特种性能铸铁课件

第四章特种性能铸铁铸造合金及熔炼第四章特种性能铸铁铸造合金及熔炼1第四章特种性能铸铁（1学时）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腐蚀铸铁本章重点：常用特种性能铸铁的性能特点和用途。第四章特种性能铸铁（1学时）本章重点：常用特种性能铸铁的2第一节减摩铸铁一、石墨对铸铁减旅性的影响第一节减摩铸铁一、石墨对铸铁减旅性的影响3二、基体组织对铸铁减摩性的影响三、常用的减魔铸铁（一）含磷铸铁在硬度相同条件下，各种组织的耐磨性：F→P→M→B.含磷铸铁一般指磷含量高于0.30％的灰铸铁。磷共晶硬度较高（600～800HV)，以断续网状分布在金属基体中，且不易剥落，对提高铸铁的耐磨性有利。二、基体组织对铸铁减摩性的影响三、常用的减魔铸铁（一）含磷铸4（二）钒钛铸铁是利用我国西南地区丰富的钒钛共生铁矿资源，开发出的一种铸铁。钒钛生铁中，一般含0.3%~0.5%V，含Ti0.15%～0.35％。这两种元素形成高硬度的碳化物和氮化物质点，显微硬度可达960~1840。弥散分布在基体中，可使铸铁的耐磨性大大提高。（二）钒钛铸铁是利用我国西南地区丰富的钒钛共生铁矿资源，开发5（三）硼铸铁（三）硼铸铁6第二节冷硬铸铁冷硬铸铁是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，因此，冷硬铸铁具有“外硬内韧”的特点，其外表具有高的耐磨性，同时又能承受较高的工作应力而不断裂，常用于轧辊，凸轮轴和犁桦的制造。一、冷硬铸铁的化学成分和组织特点冷硬铸铁的化学成分：2.9%~3.8%C,0.25%～0.8%Si，0.2%~0.7%Mn，P≤0.5%，S≤0.12%，与普通灰铸铁相比，含硅量低。由此看出，冷硬铸铁白口深度可以通过调整硅量完成增加白口层深度的方向依次为：W→Mn→Mo→Cr→Sn→V→S→B→Te（最强）；减小白口层深度的方向依次为：C→Si→Ti→Ni→Cu→Co→P（最弱）。影响白口层硬度的趋势依次按C→Nb→P→Mn→Cr→Mo→V→Si→AI→Cu→Ti→S的次序减弱。第二节冷硬铸铁冷硬铸铁是通过一定的工艺方法，使铸件激冷层7冷硬铸铁的组织，可分成两到三个明显的区城：最外层为白口区．紧挨白口区的为麻口区，内层则为灰口区。有的冷硬铸铁只有麻门区和灰口区。冷硬铸铁激冷层组织：普通冷硬铸铁激冷层组织，由珠光体和共晶碳化物组成；低合金冷硬铸铁激冷层组织，主要由索氏体和少量贝氏体，加共晶碳化物组成。麻口冷硬铸铁根据化学成分分成三类：普通麻口冷硬铸铁，合金麻口冷硬铸铁和高合金麻口冷硬铸铁。组织与白口冷硬铸铁相比不同的是，铸件从外层到内层都含有石墨。二、冷硬铸铁的获得与性能特点冷硬铸铁件的生产工艺，主要有两种：一种是在铸件需要激冷部位放置蓄热系数大的铸型，如金属型或石墨型；另一种是采用复合铸造的方法，先浇入一种成分的金属液，隔一定的时间，再浇入另外一种成分的金属液，两种金属通过冶金结合形成一个整体。如轧辊生产。冷硬铸铁的组织，可分成两到三个明显的区城：最外层为白口区．紧8对激冷层质量影响大的工艺参数有：（1）炉料性质炉料中白口铸铁的比例增加，铸件的白口深度亦会增加，如表4-5所示。（2）熔炼工艺增加铁液过热度及延长铁液在高温时的保持时间，都能使铁液形核能力降低，白口层深度增加，如表4-6所示。对激冷层质量影响大的工艺参数有：（1）炉料性质炉料9浇注温度也影响白口层深度。其规律为：随浇注温度提高，白口深度减小，因为浇注温度提高时，铸型预热充分，共晶凝固期间结晶速度减慢。浇注温度也影响白口层深度。其规律为：随浇注温度提高，白口深度10(3）铸型工艺冷铁厚度是影响白口层深度的主要因素。生产中一般取冷铁厚度与铸件璧厚的比例为1∶2~4，铸件壁厚小时，取下限，铸件壁厚大时，取上限。C、Si对白口层深度的影响见图4-5和图4-6。(3）铸型工艺冷铁厚度是影响白口层深度的主要因素11麻口冷硬铸铁的显微组织。激冷层中含有渗碳和石墨，与白口冷硬铸铁相比，韧性好，承受热冲击性能好，工作中不易发生龟裂和剥落。图4-7是含石墨高铬铸铁的组织，图中白色区域为（Cr、Fe）7C3形碳化物，图4-7a中的石墨呈片状，而图4-7b中为球状石墨。麻口冷硬铸铁的显微组织。激冷层中含有渗碳和石墨，与白口冷硬铸12由图可见，普通高铬祷铁的裂纹萌生期长，一定循环次数后有失稳扩展现象，而含石墨的高铬铸铁，裂纹萌生相对容易，但在试验范围内，随循环周次的增加，裂纹扩展速率是减小的，未出现失稳扩展现象，这一试验证明，麻冷硬铸铁热冲击性能要好于白口冷硬铸铁。由图可见，普通高铬祷铁的裂纹萌生期长，一定循环次数后有失稳扩13

