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1、2019/6/8,1,第四章 火电厂常用金属材料,2019/6/8,2,第一节 碳钢和铸铁,碳、锰、硅、硫、磷是碳钢中的常存元素，统称五大元素，在炼钢是要对含量进行分析和控制。碳在钢中的影响已如前述。锰、硅、硫、磷则称为常存杂质，它们的含量对碳钢的性能也有较大的影响。 （1）锰的影响， 锰作为炼钢时的脱氧剂而残存在钢中。它以置换固溶体的形式溶入铁素体，可以提高钢的强度。特别是它能与钢中的硫，化合形成高熔点的MnS化合物，可消除硫的脆热性，因此，锰是有益元素。在碳钢中锰的含量一般不超过1.2%以下。 (2)硅的影响， 硅与锰相似，也是炼钢脱氧是残存在钢中的。硅溶入铁素体可以起固溶强化的作用，但含
2、量增多是钢变脆，一般控制在0.4%以下。,一、碳钢中的基本元素,2019/6/8,3,（3）硫的影响 硫是从矿石和燃料中带来的，虽经炼钢，炼铁，还未能完全消除而残存钢中。硫不溶于铁，但容易以FES的形式与FE形成低熔点共晶体并存在与晶界上这种共晶体在958时熔化，使得在11001200是轧、锻的钢材发生晶间开裂并报废，称为热脆性，因此硫是有害元素，在钢中的含量要控制在0.055%以下。当钢中有锰存在是，锰与硫产生高熔点的MnS（熔点1620），可以消除硫的热脆性。 （4）磷的影响 磷也是矿石经冶炼残存在钢中的有害杂质，它可以溶入铁素体中使钢的韧性下降，并使脆性转变温度升高，这种现象称作冷脆性。
3、磷在钢中的含量被限制在0.045%以内。 除了以上四种常存杂质外，还有氢、氧、氮等残存与钢中，这些气体易与形成白点、气孔和非金属夹杂物。特别是氧化夹杂，如SiO2、MnO等。这些缺陷的存在，均要使钢材质量下降。,对于重要的电力设备零件，如汽轮机轮毂、叶片等，要求非金属夹杂物限定在一定范围内。,2019/6/8,4,二、碳钢的分类、编号和用途,（1）碳钢的分类 碳钢的分类方法很多，通常按照钢的含碳量、质量和用途分类。 按含碳量分为： a 低碳钢：含碳量0.25； b 中碳钢：含碳量在0.250.6之间 c 高碳钢：含碳量0.6。 按钢的质量分为： 普通碳素钢：钢中含S0.055，P0.045；
4、优质碳素钢：钢中含S0.04，P0.040； 高级优质碳素钢：钢中含S0.030，P0.035。,2019/6/8,5,按钢的用途分为： 碳素结构钢：用于制造工程构件(铁塔、锅炉支架、厂房钢结构、起重设备和工程机械结构、水冷壁管、风管、榆粉管道、及机械零件f抽、齿轮、螺栓、螺母等)。一般为低、中碳钢。 碳素工具钢：用于制造各种工具、刀具、刃具、模具、轴承等。一般属于高碳钢。 （2）碳钢的编号及用途 世界上许多工业国家都有自己的编号方法。我国碳钢的编号方法按GB70079分为三种。 1）碳素结构钢 这类钢的牌号是按照力学性能中的屈服强度分成五类来编号的,数字也大说明屈服强度Rel值越高,碳钢中的
5、含碳量也越高;塑性也就要越低. 碳素结构钢用于制造螺栓、螺母、钢板、圆钢以及各类型钢，广泛应用于机械制造及建筑等行业中。,2019/6/8,6,2）优质碳素结构钢 （a） 正常含锰量的优质碳素结构钢：含锰量0.8。编号方法简单，用两位数字表示,数字表示含碳量的万分之几。,例如20号钢、45号钢即表示含碳量为0.20、0.45的优质碳素结构钢。钢号从05、08、10、15、20直到85。,如20Mn(20锰)或65Mn（65锰）。优质碳素结构钢的牌号、成分和力学性能见表23。,如作焊丝用的写作H08，又如锅炉用的20号优质碳素结构钢可写作20g（或20锅），20g可用作锅炉钢板、压力容器和锅炉水
