談談鑄鐵的生長及耐熱鑄鐵

在高溫下工作的鑄鐵件，其尺寸發(fā)生的不可逆膨脹現(xiàn)象即所謂的生長。生長不僅使鑄鐵失去強度，甚至會破壞與之接觸的其它構件。鑄鐵的生長在CO/CO2氣氛中最嚴重，其次是空氣中，在真空和氫氣氣氛中也會發(fā)生少量的生長。

鑄鐵組織中的碳化物（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）在高溫下發(fā)生分解，析出二次石墨。二次石墨會使鑄件出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的體積膨脹。據(jù)測算，碳化物每分解出1%的碳，鑄件體積大約增加2.0~2.4%，鑄件外形尺寸相應增大。

① 低于相變溫度的生長：又稱低溫生長發(fā)生在400-600℃范圍內(nèi)，生長機制是珠光體分解為鐵素體和石墨。石墨的析出是體積膨脹的過程。理論上，1%的化合物碳轉(zhuǎn)變?yōu)槭潴w積要增大2.4%左右，而鐵素體的析出則使鑄件力學性能下降。因此鑄鐵的低溫生長與珠光體的分解密切相關。溫度越高，越接近相變溫度，鑄鐵的生長量越大，同樣珠光體的穩(wěn)定性越差，珠光體的分解量越大，鑄鐵的生長量也越大。

② 在相變溫度范圍內(nèi)的生長：如果鑄鐵將在相變溫度范圍內(nèi)生長，并不斷通過相變溫度范圍，使鑄鐵周期性發(fā)生相變，會導致相當大的災難性生長。鑄鐵在加熱時，α轉(zhuǎn)變?yōu)?gamma;，由于石墨不斷溶于γ內(nèi)，在原石墨處就會留下微觀空洞，隨著溫度的升高，溶入的石墨越來越多，留下的微觀空洞也就越多；而在冷卻過程中γ又不斷地析出石墨，此石墨沿原空洞處析出的可能性很小，結(jié)果再次造成因石墨析出而發(fā)生的體積膨脹。這種膨脹是不可逆的。

③ 高于相變溫度的生長：高于相變溫度時，氧化將會非常嚴重，氧化導致的鑄鐵不可逆體積增大將占主導地位。

引起鑄鐵生長的原因

① 內(nèi)氧化。氧滲入金屬內(nèi)部，發(fā)生內(nèi)氧化。由于氧化物的體積大于金屬本身，故引起鑄件體積的不可逆膨脹。氧滲入的通道是氧化膜中金屬與石墨邊界的微裂紋，金屬中的孔隙，石墨燒損后的空洞等。當反復加熱與冷卻到相變點時，由于相變應力使石墨和金屬之間產(chǎn)生微裂紋，內(nèi)氧化加劇，此時的生長特別劇烈。

② 滲碳體分解。高溫下滲碳體分解形成石墨，體積增大。

③ 循環(huán)相變。加熱時石墨溶于奧氏體中，冷卻時石墨又從奧氏體中析出。每一次加熱冷卻循環(huán)中不斷地產(chǎn)生微小裂隙，使鑄件體積增大，同時相變應力也會促使鑄件體積增大。

④ 氣氛中碳沉積。在CO/CO2氣氛中工作的鑄鐵件，生長特別劇烈。這是因為CO=CO2+C的反應中，不斷有碳沉積在石墨上，使體積增大，基體產(chǎn)生微裂紋，氧更容易進入內(nèi)部氧化所致。

