各种元素对铸造的影响

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ｒ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1600℃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，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中是反石墨化元素，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＜1.0%。

7.Cr

1）反石墨化作用属中强，共析转变时稳定珠光体

2）铬是缩小γ区的元素，Cr20%时，γ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.Sn

1）为增加珠光体量而加入，一般用量＜0.1%，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.Mo

1）Mo＜0.6%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）Mo＜0.8%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）Mo>1%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.Ni

1）溶与液体铁及铁素体

2）共晶期间促进石墨化，其作用相当于1/3Si

3）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）Ni＜3.0%，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；Ni>12 %，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.Sb

1）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＜0.02%，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控制灰铸铁化学成分的一些问题，将不涉及孕育处理。