（1）耐热铸铁切忌抗氧化、抗生长性能太差

1）为使铸铁具有良好的耐热性能，切忌高温下铸铁的抗氧化性能太差。铸铁的耐热性是指在高温时，铸铁抵抗“氧化”和“生长”的能力。所谓“抗氧化”就是指在高温时，铸铁能抵抗周围气氛腐蚀的能力；而“抗生长”则是指铸铁在高温时，抵抗其体积不可逆长大的能力。耐热铸铁就是指在高温条件下具有一定的抗氧化和抗生长的性能，并能承受一定载荷的铸铁。

耐热铸铁与其他耐热合金相比，由于具有成本低廉，熔制较易等优点，所以在工业中得到广泛应用。但铸铁在高温条件下工作，会发生氧化和生长。其中在高温时受到周围气氛的强烈腐蚀作用，主要是氧化作用，温度愈高，氧化愈剧烈。氧化时，首先在铸件金属表面形成一层氧化薄膜，然后氧原子透过这层薄膜向内部渗透，铁原子由内向外扩散。这层表面氧化膜的性质对铸铁的进一步氧化影响很大。当温度低于570℃时，FeO不稳定，将分解成Fe+Fe₃O₄，氧化产物为紧靠金属基体的Fe₃O₄上覆盖一层很薄的Fe₂O₃；超过570℃时，铁的表面氧化膜的外层是Fe₂O₃和Fe₃O₄，内层是FeO，其厚度比为Fe₂O₃∶Fe₃O₄∶FeO=1∶10∶100，即氧化层主要由FeO组成。这种由FeO组成的氧化膜，由于FeO的晶格不完整，晶格中存在很大的间隙，氧很容易透过它，继续向内层氧化，所以普通铸铁在高温下氧化比较严重。若铸铁中含有某些能形成致密氧化膜的合金元素，就可以有效地阻止氧向内层渗入，从而提高了铸铁的抗氧化性。如硅、铝和铬等元素在铸铁中能形成连续致密的氧化膜，可阻止氧化的继续进行，所以提高了铸铁的抗氧化性。灰铸铁中有大量的石墨片，在高温氧化气氛下会发生燃烧。石墨片越粗大，越连续，数量越多，氧化气氛沿石墨侵入金属基体内部就越严重，氧化过程自然就更加迅速。这使铸件的氧化不但在表面进行，而且迅速地渗入到铸件的内部。而球墨铸铁的石墨是孤立的，因此球状石墨比片状石墨的抗氧化性好；蠕虫状石墨的抗氧化气氛侵入的趋势，则介于球状石墨和片状石墨之间。另外，采用孕育处理，使共晶团及石墨细化；适当降低碳含量，减少石墨数量，以减少氧化通道；表面复合处理，如表面渗铝、铸渗铝、硅等，可在铸铁表面形成富含抗氧化元素的合金层，使在高温下优先形成致密的保护膜，这些均有助提高铸铁的抗氧化性。

表3-68 珠光体或贝氏体球墨铸铁冶金轧辊的化学成分及性能

2）要使耐热铸铁具有良好的耐热性能，切忌其抗生长性太差。铸铁的生长则是指在高温下工作的铸铁件，其尺寸发生的不可逆现象。生长不仅使铸铁失去强度，甚至还会破坏与之接触的其他构件。铸铁的生长在CO/CO2气氛中最严重，其次是在空气中，在真空及氢气氛中也会发生少量生长。关于生长的原因，目前认为有以下几点：

①内氧化：氧渗入金属内部，发生内氧化，由于氧化合物的体积大于金属本身，故引起铸件体积的不可逆膨胀。氧渗入的通道是氧化膜中金属与石墨边界的微裂纹、金属中的微孔隙、石墨烧去后留下的孔洞等。故氧化是生长的主要原因。当反复加热与冷却时，特别是通过相变点时，由于相变应力使石墨与金属之间产生微裂纹，内氧化加剧，此时生长特别剧烈，上题提到的一些提高铸铁抗氧化性措施，均有助防止或减少内氧化。

