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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G+基体P+少量FP（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。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。基体组织（%）珠光体10090400铁素体01060100滑动磨损(g/cm3)2.29×10-72.99×10-72.01×10-62.73×10-5相对磨损比1.01.38.8119.2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。（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170~250HBS②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160~241HBS③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：WMnMoCrSnVSBTe（最强）减少白口层深度的方向依次为：CSiTiNiCuCoP（最弱）各元素影响白口层硬度的趋势依次为：CNbPMnCrMoVSiAlCuTiS（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。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）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。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%(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M3CM7C3M23C6，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。①低铬白口铸铁成分：含铬量1.0%~5%组织：铸态P+合金渗碳体(Fe,Cr)3C空淬+低温回火M+P+合金渗碳体(Fe,Cr)3C性能：硬度48~52HRC，冲击韧度Qk3~5J/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Cr15Cr20Cr25组织M+(Cr,Fe)7C3+(Fe,Cr)3CM+(Cr,Fe)7C3+少量(Fe,Cr)3CM+少量奥氏体+(Cr,Fe)7C3+(Cr,Fe)23C6性能硬度(HRC)58~646~1056~62冲击韧度(J/cm3)6~10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。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Fe2O3①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γ1时，金属氧化膜具有保护性的必要条件，当γ1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。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γ1时，金属氧化膜具有保护性的必要条件，当γ1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。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γ1时，金属氧化膜具有保护性的必要条件，当γ1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(αγ)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；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。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。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。1、碳2、硅和锰第五章铸铁的熔炼4、磷第五章铸铁的熔炼二、感应电炉熔炼铁液变化规律第五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