第六节　其他类型铸铁材料

铸铁的类型很多，应用范围也不尽相同，这里只介绍笔者参与开发过的部分类型铸铁的工艺特点。主要包括耐碱铸铁材料、农具用铸铁和铁素体球墨铸铁。

一、用于制碱工业的耐碱铸铁材料

我国自20世纪50年代以来用于生产制碱设备的叶轮、泵体和管道的材料多数工厂采用普通灰铸铁。主要是由于当时镍的资源缺乏，而灰铸铁的耐碱蚀性能又比普通铸钢好。但使用寿命一般在20余天，即使少数工厂使用了不锈钢，其使用寿命也不过几个月。由于腐蚀严重，维修更换频繁。耐苛性碱腐蚀的金属材料曾是各国关注的课题。迄今国内外已有的耐碱蚀的各种金属材料多数都是以高镍（Ni>17％～30％）为主要元素，并含有2％铬的钢和铸铁，普通灰铸铁在我国也基本上完全退出了制碱工业。

总而言之，用于耐碱蚀的金属材料趋向于采用高镍中铬铸铁。以经济和使用寿命考虑是较划算的。对比几种材料在同一介质和条件下的腐蚀数据如表3-8所示。

耐碱铸铁的显微组织必须是奥氏体基体A型石墨或球状石墨，允许少许碳化物颗粒。其化学成分力学性能大致可控制在如下范围：C 2.5％～2.8％，Si 2.4％～2.6％，Mn 1.0％～2.0％，Ni 18％～24％，Cr 2.0％～2.4％，S、P均应≤0.1％。适于用感应炉或电弧炉熔化。铁水处理工艺，须根据铸件受力情况采用球化或不球化处理。通常含Ni 20％+Cr 20％的灰铸铁和球墨铸铁的力学性能大体如下：

灰铸铁：硬度140～200MPa，延伸率3％～4％，布氏硬度110～120。

球铁：拉伸强度350～450MPa，延伸率15％～20％，布氏硬度130～160。

总而言之，用于耐碱蚀的金属材料趋向于采用高镍中铬铸铁。从经济和使用寿命角度考虑是较划算的。

二、自磨锐犁生产和沥土犁铧铸铁的生产工艺

众所周知犁铲和犁铧是在农田耕翻土垠时必需的工具。中国农业耕耘耗量巨大。此两种农机配件的工作效速和使用寿命与其本身的材质性能和制造技术有直接关系。自磨锐铸铁犁铲作为插入农田土垠的刀具，经过一段使用时间之后。由于磨损而刃部变钝，刃部变钝则入地阻力增大，影响翻地深度。或需加大力度消耗，自磨锐犁铲不仅刃部不会变钝而且越使用刃部越锋利。不仅延长生产的使用寿命，而且提高了翻地质量，但并不增加产品成本。犁铧耕作时经受土壤的摩擦和潮土中酸性或碱性物质的腐蚀。因而要求其应具有耐磨和耐蚀性能，而且越使用越光滑如镜且不黏潮土（也称沥土），因此也称为犁镜。从铸铁材质上保证了犁铧所需的耐磨性能和耐蚀性，既可沥土又延长了犁铧的使用寿命。其具体生产工艺如下所述。

原料采用铸造生铁（牌号Q-16最好）为主要原料。用高碳锰铁（含锰≥50％）和硅铁（硅75％）调配。必要时掺入废钢以调整碳的含量，铁水熔化后最好化验一次C、Si、Mn的含量。其最佳化学成分为：碳3％，硅2.5％，锰1.2％，磷<0.1％。

生产设备为冲天炉或中频感应炉进行熔化，铁水包要事先烘红热，包底放入稀土镁合金（含镁7％～9％）小粒（ф5～8mm）0.6％（每100kg铁水），按铁水包的容量冲入2/3量的铁水，其余1/3铁水流中带入硅铁1％（铁水质量比），粒度3～5mm。用钢棒搅1min，浇三角试片检查断口（主要看白口深度，以5mm白尖为宜），铁水出炉温度1400℃，不宜太高或太低。造型工艺：潮砂型，下箱在刃口部分放置冷铁，厚度是刃部的2倍。上箱不放冷铁；产品外观刃口背部呈灰口、刃口正面呈白口。其他部位均是灰口。铸铁显微组织为珠光体基体的蠕墨铸铁或球墨铸铁。

