特殊性能铸铁

5特殊性能铸铁5.1耐磨铸铁耐磨铸铁分为减摩铸铁和抗磨铸铁。前者在有润滑、受粘着条件下工作，例如机床导轨、发动机缸套、活塞环、轴承等；后者在干摩擦的磨料磨损条件下工作，例如轧辊、磨球等。5.1.1减摩铸铁减摩铸铁通常是在软基体上嵌有坚硬的强化相。控制铸铁的化学成分和冷却速度获得细片状珠光体基本上能满足这种要求。铸件的耐磨性随珠光体数量的增加而提高，细片状珠光体耐磨性比粗片状好；粒状珠光体的耐磨性不如片状珠光体。故减摩铸铁希望得到片状珠光体。托氏体和马氏体基体铸铁耐磨性更好。球墨铸铁耐磨性比片状石墨铸铁好，但球墨铸铁吸振性差，铸造性能不如灰铸铁。因此，减摩铸铁常用灰铸铁。在灰铸铁的基础上，加入适量的Cu，Mo，Mn等元素，可以强化基体增加珠光体含量，有利于提高耐磨性；加入少量P形成磷共晶，加入V，Ti等碳化物形成元素形成稳定的，高硬度C，N化物质点，起支撑骨架作用，能显著提高耐磨性。在灰铸铁基础上加入质量分数0.4%-0.7%的P形成高磷铸铁，由于高硬度的磷共晶细小而断续的分布，提高提高铸铁的耐磨性。用高磷铸铁作机床床身，其耐磨性比孕育铸铁HT250提高一倍。在高磷铸铁的基础上加入质量分数0.6%-0.8%的Cu和0.1%-0.5%的Ti，形成磷铜钛铸铁。Cu在铸铁凝固时能促进石墨化并使石墨均匀分布，在共析转变时促进珠光体形成并使之细化。少量Ti使石墨细化，并形成高硬度TiC。因此磷铜钛铸铁耐磨性超过高磷铸铁和镍铬铸铁，是用于精密机床的一种重要结构材料。利用我国钒钛资源加入一定量稀土硅铁，处理得到高强度稀土钒钛铸铁，其中v =0.18%-0.35%，Ti=0.05%-0.15%。钒钛是强碳化合物形成元素，能形成高硬度强化相质点，并能显著细化片状石墨和珠光体基体。其耐磨性高于磷铜钛铸铁，比孕育铸铁HT300高约2倍。近年来迅速发展了廉价的硼耐磨铸铁，其中B=0.02%-0.2%，形成珠光体基体加石墨加硼化物的铸铁组织。若铸铁中含少量磷，则可形成磷共晶、硼化物硬质点，珠光体是软基体，因此具有有亮的耐磨性。用来制造柴油机缸套，其寿命比高磷铸铁提高50%。5.1.2抗磨铸铁抗磨铸铁是在干摩擦和磨粒磨损条件下工作。这类铸铁不仅受到严重的磨损，而且承受很大的负荷。获得高而均匀的硬度是提高这类铸铁件耐磨性的关键。白口铸铁是一种很好的耐磨铸铁，普通白口铸铁加入Cr，Mo，Cu，V，B等元素，形成珠光体合金白口铸铁，局有高硬度和耐磨性，又具有一定韧性。加入Cr，Ni，B等提高淬透性的元素可以形成马氏体合金白口铸铁，获得更高的硬度和耐磨性。将铁液注入放有冷铁的金属型，形成激冷铸铁，可以获得更高的硬度和耐磨性，铸件表层因冷速快得到一定深度的白口层而获得高硬度和高耐磨性，而心部为灰口铸铁，具有一定韧性。加入合金元素Cr，Ni，Mo，可进一步提高其表面耐磨性和心部强度。广泛用来做轧辊和车轮等耐磨件。Mn=5.0%-9.0%、Si=3.3%-5.0%的中锰合金球墨铸铁耐磨性很好，并具有一定韧性。这种铸铁的组织为马氏体碳化物加球状石墨（C=5%-7%）或为奥氏体加球状石墨（C =7%-9%），适于制造在冲击载荷和磨损条件下工作的零件，如球磨机的磨球，拖拉机履带等。可以用来代替部分高锰铸钢和锻钢。