■ 中國(guó)鑄造協(xié)會(huì) 李傳栻 過(guò)去半個(gè)世紀(jì)中，灰鑄鐵的熔煉和孕育處理有了很大的進(jìn)展,，對(duì)于鑄鐵的合金化,、生核和凝固以及固態(tài)的相變都作了不少研究。在材料科學(xué)日新月異的今天，灰鑄鐵仍能作為一種結(jié)構(gòu)材料而具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)能力,，是與這些研究工作分不開的,。目前，許多重要的機(jī)器零件,，如機(jī)床床身,、內(nèi)燃機(jī)缸體、缸蓋,、殼體,、歧管、壓縮機(jī)缸體和液壓閥等,，都是用灰鑄鐵制成的,。當(dāng)然，對(duì)灰鑄鐵性能的要求也越來(lái)越高了,。既要保證強(qiáng)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(wěn)定。- G2 Y8 G/ B r
生產(chǎn)高牌號(hào)灰鑄鐵件,，進(jìn)行有效的孕育處理,，是至關(guān)重要的，但是,，正確地確定化學(xué)成分，必要時(shí)配加少量合金元素,，也是不可忽視的條件,。如處理得當(dāng)，選定化學(xué)成分和孕育處理可以有相輔相成的疊加效果,。; n: M" [8 E- r7 o9 f
這里,，我們要扼要地討論有關(guān)控制灰鑄鐵化學(xué)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& |7 K/ s( U3 N% [8 c4 B
灰鑄鐵的強(qiáng)度和綜合質(zhì)量,，決定于其最終的顯微組織，生產(chǎn)高牌號(hào)灰鑄鐵件,，控制其顯微組織的目標(biāo),，大致有以下幾方面：9 ^- p: `; ^# m$ G! R
◆ 有較多的初生奧氏體枝狀晶；/ L& A, |& N6 i) t6 f% }
◆ 無(wú)游離滲碳體和晶間滲碳體,；
+ v+ y' I6 @/ |* O9 D0 u9 x9 v% y ◆ 石墨細(xì)小而且是A型,；
) w5 k3 l, v0 ~$ \& M6 d ◆ 基體組織95%以上為珠光體，游離鐵素體不多于5%；% f! B) W& S! o8 O
◆ 珠光體細(xì)小,。 B0 |- c2 O+ ^; L+ [ I7 J% Y, z
上述5項(xiàng)目標(biāo)中,，前3項(xiàng)要在鑄鐵凝固過(guò)程中建立，后2項(xiàng)則要通過(guò)控制鑄鐵的固態(tài)轉(zhuǎn)變來(lái)達(dá)成,。$ r1 p+ b' i6 X- P3 ^; N& [
1．鑄鐵的凝固過(guò)程' Z7 Z2 K' s( @6 Z$ m
要分析鑄鐵的凝固過(guò)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(wěn)定的鐵-石墨系和介穩(wěn)定的鐵-滲碳體系,。制成高性能的灰鐵件，當(dāng)然不希望出現(xiàn)游離的滲碳體,，所以要使鑄鐵按穩(wěn)定的鐵-石墨系凝固,。/ P' F0 N3 Y0 b) A+ S, Z2 H
圖1中簡(jiǎn)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(duì)鐵-石墨系和鐵-滲碳體系共晶溫度的影響,。
: ^ Z0 k& L# V6 G% E* x7 `圖1 合金元素對(duì)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(shí)又在鐵-滲碳體的共晶溫度以上,，此時(shí),，對(duì)鐵-石墨系而言鐵水已經(jīng)有了過(guò)冷度，可以進(jìn)行石墨加奧氏體（γ）的共晶結(jié)晶,，對(duì)鐵-滲碳體系而言,，則系統(tǒng)的自由能仍較高，設(shè)有進(jìn)行滲碳體加奧氏體共晶結(jié)晶的可能,。這樣,，得到的是沒有游離滲碳體的灰鑄鐵。8 g/ c Y5 U4 `& J0 g, c
但是,，對(duì)于只含碳而不含其他合金元素的鑄鐵,，鐵-石墨共晶結(jié)晶溫度與鐵-滲碳體共晶溫度之間的間隔只有6℃，要實(shí)現(xiàn)上述凝固條件,，實(shí)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(kuò)大,，見圖2,。含硅量為2%時(shí)，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?yàn)樗械幕诣F中都含有硅,，司空見慣,，許多人反而不視其為合金元素了。 2 A( R( u4 _% ]6 u W; \1 E
圖2 硅對(duì)鐵碳合金平衡共晶溫度的影響 各種常用的合金元素,，對(duì)兩共晶溫度間隔的影響,，概略地在圖1中表示了。一些有數(shù)據(jù)可供參考的合金元素的作用見表1,。 �,、� 對(duì)于鐵-石墨系共晶成分,將表列數(shù)據(jù)乘以元素含量的百分?jǐn)?shù).: w; M- I* f' H
②在穩(wěn)定條件下凝固時(shí),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,。) e' d$ e7 Y& \" N) t& f4 E
* — 尚缺可用的數(shù)據(jù)。
o, d9 k, n& a" w（1）初生奧氏體析出( P( h- u* w# A+ t
灰鑄鐵大都是亞共晶鑄鐵,，共凝固過(guò)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(huì)產(chǎn)生一些初生奧氏體,，因?yàn)檎T發(fā)共晶反應(yīng)有賴于石墨的生核,，石墨生核又需要一定的過(guò)冷度，這就有利于析出初生奧氏體,。" d1 v2 S; p( x- T4 e
