灰铸铁的组织及几种合金元素的影响.doc

v1.0 可编辑可修改 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，正确地确定化学万分，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控制灰铸铁化学成分的一些问题，将不涉及孕育处理。 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%以上为球光体，游离铁素体不多于 5%；珠光体细小。 1—1— v1.0 可编辑可修改 上述 6 项目标中，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。制成高性能的灰铁件，当然不希望出现游离的渗碳体，所以要使铸铁按稳定的铁 - 石墨系凝固。 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。 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 - 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（γ）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 2—2— v1.0 可编辑可修改 游离渗碳体的灰铸铁。 但是，对于只含碳而不含其他合金元素的铸铁，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 6℃，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 2%时，此间隔大于 30℃，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。 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 一些合金元素在铸铁共晶凝固时的作用 导致共晶碳含量的改变 ① 导致共晶温度的改变 分配系数 ② 元素 3—3— v1.0 可编辑可修改 石墨化元 渗碳体稳定元 铁 - 石墨系 铁- 渗碳体 K 素 素 系 Ni 提高 降低 Cu 提高 降低 * Al 提高 提高 * Si 提高 降低 S 提高 * P * * * Mo + 降低 降低 Mn + 降低 降低 Cr + 降低 提高 * V + 降低 提高 * Ti + 降低 提高 ①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. ②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。 共晶反应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 枝晶析出量的主要因素，碳含量比共晶碳含量（ %）低得愈多，奥氏体 枝晶析出量就愈多。大多数合金元素，都改变铸铁的共晶碳含量，从 而改变初生奥氏体枝晶的析出量。使铸铁共晶碳含量降低的元素，通 4—4— v1.0 可编辑可修改 常称为石墨化元素； 使共晶碳含量提高的元素， 称为渗碳