灰鑄鐵的組織和幾種合金元素的影響

1、灰鑄鐵的組織和幾種合金元素的影響2008-5-14 過去半個世紀中，灰鑄鐵的熔煉和孕育處理有了很大的進展，對于鑄鐵的合金化、生核和凝固以及固態(tài)的相變都作了不少研究。在材料科學(xué)日新月異的今天，灰鑄鐵仍能作為一種結(jié)構(gòu)材料而具有相當?shù)母偁幠芰?，是與這些研究工作分不開的。目前，許多重要的機器零件，如機床床身、內(nèi)燃機缸體、缸蓋、殼體、歧管、壓縮機缸體和液壓閥等，都是用灰鑄鐵制成的。當然，對灰鑄鐵性能的要求也越來越高了。既要保證強度高，又要有良好的加工性能和厚、薄截面組織的一致性；還要求鑄鐵的剛度高（彈性模量大），鑄件的尺寸穩(wěn)定。 生產(chǎn)高牌號灰鑄鐵件，進行有效的孕育處理，是至關(guān)重要的，但是，正確地確定化學(xué)

2、成分，必要時配加少量合金元素，也是不可忽視的條件。如處理得當，選定化學(xué)成分和孕育處理可以有相輔相成的疊加效果。 這里，我們要扼要地討論有關(guān)控制灰鑄鐵化學(xué)成分的一些問題，將不涉及孕育處理。 一、灰鑄鐵的組織和合金元素的影響 灰鑄鐵的強度和綜合質(zhì)量，決定于其最終的顯微組織，生產(chǎn)高牌號灰鑄鐵件，控制其顯微組織的目標，大致有以下幾方面： 有較多的初生奧氏體枝狀晶； 無游離滲碳體和晶間滲碳體； 石墨細小而且是A型； 基體組織95%以上為珠光體，游離鐵素體不多于5%； 珠光體細小。 上述5項目標中，前3項要在鑄鐵凝固過程中建立，后2項則要通過控制鑄鐵的固態(tài)轉(zhuǎn)變來達成。 1鑄鐵的凝固過程 要分析鑄鐵的凝固過

3、程，不能不回顧一下鐵-碳合金的相圖。鐵-碳合金的相圖是雙重的，有穩(wěn)定的鐵-石墨系和介穩(wěn)定的鐵-滲碳體系。制成高性能的灰鐵件，當然不希望出現(xiàn)游離的滲碳體，所以要使鑄鐵按穩(wěn)定的鐵-石墨系凝固。 圖1中簡略地表示了鐵-碳合金相圖的共晶部分，并表示了一些合金元素對鐵-石墨系和鐵-滲碳體系共晶溫度的影響。 圖1 合金元素對鐵-石墨系和鐵-滲碳體系平衡共晶溫度的影響 鐵-石墨系的共晶溫度高于鐵-滲碳體系的共晶溫度，如果共晶成分的鐵水冷卻到鐵-石墨共晶溫度以下，同時又在鐵-滲碳體的共晶溫度以上，此時，對鐵-石墨系而言鐵水已經(jīng)有了過冷度，可以進行石墨加奧氏體（）的共晶結(jié)晶，對鐵-滲碳體系而言，則系統(tǒng)的自由能仍

4、較高，設(shè)有進行滲碳體加奧氏體共晶結(jié)晶的可能。這樣，得到的是沒有游離滲碳體的灰鑄鐵。 但是，對于只含碳而不含其他合金元素的鑄鐵，鐵-石墨共晶結(jié)晶溫度與鐵-滲碳體共晶溫度之間的間隔只有6，要實現(xiàn)上述凝固條件，實際上幾乎是不 可能的。在鐵-碳合金中加入硅，可以使鐵-石墨共晶溫度與鐵-滲碳體共晶溫度之間的間隔顯著擴大，見圖2。含硅量為2%時，此間隔大于30，要制得不含游離滲碳體的鑄鐵，就非常方便了。所以，所有的灰鑄鐵中都含有大量的硅，硅是灰鑄鐵中必不可少的，極為重要的合金元素。正因為所有的灰鐵中都含有硅，司空見慣，許多人反而不視其為合金元素了。 圖2 硅對鐵碳合金平衡共晶溫度的影響 各種常用的合金元素

