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過(guò)去半個(gè)世紀(jì)中，灰鑄鐵的熔煉和孕育處理有了很大的進(jìn)展，對(duì)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(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)能力，是與這些研究工作分不開(kāi)的。目前，許多重要的機(jī)器零件，如機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)缸體、缸蓋、殼體、歧管、壓縮機(jī)缸體和液壓閥等，都是用灰鑄鐵制成的。當(dāng)然，對(duì)灰鑄鐵性能的要求也越來(lái)越高了。既要保證強(qiáng)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(hào)灰鑄鐵件，進(jìn)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)萬(wàn)分，必要時(shí)配加少量合

2、金元素，也是不可忽視的條件。如處理得當(dāng)，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(wèn)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(qiáng)度和綜合質(zhì)量，決定于其最終的顯微組織，生產(chǎn)高牌號(hào)灰鑄鐵件，控制其顯微組織的目標(biāo)，大致有以下幾方面：l 有較多的初生奧氏體枝狀晶；l 無(wú)游離滲碳體和晶間滲碳體；l 石墨細(xì)小而且是A型；l 基體組織95%以上為球光體，游離鐵素體不多于5%；l 珠光體細(xì)小。上述6項(xiàng)目標(biāo)中，前4項(xiàng)要在鑄鐵凝固過(guò)程中建立，后又項(xiàng)則要通過(guò)控制鑄鐵的固態(tài)轉(zhuǎn)變來(lái)達(dá)成。1鑄鐵的凝固過(guò)程要分析鑄鐵的凝固過(guò)程，不能不回顧一下鐵-碳合

3、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(dāng)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(jiǎn)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(duì)鐵-石墨系和鐵-滲碳體系共晶溫度的影響。圖1 合金元素對(duì)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(shí)又在鐵-滲碳體的共晶溫度以上，此時(shí)，對(duì)鐵-石墨系而言鐵水已經(jīng)有了過(guò)冷度，可以進(jìn)行石墨加奧氏體（）的共晶結(jié)晶，對(duì)鐵-滲碳體系而言，則系統(tǒng)的自由能仍較高，設(shè)有進(jìn)行滲碳體加奧氏體共晶

4、結(jié)晶的可能。這樣，得到的是沒(méi)有游離滲碳體的灰鑄鐵。但是，對(duì)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(shí)現(xiàn)上述凝固條件，實(shí)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(kuò)大，見(jiàn)圖2。含硅量為2%時(shí)，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?yàn)樗械幕诣F中都含有硅，司空見(jiàn)慣，許多人反而不視其為合金元素了。圖2 硅對(duì)鐵碳合金平衡共晶溫度的影響各種常用的合金元素，對(duì)兩共晶溫度間隔的影響，概略地在圖1中

5、表示了。一些有數(shù)據(jù)可供參考的合金元素的作用見(jiàn)表1。表1 一些合金元素在鑄鐵共晶凝固時(shí)的作用元素導(dǎo)致共晶碳含量的改變導(dǎo)致共晶溫度的改變分配系數(shù)K石墨化元素滲碳體穩(wěn)定元素鐵-石墨系鐵-滲碳體系Ni-0.05提高降低1.2Cu-0.08提高降低*Al-0.22提高提高*Si-0.29提高降低1.6S-0.41提高*0.002P*0.2Mo+0.01降低降低0.7Mn+0.03降低降低0.85Cr+0.06降低提高*V+0.10降低提高*Ti+0.14降低提高0.6對(duì)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?jǐn)?shù).在穩(wěn)定條件下凝固時(shí),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. *

6、 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(guò)程從自液相中析出初生奧氏體枝晶開(kāi)始。即使是共晶成分的鑄鐵，也會(huì)產(chǎn)生一些初生奧氏體，因?yàn)檎T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(guò)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(qiáng)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)

7、定元素。硅和磷是作用強(qiáng)的、降低鑄鐵共晶碳含量的元素，灰鑄鐵中含有硅和磷時(shí)，其共晶碳含量見(jiàn)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(jiàn)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(jī)制比較復(fù)雜，以后會(huì)較詳細(xì)地談到。鋁降低共晶碳含量的作用也很強(qiáng)，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不變，加入降低共晶碳含量的合金元素，就會(huì)使鑄鐵的碳當(dāng)量增高，從而會(huì)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(dāng)量不變，適當(dāng)?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(shí)減少石墨析出量

