耐熱鑄鐵技術(shù)的選擇與發(fā)展

0u3000eb60-65耐熱鑄鐵件的修訂耐熱鑄鐵是行業(yè)中廣泛使用的專用鑄鐵。1961年我國(guó)的《GO106-61耐熱鑄鐵件技術(shù)條件》首先對(duì)耐熱鑄鐵提出了技術(shù)要求。1965年,以《ГОСТ7769-55》和《GO106-61》為基礎(chǔ)制定了一機(jī)部標(biāo)準(zhǔn)《JB640-65耐熱鑄鐵件分類及技術(shù)條件》。1980年機(jī)械部下達(dá)修訂《JB640-65》的任務(wù),確定以《ГОСТ7769-75》并結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況,修訂為《GB9437-88耐熱鑄鐵件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),1999年修訂為《GB/T9437-1999耐熱鑄鐵件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),使用范圍推廣到機(jī)械、冶金、石油、化工和輕工等部門(mén)。下面探討目前國(guó)內(nèi)耐熱鑄鐵的生產(chǎn)、特性、選擇和使用方法,以及存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)。1按預(yù)熱溫度選擇鑄造工藝耐熱鑄鐵的特征參數(shù)很多,如:抗生長(zhǎng)、抗氧化、抗熱沖擊、抗高溫……,設(shè)計(jì)者選擇時(shí)往往不知所措。正確的方法是,首先按耐熱溫度選擇(如表1),然后再考慮室溫和高溫承載能力,最后才是制造方便、鑄造性能好、成本低、資源豐富……。耐熱鑄鐵的實(shí)際工況很惡劣,而且各工況又不盡相同,所以實(shí)際上耐熱鑄鐵的耐熱溫度根據(jù)工況不同而有分散性,選擇時(shí)要選溫差范圍小的(如圖1)。2高溫機(jī)械性能考慮耐熱鑄鐵的質(zhì)量,以中頻爐生產(chǎn)最佳(如表2)。驗(yàn)收時(shí),考慮試樣加工的困難。可以按表3的順序驗(yàn)收。耐熱鑄鐵的化學(xué)成分是檢驗(yàn)指標(biāo),其中合金元素是必檢項(xiàng)目,其它元素作配料參考。耐熱鑄鐵的室溫機(jī)械性能除RQTA14Si4、RQTA15Si5、RTCr16和RQTA122之外,是必檢項(xiàng)目,此4種材料硬度很高,加工困難,應(yīng)與需方協(xié)商解決。耐熱鑄鐵的高溫性能,一般不做,大量定貨,可不定期檢測(cè)。耐熱鑄鐵的金相組織,主要考核球化率,其它組織不是必檢項(xiàng)目,RTSi5要控制珠光體含量。3中國(guó)的抗熱鐵設(shè)備3.1耐熱硅鐵rtsi5、rtsi4、rtsi5和rtsi4mo1u2004鑄造性能隨cr此種材料是歷史最悠久的一種片狀石墨中硅鑄鐵,隨含硅量的增加室溫機(jī)械性能下降,含Si>6.5%時(shí)急劇下降。但碳、硅總量是個(gè)恒值,如果Si高,則C就會(huì)排出,這一點(diǎn)要特別注意。RTSi5中加入0.5%～1.0%Cr時(shí),將使鑄鐵石墨細(xì)化和基體致密,改善耐熱性能,對(duì)鑄鐵有利,同時(shí)也可提高鑄鐵強(qiáng)度70%～80%,而鑄造性能幾乎不變。當(dāng)含Cr>1.0%時(shí),強(qiáng)烈惡化鑄造性能。當(dāng)加入1.5%Cr時(shí),鑄鐵的耐熱性有些改善,當(dāng)加入2.0%～2.5%Cr時(shí),增加薄壁件形成裂紋的傾向,當(dāng)加入5%以上的Cr時(shí),鑄鐵具有碳化物相,最強(qiáng)烈的改善耐熱性,當(dāng)加入17%Cr時(shí),鑄鐵的耐熱性幾乎提高10～15倍,加Cr以后,雖然總的趨勢(shì)是提高了室溫和高溫強(qiáng)度,但鑄鐵卻變得脆和硬(加入5%Cr時(shí),HB=315;加入17%Cr時(shí),HB=555),不能機(jī)械加工。加Ni和Cu的影響,與加Cr相同,加入量不大時(shí)(0.5%～2.5%),具有很好的耐熱性,且明顯改善加工性能。