具有良好的抗磨料磨损性能的白口铸铁，称为抗磨白口铸铁。抗磨白口铸铁可分为：普通抗磨白口铸铁、合金抗磨白口铸铁。普通白口铸铁的成分特点是高碳低硅、共晶或过共晶，组织为珠光体+渗碳体，硬度高、抗磨，但由于其脆性大，一般不能承受冲击载荷，因而不用在泵零件上。合金抗磨白口铸铁其金相组织为强韧的金属基体支撑着高硬度的碳化物，因而提高了抗磨性。由于材料具有良好的耐磨性，因而在液固两相流渣浆泵中具有广泛的应用。标准型抗磨白口铸铁主要包括以镍铬为主要合金元素的抗磨白口铸铁和以铬为主要合金元素的抗磨白口铸铁。根据GB/T8263-1999抗磨白口铸铁件标准规定，把标准合金白口铸铁分为9个牌号，其化学成分和硬度分别见表5-1、表5-2所示。表5-1 抗磨白口铸铁的化学成分（GB/T8263-1999）牌号化学成分（未标示者为允许范围最大值）%CSiMnCrMoNiCuSPKmTBNi4Cr2-DT2.4-3.00.82.01.5-3.01.03.3-5.00.150.5KmTBNi4Cr2-GT3.0-3.62.02.01.5-3.01.03.3-5.00.150.15KmTBCr9Ni52.5-3.61.22.07.0-11.01.04.5-7.00.150.15KmTBCr22.1-3.61.5-2.22.01.5-3.01.01.01.20.100.15KmTBCr82.1-3.21.52.07.0-11.01.51.01.20.060.10KmTBCr122.0-3.31.22.011.0-14.03.02.51.20.060.10KmTBCr15Mo2.0-3.31.22.014.0-18.03.02.51.20.060.10KmTBCr20Mo2.0-3.31.22.018.0-23.03.02.51.20.060.10KmTBCr262.0-3.31.22.023.0-30.03.02.52.00.060.10表2 抗磨白口铸铁的硬度（GB/T8263-1999）牌号铸态或铸态并去应力处理硬化或硬化态并去应力处理软化退火态HRCHBHRCHBHRCHBKmTBNi4Cr2-DT5355056600KmTBNi4Cr2-GT5355056600KmTBCr9Ni55045056600KmTBCr2464505660041400KmTBCr8464505660041400KmTBCr12464505660041400KmTBCr15Mo464505865041400KmTBCr20Mo464505865041400KmTBCr26464505660041400抗磨白口铸铁金相组织如表5-3所示。表5-3抗磨白口铸铁的金相组织和使用特性（GB/T8263-1999）牌号金相组织使用特性铸态或铸态并去应力处理硬化或硬化态并去应力处理KmTBNi4Cr2-DT共晶碳化物M3C+马氏体+贝氏体+奥氏体共晶碳化物M3C+马氏体+贝氏体+残余奥氏体可用于中等冲击载荷的磨料磨损KmTBNi4Cr2-GT可用于较小冲击载荷的磨料磨损KmTBCr9Ni5共晶碳化物（M7C3+少量M3C）+马氏体+奥氏体共晶碳化物（M7C3+少量M3C）+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