5、，對兩共晶溫度間隔的影響，概略地在圖1中表示了。一些有數(shù)據(jù)可供參考的合金元素的作用見表1。 對于鐵-石墨系共晶成分，將表列數(shù)據(jù)乘以元素含量的百分數(shù)。 在穩(wěn)定條件下凝固時，固、液界面處合金元素在固相中的含量與其在液相中的含量的比。 尚缺可用的數(shù)據(jù)。 （1）初生奧氏體析出 灰鑄鐵大都是亞共晶鑄鐵，共凝固過程從自液相中析出初生奧氏體枝晶開始。即使是共晶成分的鑄鐵，也會產(chǎn)生一些初生奧氏體，因為誘發(fā)共晶反應(yīng)有賴于石墨的生核，石墨生核又需要一定的過冷度，這就有利于析出初生奧氏體。 共晶反應(yīng)前析出的初生奧氏體枝晶的量愈多，鑄鐵的強度愈高，初生奧氏體枝晶的多少，取決于鑄鐵的化學(xué)成分。碳含量是決定奧氏體枝晶析出

6、量的主要因素，碳含量比共晶碳含量（4.3%）低得愈多，奧氏體枝晶析出量就愈多。大多數(shù)合金元素，都改變鑄鐵的共晶碳含量，從而改變初生奧氏體枝晶的析出量。使鑄鐵共晶碳含量降低的元素，通常稱為石墨化元素；使共晶碳含量提高的元素，稱為滲碳體穩(wěn)定元素。 硅和磷是作用強的、降低鑄鐵共晶碳含量的元素，灰鑄鐵中含有硅和磷時，其共晶碳含量見下式： 共晶碳含量（%）= 4.3%-1/3（%Si %P） 一些常用合金元素的影響見表1。硫降低共晶碳含量的作用大于硅和磷，其在灰鑄鐵中作用的機制比較復(fù)雜，以后會較詳細地談到。鋁降低共晶碳含量的作用也很強，但鋁主要用于高鋁耐熱鑄鐵，一般灰鑄鐵中都不含鋁。 如果灰鑄鐵的含碳量

7、不變，加入降低共晶碳含量的合金元素，就會使鑄鐵的碳當量增高，從而會使初生奧氏體枝晶的析出量較少，共晶凝固的液相較多。 如果保持灰鑄鐵的碳當量不變，適當?shù)靥岣吆枇?，降低含碳量（即采用較高的硅碳比），卻可以稍稍增加奧氏體枝晶量，同時減少石墨析出量。這樣，就可以相應(yīng)提高鑄鐵的強度和彈性模量。 （2）共晶凝固 隨著初生奧氏體枝晶的析出，剩余液相中的碳當量不斷提高，到其值達到4.3%時，即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。 共晶凝固從石墨生核開始。液相中微細的未熔石墨顆粒和高熔點的 非金屬夾雜物都可以是石墨結(jié)晶的核心。石墨晶核形成后，很快就生長成片狀分枝，鄰近石墨的液相中碳含量減少，促使奧氏體在石墨之間析出。奧氏體析出，

8、又使鄰近的液相富碳，促進石墨繼續(xù)生長。這樣相互促進，并向周圍液相不斷生長的奧氏體-石墨共生晶粒，我們稱之為共晶團。液相中很多這樣的共晶團，各自徑向長大，結(jié)晶前沿大致接近于球形。每一個共晶團中的石墨片又都是相互連接的。 共晶凝固終了時，各共晶團相互間、共晶團與初生奧氏體枝晶。間互相接觸。共晶團晶界上常聚集有較多的夾雜物，一些元素，（如磷、硫）與鐵、碳組成的低熔點共晶體也可能析出于共晶團之間。有時，由于合金元素的偏析，還可能導(dǎo)致在共晶團之間析出滲碳體，這種滲碳體稱之間晶間滲碳體。 石墨片的形態(tài)和尺寸，主要決定于凝固溫度，冷卻速率和液相中生核的情況。比較理想的石墨組織是散亂分布的、長度相近的石墨片（

9、即A型石墨）。如鐵水中生核狀況良好，在略低于平衡共晶溫度的適當過冷度下發(fā)生共晶反應(yīng)，就可得到A型石墨。如果鐵水中的生核條件不好，在比平衡溫度低得多的溫度下（過冷度大）凝固，則石墨片的長大速率和分枝速率都很高，則得到分布于枝晶間的細小石墨片，通常稱之為過冷石墨（D型石墨）。除在特殊條件下使用的鑄鐵件外，一般不希望產(chǎn)生這種石墨組織。 增加共晶團數(shù)量（即共晶團尺寸減少），可使鑄鐵的強度較高，所以也是制造高牌號鑄鐵的目標。孕育處理是增加共晶團數(shù)的有效方法，但是，許多研究工作表明，一些偏析于液相并使固相線溫度降低的合金元素，會阻礙共晶團的長大，從而使鑄鐵的共晶團數(shù)增加。現(xiàn)已知道，鑄鐵中加入鉬、釩、鉻、磷

