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1、化学成分中各元素在铸件中的作用1.化学成分中各元素在铸铁中的作用a.铸铁中，除铁以外，常存元素主要有：碳、硅、锰、磷、硫，统称之为铸铁的五元素，它们的作用如下：碳 碳的元素符号 C；原子序数 6；晶型六角（石墨）/ 钻石立方（金刚石）；相对原子质量 12；密度 2.25g/c；熔点 3727；沸点 4830；比热容 0.693J/(g)碳是铸铁的基本元素，在铸铁中的存在形式主要有两种，一种是以游离碳石墨的形式存在，另一种是以化合碳渗碳体的形式存在。碳是强烈促进石墨化的元素，增加碳量会增加石墨的数量，但会使石墨粗大；反之，减少碳量，会使石墨细小。在灰铸铁中，碳的质量分数控制在 2.7%3.8%的
2、范围内，碳主要以片状石墨形式存在，高碳灰铸铁的金相组织为铁素体和粗大的片状石墨，机械强度和硬度较低，但 挠度较好；低碳灰 铸铁的金相组织为珠光体和细小的片状石墨，有较高的机械强度和硬度，但挠 度较差。由于灰 铸铁的成分位于共晶点附近，因此具有良好的铸造性能，对于亚 共晶范围的灰铸铁，增加碳含量能提高流动性，反之，对于过共晶范围的灰铸铁，只有降低碳含量才能提高流动性。在球墨铸铁中，碳的质量分数控制在 3.5%3.9%的范围内，经球化处理后，碳的质量分数通常会减少 0.1%0.3%，碳主要是以球状石墨形式存在，石墨呈球状后，石墨数量对力学性能的影响就不十分重要，但为了改善铸造性能，碳 总是维持在较
3、高线，并且利用石墨化的膨胀作用以补偿收缩，增加铸件的致密性，保证铸件有较高的力学性能。在共晶成分以上，增加碳含量易产生石墨漂浮，降低力学性能；在共晶成分下，增加碳含量可以提高镁的吸收率，有利于球化，但降低碳含量易产生游离渗碳体，使力学性能降低、脆性增加，同时增加缩孔和缩松等铸造缺陷。在蠕墨铸铁中，碳的质量分数控制在 3.5%3.9%的范围内，经蠕化处理后，碳主要以蠕虫状石墨形式存在，碳高时，金属基体 为铁 素体，抗拉 强度、弹性模量和硬度有降低趋势，而冲 击韧性和伸长率较好；碳低时，金属基体主要为珠光体，抗拉强度、弹性模量和硬度有所改善，而冲击韧 性和伸长率有所下降。为了获得良好的流动性且有较
4、低的收缩性，通常希望碳质量分数在 3.5%3.8%。在可锻铸铁中，对于黑心可锻铸铁，碳的 质量分数控制在 2.3%2.8%的范围内，碳主要以团絮状石墨形式存在。高碳量， 对退火 过程中第一阶段石墨化影响不大，但能加快第二阶段石墨化速度；碳含量过高，容易析出初生石墨，出 现麻口和灰口，或退火后石墨数量增多并粗大疏松，导致力学性能下降；降低碳含量，可保证获得纯白口铸坯，使退火后得到的石墨细小、紧密、分布均匀，力学性能较高；碳含量过低，会使流 动性变差、容易 产生缩松、 缩孔和裂纹等缺陷。对于白心可锻铸铁，碳的质量分数控制在 2.8%3.4%。硅 硅的元素符号 Si；原子序数 14；晶型钻石立方；相
5、对原子质量 28.1；密度 2.33g/c；熔点 1412；沸点 3310；比热容 0.680J/(g)；溶解热 1418.4J/g硅是铸铁的常存五元素之一，能减少碳在液态和固态铁中的溶解度，促进石墨的析出，因此是促进石墨化的元素，其作用为碳的 1/3 左右，故增加硅量会增加石墨的数量，也会使石墨粗大；反之，减少硅量，会使石墨细小。在灰铸铁中，硅的质量分数控制在 1.1%2.7%的范围内，一般碳硅含量低可获得较高的机械强度和硬度，但流动性稍差；反之，碳硅含量高，流 动性好，机械强度和硬度较低。当薄壁 铸件出现白口时，可提高碳硅含量使之变灰；当厚壁铸件出现粗大石墨时，应适当降低碳硅含量，并达到提
