合金材料與熔煉03

1、1合金材料及熔煉蔡啟舟Tel:mail: 材料成型及控制工程專業(yè)選修課2第一章 鑄鐵合金1.6 特種鑄鐵本節(jié)主要討論特種鑄鐵的成分、組織、性能及應(yīng)用之間的關(guān)系，介紹幾種工程上常用的特種鑄鐵。特種鑄鐵一般指服役過程中除力學(xué)性能外,能滿足特殊使用性能的鑄鐵。主要包括：減摩鑄鐵、抗磨鑄鐵、耐熱鑄鐵、耐蝕鑄鐵。3 其特點(diǎn)是摩擦系數(shù)很小、加工性良好、在潤滑條件下工作，其特點(diǎn)是磨損量很小就工作失效，如機(jī)床導(dǎo)軌、汽缸套、活塞環(huán)、軸承等。 考慮到綜合性能(減震，散熱，成本及加工性能等因素)，一般采用灰鑄鐵。定義1.6.1 減摩鑄鐵 影響磨損性能的組織因素：石墨和基體4減少石墨量和片

2、墨長度(A型石墨，4-5級(jí))或 片狀蠕蟲狀或球狀（導(dǎo)熱性降低）(1) 石墨對(duì)鑄鐵減摩性的影響本身是固體潤滑劑，吸附和保存潤滑油，保持油膜的連續(xù)性。有利作用：不利影響：石墨削弱基體強(qiáng)度改進(jìn)措施：5(2) 基體組織對(duì)鑄鐵減摩性的影響基體應(yīng)包括母相和硬質(zhì)相基體組織(%)珠光體10090400鐵素體01060100滑動(dòng)磨損(g/cm3)2.2910-72.9910-72.0110-62.7310-5相對(duì)磨損比1.01.38.8119.2基體組織對(duì)鑄鐵磨損的影響6 在磨損過程中，硬質(zhì)相在基體中能起支撐和骨架作用，對(duì)保持潤滑劑、減少磨損有利；硬質(zhì)相若發(fā)生剝落，則作為磨料參與磨損，反而起到有害作用。因此，在

3、減摩鑄鐵中，要求硬質(zhì)相有較好的硬度并與基體結(jié)合牢靠，不易剝落。鑄鐵基體中的硬質(zhì)相的影響：7 高磷鑄鐵定義： 含P0.20.4%的普通灰口鑄鐵磷在鑄鐵中的有利作用：形成二元或三元磷共晶(-Fe + Fe3C + Fe3P)，并以斷續(xù)網(wǎng)狀分布，顯微硬度750800HV提高耐磨性改善流動(dòng)性(3) 典型減摩鑄鐵89 P0.4%, 縮松傾向隨P的增加增大。 P降低鑄鐵的導(dǎo)熱性，且磷共晶與基體的熱膨脹系數(shù)不同， 所以鑄造應(yīng)力也較大，鑄件易于開裂。 鑄件脆性增加，于強(qiáng)度也不利。磷的不利影響10化學(xué)成分： (2.93.3)%C，(1.41.9)%Si，(0.50.9)%Mn， (0.40.6)%P，0.12%

4、S組 織：石墨為A型，大小46級(jí)，數(shù)量(610)%， 珠光體95% 磷共晶形態(tài)：網(wǎng)狀或斷續(xù)網(wǎng)狀 顯微硬度750 800HM，而普通灰鐵顯微硬度僅250500。力學(xué)性能：HT250，170250HBS, 耐磨性比同牌號(hào)灰口鑄鐵高1倍左右。汽車缸套用高磷鑄鐵11 磷銅鈦鑄鐵 定 義：是在P鑄鐵基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種減墨鑄鐵?；瘜W(xué)成分： 在普通灰鑄鐵基礎(chǔ)上增加了(0.40.6)%P， (0.61.0)%Cu，(0.090.15)%Ti。組織特點(diǎn): 加銅穩(wěn)定和細(xì)化珠光體，提高硬度和強(qiáng)度；加鈦 形成TiC、TiN、TiO2等高熔點(diǎn)化合物。從而使網(wǎng)狀磷 共晶顯維硬度HV700800，有效提高耐磨性。力學(xué)性能

5、：相當(dāng)于HT250牌號(hào)，耐磨性比普通灰口鑄鐵HT300高 2倍以上，也優(yōu)于普通磷鑄鐵。應(yīng) 用：適用于制造精密機(jī)床導(dǎo)軌。1213定 義 ：利用國內(nèi)釩鈦生鐵資源生產(chǎn)減摩鑄鐵 化學(xué)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，組織特征: 釩：形成VC、V4C3、(FeV)3C等高硬度碳化物質(zhì)點(diǎn)， 鈦：形成TiC、TiN、TiO2硬質(zhì)點(diǎn)，化合物的顯微硬度達(dá)到9601340HV，在共晶團(tuán)邊界上 還分布著復(fù)合磷共晶體Fe2P+(FeV)3C+-Fe，其顯微硬度5021206HV。其耐磨性比普通鑄鐵高2倍以