10、和鉍，都可使共晶團數(shù)增加。 2對灰鑄鐵凝固過程的分析 對于研究鑄鐵的凝固過程，冷卻曲線是很有價值的。分析冷卻曲線的特點，就可以預(yù)測鑄鐵的組織和性能。亞共晶灰鑄鐵的典型凝固冷卻曲線如圖3所示。 圖3 亞共晶灰鑄鐵的典型凝固冷卻曲線 鐵水冷卻到液相線以下，即有初生奧氏體枝狀晶析出，冷卻曲線上出現(xiàn)一個小平臺。此后，冷卻到鐵-石墨共晶溫度以下，到達一定的過冷度，就發(fā)生共晶反應(yīng)，即先有石墨生核，然后以此為基礎(chǔ)長成共晶團。共晶反應(yīng)釋放的熔化熱，又使過冷的液相溫度回升，通常稱之為“再輝”。最后，由于不斷經(jīng)鑄型散熱，系統(tǒng)的溫度下降，在鐵-滲碳體共晶溫度以上凝固終了。在此種條件下，鑄鐵中石墨為A型，無游離滲碳體

11、。 一些我們不希望其出現(xiàn)的組織及其產(chǎn)生的條件如下： （1）過冷石墨 如果 鐵水冷到鐵-石墨共晶溫度以下，而石墨生核的條件不好，推遲了共晶團的形成和長大，產(chǎn)生較大的過冷度，石墨就細小，成為B型及至D型。如果共晶反應(yīng)的起始和終了都在鐵-滲碳體共晶溫度以上，則鑄鐵中仍不存在游離滲碳體，只是石墨的形態(tài)為過冷石墨，參見圖4。 圖4 生核不足、過冷度大的鑄鐵的凝固冷卻曲線 （2）麻口組織 鑄鐵中的碳，一部分以滲碳體的形態(tài)存在，一部分為石墨，斷口上可見白色部分和灰色部分攙雜相間，通常稱為麻石組織。有時也出現(xiàn)在外圍白口和中心灰口之間的過渡部位。 如鑄件的冷卻速率很高，鐵水很快就冷到鐵-滲碳體共晶溫度以下，在薄

12、壁處和角上就會有滲碳體和奧氏體析出。同時，石墨也能生核并長大。發(fā)生兩種共晶反應(yīng)所釋放的熱，又使液相的溫度回升到鐵-滲碳體共晶溫度以上，鐵-滲碳體共晶反應(yīng)停止，限制了游離滲碳體的析出。在這樣的條件下，鑄鐵可在兩共晶溫度之間完全凝固，（見圖5）得到麻口組織。 圖5 白口鑄鐵的凝固冷卻曲線 產(chǎn)生白口組織的條件，主要有以下三項。 a冷卻速率很高。發(fā)生共晶反應(yīng)以前，鐵水就冷卻到鐵-滲碳體共晶溫度以下。造成冷卻速率過高的工藝因素有： 鑄件壁??； 澆注溫度太低，在凝固以前加熱型腔的作用差，鑄件與鑄型間的溫差大； 鑄型的導(dǎo)熱能力強。 b鑄鐵的碳當量太低。凝固過程中析出的初生奧氏體枝晶多，剩下的共晶成分的液相不

13、多，發(fā)生共晶反應(yīng)時，釋放的熱量不足以使溫度升高到鐵-滲碳體溫度以上。 c合金元素的影響，大多數(shù)合金元素都會影響共晶碳含量，使碳當量改變，從而促成白口。此外，合金元素還會改變共晶溫度，影響鐵-石墨系和鐵-滲碳體系共晶溫度之間的間隔。一些滲碳體穩(wěn)定元素（如Cv，V和Ti），在降低鐵-石墨共晶溫度的同時又提高鐵-滲碳體共晶溫度，鐵水當然就容易過冷到鐵-滲碳體共晶溫度以下。還有一些合金元素（如Mn和Mo等），既降低鐵-石墨共晶溫度，也降低鐵-滲碳體共晶溫度，對白口傾向就沒有明顯的影響。 （3）晶間滲碳體 前面已經(jīng)談到，共晶凝固初期形成的滲碳體會造成白口組織或麻口組織，在共晶凝固后期析出的游離滲碳體，則

14、分散于共晶團之間，通常稱為晶間滲碳體。 在進行共晶凝固時，釋放的熔化熱一般都會使剩余液相的溫度升高。如果在凝固后期，釋放的熱量消減，一些殘留在共晶團之間的剩余的液相又冷卻到鐵-滲碳體共晶溫度以下，就會產(chǎn)生晶間滲碳體，參見圖6。 圖6 形成晶間滲碳體時的凝固冷卻曲線 鑄鐵凝固過程中，合金元素在液相和固相之間 的偏析，也可能導(dǎo)致晶間滲碳體出現(xiàn)。一般說來，石墨化元素多偏析于固相中，碳化物穩(wěn)定元素則多偏析于液相中。 在鑄鐵中加有合金元素時，凝固過程中，剩余液相中鉻和釩之類的元素逐漸富集，而硅和鎳之類的元素逐漸減少。結(jié)果，剩余液相的鐵-滲碳體共晶溫度逐漸提高，鐵-石墨共晶溫度逐漸降低，兩者之間的間隔不斷

