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铁素体球墨铸铁(ferritic nodular cast iron)
基体为铁素体的球墨铸铁(简称球铁),具有一定强度、良好的冲击韧性和塑性,可由铸态或经退火获得。
(1)碳。有利于石墨化和球化,提高碳量有利于发挥材料的韧性。
(2)硅。是强烈促进石墨化的元素,有利于提高韧性,硅的孕育作用能细化共晶团和使磷共晶分散。韧性铁素体球铁的终硅含量一般控制在2.7%以下,如果生铁含锰量≤0.5%、磷≤0.7%,则终硅量可放宽至3.O%左右。
(3)锰。阻碍渗碳体和珠光体的分解。球铁的激冷倾向本已相当高,故对铁素体球铁应控制锰含量,一般应低于0.4%。对用退火生产的韧性铁素体球铁,其含锰量允许在0.6%。
(4)磷。在铸铁中会形成脆相,特别是三元磷共晶或复合磷共晶对韧性危害极大,常采用如下措施以削弱磷的有害作用:提高碳量,采取高碳低硅的成分方案,以阻碍三元磷共晶的析出;强化孕育以细化共晶团,使磷共晶分散;920~980C退火,使三元磷共晶或复合磷共晶转变成二元磷共晶,减少磷共晶的数量,改善球墨形状。采用金属型浇注成麻口,即球墨和莱氏体及渗碳体组织,再经高温退火则可避免产生磷共晶。
(5)硫。其含量过高会使球化不稳定,而且会产生过多的硫化物夹杂,严重影响韧性,故要求原铁水硫量尽可能低,最好铁水采取脱硫措施(见铸铁碳当量和铸铁石墨漂浮)。
热处理 欲保证球铁高韧性,需采用硅、锰、磷和杂质甚少的原生铁,许多国家采用高纯生铁效果很好。中国生铁来源很广,杂质含量较高,铸态韧性不稳定,铁lie所以对性能要求较高的铸件可采用退火的方法生产韧性球铁。
退火方法可根据对铸件质量要求分为高低温两阶段退火和低温退火两种。两者相比,常温冲击值相近且较稳定,低温冲击值略有差别,而前者低温冲击值较高而且波幅较小,因为两阶段退火使组织均匀化,减少了碳化物和晶界元素偏析。铸态组织中渗碳体超过3%时应进行两阶段退火,渗碳体不超过3%、珠光体不超过85%时,应进行低温退火。此外,磷共晶超过1%并且呈三元磷共晶或复合磷共晶存在时,应考虑进行两阶段退火。
高温退火温度要高于共析温度,一般为900~960℃,温度低渗碳体分解太慢,温度过高奥氏体晶粒粗大,甚至晶界氧化。低温退火温度一般在720~750℃。为提高韧性,低温退火温度应尽量接近,但又不低于720C,这样铁素体晶粒较细。中国厂家几种退火规范列于表。
铁素体球墨铸铁(ferritic nodular cast iron)
基体为铁素体的球墨铸铁(简称球铁),具有一定强度、良好的冲击韧性和塑性,可由铸态或经退火获得。
金相组织 石墨的形态和金属基体组织对其韧性有很大的影响。(1)石墨形态的影响。在金属基体组织合格条件下,石墨形状对伸长率和冲击值影响极大:片状石墨严重割裂了金属基体,其尖角处应力集中,因此片状石墨铸铁呈脆性,冲击值很低,强度被大大削弱;而球铁则不同,只要基体组织合格,球化率愈高韧性愈好。(2)基体组织的影响。铁素体球铁的基体组织以铁素体为主,余为珠光体。渗碳体和磷共晶是有害组织,一般分别控制在3%和1%以下。铁素体含量愈高则韧性愈好。珠光体数量增加,则冲击值和伸长率下降。珠光体一般应在10%以下,且为分散存在,这样对韧性影响不大。
化学成分 在适当的孕育工艺条件下,提高碳当量将增加铁素体的含量,因而冲击值、伸长率随之上升,但碳当量过高,易引起石墨漂浮。石墨漂浮还和铸件厚度与冷却速度有关,砂型浇注中等厚度(10~40mm)的铸件,铸态铁素体球铁碳当量取4.4%~4.9%为宜,退火铁素体球铁的碳当量可取4.2%~4.8%,厚大件降低碳当量,薄小件提高碳当量。采用强化孕育工艺也宜降低碳当量。
铸态铁素体基硅钼球墨铸铁的研制
针对铸态铁素体基硅钼球铁的特殊要求,通过设计适宜的化学成分,采用合理的球化孕育工艺及冷却速度等措施进行试验,稳定地获得了珠光体含量≤5%、碳化物≤1%及伸长率≥15%的硅钼球铁,并进行了生产性试验验证。