②渗碳体分解：高温下渗碳体分解形成石墨，体积增大。其生长机理是在400～600℃范围内，珠光体分解为铁素体和石墨。石墨的析出，是体积膨胀的过程，理论上1%的渗碳体（化合碳）转变成石墨，其体积要增大2.4%；而铁素体的形成则使力学性能下降。因此，铸铁在400～600℃的生长与珠光体分解密切相关，温度越高，越接近相变温度，铸铁的生长量越大；同样，珠光体稳定性差，珠光体分解量越多，铸铁的生长量也越大。为防止或减少由珠光体石墨化所造成的低温生长，其措施有：一是使铸铁在使用温度下全部为铁素体基体，可采用提高硅含量使铸态得到完全铁素体基体，或采用低温石墨化退火处理来获得全部铁素体基体；二是加入增加珠光体稳定性的合金元素或降低硅含量，阻止受热时珠光体的分解，可加入铬、锰或微量的锡、锑等元素以稳定珠光体，从而提高抗生长性能。通常加入0.5%～1.5%的铬足以使珠光体在600℃时难以分解。不过原来为单一铁素体的铸铁，如果再加入这些元素，则反而不利，因为会提高珠光体含量。

③循环相变：铸铁在加热达到相变温度时，石墨不断地溶入奥氏体中，在原石墨处就会留下微观空洞，随温度的提高，溶入的石墨量越多，留下的微观空洞也越多；而在冷却时，石墨又不断地从奥氏体中析出，此石墨沿原空洞处析出的可能性又很小，结果再次造成因石墨析出而发生的体积膨胀。当反复通过相变温度范围时，累积的微观空洞和析出石墨的膨胀量就不断增大，于是造成相当大的体积增加。另外，相变应力也促使生长增加。要防止铸铁在相变温度范围时的灾难性生长，就应该提高和降低铸铁的共析相变点温度，通常加入铝、硅、铬等合金元素可以提高共析相变点温度，而加入足够量的镍、锰等元素，可使共析相变点降到室温以下，从而使铸铁在室温和使用温度范围内不发生相变，提高了铸铁抗生长性能。

④气氛中碳沉积：在CO/CO₂气温下工作的铸铁件，生长特别剧烈。这主要是由于2CO→CO₂+C反应分解出的碳沉积于石墨上，使体积增大，基体产生微裂纹，氧更容易深入内部氧化所致。为此，宜减少石墨含量及改善石墨形态，使之成球状，从而可以减少氧的渗入，降低内氧化，以提高铸铁的抗生长性能。

（2）为便于选用，不可不知耐热铸铁的类别 按照铸铁中抗氧化元素的种类、数量及石墨形态，耐热铸铁可分为如下几类：

1）硅系耐热铸铁：中硅灰铸铁、中硅球墨铸铁、中硅蠕墨铸铁。

2）铝系耐热铸铁：低铝铸铁（w（Al）=2%～4%，包括低铝灰铸铁、低铝球墨铸铁和低铝蠕墨铸铁）、中铝铸铁（w（Al）=5%～9%）和高铝铸铁（w（Al）=20%～24%，包括高铝灰铸铁和高铝球墨铸铁）。

3）铬系耐热铸铁：低铬铸铁（w（Cr）=0.5%～2%）、高铬铸铁（w（Cr）=16%～20%）和w（Cr）=28%～35%两种。

4）其他耐热铸铁：中硅钼球墨铸铁、中硅铬球墨铸铁、中硅铬钼球墨铸铁、铝硅球墨铸铁、铝硅蠕墨铸铁、铝铬铸铁、铝钼球墨铸铁、中硅铬球墨可锻铸铁、高镍奥氏体球墨铸铁等。