麻口冷硬铸铁激冷层硬度虽随距轧辊表面距离加大有所降低，但硬度梯度平缓，与白口硬铸铁有较大区别，如图4-9。麻口冷硬铸铁激冷层硬度虽随距轧辊表面距离加大有所降低，14第4章特种性能铸铁课件15三、冷硬铸铁的应用冶金用轧辊、造纸，像胶、榨油、制粉、制糖、棉纺、毛纺等行业使用的轧辊。冷硬铸铁轧辊的铸造方法，目前有三种：一体铸造、溢流铸造和离心铸造。1、冶金类轧辊三、冷硬铸铁的应用冶金用轧辊、造纸，像胶、榨油、制粉、制糖、16第4章特种性能铸铁课件17第4章特种性能铸铁课件182、内燃机气门挺柱和凸轮轴3、农用犁铧、犁镜2、内燃机气门挺柱和凸轮轴3、农用犁铧、犁镜19第三节抗磨铸铁用于抵杭磨料磨损的铸铁，一般叫抗磨铸铁。第三节抗磨铸铁用于抵杭磨料磨损的铸铁，一般叫抗磨铸铁。20一、普通白口铸铁化学成分：具有高碳低硅的特点。2.2%~3.6%C，Si＜1.0%，Mn＜1.0%。性能：低碳白口铸铁（~2.5％C）的硬度约为375HBS，而含碳量（3.6％以上）高时，其硬度将增至600HBW．组织：珠光体＋渗碳体。一、普通白口铸铁化学成分：具有高碳低硅的特点。性能：低碳白口21第4章特种性能铸铁课件22所谓镍硬白口铸铁，主要指含镍铬的白口铸铁。二、镍硬白口铸铁应用：抗磨料磨损的场合。如冶金轧辊，球磨机及辊磨机衬板、磨球，平盘磨辊套，E型磨磨环，杂质泵过流件、灰渣输送管道等。化学成分：镍硬白口铸铁的化学成分，如表4-13所示铸态组织：共晶碳化物+马氏体。所谓镍硬白口铸铁，主要指含镍铬的白口铸铁。二、镍硬白口铸铁应23三、铬系白口铸铁组织特点：基体+碳化物基体：一般以珠光体或马氏体使用。碳化物：随铬的增加而变化M3C(100~1230HV)→M7C3(1300~1800HV)→M23C6(~1400HV)三、铬系白口铸铁组织特点：基体+碳化物24第4章特种性能铸铁课件25一般M3c型碳化物为连续网状或板状形貌（如图-19所示）一般M3c型碳化物为连续网状或板状形貌（如图-19所26图4-20高铬铸铁中碳化物形貌a),b)含铬15%高铬铸铁的碳化物形貌，大部分为M7C3型碳化物c）d)含铬27%高铬铸铁的碳化物形貌，大部分为M23c6碳化物abcd图4-20高铬铸铁中碳化物形貌abcd27（一）低铬白口铸铁为扩大普通白口铸铁的应用范围，提高其韧性与耐磨性，在普通白口铸铁中加入1.0%~50%Cr，就形成了低铬铸铁。低铬铸铁一般以珠光体+合金碳化物状态使用。碳化物形貌也有所改善。低铬铸铁主要应用于球磨机磨球，磨球硬度可在400～550HBW内变动。见表4-15。（二）中铬白口铸铁为取代镍硬IV型铸铁，我国发展出了一种含铬7%~11％的中铬白口铸铁，其中完全不含镍。铸铁中碳化物为M7C3和M3C混合的形式，其耐磨性和韧性介于高铬铸铁和低铬铸铁之间。组织如图4-21。珠光体+碳化物。（三）高铬白口铸铁含铬量在12%~28％之间的白口铸铁就是高铬白口铸铁。抗拉强度可高达3100MPa。组织：P+M7C3或M+M7C3。（一）低铬白口铸铁为扩大普通白口铸铁的应用范围，提高其韧性与28表4-15球磨机用低铬铸铁磨球的耐磨性（ASM）表4-16中铬白口铸铁与镍硬Ⅳ铸铁的力学性能对比表4-15球磨机用低铬铸铁磨球的耐磨性（ASM）表4-129图4-21中铬白口铸铁的金相组织图4-21中铬白口铸铁的金相组织3015Cr-3Mo铸铁的基体组织对磨损失重的影响：铁素体70~200HV珠光体300~460HV奥氏体300~600HV马氏体500~1000HV表4-1715Cr-3Mo铸铁的基体组织对磨损失重的影响15Cr-3Mo铸铁的基体组织对磨损失重的影响：铁素体7031图4-22高铬铸铁空淬能淬透的最大直径与铬碳比及铝含量的关系1．高铬白口铸铁的化学成分碳化物数量可以用下式来估算铬与碳的比值C/Cr影响铸铁中M7C3型碳化物的相对数量。一般Cr/C大于5就能获得大部分的M7C3型碳化物；同时铬碳比越高，铸铁的淬透性也增加．图4-22表示了铬碳比与工件最大淬透直径的关系。图4-22高铬铸铁空淬能淬透1．高铬白口铸铁的化学成分碳化32表4-18常用高铬铸铁成分表4-18常用高铬铸铁成分332．高铬白口铸铁的铸造工艺高铬白口铸铁铸造性能特点：热导率低、收缩性大、塑性差、切削性能差。白口铸铁的铸造工艺：采用冒口和冷铁，遵守顺序凝固，模型缩尺可取2%。冒口尺寸按碳钢设计，浇注系统横截面积比灰铸铁增加20％~30%。冒口宜用侧冒口或易割冒口。高铬白口铸铁的熔炼：电炉。浇注温度：不要太高，一般比液相线温度高55℃，小件可为1380~1420，厚100mm以上的铸件可更低些，在1350～1400℃。3．高铬白口铸铁的热处理淬火时的冷却是连续冷却过程，可用连续冷却转变曲线（CCT曲线）来描述高铬铸铁的转变规律。图4-23和图4-24是两种典型高铬铸铁的连续冷却转变曲线。F.Moratray等人通过大量的模拟试验，得出了空淬时不出现珠光体的最大直径D2．高铬白口铸铁的铸造工艺高铬白口铸铁铸造性能特点：热导率34图4-2315Cr-3M。高铬白口铸铁的连续冷却转变曲线铸铁成分：C2.51%,Cr14.70%,Mo2.62%,SiO.47%,MnO.80%TA一奥氏体化温度Ac1,一加热时共析温度的下限，圆圈中数字为HV硬度值%图4-2315Cr-3M。