合金材料及熔炼03

1、1合金材料及熔炼蔡启舟Tel:mail: 材料成型及控制工程专业选修课2第一章 铸铁合金1.6 特种铸铁本节主要讨论特种铸铁的成分、组织、性能及应用之间的关系，介绍几种工程上常用的特种铸铁。特种铸铁一般指服役过程中除力学性能外,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、耐蚀铸铁。3 其特点是摩擦系数很小、加工性良好、在润滑条件下工作，其特点是磨损量很小就工作失效，如机床导轨、汽缸套、活塞环、轴承等。 考虑到综合性能(减震，散热，成本及加工性能等因素)，一般采用灰铸铁。定义1.6.1 减摩铸铁 影响磨损性能的组织因素：石墨和基体4减少石墨量和片

2、墨长度(A型石墨，4-5级)或 片状蠕虫状或球状（导热性降低）(1) 石墨对铸铁减摩性的影响本身是固体润滑剂，吸附和保存润滑油，保持油膜的连续性。有利作用：不利影响：石墨削弱基体强度改进措施：5(2) 基体组织对铸铁减摩性的影响基体应包括母相和硬质相基体组织(%)珠光体10090400铁素体01060100滑动磨损(g/cm3)2.2910-72.9910-72.0110-62.7310-5相对磨损比1.01.38.8119.2基体组织对铸铁磨损的影响6 在磨损过程中，硬质相在基体中能起支撑和骨架作用，对保持润滑剂、减少磨损有利；硬质相若发生剥落，则作为磨料参与磨损，反而起到有害作用。因此，在

3、减摩铸铁中，要求硬质相有较好的硬度并与基体结合牢靠，不易剥落。铸铁基体中的硬质相的影响：7 高磷铸铁定义： 含P0.20.4%的普通灰口铸铁磷在铸铁中的有利作用：形成二元或三元磷共晶(-Fe + Fe3C + Fe3P)，并以断续网状分布，显微硬度750800HV提高耐磨性改善流动性(3) 典型减摩铸铁89 P0.4%, 缩松倾向随P的增加增大。 P降低铸铁的导热性，且磷共晶与基体的热膨胀系数不同， 所以铸造应力也较大，铸件易于开裂。 铸件脆性增加，于强度也不利。磷的不利影响10化学成分： (2.93.3)%C，(1.41.9)%Si，(0.50.9)%Mn， (0.40.6)%P，0.12%

4、S组 织：石墨为A型，大小46级，数量(610)%， 珠光体95% 磷共晶形态：网状或断续网状 显微硬度750 800HM，而普通灰铁显微硬度仅250500。力学性能：HT250，170250HBS, 耐磨性比同牌号灰口铸铁高1倍左右。汽车缸套用高磷铸铁11 磷铜钛铸铁 定 义：是在P铸铁基础上发展起来的一种减墨铸铁。化学成分： 在普通灰铸铁基础上增加了(0.40.6)%P， (0.61.0)%Cu，(0.090.15)%Ti。组织特点: 加铜稳定和细化珠光体，提高硬度和强度；加钛 形成TiC、TiN、TiO2等高熔点化合物。从而使网状磷 共晶显维硬度HV700800，有效提高耐磨性。力学性能

5、：相当于HT250牌号，耐磨性比普通灰口铸铁HT300高 2倍以上，也优于普通磷铸铁。应 用：适用于制造精密机床导轨。1213定 义 ：利用国内钒钛生铁资源生产减摩铸铁 化学成分：(3.33.7)%C，(1.42.0)%Si，(0.61.1)%Mn， (0.180.35)%V, (0.050.15)%Ti, 0.3%P，组织特征: 钒：形成VC、V4C3、(FeV)3C等高硬度碳化物质点， 钛：形成TiC、TiN、TiO2硬质点，化合物的显微硬度达到9601340HV，在共晶团边界上 还分布着复合磷共晶体Fe2P+(FeV)3C+-Fe，其显微硬度5021206HV。其耐磨性比普通铸铁高2倍以

