铸钢件硬脆及脱碳方法资料整理

铸钢件硬脆及脱碳方法资料整理问题描述铸钢硬脆，机加工容易断裂（猜测为含碳量过高）采用废钢熔炼制造（牌号为45#）需要解决的有：（1）已知需要的钢材性能在45#与A3（Q235）之间，查找标准的45#与A3（Q235）钢化学成分。（2）熔炼中脱碳方法此外由于铸钢件硬脆的原因很多，如合金杂质，气体杂质，铸件冷却速度，未进行热处理等，以下将分四个部分描述这一问题。（1）45#钢与A3钢的化学成分（2）铸钢过程中可能导致硬脆的原因，及具体描述（3）标准的铸钢过程的描述（4）其中脱碳及其他改进方法的整理145#钢与A3钢的化学成分及性能1.1A3钢材A钢材（旧牌号）现为Q235，它是甲类钢，这类钢生产厂家出厂时只保证机械性能而不保证化学成份，所以杂质成份如S、P可能多一点，其含碳量在0.2%左右，大致相当于20号钢，与新标准中Q235相当。Q235分A、B、C、D四级(GB/T700-2006)Q235材料化学成分牌号CMnSiSPQ235A≤0.22%≤1.4%≤0.35%≤0.050%≤0.045%Q235B≤0.20%≤1.4%≤0.35%≤0.045%≤0.045%Q235C≤0.17%≤1.4%≤0.35%≤0.040%≤0.040%Q235D≤0.17%≤1.4%≤0.35%≤0.035%≤0.035%A、B、C、D硫含量依次递减；A和B的磷含量相同，C的磷含量次之，D磷含量最少Q235力学性能牌号抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）伸长率（δ5/%）Q235375-500≥235≥26（a≤16mm）伸长率（δ5/%）：≥26（a≤16mm）≥25（a16-40mm）≥24（a40-60mm）≥23（a60-100mm）≥22（a100-150mm）≥21（a150mm）其中a为钢材厚度或直径。(具体描述见《材料工程大典第二卷：钢铁材料工程（上）》p246-247)1.245#钢材45#钢为优质碳素结构钢优质碳素结构钢是碳素钢中硫、磷含量比较低，钢质洁净度比较高的钢类。45#钢材料化学成分牌号CMnSiSP45#0.42~0.50%0.50~0.80%0.17~0.37%≤0.045%≤0.040%CrNiCu≤0.25%≤0.25%≤0.25%Q235力学性能牌号抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）伸长率（δ5/%）45#≥355600≥16(具体描述见《材料工程大典第二卷：钢铁材料工程（上）》p252-253)1.3Mn与Si作用硅的脱氧能力比锰还要强，在常用的脱氧元素中仅次于铝，炼钢过程中硅铁是常用的脱氧剂。硅几乎全部溶于铁素体从而提高钢的强度、硬度、弹性，降低塑性、韧性，硅可以显著提高抗拉强度，小幅提高屈服强度。碳素钢硅含量（质量分数）通常小于0.35％。少部分硅元素存在于硅酸盐夹杂中。少量的硅仅作为杂质存在时对碳钢的性能作用不显著。硅提高钢的时效敏感性，提高韧脆转变温度。硅能提高抗氧化能力和抗腐蚀能力。锰是在炼钢时用锰脱氧和脱硫而残存在钢中的元素。一般认为锰是有益元素。锰大部分溶于铁素体，形成置换固溶体使铁素体强化；一部分锰溶于Fe3C中，形成合金渗碳体；锰还能增加珠光体的相对量，并使珠光体变细，这都会使钢的强度增加。锰与硫有很强的结合力，生成的油6能减轻硫的有害作用，在普通碳素结构钢中需要留有一定的锰（一般锰含量为0.25％一0.80%)，同时锰还有提高钢的淬透性作用。可以提高钢材强度，当锰含量较低，只作为杂质元素时对强度影响不显著，对焊接性能影响不大。锰使钢的抗腐蚀能力减弱。其他元素如P、S为杂质元素并且有害，需要控制含量.他诸如，H、O、N、Cr、Ni、Cu为带入杂质，具体作用在此不描述。(具体描述见《材料工程大典第二卷：钢铁材料工程（上）》p244)1.4结论从描述，要求韧性在Q235到45#钢之间可以知道，含碳量应在0.2%~0.45%之间，假设为0.3%。