高铬白口铸铁的连续35图4-2415Cr-2Mo-1Cu高铬白口铸铁的连续冷却转变曲线铸铁成分：C3.32Yo%Cr14.63%，Mot.08%。Cul.02%S10.58%.MnO.72%tA一奥氏体化时间图4-2415Cr-2Mo-1Cu高铬白口铸36图4-25碳对高铬铸铁抗弯强度6bb、抗拉强度σb和挠度f的影响a)200℃回火b)淬火及200℃回火成分：Si：0.6．Mn：0.8%．Cr：12;一14%，Mo：l.5%4．高铬白口铸铁的力学性能高铬铸铁的力学性能指标主要有：硬度、韧性和强度。影响这些指标的主要因素无非是碳化物类型与数量，以及基体类型。影响碳化物数量的主要因素是铸铁的含碳量。由表4-19可见，当铬量不变时，随含碳量的增加，硬度增加，而断裂韧性降低。图4-25则表明增加碳含量．使强度性能降低。图4-25碳对高铬铸铁抗弯强度6bb、抗4．高铬白口铸37表1-19碳对高铬白口铸铁（Cr15%)硬度和断裂韧性的影响图4-26碳化物体积占23％一25%时，Cr/C对白口铸铁KIc的影响图4-26为碳化物含量基本相同时，Cr/C对铸铁断裂韧性KIC的影响。在Cr/C低时，提高Cr/C将改善碳化物形态，使KIC显著提高；但当Cr／C高时，再提高Cr/C，碳化物形态改变不大，只是提高了基体固溶强化程度，使KIC有所降低.表1-19碳对高铬白口铸铁（Cr15%)硬度和断裂韧性的38图1-27铬对白口铸铁强度性能的影响成分：C2.7％~3.1%,Cr0.07％~31.1%图1-27铬对白口铸铁强度性能的影响395、高铬白口铸铁的应用表4-20是几种耐磨材料对矿石浆的抗磨性对比。表4-21是几种材料在湿磨钼矿石条件下制成Φ65mm磨球时实际抗磨性对比。由此两表都能很清楚地看出，高铬白口铸铁的耐磨性，在几种被试验的材料中都是最好的。基体组织可有三种状态：马氏体基体、珠光体基体和奥民体荃体，水泥行业中，马氏体基体磨球使用效果最佳。奥氏体基体磨球主要适用于湿磨工况。球磨机中的衬板也可采用高铬铸铁材质。表4-20各种材料对矿石浆的抗磨性对比5、高铬白口铸铁的应用表4-20是几种耐磨材料对矿石浆的抗40表4-22直径4.lmX12.5m球磨机衬板的化学成分和力学性能表4-21￠65mm磨球磨钼矿时抗磨性对比表4-22直径4.lmX12.5m球磨机衬板的化41表4-23高铬铸铁应用一览表表4-23高铬铸铁应用一览表42第四节耐热铸铁表4-24耐热铸铁的耐热性分级一般把金属从表面开始逐渐向非金属化合物变化的现象统称为金属的氧化。另一方面金属在高温下工作，其体积还将发生不可逆的胀大，这种现象称作金属在高温下的生长。第四节耐热铸铁表4-24耐热铸铁的耐热性分级一般把金属从43耐热铸铁可分为三类：含硅耐热铸铁，含铝耐热铸铁和含铬耐热铸铁。把铸铁在某一温度下经100h加热后的生长小于0.2%,平均氧化速度小于0.5g/m2·h的温度称为这种铸铁的耐热温度。一、铸铁在高温下的氧化（一）氧化过程1）氧原子在铁表面形成化学吸附。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。（二）影响铸铁氧化的因素影响铸铁氧化的主要因素有氧化膜的性质、合金元素以及基体和石墨特征。耐热铸铁可分为三类：含硅耐热铸铁，含铝耐热铸铁和含铬耐热铸铁441．氧化膜性质的影响（1）、氧化膜具有保护性的具必要条件是：毕林一彼得沃尔斯（Pilling-Bedworth）比γ＞1。PB比γ为氧化时所生成的金属氧化膜体积与生成这些氧化膜所消耗的金属体积的比。即表4-25某些金属氧化膜的PB比（2）、氧化膜晶格完好——导电率低。表4-26某些金属氧化物在1000℃时的电导率1．氧化膜性质的影响（1）、氧化膜具有保护性的具必要条件是452．合金元素的影响合金元素应符合下列条件：（1）合金元素氧化物的PB比大干1．且具有低的电导率；（2）合金元素对氧的亲和力大于铁；（3）合金元素的氧化物能单独存在。用这些条件衡量，防止氧化最有效的元素．还是铝、硅、铬等。3．铸铁组织对铸铁氧化的影响球状石墨比片状石墨抗氧化，蠕虫状石墨的抗氧化趋势，介于球状石墨和片状石墨之间。如表4-27。表4-27球化率对铸铁氧化及生长的影响2．合金元素的影响合金元素应符合下列条件：（1）合金元素氧46防止铸铁氧化的主要措施是：加入合金元素铝、硅、铬等，以形成连续致密的能防止离子扩散的层下氧化膜；采用孕育处理，使共晶团及石墨细化；适当降低碳量，以减少石墨数量；采用球墨铸铁等。二、铸铁在高温下的生长铸铁在不同的工作温度的不同生长过程及主要的预防措施：（一）低于相变（α→γ）温度时的生长低温生长发生在400-600℃范围内，生长机理是珠光体分解为铁素体和石墨。防止措施：1、使铸铁在使用温度下全部为铁素体基体；2、加入增加珠光体稳定性的合金元素或降低硅含量，阻止受热时珠光体的分解，可加入铬、锡等元素。如加入0.5%~1.5％的铬足以使珠光体在600℃时难以分解。