球墨铸铁的优异耐热特性及其影响

球墨铸铁的耐热性能是与其在高温时的应用密切相关的。球墨铸铁的耐热性包括抗氧化性、抗生长性和热疲劳性。

（一） 抗氧化性

铸铁在相当高的温度下保持长时间以后，会在表面产生起皮现象，这种起皮是由氧化铁组成。

球墨铸铁中的球状石墨彼此分离，与呈片状石墨的灰铸铁相比，阻碍了氧在高温时的扩散。因此，球墨铸铁的抗氧化性优于灰铸铁。表14-23是球墨铸铁与合金灰铸铁、孕育灰铸铁抗氧化性的比较。图14-17是球墨铸铁与可锻铸铁、灰铸铁抗氧化性的比较。图14-17显示，随保温时间的持续，球墨铸铁具有优良的抗氧化性。

表14-23　球墨铸铁与灰铸铁的抗氧化性的比较

硅可以形成SiO2 保护膜，因而它对基体抗氧化性是极其有效的。图14-18是不同含硅量对铸铁氧化增重的影响。当含硅量w（Si）≥4%时，随时间的推移，氧化增重无明显变化；但是，在含硅量w（Si）≤3．1%时，则随着时间的推移，氧化增重有显著增加。

另外，铸铁的氧化增重还与工作温度有关。

显然，随着工作温度的升高，铸铁氧化增重急剧增加。图14-19是含硅量对球墨铸铁高温 （650～950℃）氧化增重的影响。由图14-19可以得知，经过96h后，含硅量低者与高者相比，可相差数倍。

图14-17　球墨铸铁与可锻铸铁、灰铸铁的抗氧化性比较

1—球墨铸铁，w（Mn）=0．9%；2—球墨铸铁，w（Mn）=2．0%；3—灰铸铁；4—可锻铸铁

（二） 抗生长性

抗生长性是铸铁特有的性能。在高温长时间加热，以及反复地加热与冷却而使体积产生永久性的增加现象，叫作铸铁的生长。同时，即使在不产生裂纹的情况下，其强度也急剧降低。对于钢锭模、炉、炉用底板等工件，这是常见的现象。图14-20是成分为：3．56%C、2．7%Si、0．39%Mn、基体为珠光体组织的普通铸铁，在400～900℃之间反复加热—冷却30次后所得到的热膨胀曲线。这里虽然是普通铸铁，但与球墨铸铁的生长机理是基本相似的。

图14-18　不同含硅量对铸铁氧化增重的影响

图14-19　含硅量对球墨铸铁高温（650～950℃）氧化增重的影响

由图14-20可以看出，铸铁由400℃加热至900℃时发生α→γ相变；并且，在温度低于α→γ相变温度、在α→γ的相变温度范围和温度高于α→γ相变温度时，在铸铁中均会发生不同程度的长大。对此，现进行分述。

1．低于相变α→γ温度的低温生长

此时，珠光体中的渗碳体分解，即Fe3C→3Fe+C （石墨），1%的Fe3C分解，铸铁的体积增加2．4%。

2．在α→γ相变温度范围内的生长

（1）珠光体发生分解。

（2）石墨的不断溶入和析出，造成微观孔洞，特别是对于片状石墨，因高温且有氧化性的气体沿石墨片侵入基体，一方面是使石墨氧化，变成CO （CO2）气体，沿石墨片逸出；另一方面则是基体的被氧化。

（3）由于石墨和金属基体的热膨胀系数不同（石墨为7．9×10-6，铁素体为12．5×10-6），在其边界会形成空隙 （裂纹），由此侵入高温氧化性的气体，因而就更促进了铸铁的生长。(www.xing528.com)

3．高于相变α→γ温度的生长

此时，发生氧化和相变生长两者的叠加。

为了防止铸铁的生长，一般采取如下的措施：

（1）设法使铸铁中的石墨细小、基体组织致密。

图14-20　铸铁在400～900℃反复加热—冷却的热膨胀曲线

（2）附加稳定碳化物（渗碳体）的元素：Cr、Mn、Mo、V等，防止珠光体分解。

（3）附加提高α→γ相变温度的元素：Si、Cr。

（4）采用球墨铸铁，石墨呈球形时，其比表面积最小；球墨铸铁具有更高的弹性模量，致使其变形量减小，因而使铸铁的生长现象减弱。

图14-21　球墨铸铁与灰铸铁生长性比较及铬钼的影响

A—未处理的普通灰铸铁；B—灰铸铁A加铬w（Cr）=0．3%；C—与B成分相同的球墨铸铁；D—球墨铸铁C中再加钼w（Mo）=0．45%

图14-21是球墨铸铁与灰铸铁高温生长性比较，以及铬钼对抗生长性的影响。显然，普通、未处理的灰铸铁无论是在450℃，还是在500℃，其抗生长性能是最差的；而附加钼铬球墨铸铁，抗生长性能则是最佳的。

图14-22　A1点以下球墨铸铁的生长

1—铁素体球墨铸铁 （500℃）；2—铁素体球墨铸铁 （550℃）；3—珠光体球墨铸铁 （500℃）；4—珠光体球墨铸铁 （650℃）

铁素体球墨铸铁的高温抗生长性优于珠光体球墨铸铁，见图14-22。在温度为450℃以下时，球墨铸铁中的珠光体稳定存在，但在超过此温度时，珠光体粒状化；如果温度继续升高，则因石墨化引起体积膨胀。显然，具有铁素体基体的球墨铸铁，则具有较低的生长率。并且，在550℃与500℃时，铁素体球墨铸铁与珠光体球墨铸铁差别不大。但是，在更高温度（650℃）时，则差别显著。

（三） 热疲劳性

在工程中，有许多铸件是在反复受热—冷却工况下服役的，如钢锭模、玻璃模具，由于产生交变热应力，经过若干循环次数后，工件表面会出现裂纹，进而导致失效。

图14-23是各种球墨铸铁与蠕墨铸铁、灰铸铁在650℃和20℃之间反复加热、冷却时，在平板试样两孔之间产生热疲劳裂纹循环次数的比较，其试样成分列于表14-24中。由此表明，球墨铸铁，尤其是合金球墨铸铁具有较好的抗热疲劳性能。但由于球墨铸铁比灰铸铁具有较高的弹性模量和较低的热导率，所以，在较激烈的急冷急热条件下，球墨铸铁的抗热疲劳性能将不如灰铸铁。

图14-23　球墨铸铁在650℃和20℃之间反复加热和冷却产生裂纹的次数及其与蠕墨铸铁、灰铸铁的比较

表14-24　图14-23中热疲劳对比试验的铸铁成分 （质量分数，%）

热疲劳性是由基体组织在高温的稳定性、导热能力、石墨形态、弹性模量及高温强度综合作用的结果。与铸件的工况密切相关，例如刹车毂这样的零件，要求刹车后立即把刹车后产生的热量散发出去，此时具有粗大石墨片的灰铸铁会更好些。对于玻璃模具，具有稳定的珠光体组织，则其使用寿命会更长。