf（v）式中φ磁通（wb）；N感应器匝数；f交流电频率（Hz）,感应电炉的磁通回路,7-18,（2）电流透入层特点“集肤效应”和“驼峰现象”。,,式中ρ金属电阻率（欧姆厘米）；μ相对导磁率；f电流频率（Hz）。,7-19,说明,①δ层中集中了80的电流；②δ层中，取表皮电流密度为100，则内界面为37；由于金属炉料中的感应电动势和感应电流的分布不均匀，产生了“集肤效应”，导致炉内温度分布不均匀；Ⅰ区温度最高，Ⅱ区次之，Ⅲ区最低。,7-20,说明,④电磁搅拌引起“驼峰现象”。电磁作用感应器中电流方向和钢液中感应电流的方向相反电流互相排斥中心部分钢液上升“驼峰”。,7-21,3.坩埚的打结,感应炉的炉衬主要分为酸性和碱性两种。,7-22,感应炉的炉衬主要分为酸性和碱性两种,7-23,3.坩埚的打结,2）打结方法感应器内部和底部铺35层玻璃丝纤维布（或石棉板）打结坩埚底放坩埚模型分层打结坩埚壁打结炉领。*炉衬材料的粒度级配对坩埚的致密程度及使用寿命有重大影响。,7-24,3.坩埚的打结,3）烘干（1）自然干燥三天左右（2）烘烤①间断通电；②低功率（1030），逐渐加大；③保证一定时间，58h。,7-25,4.熔炼以酸性中频感应电炉不氧化法为例,1）装料小块炉子底部和中间；大块贴近坩埚壁。要求（1）炉料尽可能低S低P；（2）成分明确，精确配料；（3）炉料尽可能排列紧密，尺寸不要太大、太小，炉料表面无锈无油。,7-26,2）通电熔化（1）开始10分钟左右，用小功率（4060）；（2）电流稳定后，加大功率；（3）防止“搭桥”。,7-27,4.熔炼以酸性中频感应电炉不氧化法为例,3）造渣（1）炉料大部分熔化后，加入造渣材料①造型新砂60、碎石灰20、萤石粉20；②碎玻璃、稻草灰；③集渣剂。（2）造渣材料加入量①以复盖住钢水为准；②钢水量的1.01.5。,7-28,4.熔炼以酸性中频感应电炉不氧化法为例,4）脱氧和调整成分（加合金）（1）炉料化清后碳钢用Mn-Fe、Si-Fe沉淀脱氧；合金钢用Mn-Fe、Si-Fe（再加Si-Ca等）沉淀脱氧。（2）化学成分调整后插铝终脱氧。,4.熔炼以酸性中频感应电炉不氧化法为例,7-29,5）出钢（1）成分合格（2）达到要求温度,,出钢浇注,例ZG1Cr18Ni9TiT出16201640℃T浇15701600℃,4.熔炼以酸性中频感应电炉不氧化法为例,7-30,5.其它几个问题,1）酸性感应炉内元素的变化,7-31,2）合金元素收得率,7-32,3）铁合金的成分,除了合金元素和Fe元素的含量外，还要注意不同的级别，即其他元素的含量。,7-33,四、碱性感应电炉炼钢中的脱氧和快速熔炼工艺,1.感应炉的脱氧工艺钢在非真空感应炉中熔炼时，氧气通过大气、钢料及合金、炉渣、坩埚进入钢液里，给钢的性能带来极大危害。,7-34,1.1氧在钢中存在的形式,（1）溶解氧（2）化合氧（3）钢液中的总含氧量＝溶解氧含量化合氧含量,7-35,（1）钢液中的溶解氧使合金元素氧化，增大烧损,且形成夹杂物。（2）钢液凝固过程中溶解氧与钢中的碳反应生成CO气泡，在铸件内形成气孔。（3）钢凝固后，氧化物、硫氧化物以夹杂物形态存在于钢中，对钢的性能产生明显不利影响。,1.2氧在钢中的危害,7-36,,（1）大气中的氧及水蒸汽。（2）炉渣中的氧化铁。（3）炉料带入的氧化铁及其他氧化物。（4）炉衬材料高温下氧化物的分解。,,1.3氧进入钢液的途径,7-37,沉淀脱氧是向钢中加入对氧亲合力大于铁的元素，与钢液中的溶解氧化合，形成不溶于钢液的氧化物，且该氧化物借助浮力自钢液中排出而使钢中含氧量下降的方法。,1.4脱氧方法之一沉淀脱氧,7-38,（1）选择脱氧元素的原则,①对氧的亲合力要强。脱氧能力顺序为Ba、Ca、Ce、La、Mg、Be、ZrAl、Ti、B、Si、C、V、Mn、Cr,,,7-39,7-40,②具有与钢相似的熔点、比重，且沸点高、溶解度大。③与氧形成的产物容易聚集长大自钢液中浮出。④钢中能容许残留的脱氧元素存在。,7-41,①单一元素脱氧时，其氧化物熔点高于钢,不利于聚集上浮。SiO21723℃/2.38MnO1850℃/5.37CaO2570℃/3.34A12O32050℃/3.96,（2）单一元素脱氧剂与复合元素脱氧剂,7-42,复合元素脱氧时,生成复合氧化物，熔点下降，容易聚集上浮。MnOSiO21291℃/3.723MnO3SiO2A12O31195℃/4.183CaOSiO21475℃/2.9综上所述硅、锰是复合脱氧剂中必不可少的元素。,7-43,（3）几种沉淀脱氧剂的特点,①锰锰铁、金属锰、电解锰）②硅（硅铁、结晶硅）③锰和硅（分别使用或锰硅合金）④铝（纯铝）⑤铝-硅-锰合金,7-44,⑥钙合金（硅钙合金、硅钙锰合金、硅钙铝钡合金）如硅钙铝钡的成份Ca1013Si3550Al1921Ba921Fe余量⑦稀土元素（镧、铈、镨、钕）⑧其他脱氧元素镁、钛、锆、硼,7-45,1.5脱氧方法之二扩散脱氧,根据能斯脱分配定律，能同时溶解于炉渣和钢液两相中的氧，在一定温度下，溶解反应达到平衡时，两相中氧的浓度比为常数。扩散脱氧就是向炉渣中不断加入脱氧剂，使炉渣中氧（FeO）降低;而钢液中的氧将不断地向炉渣扩散,直到新的平衡为止,从而降低了钢液中氧含量,这就是扩散脱氧的原理。扩散脱氧剂有碳粉、硅铁粉、铝粉、硅钙粉