第四章特種性能鑄鐵

1、第四章第四章 特種性能鑄鐵特種性能鑄鐵 特種性能鑄鐵一般指服役過(guò)程中能滿足特殊使用性能的鑄鐵，主要包括減摩鑄鐵、抗磨鑄鐵、耐熱鑄鐵和耐腐蝕鑄鐵。第一節(jié)：減摩鑄鐵第一節(jié)：減摩鑄鐵（1）減摩鑄鐵組織）減摩鑄鐵組織 G+基體P+ 少量FP（2）石墨對(duì)鑄鐵減摩性的影響）石墨對(duì)鑄鐵減摩性的影響 鑄鐵中石墨的潤(rùn)滑能力，與金屬基體有關(guān)，與石墨的形狀、尺寸和分布有關(guān)，還與摩擦面承載大小有關(guān)。 石墨形狀影響主要表現(xiàn)在：片狀石墨鑄鐵易于在滑動(dòng)界面形成較厚的石墨膜，而球狀石墨鑄鐵形成的石墨膜薄，且不充分。在石墨未成膜的條件下，片狀石墨鑄鐵的磨損可以比球墨鑄鐵大。 增大球狀石墨的尺寸，將使鑄鐵磨損減??；對(duì)于片狀石墨，

2、以A型石墨（45級(jí)）為宜，其抗咬合性能要好于其它類型分布的石墨 在摩擦磨損條件下，蠕墨鑄鐵兼有球墨鑄鐵和片狀石墨鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)，渴望獲得優(yōu)良的摩擦學(xué)性能（3）基體組織對(duì)鑄鐵減摩性的影響）基體組織對(duì)鑄鐵減摩性的影響 珠光體基體是合適的鑄鐵基體組織，珠光體數(shù)量越多，片間距越小，鑄鐵的摩擦磨損性能越好?；w組織（%）珠光體10090400鐵素體01060100滑動(dòng)磨損(g/cm3)2.2910-72.9910-72.0110-62.7310-5相對(duì)磨損比1.01.38.8119.2 在輕微磨損條件下，如果鑄鐵基體硬度保持不變，則貝氏體組織的磨損率最低，回火馬氏體次之，珠光體最差；在嚴(yán)重磨損階段，三種組織

3、的磨損率沒(méi)有差別。 在減摩鑄鐵中，如形成硬質(zhì)相，要求硬質(zhì)相與基體結(jié)合牢靠，不易剝落，能提高鑄鐵的耐磨性。（4）常用的減摩鑄鐵）常用的減摩鑄鐵含磷鑄鐵 應(yīng)應(yīng) 用：用：生產(chǎn)機(jī)床導(dǎo)軌化學(xué)成分：化學(xué)成分：C2.9%3.5%，Si1.4%1.9%，Mn0.5%1.0%， P0.40%0.65%，S0.12% 金相組織：金相組織：A型石墨，石墨長(zhǎng)1025m，珠光體數(shù)量大于95%，磷共晶體積4%8%,呈 斷續(xù)網(wǎng)狀分布，自由滲碳體量小于1% 力學(xué)性能：力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度b=200300Mpa,硬度170250HBS 釩鈦鑄鐵 應(yīng)應(yīng) 用：用：機(jī)床導(dǎo)軌 化學(xué)成分：化學(xué)成分：C2.9%3.7%，Si1.4%2.2%

4、，Mn0.6%1.2%， V0.15%0.45%， Ti0.06%0.15% ，S0.12%，P0.40% 金相組織：金相組織：A型石墨，石墨長(zhǎng)1025m，珠光體數(shù)量大于90%，自由滲碳體量小于1%，釩鈦的碳氮化合物質(zhì)點(diǎn)呈彌散分布 力學(xué)性能：力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度b=200300Mpa,硬度160241HBS硼鑄鐵 硼鑄鐵中硼含量一般在：0.03%0.08%第二節(jié)第二節(jié) 冷硬鑄鐵冷硬鑄鐵 冷硬鑄鐵冷硬鑄鐵是通過(guò)一定的工藝方法，使鑄件激冷層的組織形成白口或麻口，鑄件內(nèi)部組織仍保持灰口的鑄鐵。其具有外硬內(nèi)韌的特點(diǎn)，常用于軋輥、凸輪軸和犁鏵的制造。（1）冷硬鑄鐵的化學(xué)成分和組織特點(diǎn)）冷硬鑄鐵的化學(xué)成分和

