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1、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解决有了很大的进展,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构造材料而具有相称的竞争能力，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。固然,对灰铸铁性能的规定也越来越高了。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;还规定铸铁的刚度高(弹性模量大),铸件的尺寸稳定。生产高牌号灰铸铁件，进行有效的孕育解决,是至关重要的，但是,对的地拟定化学万分,必要时配加少量合
2、金元素,也是不可忽视的条件。如解决得当,选定化学成分和孕育解决可以有相辅相成的叠加效果。这里，我们要扼要地讨论有关控制灰铸铁化学成分的某些问题，将不波及孕育解决。一.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,决定于其最后的显微组织，生产高牌号灰铸铁件,控制其显微组织的目的,大体有如下几方面：l 有较多的初生奥氏体枝状晶；l 无游离渗碳体和晶间渗碳体;l 石墨细小并且是A型；l 基体组织95以上为球光体,游离铁素体不多于5%；l 珠光体细小。上述6项目的中,前4项要在铸铁凝固过程中建立，后又项则要通过控制铸铁的固态转变来达到。1.铸铁的凝固过程要分析铸铁的凝固过程,不能不回忆一下铁-碳
3、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。制成高性能的灰铁件,固然不但愿浮现游离的渗碳体,因此要使铸铁按稳定的铁-石墨系凝固。图1中简略地表达了铁-碳合金相图的共晶部分，并表达了某些合金元素对铁-石墨系和铁-渗碳体系共晶温度的影响。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铁-石墨共晶温度如下，同步又在铁-渗碳体的共晶温度以上，此时，对铁-石墨系而言铁水已有了过冷度,可以进行石墨加奥氏体（)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
4、的也许。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她合金元素的铸铁,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6,要实现上述凝固条件，事实上几乎是不也许的。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明显扩大,见图2。含硅量为时，此间隔不小于30,要制得不含游离渗碳体的铸铁,就非常以便了。因此，所有的灰铸铁中都具有大量的硅，硅是灰铸铁中必不可少的,极为重要的合金元素。正由于所有的灰铁中都具有硅,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多种常用的合金元素,对两共晶温度间隔的影响,概略地在图中表达了。某些有
