铸造合金及其熔炼---第4章 特种性能铸铁课件

第四章 特种性能铸铁,第一节 减摩铸铁 第二节 冷硬铸铁 第三节 抗磨铸铁 第四节 耐热铸铁 第五节 耐蚀铸铁,第一节 减摩铸铁,1、定义：摩擦系数小、磨损少、抗咬合性好 2、影响磨损因素：成分、组织、性能、条件 （润滑、载荷、速度、表面质量） 3、现有磨损机理 图4-1 4、我们研究：成分、组织、性能 5、减摩组织特征： 软基体、硬质点,一、G对铸铁减摩性的影响,1、G：固体润滑剂 形成G润滑膜 图4-2 吸附保存润滑油 空穴存油 2、影响形成润滑膜的因素 基体 太硬不易形膜 G形状 片状好 球不易形膜 G大小 小,不易成膜 。 但，大 对基体不利 综合 蠕虫状好,二、基体组织对减摩铸铁的影响,理论 越硬越耐磨，但，不易形膜，综合 P 最好，细小P最好。 在轻微磨损下，B下最好，M次之，P最差 严重磨损时，都差不多,三、常用减摩铸铁,普通灰铁、球铁即是，例如 机床、活塞环 （一）含磷铸铁 原理：二元、三元磷共晶断续网状分布（硬质 点）提高耐磨性 图4-3 一般含磷0.40.7% 特点：流动性好，提高3050% 表4-2 铸造应力大（P降低导热性、磷共晶膨 胀、磷共晶与基体导热系数不同） 应用：机床导轨、气缸套、摩阻零件（刹车瓦）,（二）钒钛铸铁 成分： V： 0.30.5%， Ti：0.150.35% 原理：V、Ti与C、N形成化合物硬质点 细化晶粒（P、G）F少 表4-3 应用：机床导轨、活塞环、 缸套（加Cu、B）,（三）硼铸铁 成分：0.030.08% 原理：形成硼碳化物，偏析在晶界 网状分 布，含磷时，形成磷硼碳化物， 硬度更高（B阻遏石墨化） 应用：气缸套、活塞环 表4-4,第二节 冷硬铸铁,组织：外层 白口，内层 灰口，中间 麻口 性能：外硬、内韧 应用：摩擦磨损、磨料磨损 一、化学成分、组织特点 激冷层硬度、深度是冷硬铸铁的关键， 1、成分：C、Si C调整硬度 （C多，渗碳体多） Si调整深度 （ Si多，深度浅）石墨化,合金元素： 增加白口深度W、Mn、Mo、Cr、V（最强） 减小白口深度C、Si、Ti、Ni、Cu、Co、P（最弱）（Ti有问题） 影响硬度C、Nb、P、Mn、Cr、Mo、V、Si （最弱） 影响麻口：C、S、P 减小麻口 Cr、Al、Mn、V增加麻口 2、组织 白口层：普通冷硬铸铁（P+Fe3C） 低合金冷硬铸铁（S+B上+Fe3C） 高合金铸铁（B+M少量+Fe3C） 麻口层：白口（与上相同）+G,二、冷硬铸铁的获得与性能特征,1、获得：成分、工艺 控制 工艺： 激冷 金属型 复合铸造 双金属铸铁 影响激冷层工艺因素： （1）炉料性质 炉料白口多，铸件白口多 （2）熔炼工艺 铁液温度，过热温度越高，静置时间越长，白口越多（形核能力降低）。 浇铸温度越低，白口越多。 （3）铸型工艺 冷铁厚度：壁厚大， 冷铁厚度大 一般 冷铁厚度/铸件厚度 1：2-4,成分：碳、硅减少白口层，但不能太少，碳少硬度不够。 图4-5，图4-6 合金元素 图4-9 2、性能：白口硬度高，但脆性大 麻口硬度低，但韧性好 图4-8，图4-9 三、冷硬铸铁的应用 主要应用于各种轧辊 （耐磨，白口，强度要求高，麻口） 轧辊的生产方法：一体铸造，溢流铸造， 离心铸造 图4-10、11、12,第三节 抗磨铸铁,1、定义：抵抗磨料磨损 相对耐磨性=标准磨损/试样磨损 2、耐磨原理： 磨料磨损 磨料对金属刮削 金属硬度、磨料硬度、外加力 相对耐磨性 与金属硬度、磨粒硬度的关系 Ha/Hm 0.71.1 耐磨性最好 图4-14 0.71.1 耐磨性开始变差 1.11.3 耐磨性不变 0.71.1， 1.31.7 增加硬度无意义。