第四章 特种性能铸铁（章节课程）

1、第四章 特种性能铸铁 Special performance cast iron 1阳山书屋第四章 特种性能铸铁第一节 减摩铸铁第二节 冷硬铸铁第三节 抗磨铸铁第四节 耐热铸铁第五节 耐蚀铸铁2阳山书屋第一节 减摩铸铁1.定义 摩擦系数小、磨损少、抗咬合性好。2.影响磨损的因素 ：成分、组织、性能和条件。（润滑、载荷、速度、表面质量） 3. 磨损机理3阳山书屋 一. 石墨对铸铁减摩性的影响 石墨的作用: (1)固体润滑剂； (2)储存润滑剂促进油膜形成。片状石墨成膜能力强， 球状石墨成膜能力弱， 蠕墨介于两者之间。4阳山书屋二.基体组织对铸铁减摩性的影响理论： 越硬越耐磨，但，不易成膜，综合P

2、最好，细小P最好。在轻微磨损下：B下最好，M次之，P最差严重磨损时，都差不多5阳山书屋三.常用的减摩铸铁普通灰铁、球铁即是，例如 机床、活塞环（一）含磷铸铁原理：二元、三元磷共晶断续网状分布（硬质 点）提高耐磨性 图4-3 一般含磷0.40.7%特点：流动性好，提高3050% 表4-2 铸造应力大（P降低导热性、磷共晶膨 胀、磷共晶与基体导热系数不同）应用：机床导轨、气缸套、摩阻零件（刹车瓦）6阳山书屋高磷铸铁P基+片状石墨+磷共晶 1007阳山书屋高磷铸铁P基+片状石墨+磷共晶 1008阳山书屋2. 钒钛铸铁成分： V： 0.30.5%， Ti：0.150.35%原理：V、Ti与C、N形成化

3、合物硬质点 细化晶粒（P、G）F少 表4-3应用：机床导轨、活塞环、 缸套（加Cu、B）9阳山书屋3. 硼铸铁 成分：0.030.08% 原理：形成硼碳化物，偏析在晶界 网状分 布，含磷时，形成磷硼碳化物， 硬度更高（B阻遏石墨化）应用：气缸套、活塞环 表4-410阳山书屋第二节 冷硬铸铁冷硬铸铁通过一定的工艺方法，使铸件激冷层的组织形成白口或麻口，铸件内部组织仍保持灰口的铸铁。组织：外层 白口，内层 灰口，中间 麻口性能：外硬、内韧应用：摩擦磨损、磨料磨损一、化学成分、组织特点 激冷层硬度、深度是冷硬铸铁的关键，1、成分：C、Si C调整硬度 （C多，渗碳体多） Si调整深度 （ Si多，深

4、度浅）石墨化普通白口铸铁共晶组织11阳山书屋合金元素：增加白口深度W、Mn、Mo、Cr、V（最强）减小白口深度C、Si、Ti、Ni、Cu、Co、P（最弱）影响硬度C、Nb、P、Mn、Cr、Mo、V、Si （最弱）影响麻口：C、S、P 减小麻口 Cr、Al、Mn、V增加麻口 2、组织 白口层：普通冷硬铸铁（P+Fe3C） 低合金冷硬铸铁（S+B上+Fe3C） 高合金铸铁（B+M少量+Fe3C） 麻口层：白口（与上相同）+G12阳山书屋二、冷硬铸铁的获得与性能特征1、获得：成分、工艺 控制 工艺： 激冷 金属型 复合铸造 双金属铸铁 影响激冷层工艺因素： （1）炉料性质 炉料白口多，铸件白口多 （

5、2）熔炼工艺 铁液温度，过热温度越高，静置时间越长，白口越多（形核能力降低）。 浇铸温度越低，白口越多。 （3）铸型工艺 冷铁厚度：壁厚大， 冷铁厚度大 一般 冷铁厚度/铸件厚度 1：2-413阳山书屋成分：碳、硅减少白口层，但不能太少，碳少硬度不够。 图4-5，图4-6 合金元素 图4-92、性能：白口硬度高，但脆性大 麻口硬度低，但韧性好 图4-8，图4-9三、冷硬铸铁的应用 主要应用于各种轧辊 （耐磨，白口，强度要求高，麻口） 轧辊的生产方法：一体铸造，溢流铸造， 离心铸造 图4-10、11、1214阳山书屋第三节 抗磨铸铁1、定义：抵抗磨料磨损 相对耐磨性=标准磨损/试样磨损2、耐磨原