（3）获得广泛应用的中硅耐热铸铁，其硅含量不宜太低 硅系耐热铸铁成本低、综合性能及铸造性能较好，所以得到广泛的应用。常用的有w（Si）=3.5%～4.5%（RQTSi4）、w（Si）=4.5%～5.5%（RQTSi5）的球墨铸铁，w（Si）=4.5%～5.5%（RQTSi5）的灰铸铁，含钼的球墨铸铁（RQTSi4Mo），以及w（Si）=4.5%～5.5%的蠕墨铸铁、中硅铬球墨铸铁等，其硅含量在w（Si）=3.5%～5.5%之间。当硅含量较低时，由于硅是强烈促进石墨化的元素，其本身也易氧化，因此反而会降低铸铁的耐热性，尤其当硅氧化时，会使铸铁的生长急剧增大（每氧化1%硅可使体积胀大6%）。但当铸铁中硅的含量增高时，硅的作用发生了根本的变化，不仅促使铸铁形成单一的铁素体基体，消除了珠光体石墨化生长；而且在铸铁表面形成一层完整而致密的含有SiO₂的复杂氧化物保护膜，可阻止氧继续侵入；同时还显著提高了铸铁的共析转变温度，使铸件在工作温度范围内不产生共析相变。所以在铸铁中，随硅含量增加，铸铁的抗氧化和抗生长性都有明显提高（参见图3-49）。但由于中硅铸铁铁素体中溶解了大量过饱和的硅，因此其硬度提高，强度下降，铸铁变脆。其中，中硅灰铸铁由于强度低、脆性大、易脆裂，甚至在运输或安装过程中都有破碎的可能，故只能制造受力较低的耐热零件，如最高使用温度为700～800℃的炉条、煤粉烧嘴、锅炉梳形定位器、二硫化碳反应甑等；中硅球墨铸铁的强度则较高，脆裂倾向较小，其中w（Si）=3.5%～4.5%的，常用于最高使用温度为650～750℃的如玻璃窑烟道闸板、玻璃引上机墙板、炼油炉两端管架等；而w（Si）=4.5%～5.5%的，则可用于最高使用温度为750～900℃的如煤粉烧嘴、炉条、烟道闸门、炼油加热炉中间管架、遮烟板等。中硅蠕墨铸铁则由于有较好的抗热疲劳性，可用于最高温度为700～800℃、温度循环变化或温差较大的场合，如玻璃瓶模具、烧结机护栏板等。

图3-49 硅对灰铸铁和球墨铸铁生长率的影响

注：每一循环保温30min，空冷到150～200℃

（4）铝系耐热铸铁的禁忌(www.daowen.com)

1）铝系耐热铸铁有良好耐热性能，不可不知铝所起的作用，其加入铝的质量分数不可太低，但也不宜过高。在铸铁中加入铝以后，在铸件表面可形成一层比SiO₂更致密的Al₂ O₃保护膜，因而具有更高的抗氧化性，但铝的加入量不能太少，通常必须在4%以上才具有提高耐热性的作用；当含铝5%以上时，铸铁的基体组织成为单一铁素体组织，消除了珠光体分解所造成的体积生长，故抗生长性好；此外铝提高共折相变温度，每增加1%的铝的质量分数，可使共析相变点升高约50℃，如图3-50所示。基于铝的这些作用，导致含铝铸铁具有较高的耐热性。但铝含量也不宜太高，因为铝添加量过多时，铝的相对密度小，加入到铁液中容易产生偏析；同时铝极易氧化，不仅烧损大，而且极易与大气反应生成Al₂O₃膜，浇注时极易带入铸件内部形成夹杂。为解决这一问题，可用添加硅和铬来代替部分铝，组成铝与硅、铝与铬的多元合金化耐热铸铁，既可减少合金元素的总使用量，降低成本，又可明显提高铸铁的抗氧化和抗生长性能。