三、铁素体球墨铸铁

铁素体球墨铸铁除了具有球墨铸铁的优点外，由于其基本为铁素体，因此除了具有一定强度外，还拥有良好的冲击韧性和塑性，而且铁素体含量越高则韧性越好。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。在适当的孕育工艺条件下，化学成分中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率有关。其具体工艺参数如下所述。

生产原料为生铁，成分：C 4％～4.2％，Si 0.8％～1.3％，Mn 0.06％～0.1％，S 0.02％，P 0.06％；铁水成分：C 3.8％，Si 2.9％～3.1％，Mn≤0.15％，S 0.022％，P 0.04％～0.05％，残余Mg量0.03％～0.032％，RE 0.04％～0.045％；基体组织为铁素体≥95％，石墨球铁率≥97％，且石墨球小而多，以利铁素体生成。上述成分时，≈710～775℃，有利于C的扩散，铁素体化。球化剂为REMgSi合金；孕育剂为硅铁（Si≥75％），1.4％。

上述成分铸铁性能：δ为22％，σ_b为510MPa，HB210，铁素体97％；当加入铜1.2％时，珠光体占基体50％，HB为230，δ为8％，σ_b为750MPa。Cu含量增加，拉伸强度和硬度会提高，塑性会降低，同时珠光体增加，α-Fe相减少。

若要求达到α-Fe占98％～95％，δ≥18％，σ≥400MPa，则化学成分和工艺都需相应改变，如成分为：C 3.8％～3.6％，Si 3％，Mn<0.2％，S≤0.02％，Mg≥0.025％，RE≤0.04％，同时石墨球体积小，数量大，才能保证α-Fe基体，此外要求球化良好和强烈孕育，必要时作两次孕育，同时采用高温浇铸，低温开箱，使在附近缓慢降温，型砂不宜水分太多。

四、白心与黑心可锻铸铁

所谓白心、黑心是根据试样或铸件产品的断口色泽而区分命名的。凡断口呈淡灰白色，有如低碳钢的色泽，称为白心。黑心使断口呈黑色，其所以黑，是因为显微组织中诸多团絮状的石墨吸收了日光，完全没有反射，无论白心还是黑心，可锻铸铁其外缘都可以看到一圈白环，这一圈白环在显微镜下是一圈稀疏的珠光体，其内才是铁素体，白心可锻铸铁之所以断口呈低碳钢的色泽，是因为用脱碳，碳被氧化的结果，在铁素体的基体上，残留极少的石墨点，而黑心可锻铸铁则因在热处理过石墨化而非氧化，以致铁素体基体上存有多量大块的石墨，以上表示两类可锻铸铁的宏观断口和显微镜相的差异。

国外文献都认为“白心可锻铸铁是1720年法国人Reaumur发明的，黑心可锻铸铁是1831年美国人SethBoyden发明的。但中国的考古学者发现早在战国时期，中国已经有了白心和黑心可锻铸铁。白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁的共同点都是铸坯必须完全白口，不允许有一点石墨存在，白心铸坯要求含碳量更低，含硅量也比黑心铸坯更低，尽管如此，二者的铁水流动性仍比铸钢好，故可浇铸成壁厚5mm以下的铸件，而铸钢须浇铸成10mm以上的铸件，但两者的凝固收缩率都比铸钢大，通常铸钢件的缩尺按1.5％～1.6％计，后两类铸件毛坯则须按2％作为缩尺率。”

白心可锻铸坯的热处理温度须比黑心的高50～100℃，并须将铸坯装入退火箱中，用富氧化合物埋封起来，以使碳化铁分解后迅速被氧化，而不集聚成石墨团，因此，白心铸坯的热处理高温阶段也较长，通常60～100h，黑心铸坯的高温退火阶段较短（通常30h左右），而且温度不超过950℃，否则，石墨形状松散不成团状，而损其力学性能，但黑心铸坯须经中等温度（720～650℃），数十个小时进行第二阶段退火，使铸坯中的珠光体完全石墨化，才能得到所要求的显微组织，黑心铸铁的铸坯在退火过程不必装箱密封，可裸列放置炉中即可，两类可锻铸铁在退火过程之后，都须从650℃出炉在空气中冷却，以免发生退火脆性。

白心可锻铸铁的化学成分一般无铬、钨、钒、钛、钼元素，否则很难退火得到完全铁素体基体组织，影响铸件韧性。其热处理时，须将白口铸铁装入焖火罐中，每个铸坯埋在氧化性填料之中，填料为氧化铁（FeO）、赤铁矿粉粒（Fe₂O₃），掺入10％的硅砂（起隔断作用，防止黏成团）混均匀，填满适度捣紧。罐口加盖，用黏土黄泥抹缝密封，叠置于炉底上，炉口密封，炉前使用热电偶测温。