6、上。性 能: 力學(xué)性能優(yōu)于普通高磷鑄鐵，韌性提高，磨損大幅 度減少。 釩鈦鑄鐵 14V、Ti鑄鐵的應(yīng)用： 主要用于機(jī)床導(dǎo)軌， 在V、Ti鑄鐵的基礎(chǔ)上，再加入Cu或B，制成Cu-V-Ti和B-V-Ti鑄鐵，可用于生產(chǎn)汽車或拖拉機(jī)活塞環(huán)、缸套等零件。鑄鐵種類釩鈦鑄鐵含磷鑄鐵普通灰鑄鐵HT250磨損量(mg)0.3541.0051.940硬度(HBS)197-207229-241207-229不同鑄鐵磨損量大小比較15定 義：含B0.040.08%的減摩合金鑄鐵 B在奧氏體中的固溶度極低（0.018%）,加B后組織中出現(xiàn)高硬度相Fe3(BC)，F(xiàn)e23(BC)6，顯微硬度l000HV，大大提高耐磨性

7、。 如在加B后，另加入0.2%P或釩鈦合金，則可形成硼化物 + Fe3P + -Fe或釩 鈦碳化物共晶體，硬度可達(dá)9001300HV，這種含硼復(fù)合碳化物在共晶團(tuán)邊界，呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布，是理想的抗磨相。 硼鑄鐵16171.6.2 抗磨鑄鐵 特 征 ： 在硬質(zhì)磨料作用下，工件承受干態(tài)摩擦，并承受大負(fù)載和沖擊。定 義 ：無潤滑條件的干摩擦下工作的鑄鐵18按照零件的損壞形式可分為三種： 鑿削磨損 磨料硬，刺入耐磨件表面，如顎式破碎機(jī)顎板 在破碎礦石(或合金)時(shí)的磨損。 碾碎磨損 也稱高應(yīng)力(或碾磨)磨損，如球磨機(jī)工作時(shí) 磨球與襯板間的磨損。 刮傷性磨損 也稱低應(yīng)力磨損，磨料在流動(dòng)中與耐磨件相撞， 例如泥

8、漿泵泵體與葉輪的磨損。實(shí)際磨損過程可能是上述幾種磨損情況的綜合(1) 磨料磨損的分類19Ha / Hm1.31.7 高磨損區(qū)，這個(gè)區(qū)域提高鑄件硬度最為有效(2) 鑄鐵組織與抗磨性的關(guān)系 相對(duì)耐磨抗力定 義 磨料硬度與工件硬度之比的函數(shù)。()amHfHHa磨料硬度； Hm磨件硬度20發(fā)展分三個(gè)階段 白口鐵鎳硬鑄鐵高Cr鑄鐵良好的抗磨鑄鐵是高的硬度與韌性的結(jié)合高硬度及形態(tài)良好的碳化物 Fe3C (FeM)3C (FeM)7C3高強(qiáng)度的基體 PSTBM無石墨或球狀石墨細(xì)晶粒 抗磨鑄鐵對(duì)組織的要求21 我國最早采用普通白口鑄鐵作為抗磨材料，早在春秋時(shí)代，就已制成抗磨性能良好的白口鑄鐵犁鏵。直到目前仍廣

9、泛地應(yīng)用普通白口鑄鐵作為一般的抗磨零件。(3) 白口鑄鐵分為普通白口鐵和低合金白口鐵22成分特點(diǎn)：較高的碳(2.53.8C%)、低硅(0.61.2Si%)組織特點(diǎn)：珠光體 + 滲碳體(共晶型Fe3C) 萊氏體萊氏體性能特點(diǎn)：硬度高(HRC4555)，脆性大(ak0.6)加 工：除了磨削加工外，一般不經(jīng)受其他機(jī)械加工而直接使用。 提高白口鑄鐵性能途徑： 強(qiáng)化基體和碳化物 向普通白口鑄鐵中加入少量的Cr、Mo、Cu、V、B等，構(gòu)成低合金白口鑄鐵; 用RE變質(zhì)處理,改善碳化物形態(tài)均可有限地改善機(jī)械性能和耐磨性能。23例 用于球磨機(jī)碾磨水泥的低合金白口鑄鐵磨球C2.63.2%, Si0.8%, Mn1