因此，单纯提高硬度，对铸铁而言，不能提高耐磨性，硬度高，脆性大，反而降低耐磨性。,一、普通白口铁 1、成分：高C低Si，Si1%,Mn1% 一般不含或少量的合金元素 2、组织：P+Fe3C Ld 3、性能：脆性大、耐磨性差 4、应用：铧犁，磨粉机的磨片导板,二、镍硬白口铁,1、成分：在普通白口铁中 加入一定量的镍46%，铬2-8%， 2、组织：M+A 3、性能： 提高硬度韧性 4、应用：轧辊，球磨机，杂质泵 镍短缺昂贵元素，尽量少用，我国少用。,三、铬系白口铁,1、铬的作用 提高淬透性，稳定奥氏体 改变共晶碳化物类型，铬量不同，可得 M3C、M7C3、M23C6 硬质相，提高硬度， M7C3硬度最高 表4-14 M3C网状分布， M7C3、M23C6条状或条块状形貌 图4-19、20,（一）、低铬白口铁,1、成分：在普通白口铁的基础上加入少量的铬元素Cr=15% 2、组织性能：形成(Fe,Cr)3C提高硬度，提高韧性（原渗碳体是蜂窝状,对基体割裂） (Fe,Cr)3C形态，部分网状和板条状 3、应用：球磨机,（二）中铬白口铁,1、成分：Cr=711% 2、组织： M3C、M7C3混合物 3、性能：与镍硬铸铁相近，介于低铬和高铬之间 表4-16 4、应用：取代镍硬铸铁,（三）、高铬白口铸铁,1、成分： Cr=1228% （1）Cr、C重要元素，影响形成M7C3 的数量 碳化物数量=12.33（%C）+0.55（%Cr）-15.2 C：一般调节碳量调节 M7C3 的数量 Cr/C：影响M7C3相对数量，一般大于5能获得大部分，高铬还能提高淬透性 图4-22,（2）Mo、Mn、Cu提高淬透性 Mo：提高淬透性（融入A中），提高硬度 （Mo2C） Cu：提高淬透性，降低Ms线，2%左右 Mn：提高淬透性，提高硬度(Fe, Mn)3C ， 降低Ms线，和Mo共同作用，提高淬透 性更大。1% 常用： 15 Cr -3 Mo，15 Cr -3 Mo-1 Cu ， 20 Cr -2 Mo-1 Cu,2、组织： 基体（F、A、P、M）+M7C3 M7C3 （六角形杆状及板条状） 组织韧性好,3、铸造工艺 1）充分补缩（与铸钢相同） 2）浇铸系统按灰铁计算 各断面面积增加2030%即可 3）不适宜用冲天炉熔炼（铬烧损） 4）浇铸温度不要太高，比液相线高55即可,4、热处理 特点： 有二次碳化物的析出和溶入（基体过多地融入了碳及合金元素，加热时，易析出，温度再高，又溶入。） 二次碳化物的析出，提高Ms线，获得M多，减少残余A。但，使C曲线左移，降低淬透性。 淬火温度随铬量的增大而增大 5、性能 强度硬度高，韧性好，（奥氏体、马氏体） 取决于基体和M7C3 M7C3规则排列强度可达3100MP,6、应用 球磨机，输送煤灰管道，工业杂质泵 表4-23,第四节 耐热铸铁,铸铁高温缺陷： 生长、氧化、机械性能下降 1、定义：抗高温氧化生长、具有高温强度、硬度的铸铁。 2、分类：Si、Al、Cr耐热铸铁。 3、耐热分级：稳定性，表4-24,一、铸铁高温氧化,（一）氧化过程 氧化产物的存在形式： 570 Fe3O4Fe2O3 570 FeO-Fe3O4 Fe2O3 高温氧化三步骤： 1）氧原子在铁表面形成化学吸附， 2）受Fe-O化学反应控制的氧化过程，氧的供给超过反应速度， 1000 例外。 