体有很好的淬透性，可用于中等冲击载荷的磨料磨损KmTBCr2共晶碳化物M3C+珠光体共晶碳化物M3C+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体可用于较小冲击载荷的磨料磨损KmTBCr8共晶碳化物（M7C3+少量M3C）+细珠光体共晶碳化物（M7C3+少量M3C）+二次碳化物+贝氏体+马氏体+奥氏体有一定的耐蚀性，可用于中等冲击载荷的磨料磨损KmTBCr12共晶碳化物M7C3+奥氏体及其转变产物共晶碳化物M7C3 +二次碳化物+马氏体+残余奥氏体可用于中等冲击载荷的磨料磨损KmTBCr15Mo共晶碳化物M7C3+奥氏体及其转变产物共晶碳化物M7C3 +二次碳化物+马氏体+残余奥氏体可用于中等冲击载荷的磨料磨损KmTBCr20Mo共晶碳化物M7C3+奥氏体及其转变产物共晶碳化物M7C3 +二次碳化物+马氏体+残余奥氏体有很好的淬透性，有较好的耐蚀性。可用于较大冲 击载荷的磨料磨损KmTBCr26共晶碳化物M7C3+奥氏体共晶碳化物M7C3 +二次碳化物+马氏体+残余奥氏体有很好的淬透性，有良好的耐蚀性。可用于较大冲击载荷的磨料磨损高铬抗磨白口铸铁分为4 种：铬含量分别在11-14%、14-18%、18-23%、23-30%，其特性见表5-4。表5-4 高铬抗磨白口铸铁铬含量%硬度HRC冲击韧度J/cm3应用11-14483渣浆泵过流件14-1858318-23583腐蚀磨损渣浆泵过流件23-30463.5抗磨白口铸铁铸造性能：合金元素含量高，导热性差，流动性差，线收缩大，普通白口铸铁线收缩一般为1.32.0 %，合金白口铸铁的线收缩为1.72.2 %，受阻收缩约1.5 %。体收缩大，约7.59%，易缩松、缩孔。铸造应力大，热裂、冷裂倾向大。白口铸铁的铸造工艺要把铸钢和铸铁的特点结合起来。必须充分注意铸件的补缩，其原则与铸钢相同（采用冒口和冷铁，遵循顺序凝固）。冒口大小计算按碳钢规定，而浇注系统则按灰铸铁计算，但须把各断面积增加2030%。白口铸铁的冒口不易切除，不能气割，考虑侧冒口和易割冒口。5.2耐热铸铁加热炉炉地板、换热器、坩埚、废气管道以及压铸型等在高温下工作的铸件要求选用耐热性高的合金耐热铸铁。铸铁的耐热性是指在高温下抵抗氧化和生长的能力。生长是铸铁在反复加热冷却时基体组织变化引起的体积变化。加入Cr，Al，Si等元素可在铸铁表面形成Cr2O3,Al2O3,SiO2等稳定性高致密性好的氧化膜，具有良好的保护作用。Cr，Al，Si等元素能提高相变温度，促使铸件得到单相铁素体基体。加入Ni，Mn，Cu时，能降低相变温度，有利于单相奥氏体基体，从而使铸件高温时不发生相变。加入Cr，V，Mn，Cu时能碳使化物稳定，在高温下不发生分解，以免发生石墨化过程。耐热铸铁分为硅系，铝系，铝硅系及铬系铸铁。牌号为RTSi5的中硅耐热铸铁，Si=4.5%-5.5%，高温下能形成SiO2保护膜，同时获得单相铁素体基体，其上分布细片状石墨。Si还使铸铁的相变温度（Ac1点）提高到900以上，故在850以下不发生转变，因此中硅耐热钢具有良好的耐热性，工作温度在700以下。这种耐热钢铸铁含硅量高，故硬度大，脆性大。