特殊铸铁

特殊铸铁(special cast iron)

如耐磨、抗磨、耐热、耐蚀铸铁等。铸铁中常加入的合金元素有铬、铜、钼、钒、钛、钨、锰、硼、磷、镍、硅、铝等。上述锰、硅、磷的含量超过一般铸铁应有含量也视为合金元素。因此特殊铸铁也叫合金铸铁。其应用范围主要在机床、汽车、拖拉机及冶金、矿山和化工机械等方面。

中国结合国内富有资源，如稀土、钛、钼、硼、锰、铜等合金元素，发展了磷系、硼系、硅铝系等合金铸铁。中国耐磨铸铁有磷系铸铁、钒钛系铸铁、稀土系铸铁、铬系铸铁、锑系铸铁和硼系铸铁。抗磨铸铁有普通白口铸铁、抗磨白口铸铁、中锰抗磨球墨铸铁、冷硬铸铁。耐热铸铁一般是含铬、硅、铝合金铸铁或合金球墨铸铁。耐蚀铸铁常见有高硅耐蚀铸铁。

合金铸铁的熔炼，一是熔炼温度要求高，二是成分控制严。因此一般高合金铸铁和要求铁水温度高的铸件必须用电炉或者双联熔炼进行生产。如高铬、高硅、高铝等高合金耐热和耐蚀铸铁。用冲天炉进行熔炼合金铸铁，大多是在普通灰口铸铁、孕育铸铁或球墨铸铁的基础上，从后炉或炉前补加少量的合金元素而获得。这种生产方法，对于低合金铸铁来说，设备投资少，成本低、操作简便，仍然被广泛采用

为了提高铸铁的抗磨性，防止在铸铁中出现石墨组织，向铸铁中添加一定数量的碳化物形成元素铬从而形成了低铬铸铁。低铬铸铁的含铬量通常在(质量分数)2%～5%范围内，为避免出现石墨，硅量应作限制。此外，为了调整低铬铸铁的组织，进一步提高抗磨性，也可向低铬铸铁中添加一定数量的Mo、Cu、Ni等合金元素。

由于铬及其它合金元素的添加量较少，因此低铬铸铁的组织与普通白口铸铁差别不大，图2为含铬量(质量分数)为2%的Fe-C-Cr平衡相图，可见铬的加入并未在相图中增加新的组成相，只是一些特征点的位置相对于不含铬的Fe-C相图发生了一些改变。

与普通白口铸铁相比，低铬白口铸铁的碳化物为含有少量铬的合金渗碳体(Fe、Cr)₃C，维氏硬度也由840～1100HV增加到1000～1230HV。碳化物形貌也略有所改善，而基体组织则根据热处理状态的不同而不同，可以是珠光体、索氏体、马氏体或它们的混合组织，同时可能伴随有少量的奥氏体。随低铬铸铁中含碳量提高，组织中碳化物数量增加，铸铁的硬度略有增加。低铬铸铁的铸态组织通常为共晶碳化物 珠光体。

低铬铸铁的化学成分根据零件使用的工况条件，可作相应的调整。随含碳量增加，低铬铸铁的碳化物数量增加(而且呈网状形态存在于基体中)，硬度提高，韧性降低，冲击较大的使用工况(如直径较大的球磨机等用低铬铸铁铸球)易产生破碎现象，其含碳量应适当降低，图3是低铬铸铁的碳含量与硬度和相对耐磨性的关系。此外，随铬含量的增加，碳化物的形态和分布有所改善，使冲击韧性、硬度以及疲劳抗力和冲击磨损抗磨性有所增加，图4为铬对低铬铸铁性能的影响。

由于组织中大量碳化物的存在，低铬铸铁的韧性与普通白口铸铁相当，但抗磨料磨损的抗磨性比之有较大的提高。因此，低铬铸铁主要应用于球磨机磨球。

低铬铸铁一般采用铸态去应力处理，其基体组织为珠光体，即将铸态铸件在中、低温度保温适当时间以减少应力。为进一步提高低铬铸铁的硬度，亦可进行高温保温一定时间后空冷并低温回火的方式，获得一定数量的马氏体基体组织，此时为提高淬透性可添加一定数量的Mo、Cu或Ni等元素。

低铬铸铁既可用冲天炉熔炼，亦可用电炉熔炼，还可用冲天炉与电炉双联熔炼。但用冲天炉熔炼时应注意控制铁液的含碳量。通常低铬铸铁铁液在炉前采用稀土硅铁进行孕育处理以提高综合性能。稀土元素有改善碳化物形态、细化晶粒、脱氧、脱硫和净化铁液的作用。低铬铸铁在炉前加入质量分数1%左右的稀土硅铁合金，将对改善低铬铸铁的冲击韧性和抗磨性有一定的作用。

低铬铸铁的铸造性能基本与普通白口铁相当，铸造收缩率在1.6%～1.8%之间。

铬铸铁是继普通白口铸铁、镍硬铸铁发展起来的第三代白口铸铁。高铬白口铸铁含铬量大于11%，铬、碳含量比值介于4~8之间。在这种条件下，高硬度的M7C3型碳化物几乎全部代替了M3C型碳化物。M7C3型碳化物基本上是以孤立的中空六角形存在，与呈网状连续分布的M3C型碳化物相比，大大增强了基体的连续性，因而整体材料的韧性显著提高。高铬铸铁已经是世所公认的优良的耐磨材料，在采矿、水泥、电力、筑路机械、耐火材料等方面应用十分广泛。