碳素铸钢

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碳素铸钢(carbon cast steel)
　　铸造成形用碳素钢。它广泛应用于矿山机械、冶金机械、机车车辆、船舶、水压机、水轮机等大型钢制零件和其他形状复杂的钢制零件。
　　碳是影响碳素铸钢力学性能的主要元素。随着碳含量增加，碳素铸钢的屈服点和抗拉强度均升高，且抗拉强度比屈服点上升得更多。另外，随着碳含量增加，碳素铸钢的塑性和韧性降低。当碳素铸钢中碳含量超过0.45％时，屈服点升高很少，而塑性和韧性却显著降低。随着碳含量增加，碳素铸钢的凝固温度降低，钢水的流动性和铸造性能变好。
　　碳素铸钢件在铸型中的冷却速度一般都较慢，所以组织特点是晶粒粗大且不均匀。碳素铸钢件尺寸一般较大，且不需锻压加工，所以碳素铸钢件偏析较明显，较普遍地存在树枝状、柱状、网状组织和魏氏组织。碳素铸钢件的内应力较大，力学性能较差，特别是断面收缩率和冲击韧性低。但是因为碳素铸钢件成形方法简单，加工方便，所以碳素铸钢的用途十分广泛。
　　碳素铸钢与铸铁相比，其铸造性能较差。碳素铸钢的凝固点较高、流动性较差、凝固收缩大、吸气性较大，所以容易形成气孔、夹渣、缩孔、疏松、热裂、冷裂和冷隔。为了改善流动性可采用较高的浇铸温度，为了补偿凝固收缩要用较大的浇铸冒口。
　　碳素铸钢件由于铸态塑性和韧性低，不宜直接使用。为了改善碳素铸钢件的性能常须进行热处理，以细化晶粒、消除魏氏组织和铸造应力，提高力学性能。形状较复杂，容易引起变形、开裂的碳素铸钢件要进行退火；形状较简单，壁厚不太大的碳素铸钢件要进行正火；尺寸较大的碳素铸钢件一般采用正火后回火处理；形状简单而要求较高力学性能的碳素铸钢件要进行调质处理。调质处理前一般进行退火或正火，有的采用铸态直接调质。后者工艺简单，生产周期短，成本低。热处理加热时，尺寸较大或形状复杂的碳素铸钢件升温速度不宜过快，不然碳素铸钢件容易引起变形或开裂。大型碳素铸钢件的升温速度一般限制在50～100℃／h，小型的可以控制在100～200℃／h。碳素铸钢件的退火和正火温度要比相应牌号的碳素钢热加工件适当高一些，保温时间要适当长一一些，以保证成分和组织均匀。
　　按中国国家标准GB11352-89，一般工程用碳素铸钢件分为5个牌号，其中ZG200-400主要用于制作各种机座、变速箱壳等；ZG230-450用于制作轴承盖、各种外壳、阀体等；ZG270-500用于制作轧钢机饥架、轴承座等；ZG310-570用于制作辊子、缸体、大齿轮等；ZG340一640主要用于制作齿轮、棘轮、叉头等。

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碳素铸钢的铸造技术与工艺
　　碳素铸钢的铸造技术与工艺对于强度、塑性和韧性要求更高的机器零件，需要采用铸钢件。铸钢件的产量仅次于铸铁，约占铸件总产量的15%。
　　一、按照化学成分铸钢可分为碳素铸钢和合金铸钢两大类。其中以碳素铸钢应用最广，占铸钢总产量的80%以上。 1、碳素铸钢 一般的，低碳钢ZG15的熔点较高、铸造性能差，仅用于制造电机零件或渗碳零件；中碳钢ZG25～ZG45，具有高于各类铸铁的综合性能，即强度高、有优良的塑性和韧性，因此适于制造形状复杂、强度和韧性要求高的零件，如火车车轮、锻锤机架和砧座、轧辊和高压阀门等，是碳素铸钢中应用最多的一类；高碳钢ZG55的熔点低，其铸造性能较中碳钢的好，但其塑性和韧性较差，仅用于制造少数的耐磨件。 2、合金铸钢 根据合金元素总量的多少，合金铸钢可分为两低合金钢和高合金钢大类。
