铸造低合金钢的质量控制方法

我国以硅、锰和铬为主要合金元素，建立了符合国内资源条件的低合金钢系列。铸造低合金钢的应用也日益增多，在许多产品上，采用铸造低合金钢代替铸造碳钢，减轻了机器重量，提高了使用寿命，大大降低了成本和缩短了生产周期。

根据用途不同，铸造低合金钢主要分为铸造低合金结构钢和铸造低合金特殊用钢。它们的质量要求和控制方法也有所不同。

1.铸造低合金结构钢

国内铸造低合金结构钢主要采用锰系、锰硅系和铬系等钢种。

（1）锰及锰硅系铸造低合金结构钢 普通碳钢中加入质量分数为0.5％～0.8％的锰，是为了脱氧及消除硫的有害作用；当钢中锰的质量分数大于0.8％后，就成为了低锰钢。常用低锰钢中锰的质量分数为0.8％～1.5％，在此范围内，锰可使钢的强度和硬度升高而不降低塑性。

锰在钢中一部分溶于铁素体（或奥氏体）中，另一部分形成合金渗碳体（Fe，Mn）₇C₃。锰在钢中能显著提高钢的淬透性。这是因为它能降低过冷奥氏体的分解速度，使珠光体临界转变温度下降，因而临界淬火速度显著减少，淬透性增大。在正火条件下，也能使组织中珠光体分散度增大。锰对基体还有一定的固溶强化作用，因而加入锰后能明显改善钢的力学性能。

锰不利的一面是增大钢的过热敏感性，加热时温度稍高，晶粒就发生粗化另外，还增加回火脆性。

因此，单元锰钢的最大优点是价格便宜而淬透性较高，壁厚70mm的铸件都能用热处理进行强化；其最大缺点是热处理时过热敏感性大，易产生偏析和回火脆性。

锰硅钢是将锰钢中的硅的质量分数提高至0.6％～1.0％，这样就克服了单元锰钢的缺点，而获得更好的性能。硅是低合金钢中常用的一种合金元素。它在钢中不形成碳化物，只形成固溶体，有较显著的强化铁素体的作用，能提高钢的强度和屈强比。与锰配合使用能提高钢的淬透性，并改善钢的耐热性和耐蚀性。锰硅钢常用来制作齿轮之类的传动零件、船用零件，以及水压机工作缸水轮机转子等耐蚀耐磨零件。

（2）铬系铸造低合金结构钢 铬元素既溶于铁素体而起强化作用，又能形成多种碳化物。当它溶于奥氏体时，能显著提高淬透性，提高钢的强度。当铬的质量分数小于2％时，它在提高强度和硬度的同时，还可提高塑性和韧性，这是它的一个重要优点，故多用于低合金调质钢中。铬还能提高钢的耐蚀性，但易增加钢的回火脆性。

单元铬钢主要是ZG40Cr，是调质状态下使用的钢种，常用作齿轮等重要受力零件。

在铬钢中加少量钼，可减弱铬钢的回火脆性，进一步提高其淬透性，并能提高钢的高温强度。加入少量钒，能显著细化晶粒，使强度、韧性都得到提高但由于现在钢中所形成的碳化物，难溶于奥氏体，故降低了钢的淬透性。因此铬钒钢主要用于截面较小、力学性能要求较高的零件。当同时加入钼和钒时既可细化晶粒，又可保持高的淬透性，可用作大截面重要铸件，如大汽轮机转子、大齿轮等。

2.铸造低合金特殊用钢

（1）高温用铸造低合金钢 这类铸钢比铸造碳钢具有较高的抗高温软化能力，广泛用于制作在600℃以下工作的阀类、配件和汽轮机铸件。其主要合金元素为Mn、W、V和Mo。

（2）低温用铸造低合金钢 在低温下使用的钢往往出现脆性。这种低温脆性是零件的工作温度低于钢的韧-脆转变温度，而处于脆性状态的缘故。要改善钢的低温脆性就必须加入Ni、Mn、V、Nb等合金元素，以降低钢的韧-脆转变温度。

对在－60℃以下工作的钢种，国外大多采用w（Ni）为2.0％～4.0％的低合金钢，而我国则大力发展以锰为主的低合金钢，用加入微量Y、Nb或稀土来细化晶粒，提高低温性能。

（3）抗磨用铸造低合金钢 铸造低合金钢有良好的耐磨性与韧性，生产成本不高，适用于制造各类磨料磨损件。我国最初应用的抗磨用铸造低合金钢的化学成分见表12-5。合金元素主要为Cr、Mn、Ni、Mo，常用于制造履带板、铲齿、衬板、泵件等耐磨件。

表12-5 抗磨用铸造低合金钢的化学成分(www.xing528.com)

3.铸造低合金钢的热处理

低合金钢铸件的热处理目的主要是发挥合金元素对提高淬透性的作用，同时也消除内应力和细化组织。热处理的主要方式是淬火＋回火或正火＋回火。

铸造低合金钢在加热过程中的相变与铸造碳钢相似，有奥氏体的形成、残留碳化物的溶解及奥氏体成分的均匀化三个过程。合金元素的主要影响表现在减慢碳化物溶解及奥氏体均匀化速度上。由于铸态组织的晶粒粗大，奥氏体晶粒内的成分均匀比较困难，为了加速低合金钢中碳化物的溶解和奥氏体成分均匀化，通常是提高热处理时的加热温度。

在生产过程中，当采用与碳钢铸件相同的保温时间（即壁厚每25mm保温1h）时，低合金钢铸件就必须采用更高的加热温度，一般取Ac₃＋（50～100℃）铸造低合金钢的热处理温度见表12-6。

表12-6 铸造低合金钢的热处理温度

4.低合金钢的铸造过程控制

低合金钢的组织和相应的碳钢相似，在制订铸造工艺时，可在碳钢的基础上，考虑低合金钢的铸造性能特点，稍加修改即可。

合金元素对钢铸造性能的影响，主要表现在流动性、收缩及裂纹等方面。

（1）流动性 Cr、Mo、V、Ti、Al等合金元素在钢液中形成高熔点的氧化物或碳化物，使钢液变黏，降低钢液流动性。尤其是当它们含量较高时，钢中非金属夹杂物增多，在液面形成坚实的氧化膜。这不仅严重降低流动性，还会使铸件出现皱纹和冷隔。因此，必须选用适当高的浇注温度和较快的浇注速度。

（2）收缩 在线收缩和缩孔率方面，低合金钢与具有相同碳含量的碳钢相似。

（3）裂纹倾向 低合金钢和碳钢在铸造性能方面的主要差别表现在裂纹的倾向上。低合金钢中的元素偏析大，导热性又较低，因此，铸件在凝固和冷却过程中，各部位温差较大，产生较大的内应力，易出现裂纹。

针对铸造低合金钢形成裂纹倾向大的特点，在工艺上应注意以下几点：

1）加入细化晶粒的元素，如稀土元素、Ti、Nb等，减少枝晶偏析，降低相变应力。

2）推迟打箱时间，增加铸件在砂型中的保温时间。

3）在工艺设计时，应注意采用同时冷却原则，即多设内浇道，分散布置冒口，避免局部热量的集中，使铸件各部分冷却均匀，以减小热应力。