高溫合金和鑄鐵

高溫合金和鑄鐵第一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六

由此可知，作為高溫合金材料必須具備如下的基本要求：（1）高的熱強(qiáng)性：合金在高溫下具有高的抵抗塑性變形和斷裂的能力。（2）高的熱穩(wěn)定性：合金在高溫下具有高的抵抗氧化和燃?xì)飧g的能力。（3）良好的工藝性能：即合金在冶煉、鑄造、鍛造、冷壓、焊接、熱處理和切削加工方面具有滿意的工藝性能，便于加工成成品。此外，在物理性能方面也有所要求，例如高的比強(qiáng)度和彈性模量，大的導(dǎo)熱系數(shù)，小的熱膨脹系數(shù)等。要完全滿足上述要求是很困難的，因此，在選材時(shí)，應(yīng)根據(jù)其不同的服役條件，有針對(duì)性地進(jìn)行合理地選用。第二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六2、評(píng)定高溫合金的主要性能指標(biāo)

A、蠕變：蠕變是金屬材料在恒定應(yīng)力和長(zhǎng)時(shí)間的作用下產(chǎn)生緩慢塑性變形的一種現(xiàn)象。蠕變對(duì)于高溫下工作的零件具有重要意義。若設(shè)計(jì)或選材不當(dāng)，蠕變產(chǎn)生的過量變形可以使零件失效和破壞。如渦輪葉片蠕變過量會(huì)與殼體碰撞產(chǎn)生事故。蠕變現(xiàn)象可用蠕變時(shí)的變形與時(shí)間的關(guān)系曲線-蠕變曲線來描述。oa段：加載后所引起的瞬時(shí)變形。如應(yīng)力超過彈性極限，則瞬時(shí)變形由彈性變形和塑性變形組成。它不是蠕變現(xiàn)象的發(fā)生，而是外載荷引起的一般變形過程。ab段：蠕變第一階段。該階段蠕變速度逐漸減小，又稱為減速蠕變階段。bc段：蠕變第二階段。因該階段蠕變速度幾乎不變，又叫恒速蠕變階段。cd段：蠕變第三階段。該階段蠕變速度不斷增加直到斷裂，也叫加速蠕變階段。第三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六

蠕變現(xiàn)象發(fā)生的原因是由于金屬原子在高溫下活動(dòng)能力顯著增強(qiáng)，使擴(kuò)散過程易于進(jìn)行，致使室溫下起強(qiáng)化作用的因素逐漸減弱或完全消失。如促進(jìn)回復(fù)和再結(jié)晶過程；使晶界相對(duì)移動(dòng)；使過飽和固溶體分解；或使彌散相發(fā)生聚合等。所有這些都會(huì)使金屬的形變強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的效果部分或全部消失。因此，金屬在高溫下隨時(shí)間延長(zhǎng)而抵抗塑性變形能力顯著減弱，從而產(chǎn)生材料的蠕變。

蠕變性能的評(píng)定指標(biāo)—蠕變極限：蠕變極限是指金屬在一定溫度下、一定時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生一定變形量時(shí)的應(yīng)力大小。用符號(hào)表示，右上標(biāo)為溫度，右下標(biāo)為變形速度。第四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六

B、持久強(qiáng)度：金屬在一定溫度下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)合金斷裂時(shí)的應(yīng)力值，用符號(hào)表示。

有時(shí)也用持久壽命來表示：指金屬在一定溫度和應(yīng)力作用下斷裂的時(shí)間，用符號(hào)表示，單位為小時(shí)。

C、表面熱穩(wěn)定性—抗氧化和抗腐蝕性能

高溫氧化是氧與合金元素作用生成各種氧化物的現(xiàn)象。一般用在一定溫度下，一定時(shí)間內(nèi)，每平方米內(nèi)增重的克數(shù)來比較合金的抗氧化能力。

熱腐蝕是近年來發(fā)現(xiàn)的問題。機(jī)理仍未完全弄明白。一般認(rèn)為是由于燃料中的雜質(zhì)硫、釩、鈉等在高溫燃燒時(shí)，生成熔融狀態(tài)的Na2SO4粘附于零件表面上，發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)而使材料迅速破壞。抗氧化和抗腐蝕性能是評(píng)定工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和船用燃?xì)廨啓C(jī)材料的重要性能指標(biāo)。第五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六3、提高高溫合金耐熱性的途徑：合金耐熱性，包括熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性兩個(gè)方面。提高高溫合金熱穩(wěn)定性的措施：