　　1）低合金铸钢，我国主要应用锰系、锰硅系及铬系等。如ZG40Mn、ZG30MnSi1、ZG30Cr1MnSi1等。用来制造齿轮、水压机工作缸和水轮机转子等零件，而ZG40Cr1常用来制造高强度齿轮和高强度轴等重要受力零件。
　　2）高合金铸钢 ，具有耐磨、耐热或耐腐蚀等特殊性能。如高锰钢ZGMn13，是一种抗磨钢，主要用于制造在干磨擦工作条件下使用的零件，如挖掘机的抓斗前壁和抓斗齿、拖拉机和坦克的履带等；铬镍不锈钢ZG1Cr18Ni9和铬不锈钢ZG1Cr13和ZGCr28等，对硝酸的耐腐蚀性很高，主要用于制造化工、石油、化纤和食品等设备上的零件。
　　二、铸钢的铸造工艺特点 铸钢的机械性能比铸铁高，但其铸造性能却比铸铁差。因为铸钢的熔点较高，钢液易氧化、钢水的流动性差、收缩大，其体收缩率为10～14%，线收缩为1.8～2.5%。为防止铸钢件产生浇不足、冷隔、缩孔和缩松、裂纹及粘砂等缺陷，必须采取比铸铁复杂的工艺措施：
　　1、由于钢液的流动性差，为防止铸钢件产生冷隔和浇不足，铸钢件的壁厚不能小于8mm；浇注系统的结构力求简单、且截面尺寸比铸铁的大；采用干铸型或热铸型；适当提高浇注温度，一般为1520°～1600℃，因为浇注温度高，钢水的过热度大、保持液态的时间长，流动性可得到改善。但是浇温过高，会引起晶粒粗大、热裂、气孔和粘砂等缺陷。因此一般小型、薄壁及形状复杂的铸件，其浇注温度约为钢的熔点温度+150℃；大型、厚壁铸件的浇注温度比其熔点高出100℃左右。
　　2、由于铸钢的收缩大大超过铸铁，为防止铸件出现缩孔、缩松缺陷，在铸造工艺上大都采用冒口和、冷铁和补贴等措施，以实现顺序凝固。 此外，为防止铸钢件产生缩孔、缩松、气孔和裂纹缺陷，应使其壁厚均匀、避免尖角和直角结构、在铸型用型砂中加锯末、在型芯中加焦炭、以及采用空 心型芯和油砂芯等来改善砂型或型芯的退让性和透气性。
　　（1）铸钢的熔点高，相应的其浇注温度也高。高温下钢水与铸型材料相互作用，极易产生粘砂缺陷。因此，应采用耐火度较高的人造石英砂做铸型，并在铸型表面刷由石英粉或锆砂粉制得的涂料。为减少气体来源、提高钢水流动性及铸型强度，大多铸钢件用干型或快干型来铸造，如采用CO2硬化的水玻璃砂型。
　　三、 碳素铸钢件的热处理 铸钢件均应在热处理后使用。因为铸态下的铸钢件内部存在气孔、裂纹、缩孔和缩松、晶粒粗大、组织不均及残余内应力等铸造缺陷，使铸钢件的强度、尤其是塑性和韧性大大降低。 为细化晶粒、均匀组织及消除内应力，铸钢件必须进行正火或退火处理。正火处理后的钢，其机械性能较退火后的高，成本也较低，所以应用较多。但由于正火处理会引起较退火大的内应力，只适用于含碳量小于0.35%的铸钢件。因为低碳铸钢件的塑性好，冷却时不易开裂。为减小内应力，铸钢件在正火后，还应进行高温回火。对于含碳量≥0.35%的、结构复杂及易产生裂纹的铸钢件，只能进行退火处理。铸钢件不宜淬火，否则极易开裂。
　　四、 碳素铸钢的熔炼 铸钢的熔炼一般采用平炉，电弧炉和感应炉等。平炉的特点是容量大、可利用废钢作原料、能准确控制钢的成分并能熔炼优质钢及低合金钢，多用于熔炼质量要求高的、大型铸钢件用的钢液。 三相电弧炉的开炉和停炉操作方便，能保证钢液的成分和质量、对炉料的要求不甚严格、容易升温，故能炼优质钢、高级合金钢和特殊钢等，是生产成型铸钢件的常用设备。 此外，采用工频或中频感应炉，能熔炼各种高级合金钢和碳含量极低的钢。感应炉的熔炼速度快、合金元素烧损小、能源消耗少、且钢液质量高，即杂质含量少、夹杂少，适于小型铸钢车间采用。