灰铸铁白口成因

引用引用灰铸铁、球墨铸铁渗碳体的成因与防止

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化学元素Ti 球墨铸铁

张文和，丁俊，聂富荣

(铸峰特殊合金有限公司销售公司，南京210002)

摘要：灰铸铁、球墨铸铁铸件生产过程中，往往出现游离渗碳体。本文从铸铁的常规化学成分；反石墨化元素；O、N、H气体元素；共晶团数；冷却速度；铸铁的熔炼；炉料遗传性；共晶最后阶段凝固特点等方面，阐述铸铁渗碳体出现的原因，并提出相应的防止措施。

关键词：渗碳体；石墨化；白口倾向；共晶团；孕育

铸铁凝固时，铁液按稳定系结晶，碳原子以石墨状态析出，铸铁断口呈灰色，得到灰铸铁；铁液按介稳定系结晶，碳原子与铁原子结合成碳化铁，断口呈白色，得到白口铸铁；介于两者之间，得到麻口铸铁。

铸铁中碳原子聚合成石墨的过程，称石墨化。

灰铸铁共晶阶段冷却曲线如图1，

TE1——稳定系共晶转变开始温度

TE——介稳定系共晶转变开始温度TE

TEN——共晶生核开始温度

TEU——大量形核温度

TER——共晶回升温度最高值

TS——共晶转变终了温度

如果TEU>TE、TS>TE则得到全部灰口组织；如果TEN、TER则得到全部白口组织。若TEU>TE，Ts ，则凝固后出现游离渗碳体；TS略低于TE时，会在最后凝固区域或共晶团间出现少量游离渗碳体。TER，TE U则出现莱氏体。铁液中生核能力强，则生核开始温度TEN高，基晶团数量增加，共晶阶段冷却曲线上移减少共晶转变过冷度，使TS>TE促进形成灰口组织。因此强化孕育增加生核能力，提高

共晶团数量，必然减少白口倾向。

影响铸铁共晶阶段冷却曲线的因素有：①是化学元素(合金元素)；

②冷却速度；③结晶核心；④生铁的遗传性。例如：石墨化过程在TE 一TE共晶区间进行，Cr、V、Ti缩小TE1一TE共晶区间，石墨尚未析出就下降到介稳定共晶转变温度TE以下，碳原子来不及扩散与聚合成石墨，铸铁凝固成白口或麻口。铸铁出现渗碳体显然会降低力学性能

和切削性能。

灰铸铁碳化物按其在大多数视场中的百分比，分6级评定，见

表1。

球墨铸铁渗碳体数量分级有国家标准(GWl944l一1988)，按数量最多的视场对照图谱或用金相软件评定，见表2。

照图谱或用金相软件评定，见表二

l常规化学成分的影响

碳和硅：都是强石墨化元素，适当提高碳、硅量对消除碳化物或渗碳体十分有效。灰铸铁降低碳当量可减少石墨数量、细化石墨、增加初析奥氏体枝晶数量，从而提高力学性能；但同时降低铸造性能、增大断面敏感性、增加铸件内应力、增加碳化物量，从而增加机械加工难度和刀具磨损。降低碳当量会增加白口倾向，常用强化孕育来防止。球墨铸铁与灰铸铁一样，采用纯净炉料，综合考虑铁液流动性、减少缩孔和缩松等因素，碳当量应控制在4.6％一4.8％最好，w(c)≥3％渗碳体就

可以消失，w(Si)在2.0％一3.0％之间，薄壁件取上限，厚壁件取下

限。

锰和硫：是阻碍石墨化元素，能稳定碳化物，一般灰铸铁含硫0. 02％一0.15％、含锰0.4％一1.2％，化学反应生成MnS、FeS，熔点大于1600℃，以颗粒状分布于基体中，不会对石墨化产生影响。硫化物是共晶石墨形核的基底，硫化物热力学稳定性越高，孕育作用越大。

为确保孕育效果灰铸铁含硫量在0.06％--0.10％之间为好。

2反石墨化元素的影响

V、zr、Nh、Ti、cr、Mo、w、B、ce、：Mg、Te、H、N、B i都是反石墨化元素。压、Ti、B、ce、N、cr、Bi等元素含量极低时，有促进石墨化的作用，然而超过一定量就是强烈反石墨化元素。由于珠光体是过冷奥氏体在共析温度时形成的机械混合物，是铁素体和渗碳体按层片状交替排列的层状组织。加人少量合金元素可以促进、稳定和细化珠光体，提高力学性能和使用性能，过量合金元素肯定会使铸铁渗碳体增加。用于合金化处理的原铁液应有较高的碳当量，使其白口倾向小、铸造性能好，不易产生缩孔和缩松。碳当量高应使含碳量较高含硅量较低，防止硅增加铁素体、粗化珠光体、抵消合金元素作用等有害倾向。

提高铸件强度和断面均匀性。反石墨化元素的最高加入量见表3。

资料介绍：金属间化合物形式的原子集团，可以改变遗传效果，因此稀土孕育剂的应用可以明显消除反石墨化元素造成的白口倾向。北京工业大学和北京第一机床厂在北京市科技委组织下，开展对高强度灰铸铁新型孕育剂的研究。在高强度灰铸铁中采用稀土孕育剂，降低铸铁的过冷度及形成白口的倾向，降低硬度及形成气孔的倾向性，提高铸铁的抗拉强度。这一成果具有降低生产成本，熔炼工艺简单，提高强度明显等优点，值得广大生产灰铸铁的厂家推广应用。

3 O、N、H气体元素的影响

氮、氢、氧是溶解在铁液中并对铸铁组织和性能有重要影响的气体元素。熔炼过程中，处于空气影响下由铁液吸附、溶解氧气直到饱和为止。铁液中的溶解氧化合成氧化物，例如孕育剂中Si+2[O]=SiO2作为石墨结晶非均质晶核时，溶解氧起到促进石墨化作用；溶解氧未化合，则阻碍石墨化增加白口倾向。铁液过热，溶解氧量增大，白口倾向

增大。

浇注过程中．铁液与铸型中的水分化学反应是铁液中氢的来源。铁液中的氢具有类似于s、se、Te等元素的作用，表现为减少硫对石墨的吸附作用，促使铁液凝固为白口组织。实验表明：Al、B、c、si、cd、cu、Ge、P、s、sn等元素，不同程度的降低氢在铸铁中的溶解度，ca、cr、Mn、Ni等元素的加入会提高氢在铁液中的溶解度。铸铁溶解氢量增大，共晶温度降低，过冷效应产生的白口倾向就严重。随着氢含量的增加。均匀分布的片状石墨先转变成枝晶石墨，再转变成异形石墨，最后转变成紧密状石墨并伴有渗碳体。

溶解氮是阻碍石墨化元素，硅量的增加能抵消这方面的作用。铸铁含硅量超过2．0％一2．5％以后，溶解氮不再增加，氮的阻碍石墨化作用，主要体现为易于获得珠光体和改善灰铸铁片状石墨的形态。因此铸铁含氮量增加．抗拉强度能增加60—80MPa。

4冷却速度的影响

铸件壁厚不均匀或边缘部位，平板铸件某些部位产生局部白口，都是该部位冷却速度太快，使铸铁按介稳定系结晶而析出渗碳体。其他条件相同，冷却速度越大共晶转变的过冷度越大，白口倾向越大。