防止铸铁氧化的主要措施是：二、铸铁在高温下的生长铸铁在不同的47（二）在相变温度范围时的生长原因：铸铁在加热时α转变为γ，由于石墨不断地溶入γ体内，在原石墨处就会留下微观空洞；而在冷却时γ中又不断地析出石墨，此石墨沿原空洞处析出的可能性又很小，结果再次造成因石墨析出而发生体积膨胀——是一种灾难性生长。防止措施：1、提高铸铁的相变温度，使零件的工作温度低于铸铁相变温度；2、调整工作温度，使铸铁的工作温度范围处于单相组织状态。（三）高于相变温度时的生长原因：高温氧化占主导地位。防止措施：防止氧化。（二）在相变温度范围时的生长原因：铸铁在加热时α转变为γ，由48表4-28耐热铸铁牌号、成分、性能（GB9437-88）三、常用的耐热铸铁表4-28耐热铸铁牌号、成分、性能（GB9437-88）三、49图4-28不同含硅量的球铁，加热到900C，重复加热次数对生长的影响（一）中硅耐热铸铁中硅铸铁的牌号有：中硅灰铸铁RTSi5、中硅球墨铸铁RQTSi4、RQTSi5和含钼的中硅球墨铁RQTSi4Mo。用途：常用在不受冲击和温度低于800-900℃的锅炉炉栅、横梁、换热器、节气阀等零件上。图4-28不同含硅量的球铁，加热（一）中硅耐热铸铁中硅铸50图4-29含硅量对铸铁耐热性的影响表4-29硅对铸铁临界转变温度的影响图4-29含硅量对铸铁耐热性的影响表4-29硅对铸铁临界转变51表4-30普通灰铁和中硅铸铁耐热性能中硅铸铁的铸造工艺特点：1）流动性好，可以浇注薄壁复杂铸件；2）线收缩较大，约为1.0％~1.4%，易产生较大的铸造应力和冷裂；3）铁液易氧化——浇注系统开设要使铁流平稳，快速充填，一般采用半封闭式浇注系统，注意撇渣和飞溅，并设置排渣冒口，以消除氧化夹杂；4）铁液易产生石墨漂浮，故应控制含碳量，使碳当量不超过共晶碳当量。总之，中硅铸铁所需合金元素来源充分，价格低廉，力学性能和耐热性能均较高，是一种很有前途的耐热材料表4-30普通灰铁和中硅铸铁耐热性能中硅铸铁的铸造工艺特点：52图4-30铝对铸铁石墨化的影响（二）含铝耐热铸铁含铝耐热铸铁有两类：即低铝耐热铸铁RQTAI4Si4、RQTAI5Si5和高铝耐热铸铁RQTAl22。Al的作用：5%以上可获得单一铁素体组织，消除了珠光体分解造成的体积生长；提高相变温度，每增加1％的含铝量可使A1点升高50℃。耐热温度：1100℃。图4-30铝对铸铁石墨化的影响（二）含铝耐热铸铁53铬与硅、铝一样，也能在铸铁表面形成良好的Cr2O3保护膜。含铬耐热铸铁中，可分成低铬耐热铸铁RTCr、RTCr2和高铬耐热铸铁RTCr16。低铬耐热铸铁的组织与普通灰铸铁相同，为片状石墨＋珠光体基体．而高铬耐热铸铁组织与前一节高铬耐磨铸铁组织相同，为M7C3型碳化物和奥氏体组织，但如铸铁含碳量较高和铸件壁厚较大，基体中有可能出现珠光体，这对铸铁的抗生长性是极为不利的，因此要加以避免。（三）含铬耐热铸铁铬与硅、铝一样，也能在铸铁表面形成良好的54第五节耐腐蚀铸铁图4-31铸铁的电化学腐蚀原理表4-31铸铁中加入合金元素的需要量（％）所谓腐蚀．是指金属表面受周围介质的化学及电化学作对而破坏的过程。金属腐蚀可分为四大类：化学腐蚀、电化学腐蚀、在机械因素作用下的腐蚀和生物腐蚀。第五节耐腐蚀铸铁图4-31铸铁的电化学表4-31铸铁中55一、提高铸铁耐腐蚀性的途径提高铸铁的耐腐蚀性主要靠加入合金元素，以得到有利的组织和形成良好的保护膜。至于石墨形状，球状优于蠕虫状，蠕虫状又优于片状。合金元素的作用：l）改变某些相在腐蚀剂中的电位，降低原电池的电动势，使耐腐蚀性能提高。2）改善铸铁组织，使基体组织，石墨大小、形状和分布得到改善，进而减少原电池数量，及减小电动势3）在铸铁表皮层下形成一层致密、牢固的保护膜，如SiO2、AI2O3、Cr2O3膜都具有很好的保护性。一、提高铸铁耐腐蚀性的途径提高铸铁的耐腐蚀性主要靠加入合金元56二、常用的耐腐蚀铸铁（一）高硅耐腐蚀铸铁高硅铸铁牌号：一种为STSi-15，其化学成分是．C0.5%~1.0%，Si14.5％~15.75%,Mn≤0.5%,P＜0.10%,S＜0.06%；另一种为：STSi-17，化学成分是：C0.35%～0.8%,Si16.0%~18.0%,Mn≤0.5%,P＜0.10%,S＜0.02%。适用条件：硝酸，硫酸、磷酸、醋酸、各种盐溶液和湿空气中。注意：不适于氢氟酸、氟化物、卤素、碱、亚硫酸等介质。二、常用的耐腐蚀铸铁（一）高硅耐腐蚀铸铁高硅铸铁牌号：一种为57图4-32含硅量对高硅铸铁在10％硫酸溶液（(80-C）中腐蚀的影响图4-33含硅量对铸铁在盐酸溶液中腐蚀的影响（试验时间100h)图4-32含硅量对高硅铸铁图4-33含硅量对铸铁在58（二）含铝耐腐蚀铸铁化学成分：4%~6％Al，1.5%~1.8%Si。金相组织:珠光体十铁素体＋石墨，有时还有少量的铝铁化合物Fe3AI。应用：作为制造重碳酸钠、氯化氨、碳酸氢氨等设备上的耐蚀材料，小型化肥厂。（三）高铬耐腐蚀铸铁含铬24%～35％的白口铸铁称为高铬耐腐蚀铸铁。