5、数据可供参照的合金元素的作用见表。表1 某些合金元素在铸铁共晶凝固时的作用元素导致共晶碳含量的变化导致共晶温度的变化分派系数K石墨化元素渗碳体稳定元素铁-石墨系铁渗碳体系Ni-0.0提高减少1.Cu0.0提高减少*Al-0.2提高提高*Si-0.29提高减少16S-0.1提高*0.02P*0.Mo+0.01减少减少0.Mn0.0减少减少0.5Cr+0减少提高*V010减少提高*Ti+0.14减少提高.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。（）初生奥氏体析出灰铸铁大都是亚共晶铸铁,共凝
6、固过程从自液相中析出初生奥氏体枝晶开始。虽然是共晶成分的铸铁,也会产生某些初生奥氏体,由于诱发共晶反映有赖于石墨的生核,石墨生核又需要一定的过冷度，这就有助于析出初生奥氏体。共晶反映前析出的初生奥氏体枝晶的量愈多，铸铁的强度愈高,初生奥氏体枝晶的多少,取决于铸铁的化学成分。碳含量是决定奥氏体枝晶析出量的重要因素，碳含量比共晶碳含量(43%）低得愈多,奥氏体枝晶析出量就愈多。大多数合金元素，都变化铸铁的共晶碳含量，从而变化初生奥氏体枝晶的析出量。使铸铁共晶碳含量减少的元素,一般称为石墨化元素;使共晶碳含量提高的元素,称为渗碳体稳定元素。硅和磷是作用强的、减少铸铁共晶碳含量的元素,灰铸铁中具有硅和
7、磷时，其共晶碳含量见下式：共晶碳含量(%）= 4.%-1/3(%+%P)某些常用合金元素的影响见表1。硫减少共晶碳含量的作用不小于硅和磷，其在灰铸铁中作用的机制比较复杂，后来会较具体地谈到。铝减少共晶碳含量的作用也很强，但铝重要用于高铝耐热铸铁，一般灰铸铁中都不含铝。如果灰铸铁的含碳量不变,加入减少共晶碳含量的合金元素，就会使铸铁的碳当量增高,从而会使初生奥氏体枝晶的析出量较少,共晶凝固的液相较多。如果保持灰铸铁的碳当量不变,合适地提高含硅量,减少含碳量(即采用较高的硅碳比),却可以稍稍增长奥氏体枝晶量，同步减少石墨析出量。这样,就可以相应提高铸铁的强度和弹性模量。(2)共晶凝固随着初生奥氏体
8、枝晶的析出,剩余液相中的碳当量不断提高，到其值达到43时，即发生共晶转变。共晶凝固从石墨生核开始。液相中微细的未熔石墨颗粒和高熔点的非金属夹杂物都可以是石墨结晶的核心。石墨晶核形成后,不久就生长成片状分枝,邻近石墨的液相中碳含量减少,促使奥氏体在石墨之间析出。奥氏体析出,又使邻近的液相富碳，增进石墨继续生长。这样互相增进，并向周边液相不断生长的奥氏体-石墨共生晶粒,我们称之为共晶团。液相中诸多这样的共晶团,各自径向长大,结晶前沿大体接近于球形。每一种共晶团中的石墨片又都是互相连接的。共晶凝固终了时,各共晶团互相间、共晶团与初生奥氏体枝晶。间互相接触。共晶团晶界上常汇集有较多的夹杂物，某些元素,
9、(如磷、硫)与铁、碳构成的低熔点共晶体也也许析出于共晶团之间。有时，由于合金元素的偏析,还也许导致在共晶团之间析出渗碳体,这种渗碳体称之间晶间渗碳体。石墨片的形态和尺寸,重要决定于凝固温度,冷却速率和液相中生核的状况。比较抱负的石墨组织是散乱分布的、长度相近的石墨片(即A型石墨)。如铁水中生核状况良好,在略低于平衡共晶温度的合适过冷度下发生共晶反映，就可得到A型石墨。如果铁水中的生核条件不好，在比平衡温度低得多的温度下（过冷度大）凝固，则石墨片的长大速率和分枝速率都很高,则得到分布于枝晶间的细小石墨片，一般称之为过冷石墨（型石墨)。除在特殊条件下使用的铸铁件外,一般不但愿产生这种石墨组织。增长
10、共晶团数量(即共晶团尺寸减少），可使铸铁的强度较高，因此也是制造高牌号铸铁的目的。孕育解决是增长共晶团数的有效措施,但是，许多研究工作表白，某些偏析于液相并使固相线温度减少的合金元素,会阻碍共晶团的长大，从而使铸铁的共晶团数增长。现已懂得,铸铁中加入钼、钒、铬、磷和铋,都可使共晶团数增长。2对灰铸铁凝固过程的分析对于研究铸铁的凝固过程，冷却曲线是很有价值的。分析冷却曲线的特点，就可以预测铸铁的组织和性能。亚共晶灰铸铁的典型凝固冷却曲线如图3所示。图3 亚共晶灰铸铁的典型凝固冷却曲线铁水冷却到液相线如下,即有初生奥氏体枝状晶析出,冷却曲线上浮现一种小平台。此后，冷却到铁-石墨共晶温度如下,达到一