共晶反應(yīng)前析出的初生奧氏體枝晶的量愈多,，鑄鐵的強(qiáng)度愈高，初生奧氏體枝晶的多少,，取決于鑄鐵的化學(xué)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(shù)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(wěn)定元素,。; g2 b+ b8 q' \# c! X) B8 d
硅和磷是作用強(qiáng)的,、降低鑄鐵共晶碳含量的元素，灰鑄鐵中含有硅和磷時(shí),，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(jī)制比較復(fù)雜，以后會(huì)較詳細(xì)地談到,。鋁降低共晶碳含量的作用也很強(qiáng),，但鋁主要用于高鋁耐熱鑄鐵，一般灰鑄鐵中都不含鋁,。
: t6 }2 o5 S% Z6 I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(huì)使鑄鐵的碳當(dāng)量增高,，從而會(huì)使初生奧氏體枝晶的析出量較少,，共晶凝固的液相較多。# x& ? W9 D7 A7 a
如果保持灰鑄鐵的碳當(dāng)量不變,，適當(dāng)?shù)靥岣吆枇�,，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(shí)減少石墨析出量,。這樣，就可以相應(yīng)提高鑄鐵的強(qiáng)度和彈性模量,。
1 e* j% a5 m. S9 ]" ^# @（2）共晶凝固; e- B \& L7 ^1 I) m# E V
隨著初生奧氏體枝晶的析出,，剩余液相中的碳當(dāng)量不斷提高，到其值達(dá)到4.3%時(shí),，即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變,。7 F8 n& @* s9 L2 a5 G
共晶凝固從石墨生核開始。液相中微細(xì)的未熔石墨顆粒和高熔點(diǎn)的非金屬夾雜物都可以是石墨結(jié)晶的核心,。石墨晶核形成后,，很快就生長(zhǎng)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(jìn)石墨繼續(xù)生長(zhǎng),。這樣相互促進(jìn)，并向周圍液相不斷生長(zhǎng)的奧氏體-石墨共生晶粒,，我們稱之為共晶團(tuán),。液相中很多這樣的共晶團(tuán)，各自徑向長(zhǎng)大,，結(jié)晶前沿大致接近于球形,。每一個(gè)共晶團(tuán)中的石墨片又都是相互連接的。8 U" {7 i) {( g1 O g
共晶凝固終了時(shí),，各共晶團(tuán)相互間,、共晶團(tuán)與初生奧氏體枝晶,。間互相接觸。共晶團(tuán)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(diǎn)共晶體也可能析出于共晶團(tuán)之間,。有時(shí)，由于合金元素的偏析,，還可能導(dǎo)致在共晶團(tuán)之間析出滲碳體,，這種滲碳體稱之間晶間滲碳體。. G; n( h. S+ j3 ^+ X. G. V- a
石墨片的形態(tài)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(zhǎng)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(dāng)過(guò)冷度下發(fā)生共晶反應(yīng),，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(guò)冷度大）凝固,，則石墨片的長(zhǎng)大速率和分枝速率都很高,，則得到分布于枝晶間的細(xì)小石墨片，通常稱之為過(guò)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(chǎn)生這種石墨組織。& p6 `9 m% \- r" ~* D3 X
增加共晶團(tuán)數(shù)量（即共晶團(tuán)尺寸減少）,，可使鑄鐵的強(qiáng)度較高,，所以也是制造高牌號(hào)鑄鐵的目標(biāo)。孕育處理是增加共晶團(tuán)數(shù)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(huì)阻礙共晶團(tuán)的長(zhǎng)大,，從而使鑄鐵的共晶團(tuán)數(shù)增加。現(xiàn)已知道,，鑄鐵中加入鉬,、釩,、鉻,、磷和鉍,，都可使共晶團(tuán)數(shù)增加。
2 u# N8 t# L" z- X0 ]2．對(duì)灰鑄鐵凝固過(guò)程的分析5 E8 u3 I4 Y% Y8 H
對(duì)于研究鑄鐵的凝固過(guò)程,，冷卻曲線是很有價(jià)值的,。分析冷卻曲線的特點(diǎn)，就可以預(yù)測(cè)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,。
6 ]- b$ X F4 I$ O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(xiàn)一個(gè)小平臺(tái),。此后，冷卻到鐵-石墨共晶溫度以下,，到達(dá)一定的過(guò)冷度,，就發(fā)生共晶反應(yīng)，即先有石墨生核,，然后以此為基礎(chǔ)長(zhǎng)成共晶團(tuán),。共晶反應(yīng)釋放的熔化熱，又使過(guò)冷的液相溫度回升,，通常稱之為“再輝”,。最后，由于不斷經(jīng)鑄型散熱,，系統(tǒng)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(wú)游離滲碳體。
* N$ x7 L" z9 D! [1 S! u" q 一些我們不希望其出現(xiàn)的組織及其產(chǎn)生的條件如下：) X+ E5 H$ P) ^7 D, o
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