目前我国主要生产黑心可锻铸铁，而黑心可锻铸铁又可分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁，牌号分别用KT和KTZ表示，后面加上两组数字分别表示最低拉伸强度和伸长率，如KT300-6和KTZ600-3等。可锻铸铁可用于形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车、拖拉机的后桥外壳，管接头等。值得注意的是该材质虽然叫做可锻铸铁，其实一般是不可以进行锻造加工的。

五、无限冷硬铸铁轧辊

无限冷硬铸铁轧辊材质介于冷硬铸铁和灰口铸铁之间。与冷硬铸铁相比，其铁水中硅含量较高（含0.7％～1.6％Si），因此无限冷硬铸铁轧辊辊身工作层基体组织内除含有与白口铸铁中相近似数量的碳化物和莱氏体外，还存在均匀分布的石墨。无限冷硬铸铁轧辊中还常常加入不同含量的Cr、Ni、Mo等合金元素，随着Cr、Ni、Mo含量的增加，其硬化层深度大大增加。无限冷硬铸铁轧辊辊身基体组织中含有较多的碳化物，具有较好的耐磨性；此外，在基体组织中均匀分布的少量细小石墨，起到了松弛机械应力的作用，有利于减轻辊身表层的剥落缺陷；同时，石墨本身具有良好的导热性能，在轧钢过程中，轧辊表面受热冲击时，石墨起缓冲热应力的作用，有利于防止热裂纹的产生。

无限冷硬铸铁由于其硬度高、硬度落差小及良好的抗热裂性，加之其热处理工艺简单，在轧辊制造中得到广泛的应用。世界各国热连轧机精轧后段成品机架上普遍使用无限冷硬铸铁轧辊，甚至精轧前段仍然一直使用无限冷硬铸铁轧辊。影响无限冷硬铸铁轧辊性能的因素主要有硬度、化学成分和组织。

化学成分：C 3％～3.3％，Si 0.3％～0.7％，Mn 0.6％～1.0％，Cr 1.5％～2.5％，Mo 0.4％～0.6％，Ti 0.2％～0.3％。熔炼时炉前冲入稀土硅铁合金（RE 30％，ф5mm）0.2％，硅铁（Si 75％，ф5mm）0.2％，出铁温度为1350℃，冲入后，静置5～8min，扒渣。浇铸温度1270～1280℃。下辊铁型覆砂，15～25mm厚，辊身用铁型喷涂料0.5～1.0mm，铁型预热到100℃左右，采用上注法浇铸。辊在型内自然冷却24h以后，开箱，立即送入热处理炉内。热处理时分别在760℃保温10h后，在640℃保温8h后空冷。经车削加工后不可有气孔、砂眼、灰渣。轴面测硬度（肖氏）在60左右，白口深度在25mm左右，金相组织为细珠光体和形态较好的碳化物。此类轧辊的缺点是容易在辊颈和辊身交界处开裂，均占总废品率的50％，白口过大或过小报废率占70％，使用过程表面常剥落，偶有断裂发生。其优点是生产成本较低，可用化铁炉熔化。

六、锰钨铜奥氏体白口铸铁

所谓白口铸铁即其断面为灰白色，主要是因为铸铁中的碳是以渗碳体而不是石墨形态存在，因此没有可锻、球墨或蠕墨铸铁的韧塑性，但具有高硬度，可作为耐磨材料如磨片、导板等应用。由于其性脆，不能承受冷热加工，只能直接用于铸造状态。

通过向白口铸铁中添加不同合金元素，可以进一步提高其力学性能。以锰钨铜奥氏体白口铸铁为例，通过形成碳化物来进一步提高耐磨性能。

化学成分为：Mn 8％～9％，W 1％～1.4％，Cu 1％～1.3％，Ti 0.2％～0.3％，C 2.4％～2.8％，S≤0.1％，P≤0.1％。其铸态显微组织为80％左右奥氏体基体（少许马氏体和屈氏体）和25％左右的条状碳化物。

潮砂型铸造不需要热处理。铸态硬度为HB320～360，使用工作条件适合于静态强烈摩擦磨损（热轧盘圆钢条的导板等）。通过某厂实验应用结果：比常用的淬火模具钢导板延长使用寿命一倍多，减少了更换导板的次数。