第4章 特种性能铸铁

第四章特种性能铸铁 (2)
第一节耐热铸铁（高硅铸铁） (2)
一铸铁在高温下的氧化 (3)
二铸铁在高温下的生长 (4)
三中硅耐热铸铁 (5)
四中硅耐热铸铁的组织性能、铸造工艺特点及生产技术 (5)
第二节耐蚀铸铁 (6)
一提高铸铁耐腐蚀性的途径 (6)
二高镍耐腐蚀铸铁化学成分、组织性能及生产技术 (6)
第四章特种性能铸铁
特种性能铸铁一般指服役过程中能满足特殊使用性能的铸铁，主要包括减摩铸铁、抗摩铸铁、耐热铸铁和耐腐蚀铸铁。

本章主要针对新伟祥工业有限公司的铸件，讲述耐热铸铁（高硅铸铁）和耐蚀铸铁（高镍铸铁）。

第一节耐热铸铁（高硅铸铁）
在工业生产中，经常遇到金属零件或设备在高温气氛中工作。

当金属在高温下与各种气体接触时，会发生反应，在表面生成化合物固体膜。

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胀大，这种现象又称为金属在高温下的生长。

铸铁在高温条件下工作，也会发生氧化和生长。

耐热铸铁一般按加入合金元素不同而分类，基本可分为三类：含硅耐热铸铁，含铝耐热铸铁和含铬耐热铸铁。

耐热铸铁可按其抗氧化和抗生长性予以分级，如表5－1所示。

表5－1 耐热铸铁的耐热性分级
一铸铁在高温下的氧化
了解铸铁氧化过程的进行、产物、规律及其影响因素，其目的是为防止铸铁氧化提供理论依据和有效措施。

（一）氧化过程
根据Fe-O状态图，Fe在高温下与氧作用会形成三种不同的产物，即FeO、Fe3O4和Fe2O3。

在低于570℃时，FeO将分解成Fe＋Fe3O4。

因此，在不同的温度范围内就有不同的氧化产物。

低于570℃时，氧化产物为紧靠金属基体的Fe3O4上覆盖一层很薄的Fe2O3；高于570℃时，氧化产物则为紧靠金属基体的FeO，中间为较薄的Fe3O4，表面为一层最薄的Fe2O3。

铁在高温下的氧化过程可分为三个步骤：
1）氧原子在铁表面形成化学吸附。

2）Fe-O化学反应速度控制的氧化过程。

吸附在铁表面的氧与铁迅速反应，生成一层紧密的FeO膜，温度较低时，氧的供给超出化学反应所需要的氧，此时的氧化过程就受化学反应速度所控制。

随着反应过程的持续进行，FeO膜在整个表面可逐渐增厚。

但在高温时，铁的氧化速度便要受到氧的供应速度的控制。

3）受扩散速度控制的氧化过程。

FeO不断增厚到一定程度时，会隔绝氧与金属基体的直接接触，从而减缓了铁的进一步氧化，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，或氧单向通过FeO膜扩散至金属/氧化物界面与铁反应的扩散过程所控制。

（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。

1.氧化膜性质的影响
铁氧化时，当氧化膜达到一定的厚度，氧化速度就会减慢，从而对金属产生一定的保护作用，因此氧化膜的性质即氧化膜是否完整将影响铸铁是否继续氧化的重要因素。

2.合金元素的影响
加入合金元素的目的是为了阻碍主金属铁离子的扩散，防止铁的进一步氧化。

合金元素的选择应符合条件：合金元素氧化物的PB比大于1，且具有低的电导率；合金元素对氧的亲和力大于铁，即具有先于主金属氧化或能还原主金属氧化物的条件；合金元素的氧化物与主金属铁的氧化物互不溶解，即合金元素的
氧化物能单独存在。

3.铸铁组织对铸铁氧化的影响
铸铁中的石墨在高温氧化气氛下会发生燃烧。

石墨越粗大、越连续、数量越多，氧化气氛沿石墨侵入金属基体内部就越严重，氧化过程自然就更加迅速。

二铸铁在高温下的生长
前面已经指出，铸铁在高温下还会发生体积不可逆的膨胀。

铸铁的这种生长过程往往随着氧化和组织变化而进行，故铸铁的组织、化学成分、气相成分及工作温度和加热、冷却条件都会影响铸铁的生长量。

铸铁在不同的工作温度有不同的生长过程，现分别叙述并讨论主要的预防措施。

（一）低于相变温度时的生长
低温生长发生在400～600℃范围内，生长机制是珠光体分解为铁素体和石墨。

石墨的析出，是体积膨胀的过程，理论上1％的化合物碳转变成石墨，其体积要增大2.4％；而铁素体的形成则使力学性能下降。

因此，铸铁的低温生长与珠光体分解密切相关，温度越高，越接近相变温度，铸铁的生长量越大；同样，珠光体稳定性差，珠光体分解量越多，铸铁的生长量也越大。

（二）在相变温度范围时的生长
如果铸铁件在相变温度范围上下工作，并不断通过相变温度范围，使铸铁周期性的发生相变，导致相当大的灾难性生长。

其原因大致是：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，随温度的提高，溶入的石墨量越多，留下的微观空洞也越多；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的体积膨胀。