6、冷壁及小型汽包等。,（b） 较高含锰量的优质碳素结构钢：含锰量在0。712洲之间。编号方法是在正常含锰量优质碳素结构钢钢号的后面加写Mn(或猛)表示，,在优质碳素结构钢中，对于专门用途的优质碳素结构钢编号，是在钢号前面或后面加一个表示用途的汉字或汉字的拼音符号。,2019/6/8,7,优质碳素结构钢的应用。低碳优质碳素结构钢可用作桥梁起重及工程机械，钢结构件，还可渗碳后使用，制作机械零件；中碳优质碳素结构钢可经调质后制作轴、齿轮、温度不超过450的汽轮机转子、联轴器和汽缸紧因件；中、高碳优质碳素结构钢可用作各类弹簧、板黄和钢丝绳等。优质碳素结构钢一般经热处理后使用，或在正火状态下供应。若含S、
7、P量更低的叫高级优质碳素结构钢，就在钢号后面加写A字(或高字)，如20 A(或20高)。 20 A广泛应用于锅炉的水冷壁管。,3）碳素工具钢： 碳素工具钢的含碳量一般在65一1. 3之间。编号方法是用字母T(或碳)加数字表示，数字表示含碳量的千分之几。例如T8、T12（碳8、碳12）表示含碳量为0.8、1.2的碳素工具钢。钢号为T7、T8T13(碳7、碳8碳13)。碳素工具钢含S、P量均较少，属于优质钢。,若为高级优质碳素工具钢，则在钢号后加写A字(或高字)，如T8A、T12A(碳8高、碳12高)。,2019/6/8,8,三、 铸铁,铸铁是含碳量为211一669的铁碳合金，工业上常用铸铁的含碳
8、量在25一40之间。锰、硅、硫、磷的含量比碳钢多。,1、概述,在工业上应用的铸铁中，碳一般是以石墨状态存在，这使得铸铁有许多优点。,（1）有优良的铸造性能：浇注的温度低、流动性好、偏析倾向小、收缩率小等。不仅适合浇铸大型铸件，也适合浇铸薄小件。 （2）由于石墨的存在，便于吸收机械振动能，使之变为热能。因此铸铁具有优良的减震性，特别适合制作各种机床床身、设备底座等。 （3）石墨本身有润滑作用，故铸铁有干式减磨性。当有润滑剂存在时，由于石墨空洞有储油的能力，使铸铁的减磨性增加。 （4）由于石墨割裂了基体的连续性，铸铁在切削时易于断屑，所以铸铁有很好的切削加工工艺性能。 铸铁的强度、塑性、韧性都很差
9、，属于脆性材料这是铸铁的根本缺点。它的导热性差焊接性差，铸铁不适合制作各类结构件和重要零件。,2019/6/8,9,2、铸铁的石墨化,FeFe3C相图中，Fe3C作为一个组元是较稳定的相但在铁碳合金中，它仍是个亚稳相，石墨才是稳定的相。石墨具有简单六方晶体结构，如图219所示，密排面之间间隔大。结合力弱，易于剥离，它的强度和塑性几乎是零。因此，石墨在铸铁中存在时可看成是许多空洞。 液态的铁水可以结晶成渗碳体，也可以直接结晶成石墨，图220为Fe石墨相图，图中虚线是石墨析出线。含碳量为426的铁水在1154时可同时析出奥氏体和石墨；在1154738之间时可由奥氏体中析出二次石墨， 或Fe3C发生
10、分解产生石墨；在共析反应阶段，含碳068的奥氏体在738时可同时析出铁素体与石墨。,2019/6/8,10,白口铸铁、灰口铸铁区别：,C的存在形式,2019/6/8,11,2019/6/8,12,影响石墨化的因素主要是化学成分和冷却速度。碳和硅是促进石墨化的主要元素，碳和硅的含量越高，铸铁的石墨化越充分；其次是冷却速度，铸铁件的冷却速度快时，易生成Fe3C而白口化。冷却速度慢时，铸铁件易于石墨化。这受铸件的壁厚和造型材料、造型工艺的影响，例如采用金属模时冷速快，采用砂模时冷速慢。 铸铁中析出石墨后，若石墨化进行得彻底，将得到铁素体基体及石墨的组织；若石墨化不完全，则得到铁素体及珠光体基体和石墨
11、的组织或珠光体和石墨的组织。 铸铁的组织是在钢的基体上分布着不同大小和形状的石墨的组织。由于石墨形态不同，铸铁可分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。,（1）灰口铸铁,灰口铸铁是使用最广泛的铸铁，占铸铁总量的80%。由于断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。,2019/6/8,13,灰口铸铁中的石墨呈无规则的片状，将基本割裂成许多空洞，好像许多裂缝分布在钢的基体上，是铸铁的力学性能下降。 图2-22是灰口铸铁显微组织图。灰口铸铁中的石墨越均匀、越细小越好。 灰口铁的铁水中用硅钙合金作变质处理（孕育），能细化灰口铸铁中的石墨，因而，可使铸铁的强度提高100200Mpa。三种不同的基体的灰口铸铁，以珠光体基体的