超低温地铁传动箱用铁素体球墨铸铁的开发
通过调整成分、优化冶炼工艺和热处理工艺,改善球墨铸铁铸态QT400-18的显微组织,进而提高其综合力学性能。分析球墨铸铁组织性能,检测试样热处理后力学性能。结果表明,优化冶炼和热处理工艺后,球墨铸铁QT400-18的组织和力学性能有明显的改善,抗拉强度和伸长率高于牌号标准,硬度135~180 HB,-60℃低温冲击性能达到12 J以上。
铁素体化球墨铸铁是一种对原材料的质量要求较高的铸铁产品。
铁素体球墨铸铁抗拉强度达到495MPa,延伸率达到23%,远高于规定的性能指标要求;而且化学成分、硬度值、金相组织也符合标准要求。 该铸态高韧性铁素体球墨铸铁,要求不经热处理抗拉强度值达到400MPa,延伸率要求高达18%,接近于铸钢的韧性。一般都采用山西产的球墨铸铁专用生铁,但由于生铁价格持续上涨,供求紧张,采购难度大。 为此,该厂技术、管理人员集思广益,决定采用当前铸造行业的新工艺进行试验,该工艺不用生铁,而是全部采用优质废钢,通过增碳、增硅的方法,并采取其它有效措施。经过近10次的试验分析、总结,终于开发生产出了韧性极高、强度好的铁素体球墨铸铁。 目前,该新工艺所生产的产品成本比采用生铁的传统工艺低,而且质量优良、稳定,材料采购方便。材质广泛应用于生产装载机、汽车零件,市场前景良好,并已经有了良好市场。2100433B
传统的铁素体/马氏体钢的工作温度最高只能达到550~600 ℃,氧化物弥散强化(OxideDispersion St rengthened ,ODS) 铁素体钢能将工作温度提高到700 ℃。稳定的纳米氧化物颗粒赋予了材料优异的高温蠕变性能。ODS 铁素体钢具有BCC 晶体结构,在200dpa 的中子辐照条件下仍有非常低的辐照肿胀率。此外,ODS 铁素体钢还具有优异的抗氧化和抗腐蚀性。因此,ODS 铁素体钢可用于快反应堆和国际第Ⅳ代高级反应堆中的包层材料,第一壁材料及高温结构件。ODS 铁素体钢的开发对提高反应堆的热效率、减少环境污染、保证反应堆的安全性和长寿命运行具有重要意义。
合金元素( Fe 、Cr 、Ti 、W、Ta 、C) 满足低活化的要求。Cr含量的确定要综合考虑延性、断裂韧性和耐腐蚀性。W添加的目的是通过固溶强化提高高温强度。同时添加Ti和Y2O3有利于获得纳米尺度的氧化物颗粒,这大大提高了蠕变性能。ODS铁素体钢的制备用得最多的是热挤压工艺:首先在高纯Ar气氛中利用机械合金化(MA)将Y2O3颗粒均匀分散在基体中,然后将合金粉末密闭在低碳钢管中并在1150℃进行热挤压。热挤压后的母管进行多道次的冷轧,在每道次冷轧之间进行中间热处理,最终热处理后得到薄壁的包层管。
ODS 铁素体钢制备的关键有两个:一是获得均匀分布的纳米氧化物颗粒和适量的残余α2Fe ,从而提高蠕变性能;二是热挤压工艺制备薄壁包层管的工艺及改变拉长晶粒形貌以消除材料的各向异性。重点分析Y2O3 颗粒的溶解/ 析出、残余α2Fe 的形成、薄壁包层管制备工程中的中间热处理和改变拉长晶粒形貌的方法 。
奥氏体-铁素体钢
这类钢因扩大γ区和稳定奥氏体元素的作用程度,不足以使钢在常温或很高的温度下具有纯奥氏体组织,因此为奥氏体-铁素体复相状态,其铁素体量也因成分及加热温度不同而可在较大的范围内变化。属于这一类的不锈钢很多,如低碳的18-8铬镍钢,加钛、铌、钼的18-8铬镍钢,特别是在铸钢的组织中均可见到铁素体,此外含铬大于14~15%而碳低于0.2%的铬锰不锈钢(如Cr17Mnll),以及现研究的和已获得应用的大多数铬锰氮不锈钢等。与纯奥氏体不锈钢比较,这类钢的优点很多,如屈服强度较高,抗晶间腐蚀的能力较高,应力腐蚀的敏感性低,焊接时产生热裂纹的倾向小,铸造流动性好等等。缺点是压力加工性能较差,点腐蚀倾向较大,易产生c相脆性,在强磁场作用下表现出弱磁性等。所有这些优点和缺点均来源于组织中的铁素体。