6、高机械强度和硬度的目的。在球墨铸铁中，球化前的硅的质量分数控制在 1.0%2.0%的范围内，这主要考虑到球化时球化孕育剂还要带入一部分硅量，通常，球化后的硅的质量分数最终控制在 1.8%3.3%，在此范围内，随着硅量的提高， 铁素体量增加，并能细化石墨，提高球状石墨的圆 整度，但硅能提高 韧性- 脆性转变温度，降低冲 击韧性，因此，对 于珠光体球墨铸铁 ，硅的 质量分数最终控制在 1.8%2.5%较为合适，以不出现自由渗碳体为原则；对于铁素体球墨铸铁，硅含量最终控制在2.6%3.3%，以不显著降低 韧性为原则。在蠕墨铸铁中，蠕化前的硅的质量分数控制在 1.1%2.0%的范围内，这同样考虑到蠕化
7、时蠕化孕育剂也要带入一部分硅量，通常，蠕化后的硅的质量分数最终控制在 2.0%3.0%，在此范围内，随着硅量的提高， 铁素体量有所增加，而珠光体量有所减少，如果硅量过高或者薄断面冷却速度快，往往会使蠕墨铸铁中产生较多的球状石墨，因此原 铁液的硅量可稍微降低些。在可锻铸铁中，对于黑心可锻铸铁，硅的含量控制在 1.1%2.2%的范围内，以获得铸态白口组织为原则，提高硅量能适当提高铁液流动性、减少疏松、 还能细化晶粒、增加石墨核心、加速退火过程。当不加入阻碍铸态石墨化元素以生产普通（低硅）可锻铸铁时，硅含量一般控制在 1.4%以下；当加入强烈阻碍铸态石墨化的元素（如铋、锑、碲等）以生产(中硅）可锻铸
8、铁时 ，硅的 质量分数控制在1.5%1.8%；在实际生产中也有为了提高退火速度，抵消铬和硫对石墨化的有害作用，把硅量控制在 1.8%2.2%或更高一些， 这 就是所谓的高硅可锻铸铁。对于白心可锻铸铁，硅的质 量分数控制在 0.3%1.0%。锰 锰 的元素符号 Mn；原子序数 25；晶型 复杂立方（Mn）（58 个原子）/复杂立方（Mn）（20 个原子） /面心四方（Mn ）/面心立方（Mn）；相对原子质量 54.9；密度 7.43g/c；熔点 1244；沸点 2150；比热容 0.483J/(g)；溶解热 267.5J/g锰是铸铁的常存五元素之一，除少量固溶于铁素体以外，大部分溶入共析碳化物和
9、渗碳体中，以复合碳化物的形态存在，加 强了碳化物的形成，故此是阻碍石墨化的元素，故增加锰量会增大基体组织中的珠光体数量。在灰铸铁中，锰的质量分数控制在 0.5%1.4%的范围内，主要作用有二，一是中和硫的有害作用，二是稳定和细化珠光体，在此含量范围内，随 锰含量的增加，铸铁 的强度、硬度增加，而塑性和 韧性降低。在球墨铸铁中，锰的质量分数比灰铸铁低，控制在 0.3%0.9%的范围内，这是由于球化剂的加入已中和了一部分硫，使硫降低到较低的数值，此时锰已不再起中和硫的作用，而主要分布并富集于共晶团境界上，形成珠光体，甚或碳化物，降低了球墨铸铁的塑性和 韧性，因此只要加入少量的锰，就可以充分 发挥出
10、稳定碳化物和珠光体的作用，对小于 6mm 的薄壁或大于 150mm 的厚壁，锰的质量分数选择小于 0.2%0.4%较好；对于珠光体球墨铸铁，锰的质量分数不宜超过 0.4%0.6%。在蠕墨铸铁中锰的质量分数与球墨铸铁相似，控制在 0.4%0.8%的范围内，锰含量在此范围内对蠕墨铸铁的强度、硬度、基体和石墨形态都没有明显的作用，但为了获得韧性较好的铸态铁素体蠕墨铸铁，锰的质量分数最好是0.4%或更低；当蠕墨铸铁的强度比韧性更重要时，锰的含量可适当提高到 1%左右。在可锻铸铁中，对于黑心可锻铸铁， 锰的质量分数控制在 0.4%1.2%的范围内，当生产铁素体可锻铸铁时， 锰的质量分数一般控制在 0.4
11、%0.8%，此 时，随锰量的增加，抗拉强度和伸 长率均有提高， 对固态 石墨化影响不大；当生产珠光体可锻铸铁时，锰的质量分数可提高到 0.8%1.2%，此时，由于它 强烈阻碍固态石墨化，只能使层状珠光体过渡到较稳定的粒状珠光体，因而强度提高、生长率下降。对于白心可锻铸铁， 锰的质量分数控制在 0.2%0.8%。磷 磷的元素符号 P；原子序数 15；晶型 正交（黄）；相对原子质量 31；密度 1.83g/c；熔点 44；沸点 280；比热容 0.743J/(g)磷也是铸铁的常存五元素之一，在通常的铸铁中被认为是有害元素。磷和硅相似，能溶于液态的铸铁中，并降低碳在液态铸铁中的溶解度；但在固态铸铁中