（1）在零件表面上加一層抗氧化的保護(hù)膜：如滲鋁、滲鉻、滲硅或者噴上一層高強(qiáng)保護(hù)涂層（主要有Al2O3、ZrO2、Cr2O3所組成）。

（2）提高合金基體熱穩(wěn)定性，就是在基體金屬中加入一定量的合金元素，使合金在高溫下表面形成一層致密的保護(hù)性氧化膜。這類元素主要有鉻、鋁、硅。但加鋁使合金冶煉性能變壞，在熱加工和熱處理時(shí)會(huì)發(fā)生脫碳或者石墨化；加硅使合金變脆，也有石墨化和脫碳問題，因此，鋁和硅不能多加。只有鉻元素不僅能夠提高合金的熱穩(wěn)定性，而且改善其機(jī)械性能，因此，鉻是高溫合金的主加元素。含鉻越高，抗氧化溫度越高。第六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六提高高溫合金的熱強(qiáng)性，就是使合金在高溫下具有阻礙蠕變過程發(fā)展的能力

（1）用高熔點(diǎn)金屬作為合金的基體。高熔點(diǎn)金屬，原子間結(jié)合力強(qiáng)，高溫下不易產(chǎn)生塑性變形，也就是抗蠕變能力強(qiáng)，熔點(diǎn)較高?？赡茏鳛楦邷睾辖鸹w的金屬如表3-15所示。鈦、鈮、鉬、鎢雖然熔點(diǎn)較高，但鈦化學(xué)活性大，易吸收氣體而污染，目前只能使用在600℃以下。鈮、鉬、鎢高溫下氧化太快，加之鎢比重很大，目前都未能成為實(shí)用高溫合金的基體金屬?，F(xiàn)在常用高溫合金基體金屬仍以鐵、鎳、鈷為基。第七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六

（2）合金化：在基體金屬中加入適量合金元素，是提高高溫合金熱強(qiáng)性的最有效方法，其作用機(jī)理：

固溶強(qiáng)化：合金元素溶入基體金屬形成固溶體，引起點(diǎn)陣畸變，提高原子間結(jié)合力，使元素在固溶體中擴(kuò)散能力降低，提高合金再結(jié)晶溫度，從而增強(qiáng)合金高溫強(qiáng)度。如鐵基合金中常加入鉻、鎳、鉬、鎢等。

時(shí)效沉淀強(qiáng)化：加入適當(dāng)合金元素形成碳化物或金屬間化合物，通過固溶時(shí)效處理，使過飽和固溶體脫溶，析出彌散分布第二相（碳化物或金屬間化合物），有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和蠕變發(fā)展，顯著提高合金高溫強(qiáng)度。如鎳基合金中加入鋁、鈦、鈮等元素，形成金屬化合物’相(Nb3(Al,Ti))，其強(qiáng)化效果可高達(dá)0.65~0.7T熔。

晶界強(qiáng)化：晶界在高溫下是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。由于在高溫和應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用下，裂紋首先在晶界發(fā)生。因此，強(qiáng)化晶界對(duì)于高溫合金具有重要意義。在高溫合金中加入微量的某些表面活性元素如硼、鈰、鋯等，由于其內(nèi)吸附現(xiàn)象而富集于晶界，填補(bǔ)晶界空位，減少缺陷，降低蠕變過程中的晶界擴(kuò)散，從而抑制了強(qiáng)化相在晶界聚集和長(zhǎng)大；同時(shí)還能去除有害氣體和雜質(zhì)元素，使晶界強(qiáng)化，有效提高高溫強(qiáng)度。第八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六

彌散強(qiáng)化：采用粉末冶金方法在高溫合金中加入高彌散硬質(zhì)點(diǎn)。這些質(zhì)點(diǎn)具有高熱穩(wěn)定性，與基體金屬結(jié)合牢固，但又不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，降低擴(kuò)散速度，有效提高合金高溫強(qiáng)度。例如TD-Ni合金（Ni+2%ThO2）在1200℃時(shí)仍未發(fā)生再結(jié)晶，強(qiáng)化效果可達(dá)0.8~0.85T熔。

利用鑄造合金組織的特殊分布：鑄造高溫合金中的化合物，往往呈網(wǎng)狀或骨骼狀分布，且比較穩(wěn)定，晶粒又比較粗大，減少了晶界，能顯著提高合金高溫強(qiáng)度。但鑄造合金脆性較大，多適于不受沖擊的高溫零件。