鑒于鑄鐵的生長原因，為防止或減少鑄鐵的生長，可采取以下措施：

① 加入硅、鉻、鋁等合金元素，提高鑄鐵的抗氧化性。

② 加入合金元素穩(wěn)定珠光體，提高珠光體分解溫度。如加入少量的鉻、錳或微量的錫等元素以穩(wěn)定珠光體，提高滲碳體分解溫度，提高抗生長性能。

③ 加入合金元素提高或降低共析相變點。

④ 減少珠光體及自由滲碳體的含量。采用加強孕育、合金化、熱處理等工藝手段消除或減少珠光體和滲碳體的含量，可以減少由于它們分解造成的生長。

⑤ 減少石墨含量，改善石墨形態(tài)。

耐熱鑄鐵

國標GB/T9437-2009中規(guī)定了各類耐熱鑄鐵的化學成分及室溫力學性能。詳情請自行參閱相關標準。耐熱鑄鐵可以分幾大類：

① 硅系耐熱鑄鐵；

② 鋁系耐熱鑄鐵；

③ 鉻系耐熱鑄鐵；

④ 其它耐熱鑄鐵：添加鉬等合金元素，及高鎳奧氏體球墨鑄鐵等。

鑄鐵在高溫下長時間使用，表面會氧化形成氧化膜。而且氧化膜隨著時間的延長而增厚。鑄鐵在高溫條件下長時間使用，還會產(chǎn)生另一種獨特的現(xiàn)象，鑄件的體積會產(chǎn)生不可逆的增大。這種現(xiàn)象稱之為鑄鐵的生長。生長的過程還伴隨力學性能的急劇下降，氧化和生長最終導致鑄件的失效。一般的球墨鑄鐵并無熱強性，在600℃以上時，抗拉強度已經(jīng)很低，斷后伸長率則有明顯增加。

鑄鐵的耐熱性主要是指其抗氧化能力和抗生長能力。鑄鐵的耐熱溫度是指鑄鐵經(jīng)150h加熱后的生長小于0.2%，平均氧化速度小于0.5g/（m2.h）的溫度。

同許多金屬材料一樣，鑄鐵的金屬基體在高溫氧化氣氛下會發(fā)生氧化。鑄鐵的氧化是金屬基體氧化和石墨氧化燒損的共同結(jié)果，而且兩種氧化是相互影響的。它不僅取決于化學成分，而且與石墨形態(tài)、石墨數(shù)量等因素密切相關。

非合金灰鑄鐵的氧化膜結(jié)構如圖示，從表面向內(nèi)的氧化物依次是：Fe2O3，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)eO+（FeO）2SiO2，它們被稱為外氧化層；緊接著氧化層有一層內(nèi)氧化層，它是由氧通過氧化膜及石墨片進入內(nèi)部而形成的。其中，石墨片中的碳已經(jīng)被燒損，為FeO+SiO2+MnO所填充，其周圍也被這些氧化物所包圍。內(nèi)氧化層由于強烈脫碳而變成鐵素體，故也稱脫碳層。再向中心則為完全沒有氧化的完好層。普通鑄鐵的氧化膜以鐵的氧化物為主，其特點是氧化物的容積與合金元素的容積比值小于1，所形成的氧化物膜不致密，不能起到保護內(nèi)部金屬進一步氧化的作用。因而，氧化過程得以持續(xù)進行，所形成的氧化膜會不斷增厚。

非合金球墨鑄鐵的氧化膜結(jié)構類似于灰鑄鐵。但在同樣的氧化條件下，氧化膜較灰鑄鐵的薄，特別是內(nèi)氧化層薄得更多，只有鄰近鑄件的表面的石墨球才會發(fā)生氧化，其內(nèi)部為FeO填充。硅、錳等元素在石墨球邊緣富集，硅的質(zhì)量分數(shù)可達6.8%?？拷砻嬗幸粚颖〉拿撎紝樱w組織也轉(zhuǎn)變成鐵素體。

影響鑄鐵抗氧化性的主要因素：

鑄鐵的抗氧化性與化學成分，石墨形態(tài)，石墨數(shù)量、基體組織等因素密切相關。其中，前兩者的影響最為顯著。

灰鑄鐵中的石墨呈片狀，共晶團內(nèi)連在一起，共晶團之間也基本相連，它成為氧進入金屬內(nèi)部的通道，固氧化速度很快，特別是內(nèi)氧化發(fā)展迅速；球墨鑄鐵中的石墨是孤立的，沒有這樣的通道，故內(nèi)氧化速度明顯降低；蠕墨鑄鐵中的石墨在共晶團內(nèi)連在一起，但共晶團之間互不相連，它的氧化速度介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。

不同珠光體含量的基體組織對鑄鐵的氧化速度及生長率的影響不同，珠光體含量對鑄鐵的抗氧化性影響不顯著，但對生長率有明顯影響，基本呈正比關系。

通過加入合金元素可改變氧化膜的結(jié)構，改善其致密性，增強氧化膜的保護作用，以提高鑄鐵的抗氧化性能。

在鑄鐵中加入某些合金元素時，鑄鐵的氧化膜組成及結(jié)構發(fā)生變化，即在原來的FeO層內(nèi)形成富合金元素的、致密的尖晶石或橄欖石等復雜化合物。如果加入的合金元素數(shù)量足夠，這些復雜化合物呈連續(xù)分布，金屬離子及氧離子很難通過它們進行擴散，此時氧化膜就具有良好的保護作用，鑄鐵的抗氧化能力就顯著加強。這時氧化膜很薄，一般分兩層，即內(nèi)部的FeO+Fe.M.O層和外部的FeO層，稱為雙層氧化膜。