耐热铸铁技术的选择与发展

耐热铸铁技术的选择与发展

0u3000eb60-65耐热铸铁件的修订耐热铸铁是行业中广泛使用的专用铸铁。1961年我国的《GO106-61耐热铸铁件技术条件》首先对耐热铸铁提出了技术要求。1965年,以《ГОСТ7769-55》和《GO106-61》为基础制定了一机部标准《JB640-65耐热铸铁件分类及技术条件》。1980年机械部下达修订《JB640-65》的任务,确定以《ГОСТ7769-75》并结合我国实际情况,修订为《GB9437-88耐热铸铁件》国家标准,1999年修订为《GB/T9437-1999耐热铸铁件》国家标准,使用范围推广到机械、冶金、石油、化工和轻工等部门。下面探讨目前国内耐热铸铁的生产、特性、选择和使用方法,以及存在的问题及发展趋势。1按预热温度选择铸造工艺耐热铸铁的特征参数很多,如:抗生长、抗氧化、抗热冲击、抗高温……,设计者选择时往往不知所措。正确的方法是,首先按耐热温度选择(如表1),然后再考虑室温和高温承载能力,最后才是制造方便、铸造性能好、成本低、资源丰富……。耐热铸铁的实际工况很恶劣,而且各工况又不尽相同,所以实际上耐热铸铁的耐热温度根据工况不同而有分散性,选择时要选温差范围小的(如图1)。2高温机械性能考虑耐热铸铁的质量,以中频炉生产最佳(如表2)。验收时,考虑试样加工的困难。可以按表3的顺序验收。耐热铸铁的化学成分是检验指标,其中合金元素是必检项目,其它元素作配料参考。耐热铸铁的室温机械性能除RQTA14Si4、RQTA15Si5、RTCr16和RQTA122之外,是必检项目,此4种材料硬度很高,加工困难,应与需方协商解决。耐热铸铁的高温性能,一般不做,大量定货,可不定期检测。耐热铸铁的金相组织,主要考核球化率,其它组织不是必检项目,RTSi5要控制珠光体含量。3中国的抗热铁设备3.1耐热硅铁rtsi5、rtsi4、rtsi5和rtsi4mo1u2004铸造性能随cr此种材料是历史最悠久的一种片状石墨中硅铸铁,随含硅量的增加室温机械性能下降,含Si>6.5%时急剧下降。但碳、硅总量是个恒值,如果Si高,则C就会排出,这一点要特别注意。RTSi5中加入0.5%～1.0%Cr时,将使铸铁石墨细化和基体致密,改善耐热性能,对铸铁有利,同时也可提高铸铁强度70%～80%,而铸造性能几乎不变。当含Cr>1.0%时,强烈恶化铸造性能。当加入1.5%Cr时,铸铁的耐热性有些改善,当加入2.0%～2.5%Cr时,增加薄壁件形成裂纹的倾向,当加入5%以上的Cr时,铸铁具有碳化物相,最强烈的改善耐热性,当加入17%Cr时,铸铁的耐热性几乎提高10～15倍,加Cr以后,虽然总的趋势是提高了室温和高温强度,但铸铁却变得脆和硬(加入5%Cr时,HB=315;加入17%Cr时,HB=555),不能机械加工。加Ni和Cu的影响,与加Cr相同,加入量不大时(0.5%～2.5%),具有很好的耐热性,且明显改善加工性能。加入3%以下Mn时,本质上不影响铸铁的耐热性,但提高强度性能,硬度增加到HB=285～300,基本上不影响机械加工性能,当加入4.5%～6.0%Mn时,可提高一些耐热性,但开始出现马氏体,使机加困难,并恶化铸造性能。加2%～4%Al,流动性提高,加入>4%Al时,铸件易生成石墨泡疏松,降低球铁的机械性能。2硅球铁金相组织与性能的关系RQTSi4和RQTSi5的强度和塑性都比RTSi5大,室温强度是RTSi5的2.6～4.6倍;700～800℃的高温强度是RTSi5铸铁的1.6～1.8倍。球墨的存在,能充分利用基体的塑性,800℃中RQTSi4的δ5≥7%,RTSi5的δ5却为2.3%。中硅球铁化学成分和机械性能的关系,如下:RQTSi4(83炉次):σb=39.44-3.74C+6.86Si+0.21Mn-56.18S+21.05Xt+74.36MgRQTSi5(114炉次):σb=127.04-2.71C-9.12Si-26.86Mn-147.57Xt+174.93Mg中硅球铁金相组织与性能的关系,如下:RQTSi4(75块试样):当珠光体为0时,球化率:Ds为89%～55%,室温σb为63～50(N/mm2);球化率:Ds为78%～55%,氧化速度为0.6537～0.7076(g/m2h);球化率:Ds为78%～55%,高温σb为58～60(N/mm2);球化率:Ds为78%～55%,生长率为0.037%～0.071%由此可知Ds对室温σb影响较大,对抗生长和抗氧化略有影响;对高温σb没有影响,只要球化率不是太低,对高温性能的影响不显著。