各种元素对铸造的影响

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1、各种元素对铸铁组织性能的影响1. C碳是铸铁的基本组元，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，也正是碳在铸铁中的 这种存在形式可把铸铁分成许多类型可把铸铁分成许多类型,在灰铸铁中，碳 的质量分数控制在 2.7%-3.8%的范围内，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

2、共晶范围的灰铸铁，只有降低碳含量才能提高流动性。在 QT 中含 C 量高，析出的石墨数量多，石墨球数多，球径尺寸小，圆整度增加。提高含 C量可以减小缩松体积，减小缩松面积，使铸件致密。但是含C量过高则降 低缩松作用不明显，反而出现严重的石墨漂浮，且为保证球化所需要的残余 Mg量要增多。2.Si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

3、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的石墨时，应适当降低碳硅含量，并达到提高机械强度 和硬度的目的。Si是Fe-C合金中能够封闭区的元素，Si使共析点的含C 量降低。Si提高共析转变温度，且在QT中使铁素体增加的作用比HT要大。 HT 中 C、Si 都是强烈促进石墨化的元素。提高碳当量促使石墨片变粗、数 量增多，强度和硬度下降。降低碳当量可以减少石墨数量、细化石墨、增加 初析奥氏体枝晶数量，从而是提高灰铸铁力学性能常采取的措施。但是降低 碳当量会导致铸造性能降低、铸件断面敏感性增加，硬度上升加工困

4、难等问 题。3.Mn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 化物和渗碳体中，以复合碳化物的形态存在，加强了碳化物的形成，因此是 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，生成MnS及（F e、Mn） S化合物，以颗粒状分布于机体中。这 些化合物的熔点在1600C以上，不仅无阻碍石墨化的作用，而且还可以作为 石墨化非自发性晶核。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QT中Mn的作用是形成碳化物和

5、珠光体。对于厚大断面的QT件来说，锰是 偏析倾向特别显著的元素，是强烈稳定奥氏体的元素，对稳定珠光体的作用 也很显著，在生产珠光体QT时，可以利用锰稳定珠光体的作用消除石墨球周围的铁素体（牛眼）组织。4.S 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小，降低碳在液态铸铁 中的溶解度，大部分以硫化铁（FeS）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，对铸铁的强度无多大影响

6、，但使铁液变稠，流动性变 差。对于灰铸铁，硫的质量分数控制在低于0.15%。S在QT中是反石墨化兀 素，属于有害杂质。5. P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。P使铸 铁的共晶点左移，且作用程度和硅相似，能溶于液态铸铁中，并降低碳在液 态铸铁中的溶解度,故计算碳当量时应计入磷的含量；但在固态铸铁中磷的溶 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-Fe3P）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

7、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和可铸 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3.0%。P在QT中不影响球化，但是有害元素，它可以溶解在铁液减低铁碳合金的共 晶含碳量。其降低的碳量相当与它含量的1/3。6. Cu 铜是促进共晶阶段石墨化的元素，石墨化能力相当于硅的1/10-1/5。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，又能降低 奥氏体转变

8、临界温度，细化和增加进珠光体，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%-3.5%以下可使硬度增加；但当铸铁具有 形成白口倾向时，或存在着游离碳化物的硬点时，则加入铜会使硬度降低。常用量V1.0%。7. Cr1）反石墨化作用属中强，共析转变时稳定珠光体2）铬是缩小Y区的 元素，Cr20%时，Y区消失3）用量0.15%-30%4）其用量小于1.0%仍属灰铸铁（可能有少量自由Fe3C出现），但力学性能 有所提高。8.Sn1）为增加珠光体量而加

9、入，一般用量V0.1%，可提高铸铁强度，0.1%时有 可能使铸铁出现脆性2）Sn 0.1%可出现反球化作用3）共晶团边界易形成FeSn2的偏析化合物，因此有韧性要求时，注意Sn量 的控制9. Mo1）MoV0.6%时，稳定碳化物的作用比较温和，主要作用在于细化珠光体，亦 能细化石墨。2）MoV0.8%时对铸铁的强化作用较大3）用Mo作合金化时P量一定要低，否则会出现P- Mo四元共晶，增加脆性4）Mo1%时，达到1.8%2.0%时，可抑制珠光体的转变，而形成针状基体5）Mo能使“C”曲线右移，并有使形成两个“鼻子”的作用，故易得贝氏 体10. Ni1）溶与液体铁及铁素体2）共晶期间促进石墨化，

10、其作用相当于1/3Si3）降低奥氏体转变温度，扩大奥氏体区，能细化并增加珠光体4）NiV3.0%，珠光体型，可提高强度，主要用作结构材料；Ni3%8%，马氏 体型，主要用作耐磨材料；Ni12 %，奥氏体型，主要用作耐腐蚀材料等。5）对石墨粗细影响较小11.Sb1）强烈促进形成珠光体2）0.002%0.01%时，对QT有使石墨球细化的作用，尤其对大断面QT件有 效3）其干扰球化的作用可用稀土元素中和4）HT中的加入量为V0.02%，QT中的加入量0.002%0.010%灰铸铁的组织和几种合金元素的影响过去半个世纪中，灰铸铁的熔炼和孕育处理有了很大的进展，对于铸铁的合金化、生核和凝 固以及固态的相

