高镍奥氏体铸铁

}i 高 镍 ；奥 氏 体 铸 铁 ’黔 陈 沾 纬 【内容提要】 高镶奥氏体道里量垫是一种 麟 腐蚀的重要工程材料，在国外已得封 广泛应用。本文介绍 了它的成分、性能、组织与相变、应用范围以及新的研究动向。 高镍铸铁 (含 Ki13 以上 )是一 种 很 有发展前途的材料，它具有良好的综台机械 性能与工艺性能，在塑性、抗蚀、抗氧化、 耐热、抗裂、减振等方面，是其他材料不可 比拟的。 高镍铸铁是1925~1930年美国首先研制 成功的，但直到6O年代这种材斟 还 鲜 为 人 知。1970年以后这种铸铁 的生产应用不断发 展 ，美国产量最高，1978年为2．3万 t，第 二位灼是联邦德国，而且后者的年产量在 以 3～ 4年翻一番的的速度发展。 高镍奥氏体铸铁虽然含有大量的镍和其 他贵重金属，但因采用这种铸铁可节省能源 和材料消耗，提高铸件合格率，反而能降低 成本，所以目前越来越多的厂家着手开发高 镍奥氏体铸铁。 目前，这种铸铁 的生产工艺 日趋完善，零件质量和可靠性不断提高，应 用越来越广， 已列入许多国家和国际化 组织的标准 (ISO2692)。 1．成分与性能 在奥 氏体铸铁已有的基本合金元素基础 上，研制了含镍、镍铬、镍铬硅、镍锰和镍 锰铜等的多种铸铁。 高镍奥 氏体铸铁起初都是片状石墨，近 来开始生产孕育处理的球墨铸铁，使强度提 高一倍，延伸率则提高得更多。 在这里将联邦德国DIN1694中某些牌号 高镍奥氏体球墨铸铁的化学成分、机械性能 和物理性能归纳于下表。 元 素 音 量 ( ) d5 A@ -100 铸 铁牌 号 HB Sj Ni MPa MPa s／o皿0 K一1 H／ <3 2～3 兰 I 12～l4 一 390～ 210～ l5～18 140～ 一 120～ 7．30 18．2 ．12B 47D 26D 150 IS0 18～22 l～1．5 370～ 210～ 7～20 112～ l4～27 14D～ 7．40 18．7 ．131 48D 2S0 130 2O0 18 ～ Z2 2．5～ 3．5 390～ 21D～ 7～ l5 l12～ l2 150～ 7．45 18．7 ．132 50 0 2B0 133 255 18～ 22 l～ 2．5 370～ 21 D～ l0～ 18 — — 180～ 7．35 18．0 一 440 260 230 21～ 24 一 37D～ i70～ 20～ 4D 85～ 21～ 33 130n 7．蛐 l8．4 ．128 d50 25D II2 170 Ni2DC r2 < 3 1．5～ 3 ~ 4．5 22～ 24 一 4l0～ 210～ 25～ 45 I20～ 24～ ¨ 15D～ 7．45 14．7 ．128 Nj20Ct3 < 3 l-5～ 3 Ni2DCf2SiS < 3 d-5～ 5．5 Ni22 < 3 l～ 3 N；23Mn● < 2．6 1．5～ 2．5 480 24D 140 180 洼。①各牌号俦铁音 P≤0．08 ，@A为捶锤 最大能1294 J冲击时，缺口豫 2 mm宽 lOmm~样断裂所消耗的功 @ 为20～200℃温度医向的线膨雕系数，国 P为796A／m场强下列定的导磁率。 高镍奥氏体铸铁通过氰化物而添加某些 元素将使冲击韧性显著提高，特 别 是 加 入 0．1～O．2 的铌最有效，能使冲击韧性提高 26 、 50~ 70 。 Ni22具有很高的耐寒性，适 宜 在 一8O℃ 的低温下工作。而 Ni23Mn4与Ni3O即使 在 维普资讯 http://www.cqvip.com 一 196。C也能工作。Ni23Ma4是 专为低温应 用而研制的，与其他牌号高镍奥 氏体铸铁卡Ⅱ 比，在常温和低温均保持最佳韧性。 