■ 中國鑄造協(xié)會 李傳栻 過去半個世紀(jì)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(dāng)?shù)母偁幠芰Γ桥c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(dāng)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。
' H- j; s) {; N7 C 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)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(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。
6 `5 N) e' N" U0 O0 C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3 }- v, y3 V9 W/ [" D; }" n
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(biāo)，大致有以下幾方面：
% p" H6 R; j, J ◆ 有較多的初生奧氏體枝狀晶；
3 i2 z. X! T- F2 H5 ?. a" | ◆ 無游離滲碳體和晶間滲碳體；" C& x( E# v3 ]% s/ R9 K
◆ 石墨細(xì)小而且是A型；* u) X1 O; i% ?; i
◆ 基體組織95%以上為珠光體，游離鐵素體不多于5%；
% `5 M/ n0 F2 f( T3 F1 g ◆ 珠光體細(xì)小。
8 Y6 y+ T! P- J0 C; W 上述5項目標(biāo)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(dá)成。
+ T, i- f7 [& A J! }- z1．鑄鐵的凝固過程
o7 V8 R7 H. V. l% ~ 要分析鑄鐵的凝固過程，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(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。) M! _$ f, {4 B b# o0 N- r- ~# d
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。
A2 w$ r' @& i# o' W* T1 O# q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（γ）的共晶結(jié)晶，對鐵-滲碳體系而言，則系統(tǒng)的自由能仍較高，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。& k, n, c/ u" W' j/ }* R
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。 9 h6 s3 s& y7 x, B3 z( R9 I
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，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。 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?jǐn)?shù).
' f4 q& `3 l6 x ②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。8 u; r) A0 G) T* J1 j
* — 尚缺可用的數(shù)據(jù)。( j7 |: K" A2 N; X
（1）初生奧氏體析出
( A1 z& a6 g' n1 X/ v 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。
% l3 A6 c- H# k' r; W2 G! D* r 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。
" k3 w$ B( a/ M& {1 \) L) g 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(xì)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。
. P' O# e8 Y5 l( K$ c! S( W/ m& L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，就會使鑄鐵的碳當(dāng)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。4 U; } X* P0 ^4 o( _' I
如果保持灰鑄鐵的碳當(dāng)量不變，適當(dāng)?shù)靥岣吆枇浚档秃剂浚床捎幂^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。1 M! l8 p2 i4 g
（2）共晶凝固! S. [" [, q( E) r- U. L7 p u
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，即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。2 H4 Q# I; D3 A% t
共晶凝固從石墨生核開始。液相中微細(xì)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，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。
! s# U- ~6 g) w. `# I 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。
* T& [5 k% H# C9 _( n# p: G. ? 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（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(xì)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。 ^2 v7 @9 _) `
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(biāo)。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、磷和鉍，都可使共晶團數(shù)增加。3 A. N R- v; d5 c
2．對灰鑄鐵凝固過程的分析
) P T1 Y7 E& k t' f) P2 o2 T 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。 ; I% s9 Y8 l* G, N
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(dá)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。
; ?2 p4 F. K0 k 一些我們不希望其出現(xiàn)的組織及其產(chǎn)生的條件如下：
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