采用定向結(jié)晶的方法使鑄件得到柱狀晶：如鎳基合金鑄造的渦輪葉片，采用定向結(jié)晶，消除垂直于主應(yīng)力軸取向的晶界，有效提高了合金的高溫強(qiáng)度。第九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六

適當(dāng)?shù)臒崽幚恚焊邷睾辖鹜ǔ２捎霉倘芴幚?，使合金元素溶入基體，充分發(fā)揮固溶強(qiáng)化的作用。若再經(jīng)時(shí)效處理，可使碳化物或金屬化合物沉淀相呈彌散分布，發(fā)揮沉淀強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化的作用。有的合金可采用二次固溶或者中間時(shí)效處理，以獲得適當(dāng)大小的晶粒，使碳化物或金屬化合物在數(shù)量、大小和分布上更為有利。

綜上所述，提高合金的高溫強(qiáng)度，主要是正確地選擇合金的成分及獲得適當(dāng)?shù)慕M織。但要充分發(fā)揮合金元素的作用以及獲得所需要的組織，很大程度上依賴于適當(dāng)?shù)臒崽幚?。至于合金采用何種強(qiáng)化方式，則取決于合金的成分、零件的服役條件和對(duì)成型工藝方法的要求。第十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六4、高溫合金的分類和編號(hào)

高溫合金按基體金屬不同分為鐵基、鎳基和鈷基高溫合金。如Fe-Ni-Cr基合金，Ni-Cr-Co基合金等。鈷基合金在國(guó)外有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，但在我國(guó)由于資源的限制，應(yīng)用較少。

按生產(chǎn)工藝成型方法，高溫合金則分為變形高溫合金（用于鍛造、軋制成型）和鑄造高溫合金（用于精密鑄造成型）。

高溫合金的編號(hào)：變形高溫合金以拼音GH+序號(hào)數(shù)字表示。如GH135表示135號(hào)變形高溫合金。鑄造高溫合金則以字母K+序號(hào)數(shù)字表示。如K1，表示1號(hào)鑄造高溫合金。第十一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六二、鐵基高溫合金

航空產(chǎn)品，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)所用的鐵基高溫合金，包括鐵基和鐵鎳基合金，基體都是奧氏體組織。前者即奧氏體型耐熱鋼，后者含鎳量高達(dá)30~40%，習(xí)慣上也稱為鐵基合金。這類合金具有面心立方點(diǎn)陣的奧氏體基體組織，其原子間結(jié)合力較強(qiáng)，再結(jié)晶溫度較高，比以鐵素體為基體的合金耐熱性高。目前我國(guó)使用的鐵基和鐵鎳基高溫合金的一些主要牌號(hào)：GH131、GH140、GH69、GH36、GH132、GH135、GH302、K13、K14等。

這類合金的熱處理一般通過三個(gè)過程：固溶處理、中間處理(穩(wěn)定化處理)、時(shí)效處理。固溶處理的目的是使強(qiáng)化相溶入基體，獲得成分均勻的過飽和固溶體，并控制晶粒度。中間處理是在比時(shí)效溫度更高的溫度下進(jìn)行，目的是改變晶界碳化物狀態(tài)和大小。最后的時(shí)效處理則是使強(qiáng)化相充分而均勻地析出。如發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室采用GH140合金，而渦輪輪盤則采用GH135合金。第十二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六三、鎳基高溫合金:高溫合金中性能最好、使用最廣、品種最多的合金。

根據(jù)生產(chǎn)工藝，分為變形合金和鑄造合金。

按強(qiáng)化手段不同：有固溶強(qiáng)化型合金如GH39、GH44、GH128等，在固溶處理狀態(tài)使用；還有時(shí)效強(qiáng)化型合金如，GH33、GH118、GH128等。

鎳基合金中加入的合金元素很復(fù)雜：主要有固溶強(qiáng)化元素如Ni、Cr、W、Mo、Co等；‘(‘’)強(qiáng)化相形成元素如鋁、鈦、鈮、鉬等；晶界強(qiáng)化元素如碳、硼、鋯、稀土鈰等微量元素。鎳基合金的熱處理與鐵-鎳基合金相似，包括固溶、中間和時(shí)效處理三個(gè)過程。固溶強(qiáng)化類鎳基合金用來制造形狀復(fù)雜、冷壓成型、焊接成型、受力不大的、抗氧化能力較高的高溫零件。時(shí)效強(qiáng)化類鎳基合金用來制造既承受很高溫度又承受很高應(yīng)力的重要零件，如渦輪葉片。高溫鎳基鑄造合金，用于制造工作溫度在900-950℃的導(dǎo)向葉片或渦輪葉片。第十三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六