11、定的过冷度，就发生共晶反映，即先有石墨生核,然后以此为基本长成共晶团。共晶反映释放的熔化热,又使过冷的液相温度回升,一般称之为“再辉”。最后,由于不断经铸型散热,系统的温度下降，在铁-渗碳体共晶温度以上凝固终了。在此种条件下，铸铁中石墨为型，无游离渗碳体。某些我们不但愿其浮现的组织及其产生的条件如下:（1）过冷石墨如果铁水冷到铁-石墨共晶温度如下，而石墨生核的条件不好，推迟了共晶团的形成和长大，产生较大的过冷度,石墨就细小,成为型及至D型。如果共晶反映的起始和终了都在铁渗碳体共晶温度以上,则铸铁中仍不存在游离渗碳体，只是石墨的形态的过冷石墨，参见图4。图4 生核局限性、过冷度大的铸铁的凝固冷却
12、曲线(2)麻口组织铸铁中的碳，一部分以渗碳体的形态存在,一部分为石墨,断口上可见白色部分和灰色部分搀杂相间,一般称为麻石组织。有时也出目前外围白口和中心灰口之间的过渡部位。如铸件的冷却速率很高,铁水不久就冷到铁渗碳体共晶温度如下,在薄壁处和角上就会有渗碳体和奥氏体析出。同步，石墨也能生核并长大。发生两种共晶反映所释放的热,又使液相的温度回升到铁-渗碳体共晶温度以上,铁-渗碳体共晶反映停止，限制了游离渗碳体的析出。在这样的条件下,铸铁可在两共晶温度之间完全凝固,(见图5)得到麻口组织。图 生核局限性和或冷却速率高的铸铁的凝固冷却曲线(麻口）（3）白口组织如果铁水过冷到铁-渗碳体共晶温度如下,并在
13、此共晶温度如下完全凝固(如图6所示）共晶反映时铁水中的碳都以渗碳体的形式析出,得到白口组织。图 白口铸铁的凝固冷却曲线产生白口组织的条件,重要有如下三项。a.冷却速率很高。发生共晶反映此前,铁水就冷却到铁渗碳体共晶温度如下。导致冷却速率过高的工艺因素有:l 铸件壁薄；l 浇注温度太低，在凝固此前加热型腔的作用因差,铸件与铸型间的温差大；l 铸型的导热能力强。b铸铁的碳当量太低。凝固过程中析出的初生奥氏体枝晶多,剩余的共晶成分的液相不多，发生共晶反映时，释放的热量局限性以使温度升高到铸渗碳体温度以上。合金元素的影响,大多数合金元素都会影响共晶碳含量,使碳当量变化,从而促成白口。此外，合金元素还会
14、变化共晶温度,影响铁-石墨系和铁-渗碳体系共晶温度之间的间隔。某些渗碳体稳定元素（如Cv,V和)，在减少铁石墨共晶温度的同步又提高铁-渗碳体共晶温度,铁水固然就容易过冷到铁-渗碳体共晶温度如下。尚有某些合金元素（如Mn和Mo等),既减少铁-石墨共晶温度,也减少铁渗碳体共晶温度，对白口倾向就没有明显的影响。(）晶间渗碳体前面已经谈到,共晶凝固初期形成的渗碳体会导致白口组织或麻口组织,在共晶凝固后期析出的游离渗碳体，则分散于共晶团之间，一般称为晶间渗碳体。在进行共晶凝固时,释放的熔化热一般都会使剩余液相的温度升高。如果在凝固后期，释放的热量消减,某些残留在共晶团之间的剩余的液相又冷却到铁-渗碳体共晶温度如下，就会产生晶间渗碳体,参见图。图形成晶间渗碳体时的凝固冷却曲线铸铁凝固过程中,合金元素在液相和固相之间的偏析，也也许导致晶间渗碳体浮现。一般说来,石墨化元素多偏析于固相中,碳化物稳定元素则多偏析于液相中。在铸铁中加有合金元素时，凝固过程中，剩余液相中铬和钒之类的元素逐渐富集，而硅和镍之类的元素逐渐减少。成果，剩余液相的铁-渗碳体共晶温度逐渐提高,铁-石墨共晶温度逐渐减少，两者之间的间隔不断缩小。最后凝固的液相中的
