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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。

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，呈现及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，从而使铸件及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