10、.01.5%, Cr1.5%，沖天爐熔煉，RE變質(zhì)處理，80mm磨球取樣24(4) 鎳硬白口鑄鐵（馬氏體）1928年美國國際鎳公司研制成功特點(diǎn)：加入Ni, Cr等合金元素，大大強(qiáng)化碳化物和基 體，硬度和韌性大幅度提高。白口鑄鐵存在問題 碳化物硬度不高（合金總用量較少） 碳化物呈相互連接網(wǎng)狀，沖擊值低（46，k7J/mm2鎳硬鑄鐵的代用品中Mn球鐵（馬氏體）29中Mn球鐵（馬氏體）30其他幾類中合金抗磨鑄鐵 馬氏體中錳球墨鑄鐵等主要用于球磨機(jī)的磨球，耐磨性比鍛鋼提高1.5倍左右。奧氏體中錳球墨鑄鐵可用作犁片、翻土板等，耐磨性比65Mn鋼提高23倍。 31Cr量增加至1128形成復(fù)合碳化物 硬度大

11、幅度上升，且連續(xù)M3C 轉(zhuǎn)變?yōu)楣铝⒎植嫉腗7C3；基體合金化后成為高硬度馬氏體碳化物含量及Cr/C比 碳化物(%) = 12.33(%C) + 0.55(%Cr) 15.2 其中Cr增加碳化物的效果遠(yuǎn)比碳差，因此，工藝上常常采 用調(diào)整C量來改變碳化物數(shù)量的目的。 Cr/C5, 碳化物為M7C3， Cr/C比增加，淬透性增加。(5) 高鉻鑄鐵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 鑄態(tài)淬火 軟化退火515662674044505460653742444853633540505560674044505460673843常用高鉻-鉬鑄鐵的成分（%）33組織 鑄態(tài)組織：馬氏體殘余奧氏體碳化物； 熱 處 理：9501060奧氏體化(過飽和

13、，冷卻時(shí)針狀二次 M7C3從中析出) ， 油淬或空冷(大件)冷卻； 回 火：200250/(48)h, 性 能：碳化物硬度HV12001600，鑄件整體硬度600HB, 沖擊值7J/cm2,，性能優(yōu)于鎳硬鑄鐵。34 廣泛應(yīng)用于冶金及礦山機(jī)械，可用作軋輥、錘頭、泥漿泵、磨球、襯板及大型離心泵體等 應(yīng)用：35鑄鐵高溫失效的主要原因： 氧化； 生長。氧化：高溫下，F(xiàn)e(里層)FeO,(中層)Fe3O4,(最外層)Fe2O3 C 氣體，鑄鐵發(fā)生脫碳 由于氧化鐵膜不致密，故空氣中的氧原子能穿過氧化膜而向內(nèi)部深處擴(kuò)散，從而使鐵由外向內(nèi)逐步氧化。鑄鐵中的石墨在長時(shí)間高溫作用下被氧化而形成空洞，更加速了氧的傳

14、遞過程。 1.6.3 耐熱鑄鐵(1) 鑄鐵的耐熱性361MeMeOVV金屬氧化物體積金屬原子體積MeOMeVV致密氧化物的條件:3738生長：鑄鐵經(jīng)過長期高溫工作或反復(fù)加熱冷卻造成永久性體積 增大引起零件變形的現(xiàn)象稱為生長。引起生長的原因： 珠光體內(nèi)的共析滲碳體發(fā)生分解，即共析石墨化引起體積 增大，每1%化合碳變?yōu)槭s使體積增大2.04%； 零件反復(fù)通過共析相變溫度范圍時(shí)，產(chǎn)生熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋； 氧化性氣體浸入鑄件表面，使石墨、Fe、Si等元素遭受氧化引起體積增大； 在(350550)的CO氣氛中，碳沉淀在片狀石墨上也造成體積增大。39防止鑄鐵氧化和生長有以下的途徑： 在鑄鐵

15、表面形成一層牢固的、致密而完整的氧化膜，使鑄鐵的內(nèi)部不再繼續(xù)氧化； 提高鑄鐵的固態(tài)相變溫度，使其在工作溫度范圍內(nèi)不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。基體最好是單相組織(如奧氏體或鐵素體)，使鑄鐵在高溫下不發(fā)生滲碳體分解的過程； 使石墨球化，球狀石墨在基體中獨(dú)立分布，互不相連，故不致構(gòu)成氧化性氣體滲入鑄鐵內(nèi)部的通道。 為使鑄鐵具有耐熱性，可往鑄鐵中加入鉻、硅或鋁進(jìn)行合金化。為了進(jìn)一步提高鑄鐵的抗生長性和強(qiáng)度，還可以采用耐熱球墨鑄鐵。40(2) 耐熱鑄鐵的化學(xué)成分與性能41 中硅鑄鐵是一種應(yīng)用較廣泛的耐熱鑄鐵，常用在不受沖擊和溫度低于800950的鍋爐爐柵、橫梁、換熱器、節(jié)氣閥等零件上。化學(xué)成分: Si56%，C2.