适宜制造载荷较小，不收冲击的零件，如锅炉炉栅，横梁，换热器，节气阀等。采用RQTSi5中的硅球墨铸铁可进一步提高中硅铸铁的耐磨性。这种铸铁组织为铁素体加球状石墨（珠光体体积分数不大于10%），由于石墨呈球状，不仅改善力学性能，铸铁的耐热性也明显提高，工作温度可提高到900。铸铁中加入Al（Al=20%-24%），形成高铝耐热铸铁（RQTAl22），在高温下表面可形成Al2O3保护膜，能得到单相铁素体基体。因此具有很高的耐热性，能在950温度以下长期使用。用于制造加热炉炉底板，炉条等零件。同样，采用高铝球墨铸铁可以改善高铝耐热铸铁脆性大的缺点，并使耐热温度提高1000到1100，用于制造炉管，热交换器，坩埚等。含铬耐热铸铁也具有很好的耐热性，含铬量越高，铸铁耐热磨性越好。例如低铬铸铁（RTCr和RTCr2）适用于600以下温度工作。高铬铸铁（RTCr16）使用温度高达900，但价格较高，应用较少。5.3耐蚀铸铁在电解质溶液中，石墨的电极电位最高，渗碳体次之，铁素体最低。石墨和渗碳体是阴极，铁素体是阳极，组成微电池。因此铁素体将不断被溶解，产生严重的电化学腐蚀。耐蚀合金中加入Si、Al、Cr、Mo、Ni、Cu等合金元素可在铸件表层形成牢固致密的保护膜（Si，Al，Cr），能提高铸铁基体的电极电位（Cr，Si，Mo，Cu，Ni等），还可以是铸铁得到单相铁素体或奥氏体基体（Cr，Si，Ni），从而显著提高铸铁耐蚀性。常用耐蚀铸铁有高硅，高铝，高硅钼等耐蚀铸铁。5.3.1高硅耐蚀铸铁高硅耐蚀铸铁组织由硅铁素体，细小石墨和硅化铁（Fe3Si，FeSi）组成。主要有高硅铸铁和稀土高硅铸铁。高硅铸铁硬度高，强度韧性差，加工性能差。此外，流动性好，但吸气性，线收缩和内应力较大，铸造容易开裂。稀土高硅铸铁由于加入稀土合金处理，去气效果好，铸件致密度增加。稀土细化晶粒，提高了铸铁强韧性。适当降低Si至10%-12%，添加1.8%-2.0%的Cu，0.4%-0.6%的Cr，形成稀土中硅合金，虽然耐蚀性稍有下降，但力学性能显著提高，广泛应用于耐酸泵，管道，阀门等零件。高硅耐蚀铸铁是以硅为主要合金元素而获得的Fe-Si-C合金，含硅量一般在14.518 %或者更高。5.3.1.1牌号及化学成分GB/T84911987高硅耐蚀铸铁件规定了高硅耐蚀铸铁件的牌号和化学成分，见表5-5，化学成分的验收依据，加入铬、钼、铜等合金元素可改善综合性能。表5-5 高硅耐蚀铸铁的化学成分（GB/T84911987）牌号化学成分%CSiMnPSCrMoCuRE残留量STSi11Cu2CrR1.2010.00-12.000.500.100.100.61.8-2.20.10STSi15 R1.0014.25-15.75STSi15 Mo3R0.9014.25-15.753.0-4.0STSi15 Cr4R1.4014.25-15.754.0-5.0STSi17R0.8016.00-18.005.3.1.2力学性能高硅铸铁硬而脆，力学性能差。具体数据见表5-6.5-6 高硅铸铁的力学性能（GB/T84911987）牌号最小bb（MPa）最小f / mm最大硬度HRCSTSi11Cu2CrR1900.8042STSi15 R1400.6648STSi15 Mo3R1300.6648STSi15 Cr4R1300.6648STSi17R1300.66485.3.1.3 物理性能高硅铸铁物理性能见表5-7。