鎳基合金的典型顯微組織如圖所示?？梢钥闯?，合金的顯微組織隨合金強(qiáng)度的提高而演變的情況。由固溶強(qiáng)化的單相奧氏體（晶界有少量碳化物）演變?yōu)橐浴鄰?qiáng)化的多相合金。圖a)為固溶強(qiáng)化合金；；圖b)、c)為’相強(qiáng)化變形合金；d)、e)、f)為鑄造合金組織。對(duì)于固溶強(qiáng)化合金，隨著合金強(qiáng)度的提高，合金強(qiáng)化元素的飽和度不斷提高，在長(zhǎng)期時(shí)效后會(huì)有新相析出。以金屬間化合物強(qiáng)化的合金，隨合金強(qiáng)度的提高，’相強(qiáng)化的變化包括：’強(qiáng)化相數(shù)量由約10%增加到60~70%；’相形態(tài)由球形逐步變?yōu)榱⒎叫?，尺寸逐步變粗，’相組成中也會(huì)含有更多的難熔元素。隨著合金化程度的進(jìn)一步提高，組織中會(huì)出現(xiàn)（’+’’）共晶相。第十四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六四、鈷基高溫合金

鈷是我國(guó)的稀缺元素，因此，限制發(fā)展和使用鈷基合金。但由于鈷基合金具有熱腐蝕抗力、熱疲勞抗力和高的機(jī)械疲勞強(qiáng)度，在國(guó)外還是得到了廣泛應(yīng)用。它主要用于溫度高、熱沖擊大、應(yīng)力低、燃?xì)飧g嚴(yán)重的場(chǎng)合，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片，特別是工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和艦船燃?xì)廨啓C(jī)的一級(jí)獲二級(jí)導(dǎo)向葉片。

鈷基合金中包含有復(fù)雜的元素，如鎳、鉻、鉭、鈮、鎢、鉬、碳、鋯、鑭等。鈷基合金的主要強(qiáng)化手段是碳化物，其次是固溶強(qiáng)化。因此，鈷基合金中含碳量較高。鎳是穩(wěn)定基體的元素，鈮、鎢、鉬、碳、鋯是固溶強(qiáng)化元素，也是碳化物形成元素。Cr固溶于基體，提供良好抗熱腐蝕和抗氧化能力，同時(shí)形成強(qiáng)化相。

鈷基合金的組織是基體加上各類碳化物，碳化物是強(qiáng)化相。鈷基合金硬度較高、難于進(jìn)行切削加工和壓力加工。航空上多以鑄造成型來生產(chǎn)此類合金的渦輪葉片或?qū)蛉~片，大部分為鑄態(tài)使用，不進(jìn)行熱處理。第十五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六第六節(jié)、鑄鐵

鑄鐵是碳量大于2.11%，并含有一定量Si、Mn及少量S、P等雜質(zhì)的鐵碳合金。鑄鐵是重要的機(jī)械制造材料之一，一般在農(nóng)業(yè)機(jī)械中鑄鐵約占40%以上的比例，在汽車、拖拉機(jī)等中可占50%左右的比例，而在機(jī)床中占到50%以上。一、鑄鐵的性能

和鋼相比，鑄鐵具有下列性能特點(diǎn)：

1、優(yōu)良的鑄造性能鑄鐵含碳量高（2.5%~4.0%），成分接近共晶點(diǎn)，熔點(diǎn)比鋼低得多，所以流動(dòng)性好、收縮量小，可簡(jiǎn)化鑄造工藝和減少鑄件的內(nèi)應(yīng)力，易于鑄造形狀復(fù)雜、薄壁的鑄件。

2、良好的切削加工性由于鑄鐵中的碳大部分是石墨形態(tài)存在的，石墨易使切削脆斷，同時(shí)石墨本身的潤(rùn)滑作用也減輕了刀具的磨損，從而提高了切削加工性。第十六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六3、優(yōu)良的耐磨性和消震性鑄鐵中有石墨存在，利于潤(rùn)滑和儲(chǔ)油，同時(shí)可以通過調(diào)整化學(xué)成分和冷卻速度來提高其耐磨性。鑄鐵的消震能力特別強(qiáng)。所謂消震性是指金屬將震動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿囊环N能力。鑄鐵組織中石墨片愈多，愈粗大，消震性越好。4、機(jī)械性能低鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、尤其是塑性較低。鑄鐵中石墨的強(qiáng)度和塑性與鋼相比幾乎為零，因此可將鑄鐵看作是布滿空洞的鋼。當(dāng)鑄鐵與鋼的基體組織相同時(shí)，則石墨的尺寸越大，形狀越接近片狀，且數(shù)量越多時(shí)，則基體遭受割裂的程度越嚴(yán)重，其抗拉強(qiáng)度和塑性則越低，如灰口鑄鐵。