6、上。性 能: 力学性能优于普通高磷铸铁，韧性提高，磨损大幅 度减少。 钒钛铸铁 14V、Ti铸铁的应用： 主要用于机床导轨， 在V、Ti铸铁的基础上，再加入Cu或B，制成Cu-V-Ti和B-V-Ti铸铁，可用于生产汽车或拖拉机活塞环、缸套等零件。铸铁种类钒钛铸铁含磷铸铁普通灰铸铁HT250磨损量(mg)0.3541.0051.940硬度(HBS)197-207229-241207-229不同铸铁磨损量大小比较15定 义：含B0.040.08%的减摩合金铸铁 B在奥氏体中的固溶度极低（0.018%）,加B后组织中出现高硬度相Fe3(BC)，Fe23(BC)6，显微硬度l000HV，大大提高耐磨性

7、。 如在加B后，另加入0.2%P或钒钛合金，则可形成硼化物 + Fe3P + -Fe或钒 钛碳化物共晶体，硬度可达9001300HV，这种含硼复合碳化物在共晶团边界，呈断续网状分布，是理想的抗磨相。 硼铸铁16171.6.2 抗磨铸铁 特 征 ： 在硬质磨料作用下，工件承受干态摩擦，并承受大负载和冲击。定 义 ：无润滑条件的干摩擦下工作的铸铁18按照零件的损坏形式可分为三种： 凿削磨损 磨料硬，刺入耐磨件表面，如颚式破碎机颚板 在破碎矿石(或合金)时的磨损。 碾碎磨损 也称高应力(或碾磨)磨损，如球磨机工作时 磨球与衬板间的磨损。 刮伤性磨损 也称低应力磨损，磨料在流动中与耐磨件相撞， 例如泥

8、浆泵泵体与叶轮的磨损。实际磨损过程可能是上述几种磨损情况的综合(1) 磨料磨损的分类19Ha / Hm1.31.7 高磨损区，这个区域提高铸件硬度最为有效(2) 铸铁组织与抗磨性的关系 相对耐磨抗力定 义 磨料硬度与工件硬度之比的函数。()amHfHHa磨料硬度； Hm磨件硬度20发展分三个阶段 白口铁镍硬铸铁高Cr铸铁良好的抗磨铸铁是高的硬度与韧性的结合高硬度及形态良好的碳化物 Fe3C (FeM)3C (FeM)7C3高强度的基体 PSTBM无石墨或球状石墨细晶粒 抗磨铸铁对组织的要求21 我国最早采用普通白口铸铁作为抗磨材料，早在春秋时代，就已制成抗磨性能良好的白口铸铁犁铧。直到目前仍广

9、泛地应用普通白口铸铁作为一般的抗磨零件。(3) 白口铸铁分为普通白口铁和低合金白口铁22成分特点：较高的碳(2.53.8C%)、低硅(0.61.2Si%)组织特点：珠光体 + 渗碳体(共晶型Fe3C) 莱氏体莱氏体性能特点：硬度高(HRC4555)，脆性大(ak0.6)加 工：除了磨削加工外，一般不经受其他机械加工而直接使用。 提高白口铸铁性能途径： 强化基体和碳化物 向普通白口铸铁中加入少量的Cr、Mo、Cu、V、B等，构成低合金白口铸铁; 用RE变质处理,改善碳化物形态均可有限地改善机械性能和耐磨性能。23例 用于球磨机碾磨水泥的低合金白口铸铁磨球C2.63.2%, Si0.8%, Mn1

