碳素鑄鋼是鋼材料的一種，碳是影響碳素鑄鋼力學性能的主要元素。隨著碳含量增加，碳素鑄鋼的屈服點和抗拉強度均升高，且抗拉強度比屈服點上升得更多。另外，隨著碳含量增加，碳素鑄鋼的塑性和韌性降低。當碳素鑄鋼中碳含量超過0.45%時，屈服點升高很少，而塑性和韌性卻顯著降低。隨著碳含量增加，碳素鑄鋼的凝固溫度降低，鋼水的流動性和鑄造性能變好。
基本介紹
- 中文名：碳素鑄鋼
- 外文名：carbon cast steel
- 套用範圍：礦山機械、冶金機械、機車車輛
- ZG200-400：機座、變速箱殼
- ZG230-450：軸承蓋、各種外殼、閥體等
- ZG270-500：軋鋼機架、軸承座
- ZG310-570：輥子、缸體、大齒輪
- ZG40Cr1：高強度齒輪和高強度軸
套用範圍,成型過程,區別,類型,工藝,
套用範圍
鑄造成形用碳素鋼。它廣泛套用於礦山機械、冶金機械、機車車輛、船舶、水壓機、水輪機等大型鋼製零件和其他形狀複雜的鋼製零件。
成型過程
碳素鑄鋼件在鑄型中的冷卻速度一般都較慢，所以組織特點是晶粒粗大且不均勻。碳素鑄鋼件尺寸一般較大，且不需鍛壓加工，所以碳素鑄鋼件偏析較明顯，較普遍地存在樹枝狀、柱狀、網狀組織和魏氏組織。碳素鑄鋼件的內應力較大，力學性能較差，特別是斷面收縮率和衝擊韌性低。但是因為碳素鑄鋼件成形方法簡單，加工方便，所以碳素鑄鋼的用途十分廣泛。
區別
碳素鑄鋼與鑄鐵相比，其鑄造性能較差。碳素鑄鋼的凝固點較高、流動性較差、凝固收縮大、吸氣性較大，所以容易形成氣孔、夾渣、縮孔、疏鬆、熱裂、冷裂和冷隔。為了改善流動性可採用較高的澆鑄溫度，為了補償凝固收縮要用較大的澆鑄冒口。
碳素鑄鋼件由於鑄態塑性和韌性低，不宜直接使用。為了改善碳素鑄鋼件的性能常須進行熱處理，以細化晶粒、消除魏氏組織和鑄造應力，提高力學性能。形狀較複雜，容易引起變形、開裂的碳素鑄鋼件要進行退火；形狀較簡單，壁厚不太大的碳素鑄鋼件要進行正火；尺寸較大的碳素鑄鋼件一般採用正火後回火處理；形狀簡單而要求較高力學性能的碳素鑄鋼件要進行調質處理。調質處理前一般進行退火或正火，有的採用鑄態直接調質。後者工藝簡單，生產周期短，成本低。熱處理加熱時，尺寸較大或形狀複雜的碳素鑄鋼件升溫速度不宜過快，不然碳素鑄鋼件容易引起變形或開裂。大型碳素鑄鋼件的升溫速度一般限制在50～100℃/h，小型的可以控制在100～200℃/h。碳素鑄鋼件的退火和正火溫度要比相應牌號的碳素鋼熱加工件適當高一些，保溫時間要適當長一一些，以保證成分和組織均勻。
類型
按中國國家標準GB11352-89，一般工程用碳素鑄鋼件分為5個牌號，其中ZG200-400主要用於製作各種機座、變速箱殼等；ZG230-450用於製作軸承蓋、各種外殼、閥體等；ZG270-500用於製作軋鋼機架、軸承座等；ZG310-570用於製作輥子、缸體、大齒輪等；ZG340一640主要用於製作齒輪、棘輪、叉頭等。
工藝
碳素鑄鋼的鑄造技術與工藝對於強度、塑性和韌性要求更高的機器零件，需要採用鑄鋼件。鑄鋼件的產量僅次於鑄鐵，約占鑄件總產量的15%。
分類
按照化學成分鑄鋼可分為碳素鑄鋼和合金鑄鋼兩大類。其中以碳素鑄鋼套用最廣，占鑄鋼總產量的80%以上。 1、碳素鑄鋼 一般的，低碳鋼ZG15的熔點較高、鑄造性能差，僅用於製造電機零件或滲碳零件；中碳鋼ZG25～ZG45，具有高於各類鑄鐵的綜合性能，即強度高、有優良的塑性和韌性，因此適於製造形狀複雜、強度和韌性要求高的零件，如火車車輪、鍛錘機架和砧座、軋輥和高壓閥門等，是碳素鑄鋼中套用最多的一類；高碳鋼ZG55的熔點低，其鑄造性能較中碳鋼的好，但其塑性和韌性較差，僅用於製造少數的耐磨件。 2、合金鑄鋼 根據合金元素總量的多少，合金鑄鋼可分為兩低合金鋼和高合金鋼大類。