8、。這樣，就可以相應(yīng)提高鑄鐵的強(qiáng)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(dāng)量不斷提高，到其值達(dá)到4.3%時(shí)，即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。共晶凝固從石墨生核開(kāi)始。液相中微細(xì)的未熔石墨顆粒和高熔點(diǎn)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(zhǎng)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，又使鄰近的液相富碳，促進(jìn)石墨繼續(xù)生長(zhǎng)。這樣相互促進(jìn)，并向周?chē)合嗖粩嗌L(zhǎng)的奧氏體-石墨共生晶粒，我們稱之為共晶團(tuán)。液相中很多這樣的共晶團(tuán)，各自徑向長(zhǎng)大，結(jié)晶前沿大致接近于球形。每一個(gè)共晶團(tuán)中的石墨片又都是相互連接的。共晶凝固終了時(shí)，各共晶團(tuán)相互間、共晶

9、團(tuán)與初生奧氏體枝晶。間互相接觸。共晶團(tuán)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(diǎn)共晶體也可能析出于共晶團(tuán)之間。有時(shí)，由于合金元素的偏析，還可能導(dǎo)致在共晶團(tuán)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(zhǎng)度相近的石墨片（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(dāng)過(guò)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(guò)冷度大）凝固，則石墨片的長(zhǎng)大速率和分枝速率都很高，則得到分布于枝晶間的細(xì)小石墨片，通常稱之為過(guò)冷石

10、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(tuán)數(shù)量（即共晶團(tuán)尺寸減少），可使鑄鐵的強(qiáng)度較高，所以也是制造高牌號(hào)鑄鐵的目標(biāo)。孕育處理是增加共晶團(tuán)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(huì)阻礙共晶團(tuán)的長(zhǎng)大，從而使鑄鐵的共晶團(tuán)數(shù)增加?，F(xiàn)已知道，鑄鐵中加入鉬、釩、鉻、磷和鉍，都可使共晶團(tuán)數(shù)增加。2對(duì)灰鑄鐵凝固過(guò)程的分析對(duì)于研究鑄鐵的凝固過(guò)程，冷卻曲線是很有價(jià)值的。分析冷卻曲線的特點(diǎn)，就可以預(yù)測(cè)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

11、枝狀晶析出，冷卻曲線上出現(xiàn)一個(gè)小平臺(tái)。此后，冷卻到鐵-石墨共晶溫度以下，到達(dá)一定的過(guò)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(zhǎng)成共晶團(tuán)。共晶反應(yīng)釋放的熔化熱，又使過(guò)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(wú)游離滲碳體。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(guò)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(tuán)的形成和長(zhǎng)大，產(chǎn)生較大的過(guò)冷度，石墨就細(xì)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

12、碳體，只是石墨的形態(tài)的過(guò)冷石墨，參見(jiàn)圖4。圖4 生核不足、過(guò)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(jiàn)白色部分和灰色部分?jǐn)v雜相間，通常稱為麻石組織。有時(shí)也出現(xiàn)在外圍白口和中心灰口之間的過(guò)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，在薄壁處和角上就會(huì)有滲碳體和奧氏體析出。同時(shí)，石墨也能生核并長(zhǎng)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(jiàn)圖5）得到麻口組織。圖5 生核不足和/或冷卻速率

13、高的鑄鐵的凝固冷卻曲線（麻口）（3）白口組織如果鐵水過(guò)冷到鐵-滲碳體共晶溫度以下，并在此共晶溫度以下完全凝固（如圖6所示）共晶反應(yīng)時(shí)鐵水中的碳都以滲碳體的形式析出，得到白口組織。圖6 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(xiàng)。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(guò)高的工藝因素有：l 鑄件壁?。籰 澆注溫度太低，在凝固以前加熱型腔的作用因差，鑄件與鑄型間的溫差大；l 鑄型的導(dǎo)熱能力強(qiáng)。b鑄鐵的碳當(dāng)量太低。凝固過(guò)程中析出的初生奧氏體枝晶多，剩下的共晶成分的液相不多，發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)，釋放的熱量不足以使溫度升高到鑄-滲碳體溫度以上。c合金元