高铬铸铁多用于氧化性酸，如硝酸，以及盐液，盐浆中。（二）含铝耐腐蚀铸铁化学成分：4%~6％Al，1.5%~1.59图4-34碳、铬含量对铸铁氧化性能的影响为保证高铬铸铁具有高的耐蚀性，高铬铸铁的含铬量应满足以下条件图4-34碳、铬含量对铸铁氧化性能的影响为保证高铬铸铁具60图4-35铁铬二元合金的电位图1-36高铭铸铁的基体中铬含量与耐蚀性的关系（腐蚀介质：20C的和食盐水，磁力搅拌）图4-35铁铬二元合金的电位图1-36高铭铸铁的基体中61图4-37高铬铸铁（Cr27%）在各种pH值的3%NaCl溶液中的腐蚀速率试验时间：30天1一高铬铸铁（Cr270%)2-HT200高铬铸铁在不同pH值的盐水中的腐蚀速率见图4-37所示，可见高铬铸铁耐蚀性比灰铸铁要好一个数量级。图4-37高铬铸铁（Cr27%）在高铬铸铁在不同pH值的62表4-32高铬耐腐蚀铸铁的化学成分及力学性能常用高铬耐腐蚀铸铁的化学成分和力学性能如表4-32所示。这些铸铁不仅具有优良的耐蚀性能，而且力学性能良好，可用于抗磨、抗腐蚀的工作条件，如用于流速大的砂泵，矿浆泵等过流部件中，同时，它也是优异的耐热铸铁。表4-32高铬耐腐蚀铸铁的化学成分及力学性能63（四）高镍耐腐蚀铸铁加入镍的主要作用：使腐蚀电位向正方向移动，正移程度与镍含量相对应，即镍含量越高，铸铁的腐蚀电位正移程度越大。因此，在还原性腐蚀介质中都能提高铸铁的耐蚀性。如在烧碱、盐卤、海水、海洋大气、还原性无机酸、脂肪酸等介质中都具有高的耐蚀性。含镍量在13.5％~36％的铸铁称为奥氏体铸铁。注意：对硝酸等氧化性酸类的耐蚀性不好（四）高镍耐腐蚀铸铁加入镍的主要作用：使腐蚀电位向正方向移动64表4-33高镍铸铁的化学成分及力学性能常用高镍铸铁化学成分和力学性能见表4-33。表中1型是用铜代替部分镍，以降低成本，但铜量过高时不能用于食品工业；2型为高镍铸铁的基本型；

3型是为进一步提高耐蚀能力而进一步增加了镍含量；4型则是为提高高镍铸铁的耐热性，添加了硅和铬；5型的特点是热膨胀系数小。表4-33高镍铸铁的化学成分及力学性能常用高镍铸铁化学65请进入第五章请进入第五章66第四章特种性能铸铁铸造合金及熔炼第四章特种性能铸铁铸造合金及熔炼67第四章特种性能铸铁（1学时）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腐蚀铸铁本章重点：常用特种性能铸铁的性能特点和用途。第四章特种性能铸铁（1学时）本章重点：常用特种性能铸铁的68第一节减摩铸铁一、石墨对铸铁减旅性的影响第一节减摩铸铁一、石墨对铸铁减旅性的影响69二、基体组织对铸铁减摩性的影响三、常用的减魔铸铁（一）含磷铸铁在硬度相同条件下，各种组织的耐磨性：F→P→M→B.含磷铸铁一般指磷含量高于0.30％的灰铸铁。磷共晶硬度较高（600～800HV)，以断续网状分布在金属基体中，且不易剥落，对提高铸铁的耐磨性有利。二、基体组织对铸铁减摩性的影响三、常用的减魔铸铁（一）含磷铸70（二）钒钛铸铁是利用我国西南地区丰富的钒钛共生铁矿资源，开发出的一种铸铁。钒钛生铁中，一般含0.3%~0.5%V，含Ti0.15%～0.35％。这两种元素形成高硬度的碳化物和氮化物质点，显微硬度可达960~1840。弥散分布在基体中，可使铸铁的耐磨性大大提高。（二）钒钛铸铁是利用我国西南地区丰富的钒钛共生铁矿资源，开发71（三）硼铸铁（三）硼铸铁72第二节冷硬铸铁冷硬铸铁是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，因此，冷硬铸铁具有“外硬内韧”的特点，其外表具有高的耐磨性，同时又能承受较高的工作应力而不断裂，常用于轧辊，凸轮轴和犁桦的制造。一、冷硬铸铁的化学成分和组织特点冷硬铸铁的化学成分：2.9%~3.8%C,0.25%～0.8%Si，0.2%~0.7%Mn，P≤0.5%，S≤0.12%，与普通灰铸铁相比，含硅量低。由此看出，冷硬铸铁白口深度可以通过调整硅量完成增加白口层深度的方向依次为：W→Mn→Mo→Cr→Sn→V→S→B→Te（最强）；减小白口层深度的方向依次为：C→Si→Ti→Ni→Cu→Co→P（最弱）。影响白口层硬度的趋势依次按C→Nb→P→Mn→Cr→Mo→V→Si→AI→Cu→Ti→S的次序减弱。第二节冷硬铸铁冷硬铸铁是通过一定的工艺方法，使铸件激冷层73冷硬铸铁的组织，可分成两到三个明显的区城：最外层为白口区．紧挨白口区的为麻口区，内层则为灰口区。有的冷硬铸铁只有麻门区和灰口区。冷硬铸铁激冷层组织：普通冷硬铸铁激冷层组织，由珠光体和共晶碳化物组成；低合金冷硬铸铁激冷层组织，主要由索氏体和少量贝氏体，加共晶碳化物组成。麻口冷硬铸铁根据化学成分分成三类：普通麻口冷硬铸铁，合金麻口冷硬铸铁和高合金麻口冷硬铸铁。组织与白口冷硬铸铁相比不同的是，铸件从外层到内层都含有石墨。