耐热铸铁知识汇总.docx

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：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。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。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。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：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。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。改变石墨形态。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。