14、素的影響，大多數(shù)合金元素都會(huì)影響共晶碳含量，使碳當(dāng)量改變，從而促成白口。此外，合金元素還會(huì)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(shí)又提高鐵-滲碳體共晶溫度，鐵水當(dāng)然就容易過(guò)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(duì)白口傾向就沒(méi)有明顯的影響。（4）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(huì)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，則分散于共晶團(tuán)之間，通常稱為晶間滲碳體。在進(jìn)行共晶凝固時(shí)，釋放的熔化熱一般都會(huì)使剩余

15、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(tuán)之間的剩余的液相又冷卻到鐵-滲碳體共晶溫度以下，就會(huì)產(chǎn)生晶間滲碳體，參見(jiàn)圖7。圖7形成晶間滲碳體時(shí)的凝固冷卻曲線鑄鐵凝固過(guò)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(shuō)來(lái)，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(shí)，凝固過(guò)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8示意地說(shuō)明了這種情況。圖8共晶凝固時(shí)

16、合金元素偏析對(duì)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(wú)關(guān)。實(shí)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?yàn)榫徖淇赡茉斐捎欣诤辖鹪仄龅臈l件。避免出現(xiàn)此種晶間滲碳體，關(guān)鍵往往下在于提高石墨化元素的含量，因?yàn)槭仄鲇诠滔嘀?，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(guò)程。（5）磷共晶鑄鐵中含磷量超過(guò)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(shí)，磷基本上都留在液相中。共晶凝固接近完成時(shí)，共晶團(tuán)之間剩余的液相的成分接近三元共晶成分（Fe-2%、 C-7%、P）。此

17、液相約在955凝固。鑄鐵凝固時(shí)，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(shí)，除磷共晶本身的有害作用外，還會(huì)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(zhǎng)大的共晶團(tuán)周?chē)屎隣?，凝固收縮很難得到補(bǔ)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(qiáng)度的灰鑄鐵，我們希望奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)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(xì)小的珠光體?；诣T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，有些合金促成鐵素體，有些合金可以使珠光體細(xì)化。為了更好地了解合金元素對(duì)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

18、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(jiàn)圖9。圖9 含Si 2%的鐵碳平衡相圖的一部分圖9中，最值得注意的是鐵素體（）、奧氏體（）和石墨同時(shí)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(méi)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?cè)谄胶鈼l件下緩慢冷卻時(shí)，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(diǎn)），冷卻過(guò)程中，碳在奧氏體中的溶解度不斷下降。自A點(diǎn)冷卻到B點(diǎn)，約有1%的碳自?shī)W氏體析出。在T溫度以下的冷卻過(guò)程中，還會(huì)發(fā)生石墨化，冷卻到A1溫度（C點(diǎn)），所有的奧氏體都已轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

19、鐵素體和石墨。奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和石墨時(shí)，共析石墨都沉積在共晶團(tuán)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(kuò)散到石墨片上；二是石墨長(zhǎng)大前沿的鐵原子離開(kāi)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?chē)?2個(gè)相鄰的原子，原子的移動(dòng)主要靠晶格中的空隙。要使鐵原子不斷自石墨化前沿移開(kāi)，就需要奧氏體中遠(yuǎn)處的空隙不斷石墨化前沿?cái)U(kuò)散。如果冷卻快，不能給原子擴(kuò)散以足夠的時(shí)間，就不能實(shí)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(shí)際上是非常少見(jiàn)的。（2）珠光體的形成非平衡條件如果鑄件冷卻較快

20、，奧氏體過(guò)冷到共析溫度A1以下，就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)，首先是滲碳體在奧氏體與石墨或其他夾雜物的界面上生核并成長(zhǎng)。由于滲碳體的長(zhǎng)大，其附近的奧氏體含碳量降低，于是在滲碳體的兩側(cè)析出鐵素體。鐵素體的析出，又使其附近的奧氏體富碳，又為滲碳體的析出創(chuàng)造了條件。這樣的不斷發(fā)展，就會(huì)形成由大體上互相平行的鐵素體和滲碳體片層組成的珠光體團(tuán)。每個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)，都會(huì)有若干珠光體團(tuán)生長(zhǎng)，直到其相互接觸而終止。進(jìn)行這種轉(zhuǎn)變，碳原子和鐵原子擴(kuò)散移動(dòng)的距離比較短，不需要很長(zhǎng)的擴(kuò)散時(shí)間（緩慢冷卻）。（3）合金元素對(duì)共析轉(zhuǎn)變的影響硅是灰鐵中最重要的合金元素，正因?yàn)楹?%左右的硅，灰鑄鐵的組織中才可以不含游離