15、縮小。最后凝固的液相中的碳，就可能以滲碳體的形式析出。圖7示意地說明了這種情況。 圖7 共晶凝固時合金元素偏析對凝固冷卻曲線的影響（形成晶間滲碳體） 合金鑄鐵中析出晶間滲碳體，可能與鑄件的截面尺寸無關(guān)。實際上，有證據(jù)表明，緩慢凝固反而可能促成晶間滲碳體的析出，因為緩冷可能造成有利于合金元素偏析的條件。 避免出現(xiàn)此種晶間滲碳體，關(guān)鍵往往不在于提高石墨化元素的含量，因為石墨化元素偏析于固相中，未必能明顯影響最后凝固的液相。解決的措施可以是：降低鉻、釩等元素的含量，并加速共晶凝固過程。 （4）磷共晶 鑄鐵中含磷量超過0.02%，就可能出現(xiàn)晶間磷共晶。磷在奧氏體中的溶解度很小，鑄鐵凝固時，磷基本上都留

16、在液相中。共晶凝固接近完成時，共晶團之間剩余的液相的成分接近三元共晶成分（Fe-2%、 C-7%、P）。此液相約在955凝固。 鑄鐵凝固時，鉬、鉻、鎢和釩都偏析于富磷的液相中，使磷共晶的量增多。鑄鐵中含磷量高時，除磷共晶本身的有害作用外，還會使金屬基體中所含的合金元素減少，從而減弱合金元素的作用。 磷共晶液體在凝固長大的共晶團周圍呈糊狀，凝固收縮很難得到補給，鑄件出現(xiàn)縮松的傾向較大。 3共析轉(zhuǎn)變（奧氏體轉(zhuǎn)變） 為了得到高強度的灰鑄鐵，我們希望奧氏體轉(zhuǎn)變時不產(chǎn)生鐵素體，金屬基體全部為珠光體，而且要力求得到細小的珠光體。 灰鑄鐵中，合金元素的主要作用是控制奧氏體的轉(zhuǎn)變。有些合金促成珠光體，有些合金

17、促成鐵素體，有些合金可以使珠光體細化。 為了更好地了解合金元素對灰鑄鐵奧氏體轉(zhuǎn)變的影響，有必要先分析一下灰鑄鐵的平衡相圖。含硅2%的鐵碳合金比較接近一般的灰鑄鐵，其平衡相圖的相關(guān)部分見圖8。 圖8 含Si 2%的鐵碳平衡相圖的一部分 圖8中，最值得注意的是鐵素體（）、奧氏體（）和石墨同時存在的三相區(qū)。三相區(qū)上面的界限是鐵素體轉(zhuǎn)變溫度T，下面的界限是共析溫度A1。鐵-碳合金二元相圖中，沒有這樣的三相區(qū)，這是由于含有硅而特有的。 （1）平衡條件下的轉(zhuǎn)變 在平衡條件下緩慢冷卻時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和石墨。在固相線溫度，奧氏體中大約含碳1.5%（A點），冷卻過 程中，碳在奧氏體中的溶解度不斷下降。自A

18、點冷卻到B點，約有1%的碳自奧氏體析出。在T溫度以下的冷卻過程中，還會發(fā)生石墨化，冷卻到A1溫度（C點），所有的奧氏體都已轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和石墨。 奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和石墨時，共析石墨都沉積在共晶團的石墨片上，使之增厚。固相中形成新的石墨核心是非常困難的。 石墨片增厚需要的兩條件：一是奧氏體中的碳原子擴散到石墨片上；二是石墨長大前沿的鐵原子離開奧氏體/石墨界面。奧氏體中鐵原子的排列最緊密，每一原子周圍有12個相鄰的原子，原子的移動主要靠晶格中的空隙。要使鐵原子不斷自石墨化前沿移開，就需要奧氏體中遠處的空隙不斷石墨化前沿擴散。如果冷卻快，不能給原子擴散以足夠的時間，就不能實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變。 所以，上述平衡條件下的轉(zhuǎn)變只能發(fā)生于冷卻非常緩慢的情況下。全部鐵素體基體的灰鑄鐵，實際上是非常少見的。 （2）珠光體的形成非平衡條件 如果鑄件冷卻較快，奧氏體過冷到共析溫度A