5、灰口鑄鐵在600℃以上反復(fù)加熱時(shí)，會(huì)出現(xiàn)所謂的“長(zhǎng)大”現(xiàn)象，即體積不斷增大的現(xiàn)象。這是由于灰口鑄鐵在600℃以上反復(fù)加熱時(shí)，組織中的滲碳體發(fā)生石墨化易伴生體積增大（石墨的比容比滲碳體大3.5倍）。同時(shí)，在反復(fù)加熱和冷卻過程中石墨片會(huì)產(chǎn)生裂縫，氣體沿裂縫進(jìn)入內(nèi)部，使Si等氧化，形成SiO2等氧化物而使體積增大。鑄鐵一旦發(fā)生長(zhǎng)大，其機(jī)械性能急劇下降，并產(chǎn)生龜裂和翹曲。第十七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六二、鑄鐵的組織鑄鐵組織基本上是由鋼的基體和石墨所組成。鑄鐵中石墨的形成過程稱為石墨化過程。石墨化程度不同，將具備不同的性能。影響鑄鐵石墨化的因素很多，其中以化學(xué)成分和冷卻速度的影響最顯著。

1、化學(xué)成分對(duì)石墨化的影響鑄鐵中凡是含有削弱原子結(jié)合力或者是增加鐵原子自擴(kuò)散能力的元素，都可促進(jìn)石墨化；反之，則阻礙石墨化。因此，鑄鐵中常見合金元素，按其對(duì)石墨化的影響程度，分為促進(jìn)石墨化元素和阻礙石墨化元素兩類。在常見的合金元素——Al、C、Si、Ti、Ni、Cu、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、Mo、S、Cr、V、Fe、Mg、Ce、B中，Nb對(duì)鑄鐵的石墨化呈中性，Nb的右邊為阻礙石墨化元素，Nb的左邊為促進(jìn)石墨化元素。第十八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六

鑄鐵中最常見的五大元素C、Si、Mn、P、S，其中以C、Si含量最多，對(duì)石墨化影響最大。因Si與Fe原子的結(jié)合力很強(qiáng)，并溶于鐵，削弱了鐵碳原子間的結(jié)合力，同時(shí)Si在滲碳體中具有分解滲碳體的能力，使之形成游離的碳，從而促進(jìn)了石墨化。碳是形成石墨化的主要元素，鑄鐵中含碳量愈高，鐵水中的碳增加，越容易形成石墨晶核，促進(jìn)了石墨化。所以鑄鐵中C、Si含量越多，越易于獲得具有較多石墨的灰口鑄鐵；反之，則易于獲得白口鑄鐵。

2、冷卻速度對(duì)石墨化的影響當(dāng)鑄件的化學(xué)成分一定時(shí)，鑄件從共晶溫度下降到低于共析溫度期間的冷卻速度，是決定鑄鐵組織和石墨化的因素。當(dāng)快速冷卻時(shí)，石墨來不及析出，會(huì)得到白口鑄鐵；反之，會(huì)得到粗大石墨的灰口鑄鐵。第十九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期六三、常用的鑄鐵

工業(yè)常用的鑄鐵可分為：灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和合金鑄鐵等。

1、灰口鑄鐵

灰口鑄鐵的組織是由片狀石墨和鋼基體組成。按其基體的不同，可分為鐵素體灰口鑄鐵、鐵素體-珠光體灰口鑄鐵、以及珠光體灰口鑄鐵。如圖3-14所示。其中，以珠光體灰口鑄鐵的性能最好。石墨片的粗細(xì)也直接影響鑄鐵的性能，具有粗大片狀石墨的灰口鑄鐵，其機(jī)械性能顯著下降。若在鑄鐵的石墨化過程中，加入少量促進(jìn)石墨化元素（如在澆注前的鐵水中加入少量硅鐵、硅鈣等孕育劑）進(jìn)行孕育處理，則可獲得細(xì)片狀石墨的的灰口鑄鐵，叫做孕育鑄鐵，其機(jī)械性能得到顯著改善。我國(guó)灰鑄鐵的牌號(hào)表示方法：“HT”