21、滲碳體。但是，硅對(duì)灰鑄鐵的力學(xué)性能也有其負(fù)面作用。首先，硅使鑄鐵的相圖中產(chǎn)生鐵素體、奧氏體和石墨共同存在的三相區(qū)，從而有利于鐵素體形成。此外，硅還降低碳在奧氏體中的溶解度，增加鐵素體長(zhǎng)大的速率?？梢酝ㄟ^(guò)加入其他元素來(lái)抵消硅的負(fù)面作用，使鑄鐵具有完全的珠光體基體。合金元素可以通過(guò)不同的方式影響奧氏體的穩(wěn)定性。有些元素，如錫、銻、砷和銅，易于聚集在石墨-奧氏體界面上，阻止碳向石墨擴(kuò)散，使碳固溶于奧氏體，從而促進(jìn)形成珠光體。有些元素，如錳和鎳，使T和A1溫度下降，擴(kuò)大奧氏體區(qū)。由于碳的擴(kuò)散速率隨溫度的下降而降低，在低溫下形成鐵素體的速率下降。因此，奧氏體中的含碳量較高，產(chǎn)生珠光體的傾向增大。一些碳化

22、物形成元素，如錳和鉻，使碳在奧氏體中的溶解度增大。這類元素與碳的親和力強(qiáng)，在冷卻到T溫度期間，使碳保持固溶狀態(tài)；在T溫度以下，則阻礙石墨化，阻礙形成游離鐵素體，從而增加鑄鐵基體中的珠光體量。還有些碳化物形成元素（如鉬）對(duì)奧氏體穩(wěn)定性的影響不大，但能使層狀珠光體細(xì)化，從而顯著地增強(qiáng)珠光體。（4）合金元素細(xì)化珠光體的作用合金元素最重要的影響，是其對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w、貝氏體和馬氏體的動(dòng)力過(guò)程的影響，從熱處理的角度來(lái)看，就是合金元素對(duì)可淬硬性的影響。連續(xù)冷卻時(shí)，可淬硬性增強(qiáng)表現(xiàn)為將奧氏體轉(zhuǎn)變的起始點(diǎn)推遲到較低的溫度。在較低的溫度下形成的珠光體較細(xì)，強(qiáng)度和硬度也都較高。在影響奧氏體轉(zhuǎn)變方面，合金元素的

23、作用并不相同。有些合金元素阻礙形成游離鐵素體的作用較強(qiáng)，有些合金元素推遲珠光體形成的作用較強(qiáng)。鑄鐵中加入錫、銻、砷之類的合金元素，有促成珠光體的作用，而在細(xì)化珠光體方面實(shí)際上沒(méi)有作用。鉻、銅和鎳的作用不強(qiáng)，需加入較大的量才能明顯地細(xì)化珠光體。錳促成珠光體的作用中等，但其用量往往因?yàn)橐３趾线m的Mn/S比而受到制約。釩和鉬的促硬能力最強(qiáng)，加入較小的量就有可觀的增強(qiáng)作用。在中、低碳鋼中，硅確有促進(jìn)硬化的作用，其機(jī)制是延緩珠光體反應(yīng)，冷卻時(shí)易于得到馬氏體。但是，在灰鑄鐵中，可認(rèn)為硅在這方面有負(fù)面的作用，硅使A1溫度提高，促進(jìn)形成游離鐵素體。硅還使珠光體在較高的溫度下形成，即使得到珠光體，其強(qiáng)度和硬度