2）铝含量不同，对铸铁的石墨化作用也会明显不同，耐热性也有明显差异。要获得高的耐热性，铝铸铁的铝的质量分数不宜低于20%。铝对石墨化的作用，随铝的质量分数不同而变化。实验研究表明：铸铁中随着铝含量的增多，会出现两个石墨化区及两个白口区和相应的过渡区，如图3-51所示。图中还表示出铁中碳的饱和曲线，随着铝量的提高，铁液中的碳明显下降。图中的组织如表3-69所示。

在图3-51所示的Ⅰ～Ⅲ区，是第一个石墨区，有两种铸铁：即：

①铝的质量分数为2%～3%的低铝铸铁，其基体组织为铁素体加珠光体，对耐热性很少提高，这种铸铁只有少量用于玻璃模具、内燃机排气管及其他薄壁件。

②铝的质量分数为7%～9%的中铝铸铁，其基体组织由称作ε相的铁碳铝化合物Fe₃ AlC_x（式中x≈0.65）加铁素体组成的共析体及铁素体组成，耐热性明显提高，可用于750～900℃下的某些耐热铸件。

图3-50 铝对铸铁共析相变点的影响

1—Ac₃（铸铁加热时的临界共析点的温度的上临界点） 2—Ac₁（加热时共析温度下临界点） 3—Ar₁（铸铁冷却时的临界共析点的温度的下临界点） 4—Ar₃（冷却时共析温度上临界点）

注：其他成分为：w（C）=2.8%、w（Si）=0.8%～1.2%、w（Mn）=0.4%～0.6%、w（P）＜0.1%、w（S）＜0.05%

在图3-51中的Ⅴ～Ⅶ区为第二个石墨化区，是铝的质量分数为20%～24%的高铝铸铁，其组织为铁素体和少量石墨（呈片状、球状或蠕虫状），还会有一些铁碳铝化合物Fe₃AlC_x，这种耐热铸铁具有良好的切削加工性能和耐热性能。常温力学性能不算高，抗拉强度110～170MPa，抗弯强度200～250MPa，挠度2.5～3.0mm，硬度170～200HBW，但高温力学性能下降不多，可用于1000～1100℃下的某些耐热件。这种高铝铸铁，尤其是高铝球墨铸铁，在使用过程中，几乎不氧化，生长量极小（参见表3-70），甚至加热到熔点也不掉皮。

（5）为使铬系耐热铸铁能分别用于600℃、900℃和1000℃的高温工况，不可不相应增加铸铁的铬含量 铬系铸铁也是常用的耐热铸铁。它的使用温度随铬含量的增加而增加。实际应用的有三个品种。即铬的质量分数为0.5%～2.0%的低铬耐热铸铁；铬的质量分数为16%～20%的高铬耐热铸铁及铬的质量分数为25%～35%的高铬耐热铸铁。低铬耐热铸铁是在普通灰铸铁基础上添加少量铬，其金相组织与普通灰铸铁基本相同，为片状石墨加珠光体及自由渗碳体。但少量铬的加入，细化了石墨，提高了珠光体的稳定性，所以能改善铸铁的抗氧化性能和抗生长性能。这种耐热铸铁的使用温度为600～650℃；铬的质量分数为16%～20%的高铬铸铁，其组织中的渗碳体变成（Fe，Cr）₇C₃型碳化物，其金相显微组织是珠光体加（Fe，Cr）₇C₃碳化物或马氏体加残留奥氏体加碳化物，韧性、耐磨性及使用温度均提高，使用温度可达900℃；铬的质量分数为25%～35%的高铬耐热铸铁，形成的是稳定的铁素体加碳化物组织，无相变产生，这对耐热性有利；加上铬的增多，可生成连续的FeO。Cr₂O₃保护膜，更可明显提高耐热性能，因此，这种耐热铸铁的使用温度可达1000～1200℃。表3-71是常用铬系耐热铸铁的抗氧化、抗生长性能。

图3-51 铝铸铁的组织图

1—C_总 2—C石墨

表3-69 铝铸铁的组织

表3-70 铝铸铁的抗生长、抗氧化性能

表3-71 铬系耐热铸铁的抗氧化、抗生长性能