6、理：磨料磨损 磨料对金属刮削 金属硬度、磨料硬度、外加力相对耐磨性 与金属硬度、磨粒硬度的关系 Ha/Hm 0.71.1 耐磨性最好 图4-14 0.71.1 耐磨性开始变差 1.11.3 耐磨性不变 0.71.1， 1.31.7 增加硬度无意义。因此，单纯提高硬度，对铸铁而言，不能提高耐磨性，硬度高，脆性大，反而降低耐磨性。15阳山书屋一、普通白口铁1、成分：高C低Si，Si1%,Mn1% 一般不含或少量的合金元素2、组织：P+Fe3C Ld3、性能：脆性大、耐磨性差4、应用：铧犁，磨粉机的磨片导板16阳山书屋二、镍硬白口铁1、成分：在普通白口铁中 加入一定量的镍46%，铬2-8%，2、组织

7、：M+A3、性能： 提高硬度韧性4、应用：轧辊，球磨机，杂质泵 镍短缺昂贵元素，尽量少用，我国少用。17阳山书屋 四.铬系白口铁 Cr，碳化物的形态：（Fe、Cr）3C（Fe、Cr）7C3（Fe、Cr）23C6（Fe、Cr）3C：连续网状或板状 1000-1230HV（Fe、Cr）7C3 ：不连续条状或条块状 1200-1800HV（Fe、Cr）23C6 ：不连续条状或条块状 1140HV18阳山书屋（一）、低铬白口铁1、成分：在普通白口铁的基础上加入少量的铬元素Cr=15%2、组织性能：形成(Fe,Cr)3C提高硬度，提高韧性（原渗碳体是蜂窝状,对基体割裂） (Fe,Cr)3C形态，部分网状

8、和板条状3、应用：球磨机19阳山书屋（二）中铬白口铁1、成分：Cr=711%2、组织： M3C、M7C3混合物3、性能：与镍硬铸铁相近，介于低铬和高铬之间 表4-164、应用：取代镍硬铸铁20阳山书屋 组织：M+（Fe、Cr）7C3+（Fe、Cr）23C6（1）性能特点 a.高硬度，高耐磨性； b.较好的韧性； c.淬透性高； b.高抗腐蚀磨损和高抗氧化性。3.高铬白口铸铁21阳山书屋2、成分： Cr=1228%（1）Cr、C重要元素，影响形成M7C3 的数量 碳化物数量=12.33（%C）+0.55（%Cr）-15.2 C：一般调节碳量调节 M7C3 的数量 Cr/C：影响M7C3相对数量，

9、一般大于5能获得大部分，高铬还能提高淬透性 图4-2222阳山书屋（2）Mo、Mn、Cu提高淬透性Mo：提高淬透性（融入A中），提高硬度 （Mo2C）Cu：提高淬透性，降低Ms线，2%左右Mn：提高淬透性，提高硬度(Fe, Mn)3C ， 降低Ms线，和Mo共同作用，提高淬透 性更大。1%常用： 15 Cr -3 Mo，15 Cr -3 Mo-1 Cu ， 20 Cr -2 Mo-1 Cu 23阳山书屋3、铸造工艺 1）充分补缩（与铸钢相同） 2）浇铸系统按灰铁计算 各断面面积增加2030%即可 3）不适宜用冲天炉熔炼（铬烧损） 4）浇铸温度不要太高，比液相线高55即可24阳山书屋4、热处理

10、特点： 有二次碳化物的析出和溶入（基体过多地融入了碳及合金元素，加热时，易析出，温度再高，又溶入。） 二次碳化物的析出，提高Ms线，获得M多，减少残余A。但，使C曲线左移，降低淬透性。 淬火温度随铬量的增大而增大5、性能 强度硬度高，韧性好，（奥氏体、马氏体） 取决于基体和M7C3 M7C3规则排列强度可达3100MP25阳山书屋（6）应用 高铬铸铁基体马氏体水泥行业 珠光体冲击较大场合奥氏体湿磨工况26阳山书屋第四节 耐热铸铁 金属的氧化金属从表面开始逐渐向金属化合物变化的现象 金属的生长金属在高温下工作，其体积将发生不可逆转的胀大现象 耐热铸铁在高温条件下，具有一定的抗氧化和抗生长性能，并

11、能承受一定载荷的铸铁 一.铸铁在高温下的氧化 1.氧化过程 （1）氧原子在铁表面形成化学吸附27阳山书屋 （2）受Fe-O化学反应速度控制的氧化过程; （3）受扩散速度控制的氧化过程. 2.影响铸铁氧化的因素（1）氧化膜的性质; Fe + O2 FeO T 1000时，FeO膜厚度达到500，隔绝氧与金属基体的直接接触，此时，铁的氧化就开始受金属铁离子通过FeO膜不断扩散至表面与氧反应。 =a.氧化膜的致密度系数28阳山书屋 二.高温生长 1.低于相变温度时的生长 温度:400600; 原因:PF+G; （2）合金元素; （3）组织. 1时，氧化膜致密，具有保护作用; 1时，氧化膜疏松，不具有

