[发明专利]一种低合金耐热铸铁及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低合金耐热铸铁及其制备方法。属于耐热金属材料技术领域。

技术背景

耐热铸铁是指可以在高温下使用，其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁。由于铸铁又具有优良的铸造性能和易加工性能、价格便宜、制造方便，因而被广泛用于制造有色金属冶炼用坩埚、玻璃模具、炉篦条、加热炉附件，如炉底板、换热器等等。按主要成分的差异，目前，耐热铸铁主要分为硅系耐热铸铁、铬系耐热铸铁、铝系耐热铸铁以及镍系耐热铸铁。

硅系耐热铸铁生产及使用的成本较低，综合性能和铸造性能较好，但是其最大的难题是其脆性比较大，相关统计表明，中硅耐热铸铁由于脆裂而造成的废品率高达20～50％，这直接导致其经济性能和使用性能受到很大的制约。国内外研究研究成果表明，过量的硅(高于3.3％)溶入铁素体会引起晶格的变形和扭曲，导致内应力过大从而产生所谓的硅脆现象。同时，硅脆往往还伴生着氢脆现象。硅脆和氢脆的交互作用是硅系耐热铸铁脆裂的实质。根据上述理论，要减少硅系耐热铸铁的脆性，就需要降低铸铁中的含硅量，然而，这又将损害铸铁的耐热性。铬系耐热铸铁具有很高的使用温度范围，但是铬的价格高昂，铬元素的大量加入也使得其成本很高。铝系耐热铸铁随着铝含量的增加，其耐热性能也相应升高，但是使用范围不大。这是因为铝系耐热铸铁没有满意的加工性能，具有最低的机械性能和很大的脆性。通常，上述系列的耐热铸铁需要很高的合金化程度，以保证其具有较好的抗氧化性能。但是这也相应带来了自然资源消耗大，生产成本高的问题。

耐热铸铁中所含的各合金元素及其含量对材料的铸造性能、使用性能和经济性具有重要影响。向铸铁中加入足够的铝、硅、铬等元素，使铸件表面形成一层致密的Al₂O₃、SiO₂、CrO₃等氧化膜，这些氧化膜不仅具有很好的热力学稳定性，而且氧化过程中离子在其中的扩散速度也是最慢的，所以能明显提高高温下铸铁材料的抗氧化能力，同时能够使铸铁的基体变为单相铁素体。此外，硅、铝可提高相变点，使其在工作温度下不发生固态相变，可减少由此而产生的体积变化和显微裂纹。铬可形成稳定的碳化物，提高铸铁的热稳定性。同时，一些研究结果认为，当铸铁中的铝含量较低时，其表面所形成的Al₂O₃膜层并不连续，表层氧化皮呈疏松状态，氧化速度仍然较大；当铝含量很低时，甚至会出现内氧化现象，因此低铝含量的铸铁其抗氧化性能不会有明显的提升。但是，从经济性的角度考虑，上述元素的加入量应当越少越好。所以必须综合考虑铝、硅、铬等元素加入量对铸铁的性能和经济成本的影响。

此外，石墨形态对抗氧化性能也很敏感。球化越好，抗氧化性也好。当石墨呈片状时，其在共晶团内相互联结，共晶团之间直接接触，氧直接进入基体内部。因球状石墨是孤立的，没有这样的通道，所以氧化生长率降低。蠕虫状石墨彼此间有金属薄层隔离，碳原子向外扩散及氧原子向内扩散需先经过薄层，氧化生长速度变慢。所以具有球状石墨组织的铸铁其抗氧化性能要好于具有层片状石墨结构的铸铁，而具有蠕虫状石墨的铸铁其抗氧化性能介于二者之间。

马占平等研究了低合金化的Cr-Al-Si系耐热铸铁的氧化行为(马占平，马永庆，关德林，刘莎.铝对耐热铸铁抗氧化性能的影响[J].机械工程材料，1994，18(4)：32-34.)，其研究的一种合金化程度低的耐热铸铁，其化学成分及其质量百分数比为：C：3.05％，Al：2.82％，Si：2.17％，Cr：0.62％，Mn：0.22％，S：0.09％，P：0.09％。该成分耐热铸铁中未含有锶(Sr)元素，抗氧化性能有待改善；上述组分配比的耐热铸铁900℃条件下，55h和150h(外推)平均氧化速率分别为22.367g/m2·h和21.110g/m²·h。

专利CN1213408A公布了两种灰口铁尤其是低硫灰口铁的孕育剂组分，它包括：稀土、锶(Sr)、钙(Ca)、铝(Al)、硅(Si)、铁(Fe)等，其中锶(Sr)含量分别仅为0.5～1.5％、0.7～1.0％，铝(Al)含量分别要求不大于2.0％和0.5％，并且该项发明专利中的耐热铸铁要求包含有稀土组分。总所周知，Sr元素的价格是比较高的，尤其是稀土元素更为昂贵，较多的添加上述组分必然导致铸铁成本的增加。另一方面来说，稀土元素是化学性质非常活泼的物质，很容易氧化失效，其储存和添加的难度都比较大，步骤繁琐，而且生产中在向高温铁水中添加时稀土元素很容易发生严重烧损使造成产品中该组分的实际含量不确定。