第四章特种性能铸铁介绍

①低铬白口铸铁
成分：含铬量1.0%~5% 组织： 铸态 空淬+低温回火 P+合金渗碳体(Fe,Cr)3C M+P+合金渗碳体(Fe,Cr)3C
性能：硬度48~52HRC，冲击韧度Qk 3~5J/cm3 应用：球磨机磨球
②中铬白口铸铁(含Cr7%~11%)
以珠光体状态使用时，成分为：C2.5%~3.6%，Si.5%~2.2%，Mn0.5%~1.0%， Cr7%~11%，当以马氏体状态使用时，还需再加入Mo0%~2.0%和Cu0%~2.0% 综合考虑Cr/C和Si/C比
（3）冷硬铸铁的应用
冷硬铸铁轧辊的三种铸造方法：一体铸造、溢流铸造和离心铸造
一体铸造法普通冷硬 轧辊铸型
溢流铸造法复合冷硬轧 辊铸型
离心铸造法复合冷 硬轧辊铸型
第三节
抗磨铸铁
抗磨铸铁指用于抵抗磨料磨损的铸铁 磨料磨损指由硬颗粒或突出物作用使材料迁移导致的磨损 抗磨铸铁的优良程度可用相对耐磨性衡量，相对耐磨性越高，试验 试样的磨损率越少，即耐磨性越好。
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。
② 在相变温度范围时的生长
防止铸铁在相变温度范围内灾难性生长措施：提高铸铁相变温度，使零件的工作 点温度低于铸铁的相变温度；在允许条件下，调整工作温度，使铸铁在工作温度范 围处于单相组织状态，可以加入铝、硅、铬等合金元素以提高相变点温度并使其成 为单相组织。
增大球状石墨的尺寸，将使铸铁磨损减小；对于片状石墨，以A型石 墨（4~5级）为宜，其抗咬合性能要好于其它类型分布的石墨 在摩擦磨损条件下，蠕墨铸铁兼有球墨铸铁和片状石墨铸铁的优点， 渴望获得优良的摩擦学性能
（3）基体组织对铸铁减摩性的影响
珠光体基体是合适的铸铁基体组织，珠光体数量越多，片间距越小， 铸铁的摩擦磨损性能越好。
③硼铸铁
硼铸铁中硼含量一般在：0.03%~0.08%
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。其具有外硬内韧的特 点，常用于轧辊、凸轮轴和犁铧的制造。
（1）冷硬铸铁的化学成分和组织特点
冷硬铸铁最外层为白口区，紧挨白口区的为麻口区，内层则为灰口区；有的冷硬 铸铁只有麻口区和灰口区。 激冷层组织：普通冷硬铸铁激冷组织为珠光体+共晶碳化物 低合金冷硬铸铁激冷层组织为索氏体+少量上贝氏体+共晶碳化物 高合金冷硬铸铁激冷层组织贝氏体+少量马氏体+合金碳化物 增加白口层深度的方向依次为：W 减少白口层深度的方向依次为：C Mn Mo Ni Cr Cu Sn V S B Te（最强） Co P（最弱）
第五章 铸铁的熔炼
4、磷
第五章 铸铁的熔炼
二、感应电炉熔炼铁液变化规律
第ห้องสมุดไป่ตู้章 铸铁的熔炼
铁液的质量
第五章 铸铁的熔炼
第五章 铸铁的熔炼
目前国内外铸铁熔炼的发展趋势：
1、冲天炉熔炼：大吨位、热风、附加环保设备（除尘与烟气收集）； 2、感应电炉熔炼：中频、节能； 3、冲天炉+感应电炉双联熔炼。
②性能特点
白口冷硬铸铁的白口层组织可含有体积百分数在40~45%范围的渗碳体，这种渗碳 体硬度高，脆性大，使白口冷硬铸铁耐磨性提高，但耐冲击性能较差，在具有热冲 击的场合时，表面易产生热疲劳裂纹。
麻口冷硬铸铁除含有一定数量的渗碳体外，还含有石墨，故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。
③ 高于相变温度时的生长
（3）常用的耐热铸铁
① 中硅耐热铸铁
应用范围：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。 成分选择：5%~6%的硅，2.2%~2.6%的碳，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。
基体组织（%） 珠光体 铁素体 滑动磨损(g/cm3) 相对磨损比 100 0 2.29×10-7 1.0 90 10 2.99×10-7 1.3 40 60 2.01×10-6 8.8 0 100 2.73×10-5 119.2