若用45#钢为原料不经过脱碳，熔炼考虑烧损，碳含量不可能达到0.3%韧性不能满足要求。因此需要脱碳。其次Mn与Si的含量如上所说应为Si小于0.35％，Mn0.25％一0.80%。2铸钢过程中可能导致硬脆的原因及解决方案由于铸钢件硬脆的原因很多，如合金杂质，气体杂质，铸件冷却速度，未进行热处理等，以下将具体描述。由于具体问题需结合现场实际的条件，如：熔炼炉种类，炉料，熔炼时间，工艺，冷却模具，铸钢热处理等，这里只是大体定性分析2.1杂质元素的影响这里主要指的是P、S、H、N、O的影响，可能会影响韧性如P、H、N，或是产生铸造缺陷在机加工时引起断裂如O等(具体描述见《铸造手册第二卷：铸钢》p30)其解决方法一般都是在熔炼过程中的氧化期和沼渣加以除去，具体可以见后面标准熔炼过程2.2非金属夹杂物的影响钢中的非金属夹杂物包括筑化物、硫化物、硫氧化物、氮化物及硅酸盐化合物等．这些夹杂物的来源有外来的和自生的两大类。外来的夹杂物包括在炼钢过程中从炉料夹带的不洁物，如炉衬因经受侵蚀而脱落的耐火材料等。自生的夹杂物是在炼钢过程中及钢液浇注过程中，由于钢液中元素被氧化或发生其他化学反应而生成的。夹杂物降低钢的力学性能，尤其是对韧性的削弱作用较大。夹杂物对钢性能削弱作用的程度依其形状及分布而定。带尖角的多角形夹杂物在钢中造成大的应力集中，在外力作用下易形成裂纹源，而顺粒状和球状夹杂物则危害较小；条状夹杂物沿晶粒周界以网状或断续网状分布时，对钢形成剖裂作用而降低钢的力学性能，孤立岛状分布的夹杂物的割裂作用较小。为减轻夹杂物的有害作用，可采取两种途径：（1）清除夹杂物一般可以在炼钢氧化期时使钢液良好地沸腾，以有效地清除夹杂物。并在出钢后浇注之前镇静一段时间（5~1Omin)，使夹杂物自钢液中上浮（尺寸大、密度小的夹杂物上浮快）。采用沪外精炼处理能更有效地清除钢液中夹杂物。（2）改善夹杂物形态改善夹杂物的形状和分布也能有效减轻夹杂物的有害作用。如采用稀土合金对钢液进行处理，以使多角形氧化物和条状硫化物变为球伏的稀土硫氧化物．(具体描述见《铸造手册第二卷：铸钢》p31-33)2.3凝固速度的影响凝固速度对诸多性能都有影响，晶粒形状，夹杂物大小，抗拉强度等，这里分析断面收缩率这一因素，由这一因素衡量韧性。(具体描述见《铸造手册第二卷：铸钢》p35)由图可以看出凝固速度越快，韧性越好，但凝固速度还影响其他因素，故需要综合考虑2.4钢的热加工，热处理等影响型钢，模具用钢一般都经过锻造改善其性能，Q235通常通过热加工：如轧制、锻造、拉拔、挤压等成为毛坯材料，以其他其室温下的力学性能。此外铸钢还可以通过热处理改善其性能机械结构用钢按其工艺及用途可分为：调质钢（淬火＋高温回火），低温回火用钢（淬火＋低温回火）。通常淬火的目的是得到硬度较高的马氏体组织，经过回火后的马氏体比铁素体＋珠光体具有较好的综合室温力学性能。碳素结构钢的热处理可以采取以下方式：消除应力热处理、正火、退火、淬火、回火等。(具体描述见《材料工程大典第二卷：钢铁材料工程（上）》p245)2.5结论假定以下条件：（1）采用中频感应电炉炼钢，（即不氧化法炼钢）。（2）铸造为钢锭，采用一般模具。有以下结论：（1）杂质元素的影响中就只有氧会有所影响，可能会产生氧化夹杂。其他的元素应为感应电炉没有氧化期，所带入的气体元素基本没有，考虑原材料为45#废钢，其P、S比例低，基本不可能带入杂质。（2）非金属元素的影响有可能，这一部分有可能由于造渣过程的问题，带入静置的钢液中。（3）此外还可以通过一定的热处理，如退火提高材料的韧性，正火提高材料的切削性能。3标准的电弧炉熔炼工艺及感应电炉工艺这一部分具体参考《铸造手册第二卷：铸钢》的描述，并对其简化，说明重点3.1电弧炉熔炼工艺这里介绍碱性电弧炉氧化炼钢。(具体描述见《铸造手册第二卷：铸钢》p332-352)此外还有碱性电弧炉不氧化炼钢等。具体见《铸造手册第二卷：铸钢》氧化法炼钢的工艺过程包括准备阶段（修补炉衬、配料及装料）、熔化期、氧化期、还原期和出钢等几个阶段，碱性电弧炉炼钢在这几个阶段中的任务、技术要求及过程控制如下。