Ni23Cu3经1050℃ ×4 h正火 后，能 获 得 强 度 和 塑 性 的 良好 配 台： =480～ 500M Pa、 0 2=215~ 225M Pa，8= 30~ 50 。 采用两次冷处理及随后 720。C×2 h时 效 处 理，能使其强度 =600~800MPa， 当 6= 15～30 时 HB=170~230。 高镍奥氏体铸铁可采用 一196~C冷处理， 再经700。C×1 h奥氏体回火以及最终化学热 处理的综合方法强化。这种处理方法可使铸 铁在 N ：2×10 次循环时的疲劳强度 从1 65 MPa提 高至200MPa。 高镍奥 氏体球墨铸铁的某些物理性能如 表所示。铸铁传热系数平均为12．6W／m-K。 热膨胀系数 取决于镍，铜、锰 和 硅 的 含 量， a值随着硅的添加而提高，加铬时几乎 不变。含Ni35 时 n最小，而含Ni20 时 最大。热嘭胀系数间接影响铸铁的耐腐蚀性 与抗氧化性，当热膨胀系数低时，耐蚀性与 抗氧化性就高，反之亦然。 高镍奥 氏体铸铁具有 良好的耐热冲击能 力，但其导热性比非台金铸铁低得多。球状石 墨铸铁的电阻率 p比片状石墨铸铁更低 (分 别为1．O与1．1～1．6Wo·m)。在20~425℃区 间备种高镍铸铁的 P为0．4×10～。 高镍奥氏体铸铁 的导磁率 取决于化学 成分、组织及表面状态。导磁率 照 小 的 是 Ntl3M7 热处理可使铸铁的导磁率 稍有 降 低。 2．组织与相变 镍是基本合金元素，它能使铸铁获得高 塑性的奥氏体基体 但是镍对马氏体转变起 始点Mu有一定影响，当含 Nil0~20 时， 镍每增加1 ，M 就降低10~C。为了使铸态 高镍铸铁获得i00 的奥氏体组织，其 含 镍 量不得低于17 ，如采用1050℃ ×4 h均 匀 化退火处理，可使含镍量降至14．5 。 强化奥氏体的元素有锰和铬，当锰、铬 含量增加到3．5～4．0 时，能 使 M 降至 一 169℃。在含 Ni20 的铸铁中添 加 3．7 左 右的铬会使奥 氏体稳定，铝也有这种作用， 每添加1 的钼约使均匀化处理铸铁的Mn下 降25℃。但上述元素都是很强的形成碳化物 元素，高镍奥氏体铸铁添加这些元素超过1％ 时会形成共晶莱氏体，而降低韧性和塑性， 这时必须在高镍奥氏体铸铁中加入 由稀土金 届与碱土金属组成的高效复合孕育剂，并在 90O～1050：C进行高温处理。 硅是最强烈的石墨化元素，对奥氏体的 稳定性具有很大影响，其影响程度取决于铸 铁的镍、碳含量及退火温度。 高镍奥氏体铸铁中加铜能提高奥氏体的 稳定性。 3．高温性能和耐蚀性 高镍奥氏体铸铁的高温性能主要取决于 石墨的形态。当石墨为球状时，氧化仅在表 面进行，而片状石墨铸铁的氧化过程扩展到 材料内部。添加硅、铬能显著降 低 氧 化 速 度，镍则可形成与表面牢固结合的氧化皮， 防止继续氧化。 这种铸铁零件尺寸的高温稳定性取决于 零件的组织稳定性与抗氧化 性，通 过 热 处 理、加入镍、铬金属可以提高零件尺寸稳定 性。 在较高温度下，含 SiS 的高镍奥氏 体 铸铁的抗氧化性优于含 Si2 的高镍奥氏 体 铸铁。前者的含镍量从20 增至30％时，能 显著提高加热至 中温时的组织稳定性和高温 抗氧化性。在含 Ni25 的奥 氏体铸铁 中加入 0．8 M。可提高组织稳定性，但抗氧化性 却 低于 Ni20Si5。 对于高温条件下工作的零部件，建议采 用 NI30Ct3Si3Mo类铸铁，它不仅耐久强度 高，而且加热时尺寸变化倾向低。 高镍奥氏体铸铁的耐蚀性取决于镍，铬 与铜的含量，这时铸铁表面不能形成像耐蚀 27 维普资讯 http://www.cqvip.com 钢那样的钝化层，因为钝化所需要添加的铬 量会导致 白口。 