加入3%以下Mn時(shí),本質(zhì)上不影響鑄鐵的耐熱性,但提高強(qiáng)度性能,硬度增加到HB=285～300,基本上不影響機(jī)械加工性能,當(dāng)加入4.5%～6.0%Mn時(shí),可提高一些耐熱性,但開(kāi)始出現(xiàn)馬氏體,使機(jī)加困難,并惡化鑄造性能。加2%～4%Al,流動(dòng)性提高,加入>4%Al時(shí),鑄件易生成石墨泡疏松,降低球鐵的機(jī)械性能。2硅球鐵金相組織與性能的關(guān)系RQTSi4和RQTSi5的強(qiáng)度和塑性都比RTSi5大,室溫強(qiáng)度是RTSi5的2.6～4.6倍;700～800℃的高溫強(qiáng)度是RTSi5鑄鐵的1.6～1.8倍。球墨的存在,能充分利用基體的塑性,800℃中RQTSi4的δ5≥7%,RTSi5的δ5卻為2.3%。中硅球鐵化學(xué)成分和機(jī)械性能的關(guān)系,如下:RQTSi4(83爐次):σb=39.44-3.74C+6.86Si+0.21Mn-56.18S+21.05Xt+74.36MgRQTSi5(114爐次):σb=127.04-2.71C-9.12Si-26.86Mn-147.57Xt+174.93Mg中硅球鐵金相組織與性能的關(guān)系,如下:RQTSi4(75塊試樣):當(dāng)珠光體為0時(shí),球化率:Ds為89%～55%,室溫σb為63～50(N/mm2);球化率:Ds為78%～55%,氧化速度為0.6537～0.7076(g/m2h);球化率:Ds為78%～55%,高溫σb為58～60(N/mm2);球化率:Ds為78%～55%,生長(zhǎng)率為0.037%～0.071%由此可知Ds對(duì)室溫σb影響較大,對(duì)抗生長(zhǎng)和抗氧化略有影響;對(duì)高溫σb沒(méi)有影響,只要球化率不是太低,對(duì)高溫性能的影響不顯著。當(dāng)球化率Ds為66%時(shí):珠光體含量為5%～55%時(shí),氧化速度為0.7348～0.7328g/m2h珠光體含量為5%～55%時(shí),生長(zhǎng)率為0.091%～0.217%珠光體含量為5%～55%時(shí),高溫σb為63～56N/mm2由此可知珠光含量,只對(duì)生長(zhǎng)率有較大影響,對(duì)氧化速度和高溫σb幾乎沒(méi)影響。中硅球體的珠光體含量與Si、Mn關(guān)系(如下表4)。3用其他材料制作的熱爐爐排放系統(tǒng)具有比RQTSi4和RQTSi5高的室溫和高溫強(qiáng)度,高的熱疲勞性能。加Mo<0.2%時(shí),作用不明顯;加Mo>1%時(shí),提高持久及蠕變強(qiáng)度較緩,過(guò)高的Mo使鑄鐵出現(xiàn)碳化物;加0.3%～0.7%Mo,細(xì)化晶粒,增加石墨球數(shù)和強(qiáng)化鐵素體,提高室溫及高溫σb。鞍鋼機(jī)修總廠做了大量系統(tǒng)的研究。戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所,用它做增壓器渦輪殼體材料。太原重型機(jī)械集團(tuán)公司,用它做步進(jìn)式熱處理爐定位板,使用壽命是RuT300定位板的2.4～3.0倍,含Si量提高到4.9%～5.3%,稍加≤0.15%Cr。湖南大學(xué),用它做鏈條爐爐排代替KT350-10,具有良好的高低溫性能,含Si量提高到5.4%～5.8%,并加入0.7%～0.9%Mo、0.3%～0.5%Cu。華中科技大學(xué),用它做排氣管,并加入0.7%～1.0%Mo、≤0.60%Ni、≤0.22%Ti,制成中硅鉬蠕鐵。3.2鉻系抗熱鑄鐵rtcg、rtcg2、rtcg16和高鉻鑄鐵1rtcr2的強(qiáng)度RTCr和RTCr2是在普通的灰鑄鐵中加入些Si、Cr而熔制的耐熱鑄鐵。室溫時(shí)RTCr和RTCr2的強(qiáng)度差不變,甚至RTCr2的強(qiáng)度還要低于RTCr,這是因?yàn)镾i高的原因;可是當(dāng)>500℃時(shí),由于RTCr2中Si、Cr含量高些,所以強(qiáng)度就高于RTCr了。RTCr3也屬于低鉻耐熱鑄鐵,由于含Cr更高(2.01%～3.00%),其抗拉強(qiáng)度與RTCr、RTCr2相當(dāng),硬度高(HB=228～364),不但耐熱還抗磨,但加工性能差。