合金元素对铸件质量的影响.doc

合金元素对铸件质量的影响 灰铸铁的组织和几种合金元素的影响 作者：中国铸造协会 李传栻 过往半个世纪中，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，很多重要的机器零件，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题目，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，决定于其终极的显微组织，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%以上为珠光体，游离铁素体于5%；◆ 珠光体细小。上述5项目标中，前3项要在铸铁凝固过程中建立，后2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，当然不希看出现游离的渗碳体，所以要使铸铁按稳定的铁-石墨系凝固。图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。 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，假如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-碳合金中加进硅，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。正由于所有的灰铁中都含有硅，司空见惯，很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 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。 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，由于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（4.3%）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，通常称为石墨化元素；使共晶碳含量进步的元素，称为渗碳体稳定元素。硅和磷是作用强的、降低铸铁共晶碳含量的元素，灰铸铁中含有硅和磷时，其共晶碳含量见下式：共晶碳含量（%）= 4.3%-1/3（%Si+%P）一些常用合金元素的影响见表1。硫降低共晶碳含量的作用大于硅和磷，其在灰铸铁中作用的机制比较复杂，以后会较具体地谈到。铝降低共晶碳含量的作用也很强，但铝主要用于高铝耐热铸铁，一般灰铸铁中都不含铝。假如灰铸铁的含碳量不变，加进降低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。假如保持灰铸铁的碳当量不变，适当地进步含硅量，降低含碳量（即采用较高的硅碳比），却可以稍稍增加奥氏体枝晶量，同时减少石墨析出量。这样，