当球化率Ds为66%时:珠光体含量为5%～55%时,氧化速度为0.7348～0.7328g/m2h珠光体含量为5%～55%时,生长率为0.091%～0.217%珠光体含量为5%～55%时,高温σb为63～56N/mm2由此可知珠光含量,只对生长率有较大影响,对氧化速度和高温σb几乎没影响。中硅球体的珠光体含量与Si、Mn关系(如下表4)。3用其他材料制作的热炉炉排放系统具有比RQTSi4和RQTSi5高的室温和高温强度,高的热疲劳性能。加Mo<0.2%时,作用不明显;加Mo>1%时,提高持久及蠕变强度较缓,过高的Mo使铸铁出现碳化物;加0.3%～0.7%Mo,细化晶粒,增加石墨球数和强化铁素体,提高室温及高温σb。鞍钢机修总厂做了大量系统的研究。戚墅堰机车车辆工艺研究所,用它做增压器涡轮壳体材料。太原重型机械集团公司,用它做步进式热处理炉定位板,使用寿命是RuT300定位板的2.4～3.0倍,含Si量提高到4.9%～5.3%,稍加≤0.15%Cr。湖南大学,用它做链条炉炉排代替KT350-10,具有良好的高低温性能,含Si量提高到5.4%～5.8%,并加入0.7%～0.9%Mo、0.3%～0.5%Cu。华中科技大学,用它做排气管,并加入0.7%～1.0%Mo、≤0.60%Ni、≤0.22%Ti,制成中硅钼蠕铁。3.2铬系抗热铸铁rtcg、rtcg2、rtcg16和高铬铸铁1rtcr2的强度RTCr和RTCr2是在普通的灰铸铁中加入些Si、Cr而熔制的耐热铸铁。室温时RTCr和RTCr2的强度差不变,甚至RTCr2的强度还要低于RTCr,这是因为Si高的原因;可是当>500℃时,由于RTCr2中Si、Cr含量高些,所以强度就高于RTCr了。RTCr3也属于低铬耐热铸铁,由于含Cr更高(2.01%～3.00%),其抗拉强度与RTCr、RTCr2相当,硬度高(HB=228～364),不但耐热还抗磨,但加工性能差。2抗磨和高温条件下的铸件铬系耐热铸铁的耐热性,随着含Cr量的增加而提高,同时在含碳量提高到2.5%～3.5%时,对耐热性具有有利的影响,特别时在抗磨和高温条件下工作的铸铁。RTCr16是国际耐热铸铁中唯一的只能在电炉熔炼的材料,将它作为耐热材料,但更用于高温下的抗磨材料,并具有抗高浓度无机酸腐蚀的能力,所以它的耐热温度分散范围小,特别具有抗温度骤变的能力,在使用中不易产生热应力裂纹。3碳化学成分及高温哈尔滨锅炉厂有限责任公司在山东黄台、深圳妈湾、吉林双辽和内蒙古元宝山等大型电站锅炉上采用RTCr25,寿命达6年,又抗磨又耐热,高温强度如表5。北京冶金设备研究院等研制的高铬合金篦条,在宝钢、首钢和宣钢等的烧结机篦条上采用,寿命为3年,化学成分如表6。铬系耐热铸铁,提高含碳量有利于在抗磨条件下的耐热性;提高含硅量会增加抗氧化能力,但却降低了高温强度,降低了热稳定性,所以含Si量一般不超过4%。3.3铝系抗热铸铁qta14si5、qta15si5、qta122铝系耐热铸铁,随含Al量的增加,耐热性也不断增加,但使用范围不大,这是因为没有满意的加工性能,具有最低的机械性能和很大的脆性。1铝硅的球化及对环境的影响它们耐热性良好,兼有中硅球铁和高铬球铁的一些特点RQTA14Si4适于在900℃,RQTA15Si5适于在1050℃下轻载荷的耐热件。硅对室温机械性能及组织的影响:随着含硅量的增加,σb下降;当Si>5%时,下降明显加快。铝含量在5%左右,硅在6%时球化效果最好,硅在5%时球化较好,硅<5%时球化率很难达到一级。当Si<4%,Al=4%～5%时,均出现少量的珠光体;Si=3.5%时,珠光体数量不超过20%。铝对室温机械性能及组织的影响:当含硅量一定时,随着含铝量的增加,σb下降,ak下降,HB增加;但σb下降的幅度是随含硅量的提高而减少,这说明Si的影响比Al大;当Al>5%～6%时,σb下降幅度大些;Al为6%、Si为5%时,σb≤200(N/mm2)。