灰鑄鐵的組織和幾種合金元素的影響（一）

kangzi1983

灰鑄鐵的組織和幾種合金元素的影響（一） ■ 中國鑄造協會 李傳栻 　　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的相變都作了不少研究。在材料科學日新月異的今天，灰鑄鐵仍能作為一種結構材料而具有相當的競爭能力，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），鑄件的尺寸穩定。 3 N# L1 n& ]$ O7 h: d5 q. w　　生產高牌號灰鑄鐵件，進行有效的孕育處理，是至關重要的，但是，正確地確定化學成分，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控制灰鑄鐵化學成分的一些問題，將不涉及孕育處理。 一．灰鑄鐵的組織和合金元素的影響 3 h( N/ K$ t+ ]4 C9 Z% ]7 V, T　　灰鑄鐵的強度和綜合質量，決定于其最終的顯微組織，生產高牌號灰鑄鐵件，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；   B; ?1 \' L! ~3 C　　　　◆ 基體組織95%以上為珠光體，游離鐵素體不多于5%； / N6 @2 [) U* b6 O/ p　　　　◆ 珠光體細小。 9 r! X% k1 `8 E  a　　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轉變來達成。 1．鑄鐵的凝固過程 1 E3 M9 g% X( P, C% h7 Q1 ]. O　　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，有穩定的鐵-石墨系和介穩定的鐵-滲碳體系。制成高性能的灰鐵件，當然不希望出現游離的滲碳體，所以要使鑄鐵按穩定的鐵-石墨系凝固。 : i0 n; ?* H% s* r8 h1 t. B　　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有了過冷度，可以進行石墨加奧氏體（γ）的共晶結晶，對鐵-滲碳體系而言，則系統的自由能仍較高，設有進行滲碳體加奧氏體共晶結晶的可能。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-石墨共晶結晶溫度與鐵-滲碳體共晶溫度之間的間隔只有6℃，要實現上述凝固條件，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。 % o" [( V% O; I6 a. |$ [1 |9 s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。一些有數據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,將表列數據乘以元素含量的百分數. 　　　　②在穩定條件下凝固時,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。 　　　　* — 尚缺可用的數據。 （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，也會產生一些初生奧氏體，因為誘發共晶反應有賴于石墨的生核，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。 ) x) L6 D! ?9 P　　共晶反應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，適當地提高含硅量，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，就可以相應提高鑄鐵的強度和彈性模量。 （2）共晶凝固 7 R5 H. b! _. f  y" n) v　　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，即發生共晶轉變。 　　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。 7 g0 g9 U8 i. ~9 B) k& |　　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過冷度下發生共晶反應，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，一般不希望產生這種石墨組織。 # A; L! t# Z) s! I0 K9 o1 Y　　增加共晶團數量（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增加。現已知道，鑄鐵中加入鉬、釩、鉻、磷和鉍，都可使共晶團數增加。 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。 ( r: P: m) P. A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，就發生共晶反應，即先有石墨生核，然后以此為基礎長成共晶團。共晶反應釋放的熔化熱，又使過冷的液相溫度回升，通常稱之為“再輝”。最后，由于不斷經鑄型散熱，系統的溫度下降，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。 , o5 ~- I  W& R8 g4 [/ V　　一些我們不希望其出現的組織及其產生的條件如下：

zhangjy

謝謝分享。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

王艷輝wyh

很精辟啊。多謝指教

王艷輝wyh

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