在轻微磨损条件下，如果铸铁基体硬度保持不变，则贝氏体组织的磨 损率最低，回火马氏体次之，珠光体最差；在严重磨损阶段，三种组织 的磨损率没有差别。 在减摩铸铁中，如形成硬质相，要求硬质相与基体结合牢靠，不易剥 落，能提高铸铁的耐磨性。
基体及石墨特征的影响
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 程更加迅速。 球状石墨比片状石墨抗氧化性好，蠕虫状石墨抗氧化性介于球状石墨和片状石墨中间。
（2）铸铁在高温下的生长
①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。铸 铁的低温生长与珠光体的分解密切相关，温度越高，越接近相变温度，铸铁的生长 量越大；珠光体稳定性越差，珠光体分解量越多，铸铁的生长量越大。 防止铸铁低温生长措施： 使铸铁在使用温度下全部为铁素体基体，可采用提高硅含量使铸铁得到完全铁素 体基体，或采用低温石墨化退火处理来获得全部铁素体基体；
② 钒钛铸铁
应 用：机床导轨 化学成分：C2.9%~3.7%，Si1.4%~2.2%，Mn0.6%~1.2%， V0.15%~0.45%， Ti0.06%~0.15% ，S≤0.12%，P≤0.40% 金相组织：A型石墨，石墨长10~25μm，珠光体数量大于90%，自由渗碳体量小于1%，钒 钛的碳氮化合物质点呈弥散分布 力学性能：抗拉强度σb=200~300Mpa,硬度160~241HBS
高铬铸铁铸造工艺：高铬铸铁脆性大，不宜气割去除冒口；防止铸件收缩受 阻，以免造成开裂；浇注温度不要太高，以避免收缩过大和粘砂
高铬白口铸铁的力学性能
当含铬量不变时，随着含碳量的增加，硬度增加，而断裂韧性降低，强度 性能降低。
第四节
耐热铸铁
定义：在高温条件下具有一定的抗氧化和抗生长性能，并能承受一 定载荷的铸铁。
（4）常用的减摩铸铁
①含磷铸铁
应 用：生产机床导轨
化学成分：C2.9%~3.5%，Si1.4%~1.9%，Mn0.5%~1.0%， P0.40%~0.65%，S≤0.12%
金相组织：A型石墨，石墨长10~25μm，珠光体数量大于95%，磷共晶体积4%~8%,呈 断续网状分布，自由渗碳体量小于1% 力学性能：抗拉强度σb=200~300Mpa,硬度170~250HBS
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提高耐磨铸铁硬度的途径： ①提高铸铁中硬质相本身的硬度或增加硬质相的体积百分数 ②提高铸铁金属基体的硬度
(1) 普通白口铸铁
普通白口铸铁的成分、组织及应用
成分特点：普通白口铸铁的化学成分具有高碳低硅的特点，增加含碳量，将增加白口 铁的硬度，低碳白口铸铁（含C约2.5%）的硬度约为375HBS，而含碳量（3.5%以上） 高时 ，其硬度将增至600HBW。但提高含碳量将使脆性增加，并使铸件凝固时易形成石 墨，特别在含硅量高时更加明显，故高碳白口铸铁必须低硅。一般白口铸铁的含碳量为 2.2%~3.6%，含硅量小于1%
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、抗磨铸铁、 耐热铸铁和耐腐蚀铸铁。
第一节：减摩铸铁
（1）减摩铸铁组织
P+ 少 量F G+基体 P
（2）石墨对铸铁减摩性的影响
铸铁中石墨的润滑能力，与金属基体有关，与石墨的形状、尺寸和分布有关， 还与摩擦面承载大小有关。 石墨形状影响主要表现在：片状石墨铸铁易于在滑动界面形成较厚的石墨膜， 而球状石墨铸铁形成的石墨膜薄，且不充分。在石墨未成膜的条件下，片状 石墨铸铁的磨损可以比球墨铸铁大。
Si Ti
各元素影响白口层硬度的趋势依次为：C Nb P Mn Cr Mo V Si Al Cu Ti S（最弱） 麻口层深度影响规律：Te，C，S，P减小麻口层深度，Cr，Al，Mn，Mo，V增加麻口层 深度
（2）冷硬铸铁的获得与性能特点