10、.01.5%, Cr1.5%，冲天炉熔炼，RE变质处理，80mm磨球取样24(4) 镍硬白口铸铁（马氏体）1928年美国国际镍公司研制成功特点：加入Ni, Cr等合金元素，大大强化碳化物和基 体，硬度和韧性大幅度提高。白口铸铁存在问题 碳化物硬度不高（合金总用量较少） 碳化物呈相互连接网状，冲击值低（46，k7J/mm2镍硬铸铁的代用品中Mn球铁（马氏体）29中Mn球铁（马氏体）30其他几类中合金抗磨铸铁 马氏体中锰球墨铸铁等主要用于球磨机的磨球，耐磨性比锻钢提高1.5倍左右。奥氏体中锰球墨铸铁可用作犁片、翻土板等，耐磨性比65Mn钢提高23倍。 31Cr量增加至1128形成复合碳化物 硬度大

11、幅度上升，且连续M3C 转变为孤立分布的M7C3；基体合金化后成为高硬度马氏体碳化物含量及Cr/C比 碳化物(%) = 12.33(%C) + 0.55(%Cr) 15.2 其中Cr增加碳化物的效果远比碳差，因此，工艺上常常采 用调整C量来改变碳化物数量的目的。 Cr/C5, 碳化物为M7C3， Cr/C比增加，淬透性增加。(5) 高铬铸铁32 15-315-2-120-2-1高碳中碳低碳C3.203.602.803.202.402.802.803.502.602.90Mn0.701.000.600.900.500.800.600.900.600.90Si0.300.800.300.800.3

12、00.800.400.800.400.90Cr14.016.014.016.014.016.014.016.018.021.0Mo2.503.002.503.002.402.801.902.201.402.00Cu 0.501.200.501.20S0.050.050.050.050.05P0.100.100.100.06200mm硬度HRC 铸态淬火 软化退火515662674044505460653742444853633540505560674044505460673843常用高铬-钼铸铁的成分（%）33组织 铸态组织：马氏体残余奥氏体碳化物； 热 处 理：9501060奥氏体化(过饱和

13、，冷却时针状二次 M7C3从中析出) ， 油淬或空冷(大件)冷却； 回 火：200250/(48)h, 性 能：碳化物硬度HV12001600，铸件整体硬度600HB, 冲击值7J/cm2,，性能优于镍硬铸铁。34 广泛应用于冶金及矿山机械，可用作轧辊、锤头、泥浆泵、磨球、衬板及大型离心泵体等 应用：35铸铁高温失效的主要原因： 氧化； 生长。氧化：高温下，Fe(里层)FeO,(中层)Fe3O4,(最外层)Fe2O3 C 气体，铸铁发生脱碳 由于氧化铁膜不致密，故空气中的氧原子能穿过氧化膜而向内部深处扩散，从而使铁由外向内逐步氧化。铸铁中的石墨在长时间高温作用下被氧化而形成空洞，更加速了氧的传

14、递过程。 1.6.3 耐热铸铁(1) 铸铁的耐热性361MeMeOVV金属氧化物体积金属原子体积MeOMeVV致密氧化物的条件:3738生长：铸铁经过长期高温工作或反复加热冷却造成永久性体积 增大引起零件变形的现象称为生长。引起生长的原因： 珠光体内的共析渗碳体发生分解，即共析石墨化引起体积 增大，每1%化合碳变为石墨约使体积增大2.04%； 零件反复通过共析相变温度范围时，产生热应力和相变应力，导致产生微裂纹； 氧化性气体浸入铸件表面，使石墨、Fe、Si等元素遭受氧化引起体积增大； 在(350550)的CO气氛中，碳沉淀在片状石墨上也造成体积增大。39防止铸铁氧化和生长有以下的途径： 在铸铁

15、表面形成一层牢固的、致密而完整的氧化膜，使铸铁的内部不再继续氧化； 提高铸铁的固态相变温度，使其在工作温度范围内不发生组织转变。基体最好是单相组织(如奥氏体或铁素体)，使铸铁在高温下不发生渗碳体分解的过程； 使石墨球化，球状石墨在基体中独立分布，互不相连，故不致构成氧化性气体渗入铸铁内部的通道。 为使铸铁具有耐热性，可往铸铁中加入铬、硅或铝进行合金化。为了进一步提高铸铁的抗生长性和强度，还可以采用耐热球墨铸铁。40(2) 耐热铸铁的化学成分与性能41 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800950的锅炉炉栅、横梁、换热器、节气阀等零件上。化学成分: Si56%，C2.