2抗磨和高溫條件下的鑄件鉻系耐熱鑄鐵的耐熱性,隨著含Cr量的增加而提高,同時(shí)在含碳量提高到2.5%～3.5%時(shí),對(duì)耐熱性具有有利的影響,特別時(shí)在抗磨和高溫條件下工作的鑄鐵。RTCr16是國(guó)際耐熱鑄鐵中唯一的只能在電爐熔煉的材料,將它作為耐熱材料,但更用于高溫下的抗磨材料,并具有抗高濃度無(wú)機(jī)酸腐蝕的能力,所以它的耐熱溫度分散范圍小,特別具有抗溫度驟變的能力,在使用中不易產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋。3碳化學(xué)成分及高溫哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司在山東黃臺(tái)、深圳媽灣、吉林雙遼和內(nèi)蒙古元寶山等大型電站鍋爐上采用RTCr25,壽命達(dá)6年,又抗磨又耐熱,高溫強(qiáng)度如表5。北京冶金設(shè)備研究院等研制的高鉻合金篦條,在寶鋼、首鋼和宣鋼等的燒結(jié)機(jī)篦條上采用,壽命為3年,化學(xué)成分如表6。鉻系耐熱鑄鐵,提高含碳量有利于在抗磨條件下的耐熱性;提高含硅量會(huì)增加抗氧化能力,但卻降低了高溫強(qiáng)度,降低了熱穩(wěn)定性,所以含Si量一般不超過(guò)4%。3.3鋁系抗熱鑄鐵qta14si5、qta15si5、qta122鋁系耐熱鑄鐵,隨含Al量的增加,耐熱性也不斷增加,但使用范圍不大,這是因?yàn)闆](méi)有滿意的加工性能,具有最低的機(jī)械性能和很大的脆性。1鋁硅的球化及對(duì)環(huán)境的影響它們耐熱性良好,兼有中硅球鐵和高鉻球鐵的一些特點(diǎn)RQTA14Si4適于在900℃,RQTA15Si5適于在1050℃下輕載荷的耐熱件。硅對(duì)室溫機(jī)械性能及組織的影響:隨著含硅量的增加,σb下降;當(dāng)Si>5%時(shí),下降明顯加快。鋁含量在5%左右,硅在6%時(shí)球化效果最好,硅在5%時(shí)球化較好,硅<5%時(shí)球化率很難達(dá)到一級(jí)。當(dāng)Si<4%,Al=4%～5%時(shí),均出現(xiàn)少量的珠光體;Si=3.5%時(shí),珠光體數(shù)量不超過(guò)20%。鋁對(duì)室溫機(jī)械性能及組織的影響:當(dāng)含硅量一定時(shí),隨著含鋁量的增加,σb下降,ak下降,HB增加;但σb下降的幅度是隨含硅量的提高而減少,這說(shuō)明Si的影響比Al大;當(dāng)Al>5%～6%時(shí),σb下降幅度大些;Al為6%、Si為5%時(shí),σb≤200(N/mm2)。由于Al-Si球鐵延伸率較低,所以Al對(duì)延伸率的影響不明顯。當(dāng)Si≤3.0%時(shí),隨著含鋁量的增加,球化率下降。若Al>6%時(shí),會(huì)出現(xiàn)大量碳化物。當(dāng)Si>3.5%時(shí),石墨球化明顯改善,約含有5%～15%的珠光體,抑制鋁形成碳化物。鋁硅總量對(duì)室溫機(jī)械性能及組織的影響:隨著鋁硅總量的提高,σb下降,當(dāng)鋁硅總量>10%時(shí),σb明顯下降。相同的鋁硅總量,隨著含硅量的提高,σb下降。由于硅對(duì)σb的下降影響比鋁強(qiáng),所以應(yīng)盡量選擇硅低于鋁的成分,但鋁含量也不能很高,否則會(huì)出現(xiàn)大量的珠光體和碳化物。2添加總稀土al當(dāng)含19～25%Al時(shí),鑄鐵處于Al-Fe-C系組織圖的第二個(gè)石墨化區(qū),具有最優(yōu)良的抗氧化能力,耐熱溫度達(dá)1100℃,有較高的室溫及高溫強(qiáng)度,但抗溫度驟變性差,高溫沖擊值低。碳高有利于石墨球化,所以C≥1.6%;但過(guò)高的含碳量會(huì)產(chǎn)生石墨飄浮;硅過(guò)高引起脆性,硅不能大于2%。鋁是影響鑄鐵性能的主要元素,在加稀土?xí)r,當(dāng)Al<21%,會(huì)出現(xiàn)ε相(Fe3AICx),若20%Al,ε相最小。當(dāng)Al>24%,會(huì)出現(xiàn)Al4C3,為針狀,惡化韌性。稀土過(guò)量,會(huì)出現(xiàn)大量的ε相及Al4C3相,加入量為0.3%。