二、冷硬铸铁的获得与性能特点冷硬铸铁件的生产工艺，主要有两种：一种是在铸件需要激冷部位放置蓄热系数大的铸型，如金属型或石墨型；另一种是采用复合铸造的方法，先浇入一种成分的金属液，隔一定的时间，再浇入另外一种成分的金属液，两种金属通过冶金结合形成一个整体。如轧辊生产。冷硬铸铁的组织，可分成两到三个明显的区城：最外层为白口区．紧74对激冷层质量影响大的工艺参数有：（1）炉料性质炉料中白口铸铁的比例增加，铸件的白口深度亦会增加，如表4-5所示。（2）熔炼工艺增加铁液过热度及延长铁液在高温时的保持时间，都能使铁液形核能力降低，白口层深度增加，如表4-6所示。对激冷层质量影响大的工艺参数有：（1）炉料性质炉料75浇注温度也影响白口层深度。其规律为：随浇注温度提高，白口深度减小，因为浇注温度提高时，铸型预热充分，共晶凝固期间结晶速度减慢。浇注温度也影响白口层深度。其规律为：随浇注温度提高，白口深度76(3）铸型工艺冷铁厚度是影响白口层深度的主要因素。生产中一般取冷铁厚度与铸件璧厚的比例为1∶2~4，铸件壁厚小时，取下限，铸件壁厚大时，取上限。C、Si对白口层深度的影响见图4-5和图4-6。(3）铸型工艺冷铁厚度是影响白口层深度的主要因素77麻口冷硬铸铁的显微组织。激冷层中含有渗碳和石墨，与白口冷硬铸铁相比，韧性好，承受热冲击性能好，工作中不易发生龟裂和剥落。图4-7是含石墨高铬铸铁的组织，图中白色区域为（Cr、Fe）7C3形碳化物，图4-7a中的石墨呈片状，而图4-7b中为球状石墨。麻口冷硬铸铁的显微组织。激冷层中含有渗碳和石墨，与白口冷硬铸78由图可见，普通高铬祷铁的裂纹萌生期长，一定循环次数后有失稳扩展现象，而含石墨的高铬铸铁，裂纹萌生相对容易，但在试验范围内，随循环周次的增加，裂纹扩展速率是减小的，未出现失稳扩展现象，这一试验证明，麻冷硬铸铁热冲击性能要好于白口冷硬铸铁。由图可见，普通高铬祷铁的裂纹萌生期长，一定循环次数后有失稳扩79

麻口冷硬铸铁激冷层硬度虽随距轧辊表面距离加大有所降低，但硬度梯度平缓，与白口硬铸铁有较大区别，如图4-9。麻口冷硬铸铁激冷层硬度虽随距轧辊表面距离加大有所降低，80第4章特种性能铸铁课件81三、冷硬铸铁的应用冶金用轧辊、造纸，像胶、榨油、制粉、制糖、棉纺、毛纺等行业使用的轧辊。冷硬铸铁轧辊的铸造方法，目前有三种：一体铸造、溢流铸造和离心铸造。1、冶金类轧辊三、冷硬铸铁的应用冶金用轧辊、造纸，像胶、榨油、制粉、制糖、82第4章特种性能铸铁课件83第4章特种性能铸铁课件842、内燃机气门挺柱和凸轮轴3、农用犁铧、犁镜2、内燃机气门挺柱和凸轮轴3、农用犁铧、犁镜85第三节抗磨铸铁用于抵杭磨料磨损的铸铁，一般叫抗磨铸铁。第三节抗磨铸铁用于抵杭磨料磨损的铸铁，一般叫抗磨铸铁。86一、普通白口铸铁化学成分：具有高碳低硅的特点。2.2%~3.6%C，Si＜1.0%，Mn＜1.0%。性能：低碳白口铸铁（~2.5％C）的硬度约为375HBS，而含碳量（3.6％以上）高时，其硬度将增至600HBW．组织：珠光体＋渗碳体。一、普通白口铸铁化学成分：具有高碳低硅的特点。性能：低碳白口87第4章特种性能铸铁课件88所谓镍硬白口铸铁，主要指含镍铬的白口铸铁。二、镍硬白口铸铁应用：抗磨料磨损的场合。如冶金轧辊，球磨机及辊磨机衬板、磨球，平盘磨辊套，E型磨磨环，杂质泵过流件、灰渣输送管道等。化学成分：镍硬白口铸铁的化学成分，如表4-13所示铸态组织：共晶碳化物+马氏体。所谓镍硬白口铸铁，主要指含镍铬的白口铸铁。二、镍硬白口铸铁应89三、铬系白口铸铁组织特点：基体+碳化物基体：一般以珠光体或马氏体使用。碳化物：随铬的增加而变化M3C(100~1230HV)→M7C3(1300~1800HV)→M23C6(~1400HV)三、铬系白口铸铁组织特点：基体+碳化物90第4章特种性能铸铁课件91一般M3c型碳化物为连续网状或板状形貌（如图-19所示）一般M3c型碳化物为连续网状或板状形貌（如图-19所92图4-20高铬铸铁中碳化物形貌a),b)含铬15%高铬铸铁的碳化物形貌，大部分为M7C3型碳化物c）d)含铬27%高铬铸铁的碳化物形貌，大部分为M23c6碳化物abcd图4-20高铬铸铁中碳化物形貌abcd93（一）低铬白口铸铁为扩大普通白口铸铁的应用范围，提高其韧性与耐磨性，在普通白口铸铁中加入1.0%~50%Cr，就形成了低铬铸铁。低铬铸铁一般以珠光体+合金碳化物状态使用。碳化物形貌也有所改善。低铬铸铁主要应用于球磨机磨球，磨球硬度可在400～550HBW内变动。见表4-15。（二）中铬白口铸铁为取代镍硬IV型铸铁，我国发展出了一种含铬7%~11％的中铬白口铸铁，其中完全不含镍。铸铁中碳化物为M7C3和M3C混合的形式，其耐磨性和韧性介于高铬铸铁和低铬铸铁之间。组织如图4-21。珠光体+碳化物。（三）高铬白口铸铁含铬量在12%~28％之间的白口铸铁就是高铬白口铸铁。抗拉强度可高达3100MPa。组织：P+M7C3或M+M7C3。