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谈谈铸铁的生长及耐热铸铁


在高温下工作的铸铁件,其尺寸发生的不可逆膨胀现象即所谓的生长。生长不仅使铸铁失去强度,甚至会破坏与之接触的其它构件。铸铁的生长在CO/CO2气氛中最严重,其次是空气中,在真空和氢气气氛中也会发生少量的生长。

 

铸铁组织中的碳化物(包括先共晶碳化物,共晶碳化物,共析碳化物以及二次碳化物)在高温下发生分解,析出二次石墨。二次石墨会使铸件出现不可逆转的体积膨胀。据测算,碳化物每分解出1%的碳,铸件体积大约增加2.0~2.4%,铸件外形尺寸相应增大。

 

① 低于相变温度的生长:又称低温生长发生在400-600℃范围内,生长机制是珠光体分解为铁素体和石墨。石墨的析出是体积膨胀的过程。理论上,1%的化合物碳转变为石墨,其体积要增大2.4%左右,而铁素体的析出则使铸件力学性能下降。因此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,同样珠光体的稳定性越差,珠光体的分解量越大,铸铁的生长量也越大。

 

② 在相变温度范围内的生长:如果铸铁将在相变温度范围内生长,并不断通过相变温度范围,使铸铁周期性发生相变,会导致相当大的灾难性生长。铸铁在加热时,α转变为γ,由于石墨不断溶于γ内,在原石墨处就会留下微观空洞,随着温度的升高,溶入的石墨越来越多,留下的微观空洞也就越多;而在冷却过程中γ又不断地析出石墨,此石墨沿原空洞处析出的可能性很小,结果再次造成因石墨析出而发生的体积膨胀。这种膨胀是不可逆的。

 

③ 高于相变温度的生长:高于相变温度时,氧化将会非常严重,氧化导致的铸铁不可逆体积增大将占主导地位。

 

 

引起铸铁生长的原因

① 内氧化。氧渗入金属内部,发生内氧化。由于氧化物的体积大于金属本身,故引起铸件体积的不可逆膨胀。氧渗入的通道是氧化膜中金属与石墨边界的微裂纹,金属中的孔隙,石墨烧损后的空洞等。当反复加热与冷却到相变点时,由于相变应力使石墨和金属之间产生微裂纹,内氧化加剧,此时的生长特别剧烈。

 

② 渗碳体分解。高温下渗碳体分解形成石墨,体积增大。

 

 ③ 循环相变。加热时石墨溶于奥氏体中,冷却时石墨又从奥氏体中析出。每一次加热冷却循环中不断地产生微小裂隙,使铸件体积增大,同时相变应力也会促使铸件体积增大。

 

④ 气氛中碳沉积。在CO/CO2气氛中工作的铸铁件,生长特别剧烈。这是因为CO=CO2+C的反应中,不断有碳沉积在石墨上,使体积增大,基体产生微裂纹,氧更容易进入内部氧化所致。

 

 

鉴于铸铁的生长原因,为防止或减少铸铁的生长,可采取以下措施:

 

 ① 加入硅、铬、铝等合金元素,提高铸铁的抗氧化性。

 

② 加入合金元素稳定珠光体,提高珠光体分解温度。如加入少量的铬、锰或微量的锡等元素以稳定珠光体,提高渗碳体分解温度,提高抗生长性能。

 

③ 加入合金元素提高或降低共析相变点。

 

④ 减少珠光体及自由渗碳体的含量。采用加强孕育、合金化、热处理等工艺手段消除或减少珠光体和渗碳体的含量,可以减少由于它们分解造成的生长。

 

⑤ 减少石墨含量,改善石墨形态。

 

 

耐热铸铁

国标GB/T9437-2009中规定了各类耐热铸铁的化学成分及室温力学性能。详情请自行参阅相关标准。耐热铸铁可以分几大类:

 

① 硅系耐热铸铁;

 

② 铝系耐热铸铁;

 

③ 铬系耐热铸铁;

 

④ 其它耐热铸铁:添加钼等合金元素,及高镍奥氏体球墨铸铁等。

 

铸铁在高温下长时间使用,表面会氧化形成氧化膜。而且氧化膜随着时间的延长而增厚。铸铁在高温条件下长时间使用,还会产生另一种独特的现象,铸件的体积会产生不可逆的增大。这种现象称之为铸铁的生长。生长的过程还伴随力学性能的急剧下降,氧化和生长最终导致铸件的失效。一般的球墨铸铁并无热强性,在600℃以上时,抗拉强度已经很低,断后伸长率则有明显增加。

 

