灰鑄鐵的組織和幾種合金元素的影響（文摘）

中國鑄造協(xié)會  李傳軾  

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。 鑄鐵凝固過程中，碳、硅、鋁、硫、銅和鎳等元素都有促進石墨形成的作用，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)變時促進石墨化；共析轉(zhuǎn)變時卻抑制石墨化，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。一般說來，鈦是很強的碳化物形成元素，但當(dāng)其含量很少時（如<0.08%），它的微細(xì)的化合物可作為石墨的核心，有促進石墨化的作用。

錫、銻、錳、鉬、鉻、釩和鈮等都能阻礙石墨的析出和成長，增強形成滲碳體的傾向，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，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，提高鑄鐵的強度。實際上，錳的作也是多方面，含量高時，會使石墨粗大，從而降低鑄鐵的強度。

本文的開始，我們就談到了提高灰鑄鐵件的強度及其綜合質(zhì)量的目標(biāo)，現(xiàn)在就從這個角度來談?wù)劵诣T鐵中常用的合金元素。

1．錳和硫

一般說來，硫是有害元素。但對灰鑄鐵來講，含少量的硫?qū)τ谑纳撕凸簿F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%，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顯現(xiàn)，損害鑄件的質(zhì)量。

硫是化學(xué)活性強的元素，在鑄鐵中含錳量很低時，硫與鐵生成化合物FeS（熔點1193℃），也與鐵和碳形成低熔點的共晶體（含碳0.17%，硫31.7%，其余為鐵，熔點975℃）。

FeS可以完全溶解于鐵液中。鐵液凝固時，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，即可出現(xiàn)獨立的硫化物。

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)勢的。Mn FeS MnS FeMnS的熔點為1620℃，在灰鑄鐵中，MnS是細(xì)小而無害的藍(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?；诣T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來表示，其中x、y、v和W的值會因鑄鐵的具體條件而改變。 近年來，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4300萬個，夾雜物的尺寸為2～23微來。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，在鑄鐵凝固過程中，偏析于共晶團界面的液相中，阻礙共晶團的成長，使共晶凝固時的過冷度增加，因而使鑄鐵的白口傾向增大。凝固以后，偏析于共晶團邊界上的FeS或三元共晶，又會使鑄鐵的力學(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，硫就會在石墨的生核和成長中起積極而有益的作用。結(jié)果，鑄鐵組織中共晶團細(xì)小，石墨為A型，也不會出現(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1.71時，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，則屬于“硫超量”。

前面說到的反應(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%，同時又含有足夠量的錳，硫的有害作用就不會太大。如果沒有足夠的含錳量，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）。

     錳延緩奧氏體轉(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)點是無從利用的。    錳對灰鑄鐵強度性能的影響有其兩重性：一方面，錳能促進珠光體形成，且有一定的細(xì)化珠光體的作用，因而有助于提高強度；另一方面，含錳量太高會影響鐵水的生核，使共晶團數(shù)量少，石墨粗大，甚至可能促成過冷石墨，從而使鑄鐵的強度降低。   關(guān)于錳在灰鑄鐵中的作用，英國鑄鐵研究協(xié)會（BCIRA）曾進行過系統(tǒng)的研究，美國鑄造學(xué)會（AFS）也組織過有關(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。灰鑄鐵中的超量錳為0.2-0.3%時，白口傾向最小，硬度也最低，當(dāng)然強度也不高。將超量錳降低到0.1%左右，灰鑄鐵的抗拉強度會有較大幅度的提高，同時，布氏硬度也可能提高40-50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，可使灰鑄鐵基體中的珠光體增多，但并不一定能提高強度。    美國鑄造學(xué)會的研究表明，將灰鑄鐵的含錳量從0.39%逐步提高到0.97%，φ22.5、φ30和φ50的試棒的抗拉強度，都隨含錳量的增加而降低。    由于各個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，通過試驗，確定最合適的含錳量?？梢猿垮i0.2%為起點，在一較長的時間內(nèi)進行逐步改變含錳量的試驗。每一階段（約一個月）增加0.1%的錳，看含錳量為何值時能得到適合其作業(yè)條件和產(chǎn)品要求的最佳綜合性能（包括抗拉強度和硬度的比）。一般說來，最佳的含錳量會在超量錳為0.2%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。

