铸造高合金钢的制造方法

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：高合金钢中加入的合金元素总量在10%以上。铸造高合金钢主要有铸造高锰钢、铸造马氏体不锈钢、超临界、超超临界和超高温铸钢、铸造奥氏体不锈钢和铸造铁素体-奥氏体双相不锈钢。铸造高锰钢的铸态组织是有奥氏体和碳化物所构成的，铸造高锰钢中的碳化物对钢的性能是有害的，它降低了钢的强度并使钢发脆。铸造高锰钢通过水韧处理后，可以使碳化物完全溶解，因而得到单一的奥氏体组织。

高合金钢中加入的合金元素总量在10%（质量分数）以上。钢中加入大量合金元素后，钢的组织发生了根本变化，在常温下的组织已不再是铁素体-珠光体组织，而是单一的铁素体、单一的奥氏体、单一的马氏体、铁素体-奥氏体（或马氏体）组织了。由于有了大量的合金元素，使得钢具有了抗磨、耐热、耐蚀等特殊的使用性能。铸造高合金钢主要有铸造高锰钢、铸造马氏体不锈钢、超临界、超超临界和超高温铸钢、铸造奥氏体不锈钢和铸造铁素体-奥氏体双相不锈钢。

1.高锰钢

高锰钢是一种耐磨钢，钢中锰含量为13%（质量分数），碳含量为0.9%～1.3%（质量分数）。高锰钢的牌号有2GMn13、2GMn14、2GMn13Cr2等。这种钢具有奥氏体组织，韧性很好。高锰钢本身的硬度并不高，一般在200HBW左右，但这种奥氏体钢具有加工硬化性质，铸钢件在经受强烈的冲击或重力的挤压情况下，其表层发生加工硬化现象，硬度比原来大为提高，可达450～550HBW。铸造高锰钢的铸态组织是有奥氏体和碳化物所构成的，铸造高锰钢中的碳化物对钢的性能是有害的，它降低了钢的强度并使钢发脆。因此，必须设法消除已经形成的碳化物。为此可将钢重新加热至奥氏体区的温度并保温一段时间，使碳化物溶解在奥氏体中，然后在水中淬火快速冷却，使碳化物来不及析出，这种由于高锰钢通过水淬而得到高韧性的热处理方法称为水韧处理。铸造高锰钢通过水韧处理后，可以使碳化物完全溶解，因而得到单一的奥氏体组织。

应该指出，铸造高锰钢不适宜在高温（＞500℃）下工作，因为在高温下会从奥氏体中重新析出碳化物，钢又会变脆，而且由于再结晶的作用使得加工硬化的现象消失。

2.铸造低碳马氏体不锈钢

铸造低碳马氏体不锈钢是在Cr13马氏体不锈钢的基础上，通过大幅度降低碳含量，以便提高马氏体不锈钢的韧性，从而消除冷裂纹的敏感性，同时添加4%～6%（质量分数）的镍可以使镍当量增加，从而使δ铁素体的含量减少而马氏体的含量增加，并加入适量的合金元素Mo而形成的。因此，该钢不但强度、硬度较高，而且具有较好的韧塑性、焊接性及耐磨性，同时还具有良好的耐蚀性。

（1）δ铁素体铸造低碳马氏体不锈钢在室温下的组织为板条状马氏体，随成分和热处理工艺不同，其回火后的组织中还可能出现逆变奥氏体和δ铁素体。δ铁素体一般沿奥氏体晶界分布，逆变奥氏体分布在马氏体板条间。当钢中某些铁素体形成元素（如Si、Cr）等偏近上限，而某些奥氏体形成元素（如Ni）等偏近下限，就容易造成Ni当量余量偏低，产生一定数量的δ铁素体。低碳马氏体不锈钢中一旦有δ铁素体生成，用热处理或再加工等方法均无法消除。由于δ铁素体与马氏体基体之间化学成分、力学性能及热稳定性等方面的差异，它的出现一般会对钢的性能带来不利影响。它不但降低钢的强度，还影响其大截面性能，此处还会成为疲劳和腐蚀源。

铬、镍是降低Mf点和增加淬透性的元素。铬还保证该钢具有高的耐腐蚀和耐空蚀能力，如果铬含量过低，便降低其耐蚀性；如果铬含量偏高，就会出现残留奥氏体并增加δ铁素体。镍是减少δ铁素体的元素，它可在回火中使该钢产生逆变奥氏体，且逆变奥氏体量随镍含量的增加而增加。