由于Al-Si球铁延伸率较低,所以Al对延伸率的影响不明显。当Si≤3.0%时,随着含铝量的增加,球化率下降。若Al>6%时,会出现大量碳化物。当Si>3.5%时,石墨球化明显改善,约含有5%～15%的珠光体,抑制铝形成碳化物。铝硅总量对室温机械性能及组织的影响:随着铝硅总量的提高,σb下降,当铝硅总量>10%时,σb明显下降。相同的铝硅总量,随着含硅量的提高,σb下降。由于硅对σb的下降影响比铝强,所以应尽量选择硅低于铝的成分,但铝含量也不能很高,否则会出现大量的珠光体和碳化物。2添加总稀土al当含19～25%Al时,铸铁处于Al-Fe-C系组织图的第二个石墨化区,具有最优良的抗氧化能力,耐热温度达1100℃,有较高的室温及高温强度,但抗温度骤变性差,高温冲击值低。碳高有利于石墨球化,所以C≥1.6%;但过高的含碳量会产生石墨飘浮;硅过高引起脆性,硅不能大于2%。铝是影响铸铁性能的主要元素,在加稀土时,当Al<21%,会出现ε相(Fe3AICx),若20%Al,ε相最小。当Al>24%,会出现Al4C3,为针状,恶化韧性。稀土过量,会出现大量的ε相及Al4C3相,加入量为0.3%。3.4多元合金抗热塑铁1%3.4%16%16%16.4%5个月的炉排5个月的8C2.5%～3.0%、Si1.3%～2.0%、Mn≤0.5%、P≤0.06%、S≤0.03%、Al12%～16%、Cr4%～6%、Mo0.2%～0.4%、Xt0.02%～0.04%、Mg0.03%～0.05%,此材料作炉排,在1000℃其寿命是中硅球铁(寿命4～5个月)炉排的8倍。2%2.5%、mn0.7%、p0.7.4.7%、s0.4.0.3%.C≤2.4%、Si7.5%～8.5%、Cr2.0%～2.5%、Mn≤0.7%、P≤0.040%、S≤0.030%。在1040℃恒温和25℃↔1150℃周期性的环境下长期工作,寿命为5个月,成本很低,用冲天炉可以生产。3高温高温铁其成分为:Cr4%～5%、Al5%～7%,高温性能好,可满足1000℃高温氧化气氛的使用要求,与中硅球铁和高铝球铁相比,使用寿命显著提高。4i-cr4-cr从ak值的变化1.68%～8.88%对Al-Si-Cr铸铁ak值的影响,随着含Al量的增加,ak值下降,ak由5.3(J/cm2)至2.1(J/cm2)。3.5其他合金元素对实际球铁性能的影响高镍奥氏体铸铁,由于良好的抗热冲击,高温强度和抗蠕变强度,以及良好的耐热性等,愈来愈引起国内的重视。又由于它有室温及高温下良好的冲击韧性,能防止脆断,用它来代替硅系、硅铝系和铬系耐热铸铁是大有可为的。四川联合大学作了合金元素对奥氏体球铁高温性能的影响研究,指出:Mo提高热强性能显著,在0%～3%的范围内,每增加1%Mo,σb提高近10(N/mm2),同时σ大大下降;Mo增强氧化皮的附着力而不易剥落,提高抗氧化性;当Mo>2%时,使晶粒和碳化物急剧粗化,抗氧化形变差。Cr也提高热强性,在0%～3%范围内,每增加1%Cr,σb提高5(N/mm2),也使σ下降,1%Cr对抗蠕变性能有利。Si也是提高氧化性的主要元素,Si的作用比Cr大。稀土对奥氏体球铁的影响很大,混合轻稀土或铈对球化的干扰很大,即使含量相当低,也会出现大量的结晶状石墨,Ni-Mg合金是理想的球化剂。FeSiMg10RE7、FeSiMg7RE4都是球化效果很差的球化剂。4铸铁企业的发展现状耐热铸铁国家标准颁布以来,我国的耐热铸铁有了本质上的飞跃和发展,在研制开发、生产应用、采购验收等方面取得很大的进展。其发展趋势应体现为以下几个方面。4.1带v型槽试样目前,我国生产的10种耐热铸铁,其室温和高温冲击韧性是很低的,如表7。冲击试样:10mm×10mm×55mm的带V型槽试样。随着我国工业的发展,工业锅炉向大容量发展,特别是要求集中供热后,安装和运行中炉排片大量的脆断报废,在运行中必须停炉撤换,造成极大损失,为此用户宁肯使用高价的耐热钢炉排或进口炉排,也不使用国产的耐热铸铁炉排。所以,提高其冲击韧性是耐热铸铁的当务之急。4.2国内实际铸件镍系奥氏体铸铁,具有很好的耐热性能、冲击韧性高、抗热冲击、膨胀小的优点,而且硬度低,容易加工。工业发达国家都订有奥氏体铸铁标准,如:ASTM