24、也都較低。鉬的作用很特別，其推遲珠光體轉(zhuǎn)變的作用強(qiáng)，但阻止鐵素體形成的作用則很小。所以，加入鉬可推遲珠光體轉(zhuǎn)變，但碳擴(kuò)散的時(shí)間較長(zhǎng)，形成的鑄素體也較多，在未加其他合金元素的灰鑄鐵中加入鉬，可能使鑄件厚截面處的鐵素體量增多。所以，如要得到完全珠光體組織，在加入鉬的同時(shí)，常要配加其他珠光體促成元素，如銅、錫和鉻等?；诣T鐵中單加一種合金元素可以有明顯的細(xì)化珠光體的作用，但是，將兩種或多種合金元素配合使用往往有疊加的增強(qiáng)效果（即1+1>2的效果）。有些合金的配合作用是特別有效的，如Mo+Ni，Mo+Cu和Cr+Mo。合金的配合使用可以使加入的合金總量減少，從而能降低成本。但是，在消除鐵素體方面，

25、目前還不知道合金配合使用有疊加效果的情況。二灰鑄鐵中常用的合金元素灰鑄鐵中所加的合金元素大體上可分為4類，即石墨化元素，滲碳體穩(wěn)定元素，珠光體穩(wěn)定元素和細(xì)化珠光體的元素。鑄鐵凝固過(guò)程中，碳、硅、鋁、硫、銅和鎳等元素都有促進(jìn)石墨形成的作用，可認(rèn)為是石墨化元素。但是，各元素的效能卻很不相同，例如，銅的作用大約是硅的20%。鎳和銅還有雙重作用：共晶轉(zhuǎn)變時(shí)促進(jìn)石墨化；共析轉(zhuǎn)變時(shí)卻抑制石墨化，有助于形成較多較細(xì)的珠光體，所以也可以將其視為珠光體穩(wěn)定元素。鈦的影響也很復(fù)雜。一般說(shuō)來(lái)，鈦是很強(qiáng)的碳化物形成元素，但當(dāng)其含量很少時(shí)（如<0.08%），它的微細(xì)的化合物可作為石墨的核心，有促進(jìn)石墨化的作用。錫

26、、銻、錳、鉬、鉻、釩和鈮等都能阻礙石墨的析出和成長(zhǎng)，增強(qiáng)形成滲碳體的傾向，都屬于滲碳體穩(wěn)定元素。其中，鉬的作用與其加入量有關(guān)。鑄鐵中含鉬量，<0.8%時(shí)，鉬的作用溫和，表現(xiàn)為使珠光體細(xì)化，含量提高就是滲碳體穩(wěn)定元素。一般認(rèn)為：錳的作用是增加鑄鐵的珠光體量，提高鑄鐵的強(qiáng)度。實(shí)際上，錳的作也是多方面，含量高時(shí)，會(huì)使石墨粗大，從而降低鑄鐵的強(qiáng)度。本文的開(kāi)始，我們就談到了提高灰鑄鐵件的強(qiáng)度及其綜合質(zhì)量的目標(biāo)，現(xiàn)在就從這個(gè)角度來(lái)談?wù)劵诣T鐵中常用的合金元素。1錳和硫一般說(shuō)來(lái)，硫是有害元素。但對(duì)灰鑄鐵來(lái)講，含少量的硫?qū)τ谑纳撕凸簿F(tuán)的細(xì)化都有非常重要的作用。所以，灰鑄鐵中的含硫量不宜低于0.06

27、%，最好保持在0.06% 0.08%之間。含硫量太高（>0.18%），則各種有害作用都會(huì)顯現(xiàn)，損害鑄件的質(zhì)量。硫是化學(xué)活性強(qiáng)的元素，在鑄鐵中含錳量很低時(shí)，硫與鐵生成化合物FeS（熔點(diǎn)1193），也與鐵和碳形成低熔點(diǎn)的共晶體（含碳0.17%，硫31.7%，其余為鐵，熔點(diǎn)975）。FeS可以完全溶解于鐵液中。鐵液凝固時(shí)，硫或FeS在奧氏體和滲碳體的固溶度很小，逐漸富集于剩余的液相中，最后以硫化物的形式析出，鑄鐵中含硫量為0.02%時(shí)，即可出現(xiàn)獨(dú)立的硫化物。在灰鑄鐵中，硫與錳的親和力比其與鐵的親和力大得多，下式表述的反應(yīng)中，MnS的形成是占優(yōu)勢(shì)的。Mn+FeS MnS + FeMnS的熔點(diǎn)為1