11、变都作了不少研究。在材料科学日新月异的今天，灰铸铁仍能作为一种结构材料 而具有相当的竞争能力，是与这些研究工作分不开的。目前，许多重要的机器零件，如机床床身、 内燃机缸体、缸盖、壳体、歧管、压缩机缸体和液压阀等，都是用灰铸铁制成的。当然，对灰铸 铁性能的要求也越来越高了。既要保证强度高，又要有良好的加工性能和厚、薄截面组织的一致 性；还要求铸铁的刚度高（弹性模量大），铸件的尺寸稳定。生产高牌号灰铸铁件，进行有效的孕育处理，是至关重要的，但是，正确地确定化学成分，必要 时配加少量合金元素，也是不可忽视的条件。如处理得当，选定化学成分和孕育处理可以有相辅 相成的叠加效果。这里，我们要扼要地讨论有关

12、控制灰铸铁化学成分的一些问题，将不涉及孕育处理。.灰铸铁的组织和合金元素的影响灰铸铁的强度和综合质量，决定于其最终的显微组织，生产高牌号灰铸铁件，控制其显微组织的目标，大致有以下几方面：有较多的初生奥氏体枝状晶；无游离渗碳体和晶间渗碳体；石墨细小而且是A型；基体组织95%以上为珠光体，游离铁素体不多于5%；珠光体细小。上述5项目标中，前3项要在铸铁凝固过程中建立，后2项则要通过控制铸铁的固态转变来达 成。1铸铁的凝固过程要分析铸铁的凝固过程，不能不回顾一下铁-碳合金的相图。铁-碳合金的相图是双重的， 有稳定的铁-石墨系和介稳定的铁-渗碳体系。制成咼性能的灰铁件，当然不希望出现游离的渗碳 体，所

13、以要使铸铁按稳定的铁-石墨系凝固。图1中简略地表示了铁-碳合金相图的共晶部分，并表示了一些合金元素对铁-石墨系和铁-渗碳体 系共晶温度的影响。液他Y+液相vrvTr|柿銅皿弘Ti门I賀MkCop图1合金元素对铁-石墨系和铁-渗碳体系平衡共晶温度的影响铁-石墨系的共晶温度高于铁-渗碳体系的共晶温度，如果共晶成分的铁水冷却到洪石墨共 晶温度以下，同时又在铁-渗碳体的共晶温度以上，此时，对铁-石墨系而言铁水已经有了过冷度， 可以进行石墨加奥氏体（Y的共晶结晶，对铁渗碳体系而言，则系统的自由能仍较高，设有进 行渗碳体加奥氏体共晶结晶的可能。这样，得到的是没有游离渗碳体的灰铸铁。但是，对于只含碳而不含其

14、他合金元素的铸铁，铁石墨共晶结晶温度与铁-渗碳体共晶温度之间 的间隔只有6C,要实现上述凝固条件，实际上几乎是不可能的。在铁碳合金中加入硅，可以 使铁-石墨共晶温度与铁-渗碳体共晶温度之间的间隔显著扩大，见图2。含硅量为2%时，此间 隔大于30C,要制得不含游离渗碳体的铸铁，就非常方便了。所以，所有的灰铸铁中都含有大 量的硅，硅是灰铸铁中必不可少的，极为重要的合金元素。正因为所有的灰铁中都含有硅，司空 见惯，许多人反而不视其为合金元素了。图2硅对铁碳合金平衡共晶温度的影响各种常用的合金元素，对两共晶温度间隔的影响，概略地在图1中表示了。一些有数据可 供参考的合金元素的作用见表1。表1一些合金元

15、需在铸铁烹最懸園时的件用元素导政杀毆含量的改变导致驢温匿的改变分配系数K石墨化兀素渗碳体稳定元養铁-石墨系铁-淒碳体系Ni-0.05*吕吉隆低1.2Cu-0.08Jy-t 1 口 J隆低*Al-0.22+曰占 j.-t 1 口 j七曰= 才疋冋*Si-0.29+吕占 J.-t 1 BJ曜底1.6S-0.41tB-S-J/-L1 J*0.002F*0.2No+0.01降低0.7Mn40.03曜低障底0.85Cr+0.06隆低提咼*V乜10降低提咼*Ti+0. 14降诋提咼0.6 对于铁 -石墨系共晶成分，将表列数据乘以元素含量的百分数。在稳定条件下凝固时，固、液界面处合金元素在固相中的含量与其在液相中的含量的比。* 尚缺可用的数据。（1）初生奥氏体析出灰铸铁大都是亚共晶铸铁，共凝固过程从自液相中析出初生奥氏体枝晶开始。即使是共晶 成分的铸铁，也会产生一些初生奥氏体，因为诱发共晶反应有赖于石墨的生核，石墨生核又需要 一定的过冷度，这就有利于析出初生奥氏体。共晶