3）受扩散速度控制的氧化过程，氧化膜增厚，供氧量不足。,（二）影响铁氧化的因素,氧化膜性质、合金元素、基体、G特征 1、氧化膜性质的影响（是否完整） 1）氧化膜是否完整，决定是否继续氧化。 用PB比考察：=VMO2/VM 1膜完整，有保护性 1膜不完整，没有保护性 但当1膜易破裂，也不具保护性，实践证明，稍大于1最好，表4-25 2）氧化膜的导电性 氧化膜导电有离子组成，离子扩散增大氧化 综合前两项，铝、硅、铬最好，氧化铁导电性好。,2、合金元素 合金元素抗氧化的条件： 1）氧化物PB比大于1，低的导电性 2）与氧的亲和力大于铁 3）元素的氧化物与铁的氧化物互不溶解 稀土氧化物也很好，可以抗高温氧化 3、铸铁组织对氧化的影响 G形状 QTRuTHT G大小，晶粒细，不利于内部氧化，,二、铸铁高温下生长,1、低于相变温度的生长（400-600 ） PF+G 膨胀生长 措施：1）获得铁素体基体铸铁 2）加入稳定P组织的元素，Cr、Sn等 2、在相变温度范围的生长 F A G溶入A中 A F A析出G，没回原位，形成空洞，生长 措施：提高相变温度、降低使用温度。 3、高于相变温度的生长 氧化增重,三、常用耐热铸铁,（一）中硅耐热铸铁 1、耐热原理：形成氧化膜SiO2、形成单一F基体 提高相变温度。表4-29 2、成分、组织 Si：56%，C：2.22.6%图4-28、29 F+G（片状、球状）球状好 3、铸造工艺特点：流动性好、线收缩大（C少） 铁液易氧化、铁液易产生G漂浮 4、应用：锅炉。,（二）含铝耐热铸铁,1、耐热原理： 形成氧化膜Al2O3、形成单一F基体、 提高相变温度。 2、成分、组织 Al：26%（低），1626%（高） 图4-30 F+G+铁铝化合物 硬度高、耐热 3、工艺特点： 熔制困难：Al密度小，偏析、氧化，烧损大、易产生G漂浮。高铝流动性好，但氧化膜阻遏流动性。 4、应用：加热炉底板，换热器等,（三）含铬耐热铸铁,1、耐热原理 形成保护膜、 无G（高Cr，同抗磨白口铁） 2、应用 高炉、焦炉、烧结炉 具有较高的高温强度、硬度、耐磨性,第五节 耐腐蚀铸铁,1、腐蚀： 化学、电化学、机械、生物腐蚀等，电化学腐蚀最严重 图4-31 2、提高耐蚀途径： 形成保护膜、形成单相组织、提高基体的电极电位。 3、方法: 加入合金元素， 加入量：（固溶体中） 塔曼定律，1/8、2/811/8 表4-31 质量百分数 原子份数,一、高硅耐蚀铸铁,1、成分：Si 14.418%，图4-32、33 2、组织：F+G+硅铁化合物（脆性） 3、性能：硬、脆，耐酸腐蚀，不耐碱、氢氟酸、氟化物 加稀土、铜，可提高韧性 4、应用： 耐酸铸件,二、含铝耐蚀铸铁,1、成分：Al=46%（高了，脆性大） 2、组织：P+F+G+Fe3Al（少量） 3、性能：耐碱蚀、耐热性好 4、应用：化工泵、叶片,三、高铬耐蚀铸铁,1、成分：Cr=24-35%，C量要低 图4-34 图4-35、36 要求： Cr10C+12.5% 2、组织：F+A+（Fe、Cr）3C 3、性能：耐氧化性酸，盐酸，力学性能好 4、应用：砂泵、矿浆泵等,四、高镍耐蚀铸铁,1、成分：Ni=13.5-36% 表4-33 2、组织：A+G 3、性能：抗换原性腐蚀介质的腐蚀 4、应用：耐碱蚀元件 总之：要看工况条件（酸、碱）决定选哪种铸铁耐蚀。没有适合所有条件的材料。,