（三）高于相变温度时的生长
高于相变温度时，氧化将变得非常严重，氧化导致的铸铁不可逆体积增大将占主导地位。

因此，要防止高于相变温度时的生长，需要采用防止氧化的原则来处理。

三中硅耐热铸铁
中硅铸铁是一种应用较广泛的耐热铸铁，常用在不受冲击和温度低于800～950℃的锅炉炉栅、横梁、换热器、节气阀等零件上。

中硅铸铁一般选择5％～6％的硅，2.2％～2.6％的碳。

硅量提高使共晶点左移，故中硅铸铁不宜选择较高的碳量，过高的碳量将产生过多的初生石墨，使力学性能降低，同时可导致抗氧化性能的下降，并易造成石墨漂浮等铸造缺陷。

对性能要求较高的耐热铸件，常用中硅球墨铸铁来铸造，因其石墨呈孤立球状存在，不仅耐热性有明显提高，其力学性能也有很大的改善。

四中硅耐热铸铁的组织性能、铸造工艺特点及生产技术
中硅灰铸铁和中硅球墨铸铁的显微组织是石墨＋铁素体。

生产中一般要求基体中珠光体含量不大于10％～20％。

中硅铸铁的铸造工艺有如下的特点：
1）流动性好。

2）线收缩较大。

3）铁液易氧化。

4）铁液易产生石墨漂浮。

中硅灰铸铁可用冲天炉熔炼。

炉料组成一般为：铸造生铁40－50％；废钢15－20％；其余为回炉料。

可在炉内加入45硅铁或75硅铁，铬可在包内冲入或在炉内加入。

中硅球墨铸铁可在冲天炉内熔炼或利用电炉熔炼。

炉料组成一般为：铸造生铁40－90％；废钢10－20％；其余为回炉料。

可在炉内加入45硅铁或75硅铁增硅，用稀土镁合金球化处理，并用75硅铁进行孕育。

稀土镁合金的加入量根据原铁水含硫量及合金中稀土和镁的含量确定，孕育硅铁加入量一般为0.8－1.0％，为保证球化，稀土残留量为0.02－0.04％，残余镁量为0.03－0.05％。

第二节耐蚀铸铁
据调查统计，金属腐蚀造成的损失可占国民经济生产总值的1.5％～4.2％左右。

每年金属腐蚀，大约可使10％～20％的金属损失掉。

因此，有效的减缓金属腐蚀，甚至于防止金属发生腐蚀，具有相当重要的意义。

所谓腐蚀，是指金属表面受周围介质的化学及电化学作用而破坏的过程。

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。

几种腐蚀中，电化学腐蚀是金属最普遍的腐蚀形式，危害性也较大，腐蚀过程是逐层深入，一直能深入到金属的内部。

一提高铸铁耐腐蚀性的途径
提高铸铁的耐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。

加入合金元素，主要从以下三方面提高铸铁的耐腐蚀性能。

1）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。

二高镍耐腐蚀铸铁化学成分、组织性能及生产技术
含镍量在13.5％～36％的铸铁称为奥氏体铸铁。

镍的热力学稳定性比铁高，仍属易钝化金属。

加入镍的主要作用是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。

常用的几种高镍铸铁化学成分和力学性能见表5－2。

表中2型为高镍铸铁的基本型；1型是用铜代替部分镍，以降低成本，但铜含量过高时不能用于食品工业；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5－2 高镍铸铁的化学成分及力学性能
高镍铸铁的组织是由单一的奥氏体基体与分布于其上的石墨所组成，还含有5％～8％的碳化物。

高镍铸铁还具有良好的力学性能、切削加工性能和焊接性能，不会形成焊接硬化区。

高镍铸铁多采用电炉熔炼。

加料顺序为先将生铁、废钢、回炉料装入炉内加热，待熔化后再加入铁合金，镍或铜。

熔炼温度一般掌握在1480－1520℃。

浇铸温度一般为1380－1460℃。

通常高镍奥氏体耐蚀铸铁件不需要消除应力热处理。

但在高温碱中，次氯酸盐中应用的铸件和海水中应用的大型铸件因为有应力腐蚀开裂的可能，应进行时效处理。

奥氏体耐蚀灰铸铁的焊接性能优于普通灰铸铁，可以和普通灰铸铁一样，用镍焊条进行电弧焊，也可以用铸造的奥氏体焊丝，用氧乙炔火焰焊补。