12、强度为最高，但脆性也较大；铁素体基体的灰口铸铁强度稍差一些，但脆性较小。,灰口铸铁的牌号用符号HT及数字表示，数字表示铸铁的最低抗拉强度值Rm。例如HT200，其中的HT即表示灰口铸铁，数字200表示灰口铸铁的Rm200Mpa。,灰口铸铁被广泛作各种承受压力和要求消震性的床身、轴承座、端盖、车床尾座、工作台、底座等工件。在电力工业中灰口铸铁可用作轴承盖、油泵体、低压汽缸和中压缸中部材料；200MW机组隔板上的导叶、低压缸隔板等。,灰口铸铁的微观组织 100,2019/6/8,14,可锻铸铁中石墨多为团絮状，其塑性和韧性高于灰口铸铁。图2-23为可锻铸铁的微观组织，可锻铸铁牌号用KT及数字表示，
13、KT表示可锻铸铁，后面的两组数字表示最低抗拉强度Rm和最低伸长率。例如，KT350-10表示Rm350MPa，A11.310。 可锻铸铁是白口铸铁在高温下长时间保温下获得的，所以生产周期长，成本高，已逐渐被球墨铸铁取代。,（2）可锻铸铁,图2-23 可锻铸铁的微观组织,2019/6/8,15,2019/6/8,16,(3)球墨铸铁,球墨铸铁是在灰口铸铁浇注前加入一定量的球化剂（如Mg、Ca和RE等）进行球化处理，同时加入变质剂（通常加含Si75的硅铁）进行变质处理后得到的。球墨铸铁中石墨多为球状，基体为铁素体、珠光体或铁素体加珠光体。 球墨铸铁的牌号用符号QT及数字表示，QT表示球墨铸铁，数字
14、表示球墨铸铁的抗拉强度和延伸率的最低值。例如，QT600-02表示Rm600MPa，A2。,由于球墨铸铁中石墨多为球状，大大减少了铸铁的应力集中，具有优良的力学性能，而且工艺简单，成本低，所以广泛应用于制造各种机械零件，如发动机曲轴、连杆、轴瓦、齿轮、汽轮机汽缸、末级隔板、中压阀门等。表4-5为常用球墨铸铁的牌号和性能。,微观组织如图4-3所示。,2019/6/8,17,2019/6/8,18,（4）合金铸铁,合金铸铁是在铸铁中加入合金元素，以提高其力学性能，或者提高其耐磨、耐蚀、耐热等特殊性能，又成为特殊性能铸铁。 常用的合金铸铁有耐磨铸铁，耐蚀铸铁和耐热铸铁。,2019/6/8,19,1）
15、耐磨铸铁 耐磨铸铁按其工作条件大体可分为两种类型一种是在润滑条件下工作的，如机床导轨、汽缸套、活塞环和轴承等；另一种是在屋润滑的干摩擦条件下工作的，如火电厂煤粉制备系统中的碎煤机、磨煤机中的零件。后一种耐磨铸铁也有称为抗磨铸铁的。 在润滑条件下工作的耐磨铸铁，其组织为软基体上分布有硬相组成物，以便在磨合后使软基体有所磨损，形成构槽，保持供润滑用的油膜。常用的为高磷合金铸铁，使杂质中的含磷量提高到0.4%0.6%左右。其中磷在铸铁中形成磷化物作为硬相，铁素体或珠光体属于软基体。普通高磷铸铁的成分为2.9%3.2%C、1.4%1.7%Si、0.6%1.0%Mn、0.4%0.65%P、小于等于0.1
16、2%S。由于普通高磷铸铁的强度和韧性较差，还常加入铬、钼、钨、铜、钛、钒等元素，构成合金高磷铸铁，使其组织细化，进一步提高力学性能和耐磨性。,2019/6/8,20,在润滑条件下应用的耐磨铸铁有钒钛耐磨铸铁、钼铬耐磨铸铁、钨系耐磨铸铁等。 在干摩擦工况条件工作的耐磨铸铁，应具有高的硬度。目前常用的有低合金耐磨铸铁、中锰球墨铸铁、高铬铸铁等。 低合金耐磨铸铁种类很多，有镍硬铸铁、硼白口铸铁、铬锰铜耐磨铸铁、铬钼铜耐磨铸铁等。 中锰球墨铸铁是在稀土镁球墨铸铁中加入59.5的锰元素，含硅量控制在3.35.0范围内，其组织为马氏体残余奥氏体球状石墨碳化物，这种组织既有一定的韧性，又有较高的硬度，可用来制造球磨机磨球、衬板等既要受一定的冲击力又希望耐磨的零部件。,2019/6/8,21,高铬（1235Cr）铸铁，因为含有较多的强碳化物元素铬，是无石墨的白口铸铁。通过热处理后，基体可变成很