12、磷的溶解度是有限的，并随着碳含量的增加和温度的降低而减少。磷对石墨化的影响不大，略微促进石墨化，但有时也能阻碍石墨化。磷主要以二元磷共晶（ Fe-Fe3P）、三元磷共晶（Fe-FeP-Fe 3P）和复合磷共晶的形式存在于铸铁中，磷共晶的硬度高、脆性大、分布在晶粒的边界上，割裂了晶粒间的连续性，使铸铁的强度、塑性下降，硬度提高。另外，由于磷共晶具有较低的熔化温度和磷可以降低铸铁的熔点的缘故，因此磷能增加 铸铁的流动性及可铸性，但磷的增高会使铸铁的缩孔、缩松以及开裂倾向增加。对于灰铸铁，磷的质量分数控制在低于 0.3%；对于球墨铸铁和蠕墨铸铁，磷的 质量分数都控制在低于 0.1%，对于可锻铸铁，磷
13、的 质量分数控制在0.2%。硫 硫的元素符号 S；原子序数 16；晶型 正交（ S）/单斜（S）；相对原子质量 32.1；密度 2.07g/c ；熔点 115；沸点 445；比热容 0.735J/(g)；溶解热 39.06J/g硫也是铸铁的常存五元素之一，在通常的铸铁中也被认为是有害元素。硫稳定渗碳体，阻止石墨化。硫少量溶于铁素体及渗碳体中，降低碳在液 态铸铁中的溶解度，大部分以硫化铁和其他硫化夹杂物（MnS 、CeS）的形式存在于铸铁中，并分布于晶界上。硫化铁的熔点低、且质软而脆，能降低铸铁的强度，促进铸铁的收缩，并引起铸铁的过硬和裂纹形成。硫化 锰的熔点高、且以颗粒状分布，对铸铁的强度无多
14、大影响，但使铁液变稠，流 动性较差。对于灰铸铁，硫的质量分数控制在低于 0.15%；对于球墨铸铁和蠕墨铸铁，原铁液的硫含量主要影响球化和蠕化处理效果，并消耗更多的球化剂和蠕化剂，因此愈低愈好，球化和蠕化 处理后的硫的质量分数通常在 0.04%以下；对于可锻铸铁，随着原铁液中硫含量多少要适当调整原铁液中的碳硅和锰含量，通常硫的质量分数控制在 0.25%以下。b.铸铁中，除含有碳、硅、锰、磷、硫五元素外，有 时为了改善和提高铸铁件的某些性能，还可加入超过 通常含量的硅、 锰、磷、硫以及一定数量的铜、铬、钼、镍、钨、钛、 钒 、硼、铅.等合金元素。这些合金元素根据它们对石墨化的影响加以排列，可以得到
15、以下的序列：Al, C, Si, Ti, Ni, Cu, P, Co, Zr, Nb,W, Mn, Mo, S, Cr, V, Te, Mg, Ce,B促进石墨化 阻碍石墨化位于序列中间的合金元素对石墨化的影响不明显，左面排列着的合金元素是促进石墨化的元素，右面排列着的合金元素是阻碍石墨化的元素。铸铁中常见的合金元素如下：为了提高铸铁的耐磨性，常含有超过通常含量的磷、硫或一定数量的铜、磷铜钛、钒钛 、铬钼 、铬钼铜、硼等。为了提高铸铁的抗磨性，常含有超过通常含量的锰或一定数量的镍铬、铬铜、铬钼、镍铬铜、钼、 钒、硼、钨等。为了提高铸铁的耐热性，常含有超过通常含量的硅或一定数量的硅钼、硅铝、铝、
16、铬铝 、铬铜 、铬、镍铬、镍铬铜、镍铜等。为了获得铸铁的无磁性，常含有一定数量的镍等。铜 铜的元素符号 Cu；原子序数 29；晶型 面心六方；相对原子质量 63.5；密度 8.96g/c；熔点 1038；沸点 2580；比热容 0.386J/(g)；溶解热 212.52J/g铜是促进石墨化的元素，石墨化能力相当于硅的 1/101/5 。铜在超过它的固溶度极限时，常以显微质 点或超显微质点分布于铸铁中。铜使组织致密，并细化和改善石墨的均匀分布，既能降低铸铁的白口倾向，又能促进珠光体的形成，对 断面敏感性有有利影响。铜具有强化铸铁铁素体和珠光体的倾向，因此能增加铸铁的强度，铸铁的抗拉强度、抗弯强度几乎与所含 铜量成比例的增加，在低碳铸铁中尤为显著。在一般铸铁中， 铜的质量分数在 3.0%