表5-7 高硅铸铁物理性能密度g/cm3熔点传热系数W/（m2K）电阻率m线收缩率%磁性6.912205.23350.631.62.5有磁性5.3.1.4金相组织结构含硅15 %以下时为单相固溶体，含硅15 %以上时则出现相、相和相。5.3.1.5 铸造性能可采用电炉熔炼，也可采用双联法熔炼。由于高硅铸铁脆性大，收缩大，易开裂，且含气量高，故铸造工艺上易采用退让性好、水分低、透气性好的型砂，浇注系统应使铁水平稳、快速充型。严格控制含气量，叶轮型砂应采用树脂砂，要考虑设置必要的补缩冒口。5.3.1.6 化学性能普通高硅铸铁对硫酸、硝酸耐蚀，但对盐酸及含氯离子的盐溶液不耐蚀，对氢氟酸、氟化物、卤素、碱、亚硫酸等也不耐蚀，对各种温度和浓度的磷酸耐蚀，对各种浓度的硝酸磷酸混酸耐蚀，但对发烟硫酸不耐蚀。加钼高硅铸铁对盐酸及含氯离子的盐溶液耐蚀，对氢氟酸、氟化物、卤素、碱、亚硫酸等也耐蚀。5.3.2高镍耐蚀铸铁高镍耐蚀铸铁含镍为13.5-36 %，基体为奥氏体铸铁。按石墨形态分为高镍奥氏体灰铸铁和高镍奥氏体球墨铸铁。高镍耐蚀铸铁对硫酸、稀盐酸、有机酸、碱溶液、海水、盐卤、盐溶液、海洋大气、硫化氢等腐蚀性介质具有优良的耐蚀性。5.3.2.1 金相组织结构镍奥氏体铸铁的金相组织是：单一奥氏体基体+石墨+少量碳化物。5.3.2.2 高镍奥氏体铸铁的铸造性能熔炼设备多采用电炉熔炼，炉衬类型不限，也可采用冲天炉熔炼，但出铁温度不应低于1450。高镍奥氏体灰铸铁一般用硅铁孕育处理，高镍奥氏体球墨铸铁一般采用稀土镁进行球化处理。浇注温度一般为13801460， 浇注速度一律需快浇。镍奥氏体铸铁线收缩率远大于铸铁，接近于铸钢。镍奥氏体灰铸铁的线收缩率一般取1.4 1.8 %，镍奥氏体球墨铸铁一般取1.6 %2.2 %。5.3.2.3高镍奥氏体铸铁的耐蚀性高镍奥氏体铸铁在中等氧化性酸、碱、盐、海水以及食品、塑料和人造纤维加工等领域得到广泛应用。高镍奥氏体铸铁在碱中使用要比在酸中使用更能体现其优越性，主要耐高温、高浓度的碱液和熔融碱。高镍铸铁对海洋大气、海水、和中性盐类水溶液很耐蚀。其抗缝隙腐蚀能力和抗孔蚀能力比不锈钢好，被广泛用于海水泵、阀和管道中。高镍奥氏体铸铁除具有优良的耐腐蚀性能外，还具有优良的耐磨性、耐冲蚀性和耐热性，主要用于制盐工业中输送盐浆的泵、阀和管道，以抵抗高温盐水强烈的腐蚀和固体颗粒的冲刷。高镍奥氏体铸铁在制盐工业中应用效果良好。5.3.2.4 高镍奥氏体铸铁的选用：高镍耐蚀铸铁，如果变化镍含量，并附加少量铬、铜、钼、铌等合金元素，可适应不同腐蚀介质和使用条件的选用，在烧碱、盐卤、海水、海洋大气、还原性无机酸、脂化、发电、化工、石油、食品、造纸、污水处理、船舶等工业部门，并常选用于制造耐碱泵、输送含固体颗粒的腐蚀溶液用泵等过流部件。在海水和污水方面选用：高镍耐蚀铸铁的耐蚀性显著优于普通铸铁、铸钢及常用不锈钢，与铜合金相当，抗抗缝隙腐蚀和孔蚀能力比不锈钢好，因此常选用制造海水泵，在含泥沙的海水和含固体盐颗粒的盐水中