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
1 45#钢与A3钢的化学成分及性能
1.1 A3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/T 700-2006)
Q235材料化学成分 牌号 Q235A Q235B Q235C Q235D 少 Q235力学性能
牌号 Q235 抗拉强度（MPa） 屈服强度（MPa） 伸长率（δ5/%） 375-500 ≥235 ≥26（a≤16mm） C ≤0.22% ≤0.20% ≤0.17% ≤0.17% Mn ≤1.4% ≤1.4% ≤1.4% ≤1.4% Si ≤0.35% ≤0.35% ≤0.35% ≤0.35% S ≤0.050% ≤0.045% ≤0.040 % ≤0.035% P ≤0.045% ≤0.045% ≤0.040% ≤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磷含量最伸长率（δ5/%）：≥26（a≤16mm）≥25（a>16-40mm）≥24（a>40-60mm）≥23（a>60-100mm）
≥22（a>100-150mm）≥21（a>150mm）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)
1.2 45#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 45# 牌号 45# C Cr ≤0.25%
Mn Ni ≤0.25%
Si 0.17~0.37%
Cu ≤0.25%
Q235力学性能
抗拉强度（MPa） 屈服强度（MPa） 伸长率（δ5/%） ≥355 600 ≥16 S ≤0.045%
P ≤0.040%
0.42~0.50% 0.50~0.80%
(具体描述见《材料工程大典第二卷：钢铁材料工程（上）》p252-253)
1.3 Mn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％。