铸造碳素钢的金相分析

      1、铸态组织特征
      铸态组织的特点是晶粒粗大、魏氏组织较发达和成分偏析严重。
      铸钢件晶粒大小和钢凝固时的冷却速度有着密切的关系；铸件壁越厚，晶粒越粗大；砂型铸造比金属型铸造晶粒要大得多；钢液的浇注温度越高，冷却速度越缓慢，晶粒也越粗大。
      铸钢的晶粒度可按GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》标准评定，铸态经常会出现大于1级的晶粒度。
      铸态钢中时常会出现魏氏组织，在显微镜下观察，这种组织的特征是铁素体呈长条状分布在晶粒内部，并且常常与晶粒边界成一定角度。形成魏氏组织的倾向和钢的碳含量及铸件的壁厚有关，碳含量中等（0.20wt%~0.40wt%）钢容易形成魏氏组织，同时，铸件壁愈厚，也愈容易形成魏氏组织。
      魏氏组织是在钢的二次结晶过程中形成的，亚共析钢在共析转变发生之前，先在奥氏体中析出铁素体，这中铁素体常常在奥氏体晶界先形核，然后通过大量碳原子的扩散和铁原子的自扩散而长大，这些原子的扩散条件就决定了晶体的长大方式，当钢的冷却是以非常缓慢的速度通过GS线温度或奥氏体晶粒足够小时，铁素体核心就以接近平衡状态的方式结晶，结果在奥氏体晶界上形成网状铁素体，相反，当钢的冷却是以很快的速度通过GS线温度或奥氏体晶粒粗大时，铁素体以插入奥氏体晶粒内部的方式出现，并逐渐成为片状或长条状，即形成了魏氏组织，铁素体的这种结晶取向使原子扩散距离缩短，有利于铁素体的快速形成。
      魏氏组织的存在使钢的塑性下降，特别是冲击吸收功下降得更厉害。魏氏组织的严重程度可按GB/T 13299-1991《钢的显微组织评定方法》的第4套评级图进行评定。
成分偏析是由结晶过程引起的，铸件总是从外表向中心顺序结晶的，而先结晶出的晶体是熔点比较高，含碳比较低的δ铁素体，随着结晶过程向中心发展，造成外表含碳量低而心部含碳量高，硫磷等元素也同样存在区域偏析，壁越厚，偏析也严重，这种区域偏析一般较难通过热处理给以消除。
      2、铸造碳素钢热处理后的金相组织
      铸造碳素钢的金相组织可分为铸态、退火欠热非正常组织、退火正常组织、退火过热非正常组织、正火欠热非正常组织、正火正常组织、正火过热非正常组织等。ZG340-640钢由于碳含量比较高，具有一定的淬透能力，除了退火和正火的正常组织和非正常组织评定外，还有调质的正常组织和非正常组织判别。
      图1所示为ZG230-450钢铸态显微组织：魏氏组织+块状铁素体+珠光体，铸态晶粒十分粗大，其晶粒大于1级。

图1 ZG230-450钢铸态组织 100X

图1 ZG230-450钢铸态组织 100X

      图2所示为ZG230-450钢经770℃退火的显微组织：铁素体+珠光体+残留铸态组织。ZG230-450钢的Ac1为735℃，Ac3约为840℃，在770℃加热时处于Ac1~Ac3之间，此时的显微组织为奥氏体+铁素体，退火后奥氏体分解成细小的等轴铁素体和小块状珠光体，而原来铸态的晶界上和晶内的大块状和针状铁素体没有完全被奥氏体化而保留下来，保留残余铸态的粗晶和魏氏组织特征，钢的铸造脆性没有得到完全消除，但铸造应力可得到降低而消除，为退火非正常组织。

图2 ZG230-450钢770℃退火 100X

图2 ZG230-450钢770℃退火 100X

      图3所示为ZG230-450钢经890℃退火的显微组织：白色的铁素体+黑色网状分布的珠光体。铸钢由于成分偏析比较大，其退火温度一般是在Ac3以上30℃~60℃之间，而锻钢一般在Ac3以上30℃~50℃之间，虽然铸钢的退火温度可以比较高，但比之包晶反应（约1495℃）形成奥氏体的温度低得多，所以在890℃加热产生的奥氏体的晶粒比铸态要小的多，冷却后，分解成细小的等轴铁素体和细小、网状分布的小块状珠光体，为正常的退火组织。退火后铸态的粗晶和魏氏组织状态得到完全消除，铸造应力也得到完全消除，使铸件具有良好的塑性和韧性。

图3 ZG230-450钢890℃退火 100X

图3 ZG230-450钢890℃退火 100X

      图4所示为ZG230-450钢经920℃退火的显微组织：白色的铁素体+黑色网状分布的珠光体，由于奥氏体化温度较高，奥氏体晶粒有所长大，分解后铁素体晶粒和块状珠光体都比图3粗大些，但仍属正常组织。

图4 ZG230-450钢920℃退火 100X

图4 ZG230-450钢920℃退火 100X

      图5所示为ZG230-450钢经760℃正火的显微组织：铁素体+珠光体+残留铸态组织，在Ac1和Ac3之间温度加热正火，加热时只有部分奥氏体化，空冷后奥氏体分解成十分细小的铁素体和珠光体，而原铸态大的块状和针状铁素体未被完全奥氏体化而保留下来，铸态的粗晶界和魏氏组织也部分保留下来，铸件仍存在一定的脆性。

图5 ZG230-450钢760℃正火 100X

图5 ZG230-450钢760℃正火 100X

      图6所示为ZG230-450钢晶890℃正火的显微组织：均匀分布的细小白色铁素体+块状黑色珠光体，为正常的正火组织。在Ac3以上适当温度加热，使组织完全奥氏体化，冷却后分解成细小的铁素体和珠光体，铸态组织得到完全消除，不但消除了铸造应力，也获得所要求的力学性能。正火冷却过快时也会产生应力，为此对碳含量较高的铸钢，正火后还应做回火处理，以消除正火冷却应力。

图6 ZG230-450钢890℃正火 100X

图6 ZG230-450钢890℃正火 100X

      图7所示为ZG230-450钢经950℃正火的显微组织：白色块状、针状铁素体+黑色珠光体+魏氏组织，由于正火加热温度过高，奥氏体晶粒又明显长大，冷却后组织粗化并重新产生魏氏组织，使力学性能下降，为正火非正常组织。

图7 ZG230-450钢950℃正火 100X

图7 ZG230-450钢950℃正火 100X