5、組織特點(diǎn) 冷硬鑄鐵最外層為白口區(qū)，緊挨白口區(qū)的為麻口區(qū)，內(nèi)層則為灰口區(qū)；有的冷硬鑄鐵只有麻口區(qū)和灰口區(qū)。 激冷層組織：普通冷硬鑄鐵激冷組織為珠光體+共晶碳化物 低合金冷硬鑄鐵激冷層組織為索氏體+少量上貝氏體+共晶碳化物 高合金冷硬鑄鐵激冷層組織貝氏體+少量馬氏體+合金碳化物增加白口層深度的方向依次為：W Mn Mo Cr Sn V S B Te（最強(qiáng)）減少白口層深度的方向依次為：C Si Ti Ni Cu Co P（最弱）各元素影響白口層硬度的趨勢(shì)依次為：C Nb P Mn Cr Mo V Si Al Cu Ti S（最弱）麻口層深度影響規(guī)律：Te，C，S，P減小麻口層深度，Cr，Al，Mn，

6、Mo，V增加麻口層深度（2）冷硬鑄鐵的獲得與性能特點(diǎn)）冷硬鑄鐵的獲得與性能特點(diǎn)冷硬鑄鐵件兩種生產(chǎn)工藝 在鑄件需要激冷部位放置蓄熱系數(shù)大的鑄型，如金屬型或石墨型 采用復(fù)合鑄造法，先澆入一種成分的金屬業(yè)，隔一定的時(shí)間，再澆入另外一種成分的金屬液，兩種金屬通過(guò)冶金結(jié)合形成一個(gè)整體。性能特點(diǎn) 白口冷硬鑄鐵的白口層組織可含有體積百分?jǐn)?shù)在4045%范圍的滲碳體，這種滲碳體硬度高，脆性大，使白口冷硬鑄鐵耐磨性提高，但耐沖擊性能較差，在具有熱沖擊的場(chǎng)合時(shí)，表面易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。 麻口冷硬鑄鐵除含有一定數(shù)量的滲碳體外，還含有石墨，故與白口冷硬鑄鐵相比，韌性好，承受熱沖擊性能好，工作中不易發(fā)生龜裂和剝落。（3）冷

7、硬鑄鐵的應(yīng)用）冷硬鑄鐵的應(yīng)用冷硬鑄鐵軋輥的三種鑄造方法：一體鑄造、溢流鑄造和離心鑄造一體鑄造法普通冷硬軋輥鑄型溢流鑄造法復(fù)合冷硬軋輥鑄型離心鑄造法復(fù)合冷硬軋輥鑄型第三節(jié)第三節(jié) 抗磨鑄鐵抗磨鑄鐵抗磨鑄鐵指用于抵抗磨料磨損的鑄鐵磨料磨損指由硬顆?；蛲怀鑫镒饔檬共牧线w移導(dǎo)致的磨損抗磨鑄鐵的優(yōu)良程度可用相對(duì)耐磨性衡量，相對(duì)耐磨性越高，試驗(yàn)試樣的磨損率越少，即耐磨性越好。提高耐磨鑄鐵硬度的途徑： 提高鑄鐵中硬質(zhì)相本身的硬度或增加硬質(zhì)相的體積百分?jǐn)?shù) 提高鑄鐵金屬基體的硬度(1) 普通白口鑄鐵普通白口鑄鐵普通白口鑄鐵的成分、組織及應(yīng)用 成分特點(diǎn)：成分特點(diǎn)：普通白口鑄鐵的化學(xué)成分具有高碳低硅的特點(diǎn)，增加含碳量

8、，將增加白口鐵的硬度，低碳白口鑄鐵（含C約2.5%）的硬度約為375HBS，而含碳量（3.5%以上）高時(shí) ，其硬度將增至600HBW。但提高含碳量將使脆性增加，并使鑄件凝固時(shí)易形成石墨，特別在含硅量高時(shí)更加明顯，故高碳白口鑄鐵必須低硅。一般白口鑄鐵的含碳量為2.2%3.6%，含硅量小于1%(2) 鎳硬白口鑄鐵鎳硬白口鑄鐵鎳硬白口鑄鐵主要指含鎳硬的白口鑄鐵，其化學(xué)成分如下表所示：上表中鎳硬白口鑄鐵可分為鎳硬型（Ni-hard1到Ni-hard3 ）和鎳硬型（ Ni-hard4 ）其中鎳硬型含鎳約為4%，含鉻約為2%；鎳硬型含鎳約為6%，含鉻約為8%(3) 鉻系白口鑄鐵鉻系白口鑄鐵 鉻能改變共晶碳