铸铁的耐热性主要是指其抗氧化能力和抗生长能力。铸铁的耐热温度是指铸铁经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。

 

同许多金属材料一样,铸铁的金属基体在高温氧化气氛下会发生氧化。铸铁的氧化是金属基体氧化和石墨氧化烧损的共同结果,而且两种氧化是相互影响的。它不仅取决于化学成分,而且与石墨形态、石墨数量等因素密切相关。

 

非合金灰铸铁的氧化膜结构如图示,从表面向内的氧化物依次是:Fe2O3,Fe3O4,FeO+(FeO)2SiO2,它们被称为外氧化层;紧接着氧化层有一层内氧化层,它是由氧通过氧化膜及石墨片进入内部而形成的。其中,石墨片中的碳已经被烧损,为FeO+SiO2+MnO所填充,其周围也被这些氧化物所包围。内氧化层由于强烈脱碳而变成铁素体,故也称脱碳层。再向中心则为完全没有氧化的完好层。普通铸铁的氧化膜以铁的氧化物为主,其特点是氧化物的容积与合金元素的容积比值小于1,所形成的氧化物膜不致密,不能起到保护内部金属进一步氧化的作用。因而,氧化过程得以持续进行,所形成的氧化膜会不断增厚。

 

非合金球墨铸铁的氧化膜结构类似于灰铸铁。但在同样的氧化条件下,氧化膜较灰铸铁的薄,特别是内氧化层薄得更多,只有邻近铸件的表面的石墨球才会发生氧化,其内部为FeO填充。硅、锰等元素在石墨球边缘富集,硅的质量分数可达6.8%。靠近表面有一层薄的脱碳层,基体组织也转变成铁素体。

 

 

影响铸铁抗氧化性的主要因素:

 

铸铁的抗氧化性与化学成分,石墨形态,石墨数量、基体组织等因素密切相关。其中,前两者的影响最为显著。

 

灰铸铁中的石墨呈片状,共晶团内连在一起,共晶团之间也基本相连,它成为氧进入金属内部的通道,固氧化速度很快,特别是内氧化发展迅速;球墨铸铁中的石墨是孤立的,没有这样的通道,故内氧化速度明显降低;蠕墨铸铁中的石墨在共晶团内连在一起,但共晶团之间互不相连,它的氧化速度介于灰铸铁和球墨铸铁之间。

 

不同珠光体含量的基体组织对铸铁的氧化速度及生长率的影响不同,珠光体含量对铸铁的抗氧化性影响不显著,但对生长率有明显影响,基本呈正比关系。

 

通过加入合金元素可改变氧化膜的结构,改善其致密性,增强氧化膜的保护作用,以提高铸铁的抗氧化性能。

 

在铸铁中加入某些合金元素时,铸铁的氧化膜组成及结构发生变化,即在原来的FeO层内形成富合金元素的、致密的尖晶石或橄榄石等复杂化合物。如果加入的合金元素数量足够,这些复杂化合物呈连续分布,金属离子及氧离子很难通过它们进行扩散,此时氧化膜就具有良好的保护作用,铸铁的抗氧化能力就显著加强。这时氧化膜很薄,一般分两层,即内部的FeO+Fe.M.O层和外部的FeO层,称为双层氧化膜。

 

 

合金元素具有保护作用,必须具备以下的条件:

 

① 合金元素氧化物的容积与合金元素的容积比值大于1,以形成连续的氧化膜。但比值不能太大,否则会引起氧化膜层内应力过大,导致裂纹产生甚至脱落。

 

② 合金元素的氧化膜结构致密,电阻率大,金属离子及氧离子不易通过它扩散。

 

 合金元素在铁内有较大的溶解度,以便形成致密复杂化合物。

   

④ 合金元素具有较小的原子半径,较大的扩散速度,以优先扩散至表面形成氧化膜。

 

⑤ 合金元素比铁更容易氧化,优先形成氧化物。生成的合金氧化物高温稳定性好,熔点高。

 

符合上述条件的合金元素有硅、铬、铝等,它们是常用的抗氧化元素。

 

提高铸铁抗氧化性的途径:

 

① 加入合金元素,形成致密的氧化膜,阻止氧化的继续进行,从而提高铸铁的抗氧化性。

 

② 降低碳含量,减少石墨数量,以减少氧化通道,且降低脱碳速度,避 免因脱碳过快生成气体过多造成保护膜的开裂。

 

③ 改变石墨形态。

 

④ 表面复合处理,如使用表面渗铝、铸渗硅铝等工艺可在铸件表面形成富抗氧化元素的合金层,在高温下优先形成致密的氧化膜,从而显著提高铸铁的抗氧化性。

来源:网络