3.4多元合金抗熱塑鐵1%3.4%16%16%16.4%5個(gè)月的爐排5個(gè)月的8C2.5%～3.0%、Si1.3%～2.0%、Mn≤0.5%、P≤0.06%、S≤0.03%、Al12%～16%、Cr4%～6%、Mo0.2%～0.4%、Xt0.02%～0.04%、Mg0.03%～0.05%,此材料作爐排,在1000℃其壽命是中硅球鐵(壽命4～5個(gè)月)爐排的8倍。2%2.5%、mn0.7%、p0.7.4.7%、s0.4.0.3%.C≤2.4%、Si7.5%～8.5%、Cr2.0%～2.5%、Mn≤0.7%、P≤0.040%、S≤0.030%。在1040℃恒溫和25℃?1150℃周期性的環(huán)境下長(zhǎng)期工作,壽命為5個(gè)月,成本很低,用沖天爐可以生產(chǎn)。3高溫高溫鐵其成分為:Cr4%～5%、Al5%～7%,高溫性能好,可滿足1000℃高溫氧化氣氛的使用要求,與中硅球鐵和高鋁球鐵相比,使用壽命顯著提高。4i-cr4-cr從ak值的變化1.68%～8.88%對(duì)Al-Si-Cr鑄鐵ak值的影響,隨著含Al量的增加,ak值下降,ak由5.3(J/cm2)至2.1(J/cm2)。3.5其他合金元素對(duì)實(shí)際球鐵性能的影響高鎳奧氏體鑄鐵,由于良好的抗熱沖擊,高溫強(qiáng)度和抗蠕變強(qiáng)度,以及良好的耐熱性等,愈來(lái)愈引起國(guó)內(nèi)的重視。又由于它有室溫及高溫下良好的沖擊韌性,能防止脆斷,用它來(lái)代替硅系、硅鋁系和鉻系耐熱鑄鐵是大有可為的。四川聯(lián)合大學(xué)作了合金元素對(duì)奧氏體球鐵高溫性能的影響研究,指出:Mo提高熱強(qiáng)性能顯著,在0%～3%的范圍內(nèi),每增加1%Mo,σb提高近10(N/mm2),同時(shí)σ大大下降;Mo增強(qiáng)氧化皮的附著力而不易剝落,提高抗氧化性;當(dāng)Mo>2%時(shí),使晶粒和碳化物急劇粗化,抗氧化形變差。Cr也提高熱強(qiáng)性,在0%～3%范圍內(nèi),每增加1%Cr,σb提高5(N/mm2),也使σ下降,1%Cr對(duì)抗蠕變性能有利。Si也是提高氧化性的主要元素,Si的作用比Cr大。稀土對(duì)奧氏體球鐵的影響很大,混合輕稀土或鈰對(duì)球化的干擾很大,即使含量相當(dāng)?shù)?也會(huì)出現(xiàn)大量的結(jié)晶狀石墨,Ni-Mg合金是理想的球化劑。FeSiMg10RE7、FeSiMg7RE4都是球化效果很差的球化劑。4鑄鐵企業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀耐熱鑄鐵國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)頒布以來(lái),我國(guó)的耐熱鑄鐵有了本質(zhì)上的飛躍和發(fā)展,在研制開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)應(yīng)用、采購(gòu)驗(yàn)收等方面取得很大的進(jìn)展。其發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)體現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。4.1帶v型槽試樣目前,我國(guó)生產(chǎn)的10種耐熱鑄鐵,其室溫和高溫沖擊韌性是很低的,如表7。沖擊試樣:10mm×10mm×55mm的帶V型槽試樣。隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展,工業(yè)鍋爐向大容量發(fā)展,特別是要求集中供熱后,安裝和運(yùn)行中爐排片大量的脆斷報(bào)廢,在運(yùn)行中必須停爐撤換,造成極大損失,為此用戶寧肯使用高價(jià)的耐熱鋼爐排或進(jìn)口爐排,也不使用國(guó)產(chǎn)的耐熱鑄鐵爐排。所以,提高其沖擊韌性是耐熱鑄鐵的當(dāng)務(wù)之急。4.2國(guó)內(nèi)實(shí)際鑄件鎳系奧氏體鑄鐵,具有很好的耐熱性能、沖擊韌性高、抗熱沖擊、膨脹小的優(yōu)點(diǎn),而且硬度低,容易加工。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都訂有奧氏體鑄鐵標(biāo)準(zhǔn),如:ASTM