16、22.6%。硅的作用: 形成致密的SiO2氧化膜，阻止氧的继续侵入； 形成单相铁素体基体，消除珠光体石墨化生长。牌号：中硅灰铸铁RTSi5、中硅球墨铸铁RQTSi4、RQTSi5和含钼的中硅球墨铸铁RQTSi4Mo。 在中硅灰铸铁中加入Cr0.501.00%是为了改善材质的力学性能，也可以加入Cul.01.5%，或适当提高锰量。例 1 中硅耐热铸铁42分类：低铝耐热铸铁：RQTAl4Si4、RQTAl5Si5和 高铝耐热铸铁：RQTAl22。 工业上用得较多的是含铝2024%的高铝耐热铸铁，这类铸铁的特点： 组织为含铝的铁素体和少量石墨，有少量铁碳铝化合物，称作s相， 具有良好的切削加工性能和

17、耐热性能。 常温抗拉强度110170MPa，抗弯强度200250MPa， 挠度2.53.0mm， 硬度170200HBS，虽常温力学性能不高，但高温力学性能下降不多。 高铝耐热铸铁可经受1100高温不氧化，生长量小，加热到熔点不掉皮。 铸造性能差(因Al、Fe密度相差大，偏析，易氧化烧损，熔炼困难 流动性 差，线收缩1.82.2%，易产生缩松，缩孔或裂纹缺陷)应用：加热炉炉底板、炉条、滚子框架、炉管、换热器、粉末冶金用坩埚炉等零部件。例2 含铝耐热铸铁43保护膜：Cr2O3分类：低铬耐热铸铁RTCr、RTCr2 高铬耐热铸铁RTCrl6。组织：低铬耐热铸铁为片状石墨+珠光体基体； 高铬耐热铸铁

18、组织为M7C3型碳化物和奥氏体组织(应避免珠光体)， 性能：高铬耐热铸铁中，因不存在石墨，其抗生长性要好于低铬耐热铸铁。例3 含铬耐热铸铁44RTCr16： 通常可在900以下的温度使用，其高温强度和高温硬度都较高，在大气中特别是在含有SO2的氧化气氛中抗氧化性能很好。因而在高炉、焦炉、烧结炉等工业用炉的耐热零部件中有广泛应用。特别在高温下，高铬耐热铸铁还有较好的抗磨性能，这是高铝铸铁所不及的。铸造性能： 高铬耐热铸铁铁液因容易产生氧化膜，故浇注时应注意扒渣、挡渣，对薄壁件浇道面积应比灰铸铁扩大2030%，且要求液流平稳。由于冷裂倾向较大，对复杂铸件，浇注后打箱时间要晚。 45腐蚀：指金属表面

19、受周围介质的化学及电化学作用而被破坏的过程。分类: 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。1.6.4 耐蚀铸铁46加入合金元素，主要从以下三方面提高铸铁的耐腐蚀性能： 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。如铬、钼、铜、镍、硅等元素能提高铸铁基体的电极电位。 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。例如，在铸铁中加入Si1418可得到单相的铁素体基体和少量石墨，同时硅又提高了铁素体的电极电位，使耐腐蚀性能显著提高。 在铸铁表皮层下形成一层致密、牢固的保护膜，如SiO2、A12O3和Cr2O3。膜都具有很好的保护性。47 合金元素需要达到一定的含量。根据电化学中的定律可知，固溶体的电极电位随合金元素含量而提高是呈突变式规律的，即所谓n/8