28、620，在灰鑄鐵中，MnS是細(xì)小而無(wú)害的藍(lán)灰色夾雜物，散亂地分布在金屬基體中，而且有助于改善鑄鐵的加工性能、提高工具的壽命。灰鑄鐵中，MnS和FeS可以互溶，所以， 復(fù)合硫化物（MnFe）S中，錳和硫的量是可變的。硫和氧也可以互溶，所以，灰鑄鐵中，硫化物的情況很復(fù)雜，生成的化合物可以用FexMnySvOw來(lái)表示，其中x、y、v和W的值會(huì)因鑄鐵的具體條件而改變。近年來(lái)，用定量金相分析方法所作的研究表明：1cm3灰鑄鐵中，MnS和（MnFe）S夾雜物約有4300萬(wàn)個(gè)，夾雜物的尺寸為223微來(lái)。夾雜物的總量不到鑄鐵重量的0.01%。硫以FeS或三元共晶存在時(shí)，在鑄鐵凝固過(guò)程中，偏析于共晶團(tuán)界面的液相

29、中，阻礙共晶團(tuán)的成長(zhǎng)，使共晶凝固時(shí)的過(guò)冷度增加，因而使鑄鐵的白口傾向增大。凝固以后，偏析于共晶團(tuán)邊界上的FeS或三元共晶，又會(huì)使鑄鐵的力學(xué)性能低下，脆性大。這就是硫的有害作用。如果鑄鐵中加有足夠量的錳以抑制FeS的產(chǎn)生，并形成細(xì)小而分散的硫化物夾雜，硫就會(huì)在石墨的生核和成長(zhǎng)中起積極而有益的作用。結(jié)果，鑄鐵組織中共晶團(tuán)細(xì)小，石墨為A型，也不會(huì)出現(xiàn)白口。為使石墨片的形態(tài)令人滿意，灰鑄鐵中硫的最低含量應(yīng)是0.06%。含硫量低于此值，鑄鐵中石墨片的分布狀況就不好，且易產(chǎn)生白口。錳在灰鑄鐵中的主要作用是約束硫，抑制FeS的形成。由于錳與硫的原子量的比值為1.71。鑄鐵中的錳與硫化合形成MnS的當(dāng)量比為1

30、.71時(shí)，認(rèn)為其處于錳硫平衡狀態(tài)。含量高于平衡狀態(tài)的錳，稱為“超量錳”，含錳量低于平衡狀態(tài)時(shí)，則屬于“硫超量”。前而說(shuō)到的反應(yīng)是可逆的，如欲使FeS充分地與錳作用生成MnS，必須有適當(dāng)?shù)某垮i。在正常的作業(yè)條件下，如灰鑄鐵中含硫量不高于0.18%，同時(shí)又含有足夠量的錳，硫的有害作用就不會(huì)太大。如果沒(méi)有足夠的含錳量，含硫高就有明顯的穩(wěn)定滲碳體的作用。石墨的形態(tài)也不好（尖銳石墨片）。錳延緩?qiáng)W氏體轉(zhuǎn)變的作用很明顯，在鑄鋼中是最便宜的、也是最常用的提高淬透性的合金元素。在灰鑄鐵中，錳也有提高基體淬透性的作用。由于灰鑄鐵不適宜淬火處理，這一優(yōu)點(diǎn)是無(wú)從利用的。錳對(duì)灰鑄鐵強(qiáng)度性能的影響有其兩重性：一方面，錳

31、能促進(jìn)珠光體形成，且有一定的細(xì)化珠光體的作用，因而有助于提高強(qiáng)度；另一方面，含錳量太高會(huì)影響鐵水的生核，使共晶團(tuán)數(shù)量少，石墨粗大，甚至可能促成過(guò)冷石墨，從而使鑄鐵的強(qiáng)度降低。關(guān)于錳在灰鑄鐵中的作用，英國(guó)鑄鐵研究協(xié)會(huì)（BCIRA）曾進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究，美國(guó)鑄造學(xué)會(huì)（AFS）也組織過(guò)有關(guān)的調(diào)查和研究，以下一些看法是目前為大家所認(rèn)同的?；诣T鐵中的超量錳為0.20.3%時(shí)，白口傾向最小，硬度也最低，當(dāng)然強(qiáng)度也不高。將超量錳降低到0.1%左右，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度會(huì)有較大幅度的提高，同時(shí)，布氏硬度也可能提高4050單位，在這種情況下，應(yīng)注意鑄鐵的加工性能是否適宜。超量錳在0.3%以上繼續(xù)提高含錳量，可使灰鑄鐵