1）低合金鑄鋼，我國主要套用錳系、錳矽系及鉻系等。如ZG40Mn、ZG30MnSi1、ZG30Cr1MnSi1等。用來製造齒輪、水壓機工作缸和水輪機轉子等零件，而ZG40Cr1常用來製造高強度齒輪和高強度軸等重要受力零件。
2）高合金鑄鋼 ，具有耐磨、耐熱或耐腐蝕等特殊性能。如高錳鋼ZGMn13，是一種抗磨鋼，主要用於製造在乾磨擦工作條件下使用的零件，如挖掘機的抓鬥前壁和抓鬥齒、拖拉機和坦克的履帶等；鉻鎳不鏽鋼ZG1Cr18Ni9和鉻不鏽鋼ZG1Cr13和ZGCr28等，對硝酸的耐腐蝕性很高，主要用於製造化工、石油、化纖和食品等設備上的零件。
工藝特點
鑄鋼的鑄造工藝特點 鑄鋼的機械性能比鑄鐵高，但其鑄造性能卻比鑄鐵差。因為鑄鋼的熔點較高，鋼液易氧化、鋼水的流動性差、收縮大，其體收縮率為10～14%，線收縮為1.8～2.5%。為防止鑄鋼件產生澆不足、冷隔、縮孔和縮松、裂紋及粘砂等缺陷，必須採取比鑄鐵複雜的工藝措施：
1、由於鋼液的流動性差，為防止鑄鋼件產生冷隔和澆不足，鑄鋼件的壁厚不能小於8mm；澆注系統的結構力求簡單、且截面尺寸比鑄鐵的大；採用乾鑄型或熱鑄型；適當提高澆注溫度，一般為1520°～1600℃，因為澆注溫度高，鋼水的過熱度大、保持液態的時間長，流動性可得到改善。但是澆溫過高，會引起晶粒粗大、熱裂、氣孔和粘砂等缺陷。因此一般小型、薄壁及形狀複雜的鑄件，其澆注溫度約為鋼的熔點溫度+150℃；大型、厚壁鑄件的澆注溫度比其熔點高出100℃左右。
2、由於鑄鋼的收縮大大超過鑄鐵，為防止鑄件出現縮孔、縮松缺陷，在鑄造工藝上大都採用冒口和、冷鐵和補貼等措施，以實現順序凝固。 此外，為防止鑄鋼件產生縮孔、縮松、氣孔和裂紋缺陷，應使其壁厚均勻、避免尖角和直角結構、在鑄型用型砂中加鋸末、在型芯中加焦炭、以及採用空 心型芯和油砂芯等來改善砂型或型芯的退讓性和透氣性。
（1）鑄鋼的熔點高，相應的其澆注溫度也高。高溫下鋼水與鑄型材料相互作用，極易產生粘砂缺陷。因此，應採用耐火度較高的人造石英砂做鑄型，並在鑄型表面刷由石英粉或鋯砂粉製得的塗料。為減少氣體來源、提高鋼水流動性及鑄型強度，大多鑄鋼件用乾型或快乾型來鑄造，如採用CO2硬化的水玻璃砂型。
碳素鑄鋼件的熱處理
鑄鋼件均應在熱處理後使用。因為鑄態下的鑄鋼件內部存在氣孔、裂紋、縮孔和縮松、晶粒粗大、組織不均及殘餘內應力等鑄造缺陷，使鑄鋼件的強度、尤其是塑性和韌性大大降低。 為細化晶粒、均勻組織及消除內應力，鑄鋼件必須進行正火或退火處理。正火處理後的鋼，其機械性能較退火後的高，成本也較低，所以套用較多。但由於正火處理會引起較退火大的內應力，只適用於含碳量小於0.35%的鑄鋼件。因為低碳鑄鋼件的塑性好，冷卻時不易開裂。為減小內應力，鑄鋼件在正火後，還應進行高溫回火。對於含碳量≥0.35%的、結構複雜及易產生裂紋的鑄鋼件，只能進行退火處理。鑄鋼件不宜淬火，否則極易開裂。
碳素鑄鋼的熔煉
鑄鋼的熔煉一般採用平爐，電弧爐和感應爐等。平爐的特點是容量大、可利用廢鋼作原料、能準確控制鋼的成分並能熔煉優質鋼及低合金鋼，多用於熔煉質量要求高的、大型鑄鋼件用的鋼液。 三相電弧爐的開爐和停爐操作方便，能保證鋼液的成分和質量、對爐料的要求不甚嚴格、容易升溫，故能煉優質鋼、高級合金鋼和特殊鋼等，是生產成型鑄鋼件的常用設備。 此外，採用工頻或中頻感應爐，能熔煉各種高級合金鋼和碳含量極低的鋼。感應爐的熔煉速度快、合金元素燒損小、能源消耗少、且鋼液質量高，即雜質含量少、夾雜少，適於小型鑄鋼車間採用。