（2）逆变奥氏体马氏体不锈钢具有较好的淬透性，其正火组织以马氏体为主。回火时，当回火温度超过Ac₃时将发生马氏体向奥氏体的转变，对一般钢来说这种奥氏体通常是不稳定的，在冷却过程中会重新形成新生马氏体，但对马氏体不锈钢而言，在Ac₃以上不太高的温度范围内回火形成的奥氏体却是稳定的，这部分奥氏体称为逆变奥氏体。通常认为逆变奥氏体有益于提高材料的塑、韧性。低碳马氏体不锈钢回火温度应在Ac₃以上较窄的温度范围内进行。随着回火温度的升高，逆变奥氏体量增加，但回火温度过高，会导致奥氏体总量过大，使奥氏体内奥氏体化元素含量相对减少，奥氏体的稳定性降低。该钢种的回火温度一般以590～620℃为佳。在回火冷却过程中，奥氏体过多的转变成新生马氏体，逆变奥氏体量反而会降低，使韧塑性恶化。一般情况下低碳马氏体不锈钢须经过两次回火，一次回火的目的是为了获得最大量的逆变奥氏体，二次回火的目的是促使第一次回火中的新生马氏体进一步分解，组织进一步软化，以获得适量稳定的逆变奥氏体及最佳综合力学性能。

（3）残留奥氏体淬火过程并不能完全将奥氏体转变为马氏体，即使过冷到Mf以下温度，仍有少量的奥氏体存在，这部分未发生马氏体转变的奥氏体，称为残留奥氏体。残留奥氏体也称不稳定奥氏体，它经过适当的热处理或在以后的加工过程中会相变为马氏体，从而降低钢的韧塑性，且膨胀系数也较铁素体马氏体大，在热加工和焊接过程中产生较大的内应力，引起制品变形或裂纹，特别对焊缝影响更大。因此，该类钢决不允许存在残留奥氏体。为达此目的，其马氏体相变终了点Mf必须在室温之上，最好高于30℃或更高。

3.铸造奥氏体不锈钢

铸造奥氏体不锈钢铬含量高，流动性差，铸钢件易产生热粘砂、冷隔、表面皱皮等缺陷，并且易形成热裂和夹渣缺陷。铸造奥氏体不锈钢在常温下应为γ＋α＋碳化物（如CrC、NbC、TiC等），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，但在高温下碳化物有析出。因此，这种钢不能在高温条件下焊接和使用。

4.铸造铁素体⁃奥氏体双相不锈钢

铸造铁素体-奥氏体双相不锈钢在常温下的组织中铁素体奥氏体各占50%（体积分数）左右。和奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢具有强度高、对晶间腐蚀不敏感、良好的抗疲劳性、良好的焊接性及优良的抗腐蚀裂纹性能。

1）双相不锈钢类型有Cr18型、Cr23（不含Mo）型、Cr22型、Cr25型共四种，我国生产的只有Cr18型和Cr25型两种。

2）022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢（Cr22型），其化学成分见表1-1，力学性能见表1-2。

表1⁃1 022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的化学成分（质量分数）（%）

表1⁃2 022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢的力学性能

5.超临界、超超临界和超高温铸钢

超临界、超超临界和超高温铸钢主要是指Cr的质量分数为9%～12%的马氏体耐热钢，又称为新型马氏体耐热钢，主要包括T91／P91钢、E911钢、T92／P92钢，属于中合金耐热钢，是美国20世纪70年代末80年代初开发的新型马氏体耐热钢，具有高温强度高、抗氧化性能和抗蠕变性能好，以及相对高的热导率与低的热膨胀系数等特点，主要用于气缸、主气阀、调节阀、喷嘴室和隔板套等火电耐热钢铸钢件。

该钢可分为普通型、改良型和新型马氏体耐热钢（Cr的质量分数为9%～12%）。在标准的9Cr-1Mo钢化学成分的基础上，采取适当措施降低碳、硫、磷，添加微量钒、铌、氮等碳化物促进元素，通过优化热处理规范显著提高材料的持久强度，这就是改良型耐热钢（Cr的质量分数9%～12%）；在改良型耐热钢的基础上，减少钼含量，添加钨或硼、钴等元素，进行优化热处理后蠕变强度更高的钢种，即为新型耐热钢（Cr的质量分数9%～12%）。当使用环境是蒸汽且温度为593～610℃时，一般选用改良型耐热钢为主（Cr的质量分数9%～12%）。

新型9Cr、12Cr马氏体耐热钢成分的共同特点是碳含量低，纯净度高及经过微合金化Nb、Al、N、B和较低V的处理。碳含量不大于0.1%（质量分数），P、S的含量控制在0.010%（质量分数）以内。在力学性能方面，具有明显高的常温和高温强度，并同时具有高韧性、高塑性、较高的高温强度和高温蠕变强度。

超超临界材料的性能一般采用正火喷雾加风冷工艺来实现，其热处理工艺为正火后两次高温回火。铸钢件在正火保温奥氏体化后，得到完全的奥氏体组织；正火后用喷雾风冷至一定温度得到足够大的冷却速度，使奥氏体能完全转变为马氏体。

（1）T91／P91钢Ms点为380～400℃，Mf点为100～120℃，正火温度为1040～1080℃，回火温度为750～780℃，长时间的使用温度极限为593℃。

（2）E911钢Ms点为370～400℃，Mf点大约为100℃，正火温度为1040～1080℃，回火温度750～780℃，长时间的使用温度极限为600～620℃。

（3）T92／P92钢T92／P92钢的Ms点为370～400℃，Mf点大约在100℃，正火温度为1040～1080℃，回火温度为750～780℃，长时间的使用温度极限为600～620℃。

铸造高合金钢的制造方法

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