含Cu0．2 的钢和非台金铸铁在海洋 大 气中的腐蚀速度分别为0．02与 0．Olmm／a， 而含Ni15~30 的高镍铸铁为 0．O03mm／a。 高镍奥氏体铸铁在平静海水中的腐蚀速度与 锡青铜BPO!A10—2相近 (O．02～O．06mm／a)。 在以2m／s流速的海水中，高镍奥氏体 铸 铁 的耐蚀性是锡青铜的 3倍，是非台金铸铁与 钢 的 5～ 6倍。在中速及高速(大于 40m／~) 的海水中这类铸铁与上述材料相比，具有更 大的优越性。 高镍奥 氏体铸铁在碱液 中的使用寿命明 显超过非台金钢和普通铸铁，在硫酸中的腐 蚀取决于硫酸浓度，通风条件、流动速度及 温度。它在浓度低于2O 及高于80 的静止 硫酸中仅有微弱的腐蚀，在20~80 浓度的 硫酸中腐蚀较大。 高镍铸铁NiI5Cu6CrMa2零件在含硫化 氢的石油中的耐蚀性，是CrlSNi10Ti与Cr12 NiMnSiMo零件的1O倍，是青铜的 100倍。 这种铸铁在磷酸钠、甲醇、熟石灰水溶液等 介质中均有较长的使用寿命。 4．使 用范围 随着技术的发展，对这类铸铁的需求越 来越多，例如：化工设备、石油与天然气的 开采设备、发动机、压缩机、水利工程、海 水淡化设备、动力工程 (包括核 能)、电 机 工程、船舶工业、食 品工业等。 高镍奥氏体铸铁用于制造水工，水力设 备零件，不论是淡水还是海水，低压或高压 都很合适。联邦德国用 Ni20Cr2生产海水淡 化设备的循环泵壳体，重达10 t，生产率为 5000m。／h。现在已生产 每 昼 夜 处 理 淡 水 4Mm。以上的海水淡化设备。 美国和 日本每年生产近 300万台汽车增 压涡轮压缩机，机体及管道 用 Ni30Cr2Si5 高镍奥氏体铸铁制造，每年生产这类铸件重 量超过7000t。 28 在美国普罗维登斯市建筑的防暴风雨大 坝，其中装入五台直径4m的大功率 水 泵， 用于排出潮水。这些水泵用 NiI3Cu7Cr3铸 铁制造，设计的服役期限为50年，现已可靠 地工作了15年，投发生过故障。 船舶制造业习惯采用铜台金制造附件及 水泵。高镍奥氏体铸铁由于具有 良好的耐蚀 性，并且价格较低， 已在造船工业 中应用。 不久前，法国、 比利时与荷兰着手共同建造 排水量为500 t的扫雷艇，其大部分 设 备均 用无磁性Ni20Cr2铸铁制造。用于船舶发 动 机试验的液压制动器壳体就是大型高镍奥氏 体铸铁件，其重量达25 t (≠3．66m)与54 t (≠5．2m)，这些铸件是埃森市格鲁 巴公 司 生产 的。 5．新的研究动向 高镍奥氏体铸铁的研究工作仍在继续进 行。近年来，苏、美、日、法和联邦德国等 国家有许多新成分高镍奥氏体铸铁获得专利 权，应用范围更加广泛。其中有延伸率高达 60 的Ni20Cu2Al类铸铁|含 Ni33～44 、 Bi≤0．01 的热膨胀数系 低 的 铸 铁， = 680MPa、 ¨ =350MPa，6=25 的 高 强 度弥散铸铁’用于制造铝铁双金属铸件的线 胀系数高 (2×10 K )的Ni7Ma3Cu5类 铸铁。 汽车发动机气门与气门座应选用以Ni20 Cr2M。2为基础，补加氮，钒，钴的奥 氏 体 铸铁。这种气门及气门座因氧化与磨损而减 轻的重量仅为常规材料 的1／7～1／5。用于排 气管 的高镍铸 铁 为 Ni35Cr20Ma19Cu2B。 为了提高耐热性和防止高铜相剥落，建议添 加<5％的锡。 制造涡轮压缩机体的高镍铸铁成分为t C 2～3．7％ 、 Si1．5～7 、 Ma3~15 、 Nif8～35 、Crl~3 ，这种铸 铁具 有 高 耐热性、热冲击强度和高温疲劳强度。 (参考资料 略) 维普资讯 http://www.cqvip.com