9、化物類型，從而改善碳化物形態(tài)，增加硬度，提高鑄鐵韌性及耐磨性Fe-Cr-C合金系的液相面圖Fe-Cr-C相圖在室溫時(shí)的簡(jiǎn)化切面由以上兩張圖知，隨著含鉻量的增加，碳化物的形式由(Fe,Cr)3C型 (Cr, Fe)7C3型 (Cr, Fe)23C6型，即M3C M7C3 M23C6，這幾種碳化物中(Cr, Fe)7C3型 的硬度最高，對(duì)提高鑄鐵的耐磨性是有利的。低鉻白口鑄鐵低鉻白口鑄鐵成分：成分：含鉻量1.0%5%組織：組織： 鑄態(tài) P+合金滲碳體(Fe,Cr)3C 空淬+低溫回火 M+P+合金滲碳體(Fe,Cr)3C性能：性能：硬度4852HRC，沖擊韌度Qk 35J/cm3應(yīng)用：應(yīng)用：球磨機(jī)

10、磨球中鉻白口鑄鐵中鉻白口鑄鐵(含Cr7%11%) 以珠光體狀態(tài)使用時(shí)，成分為：C2.5%3.6%，Si.5%2.2%，Mn0.5%1.0%， Cr7%11%，當(dāng)以馬氏體狀態(tài)使用時(shí)，還需再加入Mo0%2.0%和Cu0%2.0% 綜合考慮Cr/C和Si/C比 高鉻白口鑄鐵高鉻白口鑄鐵 高鉻白口鑄鐵的含鉻量在12%28%之間，其共晶組織由M7C3型碳化物和奧氏體或其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物所組成Cr15Cr20Cr25組織M+ (Cr, Fe)7C3+ (Fe,Cr)3CM+ (Cr, Fe)7C3+ 少量(Fe,Cr)3CM+少量奧氏體+ (Cr, Fe)7C3+ (Cr, Fe)23C6性能硬度(HRC)586

11、46105662沖擊韌度(J/cm3)610 高鉻鑄鐵鑄造工藝高鉻鑄鐵鑄造工藝：高鉻鑄鐵脆性大，不宜氣割去除冒口；防止鑄件收縮受阻，以免造成開(kāi)裂；澆注溫度不要太高，以避免收縮過(guò)大和粘砂高鉻白口鑄鐵的力學(xué)性能當(dāng)含鉻量不變時(shí)，隨著含碳量的增加，硬度增加，而斷裂韌性降低，強(qiáng)度性能降低。第四節(jié)第四節(jié) 耐熱鑄鐵耐熱鑄鐵 定義：定義：在高溫條件下具有一定的抗氧化和抗生長(zhǎng)性能，并能承受一定載荷的鑄鐵。 耐熱鑄鐵根據(jù)加入合金元素不同可分為三類三類：含硅耐熱鑄鐵，含鋁耐熱鑄鐵和含鉻耐熱鑄鐵。 鑄鐵的耐熱溫度：鑄鐵的耐熱溫度：鑄鐵在某一溫度下經(jīng)150h加熱后的生長(zhǎng)小于0.2%，平均氧化速度小于0.5g/(m2h)

12、的溫度 耐熱鑄鐵可按其抗氧化和抗生長(zhǎng)性進(jìn)行分級(jí)分級(jí)，如下表所示：（1）鑄鐵在高溫下的氧化）鑄鐵在高溫下的氧化 Fe在高溫下與氧作用會(huì)形成三種不同的產(chǎn)物，即FeO、Fe3O4和Fe2O3，不同溫度范圍內(nèi)氧化產(chǎn)物不同，在低于570時(shí)，氧化產(chǎn)物為Fe3O4和Fe2O3；高于570時(shí)為FeO、Fe3O4和Fe2O3鐵在高溫氧化過(guò)程的三個(gè)步驟 影響鑄鐵氧化的因素氧化膜性質(zhì)的影響 氧化膜的完整性可用畢林-彼得沃爾斯原理表述。氧化過(guò)程中形成的金屬氧化膜是否具有保護(hù)性，其必要條件是，氧化時(shí)所生產(chǎn)的金屬氧化膜體積(VMO2)比生成這些氧化膜所消耗的金屬體積(VM)要大，稱PB比，用表示，即只有當(dāng)1時(shí)，金屬氧化膜