3.1.1修补炉衬、配料及装料1.修补炉衬炼钢过程中．炉衬材料受到高温焙烧及钢液的侵蚀破坏，故在每炼一炉钢后，都要修补炉衬。()2.配料（1）炉料比例：一般情况下，炉料的适当比例（2）配碳：炉料的平均含碳量应满足氧化期中脱碳的要求．碳钢的氧化脱碳量依照钢的用途和炉料的条件而有所不同，一般要求脱碳且大于等于0.3%，重要铸件的脱碳量一般要求大于等于0.40％。新修的炉衬易使钢液吸收气体，因此氧化脱碳量应适当增加：大修炉后第一炉的脱碳量应大于0.50%，中修炉后第一炉的脱碳且应大于0.40％。若C平均，超过配料要求，可适当减少生铁的加入量，若C平均。低于配料要求．可采用电极碎块（或焦炭粒、无烟煤碎块）作增碳材料进行增碳．在计算增碳材料加人量时，可将这些材料中碳的质量分数计为100%，加人t的计算公式如下：通过这一部分的理论可以得到得知一种减少碳含量的方法，即配料时减少碳含量，加入一定量低碳钢（≤0.3%）以此控制碳含量(具体描述见《铸造手册第二卷：铸钢》p333-334)(3）控制含磷最和含硫量：为了不致因脱磷量和脱硫量过多而延长冶炼时间，应适当控制炉料的磷、硫含量。为此规定在一般情况下，炉料中磷和硫的平均质量分数均应小于等于0.06％。(4）控制残余元素含量：对于钢中不希望存在的元素的残余胜应控制在规定限量之下。例如在生产铸造碳钢时，为了能准确掌握钢的热处理工艺参数、一般要求钢中常见的几种合金元素(Cr、Mn、Ni、Cu）残余总量的质量分数小于等于0.75%、又如当钢中存在有Sn、Pb等成分时，会增大铸件的裂纹倾向，因此应予以严格限制。对钢中残余元素的控制，主要是通过对炉料的严格管理及配料时对各种炉料进行适当搭配和核算来达到的。3．装料l）装料前应先检查炉体、炉盖、冷却系统以及电器设备和机械装置是否正常。如有故障，应先排除故库后再装料。约为保护炉底，减轻加料时沪底受炉料的冲击，并提前造值脱磷，可在炉底和沪坡处先铺上约占炉料重量2％的石灰．然后再装料、3）用开底式装料雄加料时，布料原则是：在料罐底部装一部分小料或钢屑垫炉底，其上装大块料和中块料．最上部装小块料及钢屑等薄料；在料罐中对应于炉子高温区的位，装大块料和难熔的炉料。增碳用的电极碎块应装在料堪的下部．以减少在熔化过程中熔炼损耗，保证配碳的准确性。料罐应力求装得续密．以利于导电和导热。4）当使用了含磷量高的炉料或钢种含磷量规格要求值很低时，可随料配入炉料重量3％左右的氧化铁皮，铺底石灰用量增加到炉料重量的5%左右．以利于熔化期脱磷。5）为避免开始送电时电弧不稳．电流冲击过大，可在装料后，在炉料上面电极下的部位放数块焦炭。6）装料量应与电弧炉变压器的功率相匹配。应避免经常性地大辐度超载装料，以免因延长炼钢时间而降低钢掖质量和增加单位铭液的电耗(kw·h/t）。3.1.2熔化期1）按照合理供电制度（见表9一136）作业，缩短熔炼时间。2）钢液熔池形成后．分批加人石灰造渣，其加人总量相当与装料重量的1%一3%:3）炉料已大部分熔化时，将炉坡处尚未熔化的炉料推入钢液中，以加速熔化：4）为加速炉料的熔化，在炉料熔化60%~70％时采取吹氧助熔。所采用的吹氧管直径一般为3/4in或1in，吹氧压力为0.5~0.8MPa。吹氧时应沿熔池表面吹，以搅动熔池，并提高熔池温度。由于电弧炉炼钢中电弧的局部加热作用，熔他中不同位置处的钢液的温度有明显的差别：远离电极处的钢液温度较低，炉料不易熔化。吹氧助熔能造成熔池的搅动，并在一定程度上使钢液中的元素氧化而产生热量，从而有助于消除熔池中的低温区，加速炉料的熔化。遇有大块炉料时，应先以切割沪料为主，5）在熔化末期，可分批加人小批矿石或氧化铁皮，以加速脱确。加人矿石或氧化铁皮的总量应根据炉料中含磷量而定．一般为装料量的1%~2％。6）炉料熔毕后，充分搅拌钢液熔池，取样分析碳和磷（重要钢种分析碳、锰和磷）。应在熔池中心处舀取钢液，如含磷量过高时，可放渣或扒渣，出渣后随即加