（一）低铬白口铸铁为扩大普通白口铸铁的应用范围，提高其韧性与94表4-15球磨机用低铬铸铁磨球的耐磨性（ASM）表4-16中铬白口铸铁与镍硬Ⅳ铸铁的力学性能对比表4-15球磨机用低铬铸铁磨球的耐磨性（ASM）表4-195图4-21中铬白口铸铁的金相组织图4-21中铬白口铸铁的金相组织9615Cr-3Mo铸铁的基体组织对磨损失重的影响：铁素体70~200HV珠光体300~460HV奥氏体300~600HV马氏体500~1000HV表4-1715Cr-3Mo铸铁的基体组织对磨损失重的影响15Cr-3Mo铸铁的基体组织对磨损失重的影响：铁素体7097图4-22高铬铸铁空淬能淬透的最大直径与铬碳比及铝含量的关系1．高铬白口铸铁的化学成分碳化物数量可以用下式来估算铬与碳的比值C/Cr影响铸铁中M7C3型碳化物的相对数量。一般Cr/C大于5就能获得大部分的M7C3型碳化物；同时铬碳比越高，铸铁的淬透性也增加．图4-22表示了铬碳比与工件最大淬透直径的关系。图4-22高铬铸铁空淬能淬透1．高铬白口铸铁的化学成分碳化98表4-18常用高铬铸铁成分表4-18常用高铬铸铁成分992．高铬白口铸铁的铸造工艺高铬白口铸铁铸造性能特点：热导率低、收缩性大、塑性差、切削性能差。白口铸铁的铸造工艺：采用冒口和冷铁，遵守顺序凝固，模型缩尺可取2%。冒口尺寸按碳钢设计，浇注系统横截面积比灰铸铁增加20％~30%。冒口宜用侧冒口或易割冒口。高铬白口铸铁的熔炼：电炉。浇注温度：不要太高，一般比液相线温度高55℃，小件可为1380~1420，厚100mm以上的铸件可更低些，在1350～1400℃。3．高铬白口铸铁的热处理淬火时的冷却是连续冷却过程，可用连续冷却转变曲线（CCT曲线）来描述高铬铸铁的转变规律。图4-23和图4-24是两种典型高铬铸铁的连续冷却转变曲线。F.Moratray等人通过大量的模拟试验，得出了空淬时不出现珠光体的最大直径D2．高铬白口铸铁的铸造工艺高铬白口铸铁铸造性能特点：热导率100图4-2315Cr-3M。高铬白口铸铁的连续冷却转变曲线铸铁成分：C2.51%,Cr14.70%,Mo2.62%,SiO.47%,MnO.80%TA一奥氏体化温度Ac1,一加热时共析温度的下限，圆圈中数字为HV硬度值%图4-2315Cr-3M。高铬白口铸铁的连续101图4-2415Cr-2Mo-1Cu高铬白口铸铁的连续冷却转变曲线铸铁成分：C3.32Yo%Cr14.63%，Mot.08%。Cul.02%S10.58%.MnO.72%tA一奥氏体化时间图4-2415Cr-2Mo-1Cu高铬白口铸102图4-25碳对高铬铸铁抗弯强度6bb、抗拉强度σb和挠度f的影响a)200℃回火b)淬火及200℃回火成分：Si：0.6．Mn：0.8%．Cr：12;一14%，Mo：l.5%4．高铬白口铸铁的力学性能高铬铸铁的力学性能指标主要有：硬度、韧性和强度。影响这些指标的主要因素无非是碳化物类型与数量，以及基体类型。影响碳化物数量的主要因素是铸铁的含碳量。由表4-19可见，当铬量不变时，随含碳量的增加，硬度增加，而断裂韧性降低。图4-25则表明增加碳含量．使强度性能降低。图4-25碳对高铬铸铁抗弯强度6bb、抗4．高铬白口铸103表1-19碳对高铬白口铸铁（Cr15%)硬度和断裂韧性的影响图4-26碳化物体积占23％一25%时，Cr/C对白口铸铁KIc的影响图4-26为碳化物含量基本相同时，Cr/C对铸铁断裂韧性KIC的影响。在Cr/C低时，提高Cr/C将改善碳化物形态，使KIC显著提高；但当Cr／C高时，再提高Cr/C，碳化物形态改变不大，只是提高了基体固溶强化程度，使KIC有所降低.表1-19碳对高铬白口铸铁（Cr15%)硬度和断裂韧性的104图1-27铬对白口铸铁强度性能的影响成分：C2.7％~3.1%,Cr0.07％~31.1%图1-27铬对白口铸铁强度性能的影响1055、高铬白口铸铁的应用表4-20是几种耐磨材料对矿石浆的抗磨性对比。表4-21是几种材料在湿磨钼矿石条件下制成Φ65mm磨球时实际抗磨性对比。由此两表都能很清楚地看出，高铬白口铸铁的耐磨性，在几种被试验的材料中都是最好的。基体组织可有三种状态：马氏体基体、珠光体基体和奥民体荃体，水泥行业中，马氏体基体磨球使用效果最佳。奥氏体基体磨球主要适用于湿磨工况。球磨机中的衬板也可采用高铬铸铁材质。表4-20各种材料对矿石浆的抗磨性对比5、高铬白口铸铁的应用表4-20是几种耐磨材料对矿石浆的抗106表4-22直径4.lmX12.5m球磨机衬板的化学成分和力学性能表4-21￠65mm磨球磨钼矿时抗磨性对比表4-22直径4.lmX12.5m球磨机衬板的化107表4-23高铬铸铁应用一览表表4-23高铬铸铁应用一览表108第四节耐热铸铁表4-24耐热铸铁的耐热性分级一般把金属从表面开始逐渐向非金属化合物变化的现象统称为金属的氧化。另一方面金属在高温下工作，其体积还将发生不可逆的胀大，这种现象称作金属在高温下的生长。第四节耐热铸铁表4-24耐热铸铁的耐热性分级一般把金属从109耐热铸铁可分为三类：含硅耐热铸铁，含铝耐热铸铁和含铬耐热铸铁。