13、具有保護(hù)性的必要條件，當(dāng)1時(shí)，金屬氧化膜具有保護(hù)性的必要條件，當(dāng)1時(shí)，金屬氧化膜具有保護(hù)性的必要條件，當(dāng)1時(shí),所生成的氧化膜疏松、多孔，不可能完全覆蓋整個(gè)金屬表面。 由于金屬氧化膜存在晶格缺陷和雜質(zhì)，因而氧化膜內(nèi)都不同程度地存在著離子擴(kuò)散，使氧化膜具有一定的導(dǎo)電性。一般用氧化膜的導(dǎo)電率作為判斷氧化膜晶格缺陷的一個(gè)指標(biāo)，導(dǎo)電率越大，晶格缺陷越多，離子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)就越劇烈，氧化也越嚴(yán)重，氧化膜保護(hù)性就越差。某些金屬氧化物在1000時(shí)的電導(dǎo)率合金元素的影響 合金元素選擇原則： 合金元素氧化物PB比大于1，且具有低的導(dǎo)電率 合金元素對(duì)氧的親和力大于鐵，即具有先于主金屬氧化或能還原主金屬氧化物的條件 合金元

14、素的氧化物與主金屬鐵的氧化物互不溶解，即合金元素的氧化物能單獨(dú)存在 防止最有效的氧化的元素：Al、Si、Gr基體及石墨特征的影響 石墨越粗大、越連續(xù)、數(shù)量越多，氧化氣氛沿石墨侵入金屬基體內(nèi)部就越嚴(yán)重，氧化過(guò)程更加迅速。 球狀石墨比片狀石墨抗氧化性好，蠕蟲(chóng)狀石墨抗氧化性介于球狀石墨和片狀石墨中間。（2）鑄鐵在高溫下的生長(zhǎng)）鑄鐵在高溫下的生長(zhǎng)低于相變( )溫度時(shí)的生長(zhǎng) 低溫生長(zhǎng)發(fā)生在400600范圍內(nèi)，生長(zhǎng)機(jī)理是珠光體分解為鐵素體和石墨。鑄鐵的低溫生長(zhǎng)與珠光體的分解密切相關(guān)，溫度越高，越接近相變溫度，鑄鐵的生長(zhǎng)量越大；珠光體穩(wěn)定性越差，珠光體分解量越多，鑄鐵的生長(zhǎng)量越大。防止鑄鐵低溫生長(zhǎng)措施： 使

15、鑄鐵在使用溫度下全部為鐵素體基體，可采用提高硅含量使鑄鐵得到完全鐵素體基體，或采用低溫石墨化退火處理來(lái)獲得全部鐵素體基體； 加入增加珠光體穩(wěn)定性的合金元素或降低硅含量，阻止受熱時(shí)珠光體的分解，可加入鉻，錫等元素。 在相變溫度范圍時(shí)的生長(zhǎng) 防止鑄鐵在相變溫度范圍內(nèi)災(zāi)難性生長(zhǎng)措施：防止鑄鐵在相變溫度范圍內(nèi)災(zāi)難性生長(zhǎng)措施：提高鑄鐵相變溫度，使零件的工作點(diǎn)溫度低于鑄鐵的相變溫度；在允許條件下，調(diào)整工作溫度，使鑄鐵在工作溫度范圍處于單相組織狀態(tài)，可以加入鋁、硅、鉻等合金元素以提高相變點(diǎn)溫度并使其成為單相組織。 高于相變溫度時(shí)的生長(zhǎng)（3）常用的耐熱鑄鐵）常用的耐熱鑄鐵 中硅耐熱鑄鐵 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：不

16、受沖擊和溫度低于800950 的鍋爐爐柵、橫梁、換熱器、節(jié)氣閥等零件上。 成分選擇：成分選擇：5%6%的硅，2.2%2.6%的碳，過(guò)高的碳量將產(chǎn)生過(guò)多的初生石墨，使力學(xué)性能降低，同時(shí)可導(dǎo)致抗氧化性能的下降，并易造成石墨漂浮等鑄造缺陷。含鋁耐熱鑄鐵 鋁在高溫下形成致密的Al2O3層下氧化膜，含鋁5%以上的鑄鐵基體組織為單一鐵素體組織，消除了珠光體分解所造成的體積生長(zhǎng)，抗生長(zhǎng)性好，此外鋁提高相變溫度，每增加1%的含鋁量可使A1點(diǎn)升高50 含鉻耐熱鑄鐵 鉻在鑄鐵表面形成良好的Cr2O3保護(hù)膜。 低鉻鑄鐵組織：片狀石墨+珠光體基體 高鉻鑄鐵組織：奧氏體+M7C3型碳化物第五章 鑄鐵的熔煉 鑄鐵的熔煉設(shè)備（1）