12、保护作用。b.氧化膜的导电率 导电率，离子扩散运动，氧化; Al、Si、Cr、 ，导电率，抗氧化;29阳山书屋 措施:a.使基体全部为F; b.加入稳定P的合金元素. 2.在相变温度范围的生长 原因:F A;产生大量的孔洞. 措施:a.提高相变点温度; b.调整工作温度. 3.高于相变温度时的生长 原因:氧化 措施:防止氧化.30阳山书屋 三.常用耐热铸铁 1.中硅耐热铸铁 (1)硅的作用形成单一的F形成致密的氧化膜SiO2提高FA相变温度Si5%，C=2.22.6%灰铁：F+G片状（2）组织球铁：F+G球状（3）性能：力学性能和耐热性能31阳山书屋 2.含铝耐热铸铁 （1）Al的作用促进G化

13、，形成单一的F形成致密的氧化膜Al2O3提高FA相变温度 （2）Al的含量：Al5%，22% （3）组织灰铁：F+G片状+球铁：F+G球状+ （4）性能 耐热温度32阳山书屋 3.含铬耐热铸铁 （1）Cr的作用提高淬透性，获得单一的A形成致密的氧化膜Cr2O3提高FA相变温度阻碍G化，稳定P （2）含量 高Cr：15-18 A基体低Cr：0.5-2 P基体 （3）组织 高Cr：A+M7C3低Cr：P+G片状 （4）性能 高温下具有抗磨性33阳山书屋1、腐蚀： 化学、电化学、机械、生物腐蚀等，电化学腐蚀最严重 图4-312、提高耐蚀途径： 形成保护膜、形成单相组织、提高基体的电极电位。3、方法:

14、 加入合金元素，加入量：（固溶体中） 塔曼定律，1/8、2/811/8 表4-31 质量百分数 原子份数34阳山书屋一、高硅耐蚀铸铁1、成分：Si 14.418%，图4-32、332、组织：F+G+硅铁化合物（脆性）3、性能：硬、脆，耐酸腐蚀，不耐碱、氢氟酸、氟化物 加稀土、铜，可提高韧性4、应用： 耐酸铸件35阳山书屋二、含铝耐蚀铸铁1、成分：Al=46%（高了，脆性大）2、组织：P+F+G+Fe3Al（少量）3、性能：耐碱蚀、耐热性好4、应用：化工泵、叶片36阳山书屋三、高铬耐蚀铸铁1、成分：Cr=24-35%，C量要低 图4-34 图4-35、36 要求： Cr10C+12.5%2、组织

15、：F+A+（Fe、Cr）3C3、性能：耐氧化性酸，盐酸，力学性能好4、应用：砂泵、矿浆泵等37阳山书屋四、高镍耐蚀铸铁1、成分：Ni=13.5-36% 表4-332、组织：A+G3、性能：抗换原性腐蚀介质的腐蚀4、应用：耐碱蚀元件总之：要看工况条件（酸、碱）决定选哪种铸铁耐蚀。没有适合所有条件的材料。38阳山书屋123456ABCDEFGHNJPMOSKQ15381394115411489107707387272301493LCm L+Cm CmFeFe3C+ L39阳山书屋碳在-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，简称为铁素体()；最大溶碳量为727时的wc=0.0218%，最小为室温时的wc=0

16、.0008%；性能为：b180280MPa、0.2100170MPa、30%50%，k160200J/2 、硬度80HB 。 碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，()，最大溶碳量为1495时的0.09。铁素体（Ferrite）40阳山书屋碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，最高溶碳量为1148时的wc=2.11；奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为：b400MPa、40%50%、170220HB。奥氏体主要存在于727以上的高温范围内，利用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形。奥氏体（Austenite）41阳山书屋渗碳体（Cementite）渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用符号Fe3C表示，其含碳量为wc=6.69%，渗碳体具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力学性能指标大致为：硬度800HB、抗拉强度(b)30MPa、伸长率()0、冲击韧度(k)0。42阳山书屋珠光体（Pearlite）FFe3C的一种机械混合物，用符号P表示，其组织为层片状结构，综合了铁素体和渗碳体优点，其综合力学性能好。43阳山书屋莱氏体（Ledeb