把铸铁在某一温度下经100h加热后的生长小于0.2%,平均氧化速度小于0.5g/m2·h的温度称为这种铸铁的耐热温度。一、铸铁在高温下的氧化（一）氧化过程1）氧原子在铁表面形成化学吸附。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。（二）影响铸铁氧化的因素影响铸铁氧化的主要因素有氧化膜的性质、合金元素以及基体和石墨特征。耐热铸铁可分为三类：含硅耐热铸铁，含铝耐热铸铁和含铬耐热铸铁1101．氧化膜性质的影响（1）、氧化膜具有保护性的具必要条件是：毕林一彼得沃尔斯（Pilling-Bedworth）比γ＞1。PB比γ为氧化时所生成的金属氧化膜体积与生成这些氧化膜所消耗的金属体积的比。即表4-25某些金属氧化膜的PB比（2）、氧化膜晶格完好——导电率低。表4-26某些金属氧化物在1000℃时的电导率1．氧化膜性质的影响（1）、氧化膜具有保护性的具必要条件是1112．合金元素的影响合金元素应符合下列条件：（1）合金元素氧化物的PB比大干1．且具有低的电导率；（2）合金元素对氧的亲和力大于铁；（3）合金元素的氧化物能单独存在。用这些条件衡量，防止氧化最有效的元素．还是铝、硅、铬等。3．铸铁组织对铸铁氧化的影响球状石墨比片状石墨抗氧化，蠕虫状石墨的抗氧化趋势，介于球状石墨和片状石墨之间。如表4-27。表4-27球化率对铸铁氧化及生长的影响2．合金元素的影响合金元素应符合下列条件：（1）合金元素氧112防止铸铁氧化的主要措施是：加入合金元素铝、硅、铬等，以形成连续致密的能防止离子扩散的层下氧化膜；采用孕育处理，使共晶团及石墨细化；适当降低碳量，以减少石墨数量；采用球墨铸铁等。二、铸铁在高温下的生长铸铁在不同的工作温度的不同生长过程及主要的预防措施：（一）低于相变（α→γ）温度时的生长低温生长发生在400-600℃范围内，生长机理是珠光体分解为铁素体和石墨。防止措施：1、使铸铁在使用温度下全部为铁素体基体；2、加入增加珠光体稳定性的合金元素或降低硅含量，阻止受热时珠光体的分解，可加入铬、锡等元素。如加入0.5%~1.5％的铬足以使珠光体在600℃时难以分解。防止铸铁氧化的主要措施是：二、铸铁在高温下的生长铸铁在不同的113（二）在相变温度范围时的生长原因：铸铁在加热时α转变为γ，由于石墨不断地溶入γ体内，在原石墨处就会留下微观空洞；而在冷却时γ中又不断地析出石墨，此石墨沿原空洞处析出的可能性又很小，结果再次造成因石墨析出而发生体积膨胀——是一种灾难性生长。防止措施：1、提高铸铁的相变温度，使零件的工作温度低于铸铁相变温度；2、调整工作温度，使铸铁的工作温度范围处于单相组织状态。（三）高于相变温度时的生长原因：高温氧化占主导地位。防止措施：防止氧化。（二）在相变温度范围时的生长原因：铸铁在加热时α转变为γ，由114表4-28耐热铸铁牌号、成分、性能（GB9437-88）三、常用的耐热铸铁表4-28耐热铸铁牌号、成分、性能（GB9437-88）三、115图4-28不同含硅量的球铁，加热到900C，重复加热次数对生长的影响（一）中硅耐热铸铁中硅铸铁的牌号有：中硅灰铸铁RTSi5、中硅球墨铸铁RQTSi4、RQTSi5和含钼的中硅球墨铁RQTSi4Mo。用途：常用在不受冲击和温度低于800-900℃的锅炉炉栅、横梁、换热器、节气阀等零件上。图4-28不同含硅量的球铁，加热（一）中硅耐热铸铁中硅铸116图4-29含硅量对铸铁耐热性的影响表4-29硅对铸铁临界转变温度的影响图4-29含硅量对铸铁耐热性的影响表4-29硅对铸铁临界转变117表4-30普通灰铁和中硅铸铁耐热性能中硅铸铁的铸造工艺特点：1）流动性好，可以浇注薄壁复杂铸件；2）线收缩较大，约为1.0％~1.4%，易产生较大的铸造应力和冷裂；3）铁液易氧化——浇注系统开设要使铁流平稳，快速充填，一般采用半封闭式浇注系统，注意撇渣和飞溅，并设置排渣冒口，以消除氧化夹杂；4）铁液易产生石墨漂浮，故应控制含碳量，使碳当量不超过共晶碳当量。总之，中硅铸铁所需合金元素来源充分，价格低廉，力学性能和耐热性能均较高，是一种很有前途的耐热材料表4-30普通灰铁和中硅铸铁耐热性能中硅铸铁的铸造工艺特点：118图4-30铝对铸铁石墨化的影响（二）含铝耐热铸铁含铝耐热铸铁有两类：即低铝耐热铸铁RQTAI4Si4、RQTAI5Si5和高铝耐热铸铁RQTAl22。Al的作用：5%以上可获得单一铁素体组织，消除了珠光体分解造成的体积生长；提高相变温度，每增加1％的含铝量可使A1点升高50℃。耐热温度：1100℃。图4-30铝对铸铁石墨化的影响（二）含铝耐热铸铁119铬与硅、铝一样，也能在铸铁表面形成良好的Cr2O3保护膜。含铬耐热铸铁中，可分成低铬耐热铸铁RTCr、RTCr2和高铬耐热铸铁RTCr16。低铬耐热铸铁的组织与普通灰铸铁相同，为片状石墨＋珠光体基体．而高铬耐热铸铁组织与前一节高铬耐磨铸铁组织相同，为M7C3型碳化物和奥氏体组织，但如铸铁含碳量较高和铸件壁厚较大，基体中有可能出现珠光体，这对铸铁的抗生长性