16、22.6%。硅的作用: 形成致密的SiO2氧化膜，阻止氧的繼續(xù)侵入； 形成單相鐵素體基體，消除珠光體石墨化生長。牌號(hào)：中硅灰鑄鐵RTSi5、中硅球墨鑄鐵RQTSi4、RQTSi5和含鉬的中硅球墨鑄鐵RQTSi4Mo。 在中硅灰鑄鐵中加入Cr0.501.00%是為了改善材質(zhì)的力學(xué)性能，也可以加入Cul.01.5%，或適當(dāng)提高錳量。例 1 中硅耐熱鑄鐵42分類：低鋁耐熱鑄鐵：RQTAl4Si4、RQTAl5Si5和 高鋁耐熱鑄鐵：RQTAl22。 工業(yè)上用得較多的是含鋁2024%的高鋁耐熱鑄鐵，這類鑄鐵的特點(diǎn)： 組織為含鋁的鐵素體和少量石墨，有少量鐵碳鋁化合物，稱作s相， 具有良好的切削加工性能和

17、耐熱性能。 常溫抗拉強(qiáng)度110170MPa，抗彎強(qiáng)度200250MPa， 撓度2.53.0mm， 硬度170200HBS，雖常溫力學(xué)性能不高，但高溫力學(xué)性能下降不多。 高鋁耐熱鑄鐵可經(jīng)受1100高溫不氧化，生長量小，加熱到熔點(diǎn)不掉皮。 鑄造性能差(因Al、Fe密度相差大，偏析，易氧化燒損，熔煉困難 流動(dòng)性 差，線收縮1.82.2%，易產(chǎn)生縮松，縮孔或裂紋缺陷)應(yīng)用：加熱爐爐底板、爐條、滾子框架、爐管、換熱器、粉末冶金用坩堝爐等零部件。例2 含鋁耐熱鑄鐵43保護(hù)膜：Cr2O3分類：低鉻耐熱鑄鐵RTCr、RTCr2 高鉻耐熱鑄鐵RTCrl6。組織：低鉻耐熱鑄鐵為片狀石墨+珠光體基體； 高鉻耐熱鑄鐵

18、組織為M7C3型碳化物和奧氏體組織(應(yīng)避免珠光體)， 性能：高鉻耐熱鑄鐵中，因不存在石墨，其抗生長性要好于低鉻耐熱鑄鐵。例3 含鉻耐熱鑄鐵44RTCr16： 通常可在900以下的溫度使用，其高溫強(qiáng)度和高溫硬度都較高，在大氣中特別是在含有SO2的氧化氣氛中抗氧化性能很好。因而在高爐、焦?fàn)t、燒結(jié)爐等工業(yè)用爐的耐熱零部件中有廣泛應(yīng)用。特別在高溫下，高鉻耐熱鑄鐵還有較好的抗磨性能，這是高鋁鑄鐵所不及的。鑄造性能： 高鉻耐熱鑄鐵鐵液因容易產(chǎn)生氧化膜，故澆注時(shí)應(yīng)注意扒渣、擋渣，對(duì)薄壁件澆道面積應(yīng)比灰鑄鐵擴(kuò)大2030%，且要求液流平穩(wěn)。由于冷裂傾向較大，對(duì)復(fù)雜鑄件，澆注后打箱時(shí)間要晚。 45腐蝕：指金屬表面

19、受周圍介質(zhì)的化學(xué)及電化學(xué)作用而被破壞的過程。分類: 化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、在機(jī)械因素作用下的腐蝕和生物腐蝕。1.6.4 耐蝕鑄鐵46加入合金元素，主要從以下三方面提高鑄鐵的耐腐蝕性能： 改變某些相在腐蝕劑中的電位，降低原電池的電動(dòng)勢，使耐腐蝕性能提高。如鉻、鉬、銅、鎳、硅等元素能提高鑄鐵基體的電極電位。 改善鑄鐵組織，使基體組織，石墨大小、形狀和分布得到改善，進(jìn)而減少原電池?cái)?shù)量，及減小電動(dòng)勢。例如，在鑄鐵中加入Si1418可得到單相的鐵素體基體和少量石墨，同時(shí)硅又提高了鐵素體的電極電位，使耐腐蝕性能顯著提高。 在鑄鐵表皮層下形成一層致密、牢固的保護(hù)膜，如SiO2、A12O3和Cr2O3。膜都具有很好的保護(hù)性。47 合金元素需要達(dá)到一定的含量。根據(jù)電化學(xué)中的定律可知，固溶體的電極電位隨合金元素含量而提高是呈突變式規(guī)律的，即所謂n/8