實際生產(chǎn)條件下，灰鑄鐵中含硫0.05-0.15%，含錳量不超過0.65是正常的。

2．銅

灰鑄鐵中的銅，有多方面的作用：

◆ 促進石墨化（效能約為硅的20%）；

◆ 減輕鑄鐵的白口傾向，但又不促成游離鐵素體；

◆ 促進形成珠光體的作用較強；

◆ 可因溶于鐵素體，使鐵素體強化；

◆ 使珠光體細(xì)化。

對于鐵素體，珠光體鑄鐵，加銅后提高抗拉強度和硬度的作用比較明顯而且可靠。如果用于高碳、低硅鑄鐵，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。

灰鑄鐵中加銅，可使厚截面處的鐵素體減少，同時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工性能。

對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，阻礙奧氏體中的碳向石墨片擴散，從而使珠光體增多。錫在金屬基體中的溶解度很有限，加入量不可過多，否則就會使鑄鐵脆化，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，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基體為限，用量一般為0.04-0.10%。加錫的鑄鐵，一般可得到A型石墨，90%以上的珠光體。

4．銻

銻和錫類同，在灰鑄鐵中也是穩(wěn)定珠光體的合金元素，而且價格便宜。但是，銻在灰鑄鐵中的作用目前也還是有不同看法的。

銻促成珠光體的能力很強，視原鐵水的條件不同，其作用一般是錫的2-4倍，所以加入量也比錫少少得多。對于容易產(chǎn)生B型和D型石墨的薄壁鑄件，加銻的效果特別好。

有人曾用抗拉強度為250MPa左右、基體基本上完全是珠光體的鑄鐵，進行了加銻的研究。結(jié)果是：除硬度因加銻而增高外，抗拉強度、抗彎強度和橈度都隨之下降。因而認(rèn)為鑄鐵中加銻是有問題的。在基體組織中有鐵素體的鑄鐵中加銻，對提高抗拉強度和硬度都是有益的。銻和錫的作用相似，隨著鑄鐵強度的提高，其沖擊韌度下降，因此，其加入量應(yīng)不超過得到完全珠光體組織所需的量，以在0.02-0.05%之間為宜。

灰鑄鐵中加入銻，對于防止析出鐵素體和過冷石墨，得到較多的A型石墨，肯定是有效的。當(dāng)鑄件某些部位總保留有少量鐵素體，而且加入銅、鉻和錫等合金仍不能消除鐵素體時，就特別要考慮加入銻。目前，加銻的一個問題是缺乏良好的光譜標(biāo)樣，準(zhǔn)確的分析得靠濕法化學(xué)分析，這很費時間而且花銷不少。

5．鎳

鎳在灰鑄鐵中的作用與銅相似，既是石墨化元素，可用以減輕白口傾向，又可以促進珠光體形成，還可以使珠光體細(xì)化。如果與其他合金元素（如鉬）配合使用，改善鑄鐵性能的作用就會良好。

6．鉻

鉻在鑄鐵中使碳在奧氏體中的溶解度增加，因而阻礙鐵素體生核成長，是很強的珠光體促成元素。但是，在鑄鐵凝固過程中，鉻促成滲碳體的作用很強，使鑄鐵的白口傾向增強。雖然在鑄鐵中加硅、并進行孕育處理，對減輕鉻造成的白口傾向有效，但對于消除鉻所致的晶間滲碳體則效果欠佳。

此外，鉻細(xì)化珠光體從而提高鑄鐵強度的作用也不太明顯。

灰鑄鐵中，加入0.5%左右的鉻，能使石墨細(xì)化，減少鐵素體，增加珠光體。加入1%左右，就可能出現(xiàn)少量滲碳體，形成麻口組織。

灰鑄鐵件生產(chǎn)中，對于單用鉻一種合金元素，宜采取審慎的態(tài)度。

7．鉬

在灰鑄鐵中，鉬是有效的促硬元素，但作用溫和。鑄鐵中的含鉬量一般不多于0.8%，這樣的量就能細(xì)化珠光體、增強基體，從而有效地提高鑄鐵的強度。同時，鑄鐵的白口傾向并不明顯增強。

鉬并不是促進珠光體形成的元素，實際上，鉬阻礙形成珠光體的作用可能比阻礙形成鐵素體的作用更強。如果鑄鐵中只加入鉬，則厚截面（緩冷）處鐵素體量可能較多。因此，鉬最好與其他促成珠光體的合金元素（鉻、銅和鎳等）配合使用。

8．釩

釩是強烈形成碳化物的元素。灰鑄鐵中加入釩，則白口傾向大為增強，這就限制了它的應(yīng)用。

加入量在0.3%以下時，釩的作用較易控制，可以有效地使石墨細(xì)小并使珠光體增多，從而提高鑄鐵的強度。

厚大截面的鑄件，加入釩可使整個截面上的組織較為均勻，這是非常重要的特點。（完）