①冷硬铸铁件两种生产工艺
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 采用复合铸造法，先浇入一种成分的金属业，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。
耐热铸铁根据加入合金元素不同可分为三类：含硅耐热铸铁，含 铝耐热铸铁和含铬耐热铸铁。
铸铁的耐热温度：铸铁在某一温度下经150h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
耐热铸铁可按其抗氧化和抗生长性进行分级，如下表所示：
（1）铸铁在高温下的氧化
Fe在高温下与氧作用会形成三种不同的产物，即FeO、Fe3O4和Fe2O3， 不同温度范围内氧化产物不同，在低于570℃时，氧化产物为Fe3O4和 Fe2O3；高于570℃时为FeO、Fe3O4和Fe2O3 ①铁在高温氧化过程的三个步骤
② 影响铸铁氧化的因素 氧化膜性质的影响
氧化膜的完整性可用毕林-彼得沃尔斯原理表述。氧化过程中形成的金属氧化膜是否 具有保护性，其必要条件是，氧化时所生产的金属氧化膜体积(VMO2)比生成这些氧化 膜所消耗的金属体积(VM)要大，称PB比，用γ表示，即
只有当γ>1时，金属氧化膜具有保护性的必要条件，当γ<1时,所生成的氧化膜疏松、多 孔，不可能完全覆盖整个金属表面。
由于金属氧化膜存在晶格缺陷和杂质，因而氧化膜内都不同程度地存在着离子扩散， 使氧化膜具有一定的导电性。一般用氧化膜的导电率作为判断氧化膜晶格缺陷的一个指 标，导电率越大，晶格缺陷越多，离子扩散运动就越剧烈，氧化也越严重，氧化膜保护 性就越差。
某些金属氧化物在1000℃时的电导率
合金元素的影响
合金元素选择原则： 合金元素氧化物PB比大于1，且具有低的导电率 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 防止最有效的氧化的元素：Al、Si、Gr
高铬铸铁组织：奥氏体+M7C3型碳化物
第五章 铸铁的熔炼
铸铁的熔炼设备
（1）冲天炉 （2）感应电炉（中频、工频、高频） （3）电弧炉 （4）反射炉
第五章 铸铁的熔炼
第五章 铸铁的熔炼
第五章 铸铁的熔炼
冲天炉熔炼过程成分变化规律
1、碳
2、硅和锰
3、硫 在冲天炉熔炼过程中一般会发生增硫，增硫来源于焦炭。
③ 高铬白口铸铁
高铬白口铸铁的含铬量在12%~28%之间，其共晶组织由 M7C3型碳化物和奥氏体或其转变产物所组成
Cr15 组织 性 能 硬度(HRC) 冲击韧度(J/cm3) M+ (Cr, Fe)7C3+ (Fe,Cr)3C Cr20 M+ (Cr, Fe)7C3+ 少 量(Fe,Cr)3C 58~64 6~10 Cr25 M+少量奥氏体+ (Cr, Fe)7C3+ (Cr, Fe)23C6 56~62 6~10
(2) 镍硬白口铸铁
镍硬白口铸铁主要指含镍硬的白口铸铁，其化学成分如下表所示：
上表中镍硬白口铸铁可分为镍硬Ⅰ型（Ni-hard1到Ni-hard3 ）和镍硬Ⅳ型（ Ni-hard4 ） 其中镍硬Ⅰ型含镍约为4%，含铬约为2%；镍硬Ⅳ型含镍约为6%，含铬约为8%
(3) 铬系白口铸铁
铬能改变共晶碳化物类型，从而改善碳化物形态，增加硬度，提高铸铁 韧性及耐磨性
②含铝耐热铸铁
铝在高温下形成致密的Al2O3层下氧化膜，含铝5%以上的铸铁基体组织为单一铁 素体组织，消除了珠光体分解所造成的体积生长，抗生长性好，此外铝提高相变温 度，每增加1%的含铝量可使A1点升高50 ℃
③含铬耐热铸铁
铬在铸铁表面形成良好的Cr2O3保护膜。
低铬铸铁组织：片状石墨+珠光体基体
Fe-Cr-C合金系的液相面图
Fe-Cr-C相图在室温时的简化切面
由以上两张图知，随着含铬量的增加，碳化物的形式由(Fe,Cr)3C型 (Cr, Fe)7C3型 (Cr, Fe)23C6型，即M3C M7C3 M23C6，这几种碳化物中(Cr, Fe)7C3型 的硬度最高， 对提高铸铁的耐磨性是有利的。