32、基體中的珠光體增多，但并不一定能提高強(qiáng)度。美國(guó)鑄造學(xué)會(huì)的研究表明，將灰鑄鐵的含錳量從0.39%逐步提高到0.97%，22.5、30和50的試棒的抗拉強(qiáng)度，都隨含錳量的增加而降低。由于各個(gè)鑄造廠的鑄鐵中的殘留合金元素含量不同，含硫量也不相同，所以，各廠超量錳的最佳值不盡相同，無(wú)法推薦廣泛適用的含錳量。鑄造廠宜根據(jù)其熔化設(shè)備和爐料的具體情況，通過(guò)試驗(yàn)，確定最合適的含錳量。可以超量錳0.2%為起點(diǎn)，在一較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行逐步改變含錳量的試驗(yàn)。每一階段（約一個(gè)月）增加0.1%的錳，看含錳量為何值時(shí)能得到適合其作業(yè)條件和產(chǎn)品要求的最佳綜合性能（包括抗拉強(qiáng)度和硬度的比）。一般說(shuō)來(lái)，最佳的含錳量會(huì)在超量錳為0

33、.2%和0.5%之間。如果鑄鐵中含硫量較高（0.15%以上），含錳量又超過(guò)了0.7%，則鑄件的上表面容易出現(xiàn)渣反應(yīng)生成的皮下氣孔，這是由于MnS上浮到金屬/鑄型界面上發(fā)生反應(yīng)而造成的。在這種情況下，應(yīng)降低含硫量并適當(dāng)提高澆注溫度。實(shí)際生產(chǎn)條件下，灰鑄鐵中含硫0.050.15%，含錳量不超過(guò)0.65是正常的。2銅灰鑄鐵中的銅，有多方面的作用：l 促進(jìn)石墨化（效能約為硅的20%）；l 減輕鑄鐵的白口傾向，但又不促成游離鐵素體；l 促進(jìn)形成珠光體的作用較強(qiáng)；l 可因溶于鐵素體，使鐵素體強(qiáng)化；l 使珠光體細(xì)化。對(duì)于鐵素體，珠光體鑄鐵，加銅后提高抗拉強(qiáng)度和硬度的作用比較明顯而且可靠。如果用于高碳、低硅鑄

34、鐵，則改善作用最大。銅的加入量一般為1%。最好與其他合金元素（如鉬、錫、鎳和鉻等）配合使用。已有研究表明，銅可以抵消碳化物穩(wěn)定元素（如鉻之類）的負(fù)面作用，減輕鑄鐵的白口傾向?；诣T鐵中加銅，可使厚截面處的鐵素體減少，同時(shí)又能減輕薄壁處的白口，使鑄件各截面處的顯微組織比較一致。由于銅可以改善鑄件顯微組織的均勻性，因而可以改善鑄件的加性能。對(duì)于原本就是全部珠光體基體的鑄鐵，加入0.35%以下的銅，能提高抗拉強(qiáng)度，加銅量超0.4%以后作用就不明顯。 3錫在灰鑄鐵中，錫是很好的珠光體穩(wěn)定元素，在共晶凝固過(guò)程中，逐漸向液相偏析，最后富集在與石墨片相鄰的奧氏體中，共析轉(zhuǎn)變時(shí)，阻礙奧氏體中的碳向石墨片擴(kuò)散，從而使珠光體增多。錫在金屬基體中的溶解度很有限，加入量不可過(guò)多，否則就會(huì)使鑄鐵脆化，沖擊韌度下降，而且還有其他副作用。錫減少鐵素體和增加珠光體的作用很強(qiáng)，在灰鑄鐵中的主要作用是消除鐵素體，加入量也以得到全部珠光體其體為限，用量一般為0.040.