发布时间 : 星期一 文章有关蠕墨铸铁和碳含量对铸铁的影响更新完毕开始阅读69cc3cb169dc5022aaea0032
以很容易达到对每个铸件的特殊要求（例如，铁液的碳当量波动都能小于±0.05%），为获得高蠕化率的铸件打下了基础。 原铁液中硫的含量对蠕化处理，即蠕化剂的消耗与最终蠕化率的大小有决定性的影响，为此几家工厂都采用炉外脱硫，使蠕化处理前铁液的含硫量稳定在0.01～0.03%之间，并认为最佳的原铁液残硫量应在0.01～0.02%。除了已熟悉的吹气、摇包脱硫外，有一工厂使用4个感应器产生磁场搅拌的装备，可使硫量脱至0.01～0.02%。它使用碳化钙和石灰脱硫，每次处理的量最大可至20t，处理时间为9～15min，修理间隔为3～4个月，已可靠地使用两年。 铁液在蠕化处理后的镁稀土量决定了石墨的形状与各类石墨的数量。图8为一个研究所得结果，即凝固后铸件中石墨球比例与镁含量的关系。较为一致的看法是Mg≤0.01%为片状石墨，Mg在0.01～0.018%可获得蠕墨铸铁，Mg在0.025～0.04为球墨铸铁。故获得蠕墨铸铁的镁范围为±0.004%。实际生产中，因每五分钟又要损失镁0.001%，故增加了控制的难度。 各研究结果基本趋于一致，为防止钛对炉料的污染，蠕化剂多为FeSiMgRe。其中Mg量为4～5%，Re主要是铈，量在0.5%到6.0%不同，但倾向于在1.0～1.5%。有的企业在蠕化剂中还使用钙。
蠕化处理方法和球化处理方法相同，由于喂丝法有控制精确、改善劳动环境的优点，尤其可用计算机，根据快速测定的硫量可精确控制喂丝量，故国外喂丝得到了迅速的推广应用（表4），且此法更适合于生产蠕墨铸铁。
表4 德国使用铸造喂丝化处理的企业比例，%
1989 1 1993 12 1994 15 1995 18 1997 30 使用工艺不稳定的冲入法时，Mg的吸收率波动大，对蠕墨铸铁来说往往有处理过头的现象，故不少厂使用加硫（FeS）的方法，来消耗过量的镁，获得蠕墨。在残镁量为0.015～0.03%时，建议加硫0.002～0.04%。
最后举一生产实例来总结本文。德国哈尔贝克（Halberg）铸造厂，从1991年开始为奥迪生产V8蠕墨铸铁气缸体。缸体主要壁厚为3.5mm，3升排量功率为150KW的缸体仅重74Kg。铁液在感应炉中熔炼，成分（质量分数）为：3.3～3.5%C，0.010～0.014%S，2.10～2.25%Si，≤0.06%Cr，0.25～0.30%Mn，＜0.03%P。使用FeSiMg（5%）蠕化剂，每次处理1200Kg。过去使用盖包法，现在使用喂丝法。铸件所有要求性能的壁厚处，其蠕墨含量大于90%。要求抗拉强度为400MPa，实际为450MPa，基体内珠光体含量大于95%。
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%以上为珠光体，游离铁素体不多于5%； ◆ 珠光体细小。
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。
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，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。
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，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（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；使共晶碳含量提高的元素，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，以后会较详细地谈到。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。
如果灰铸铁的含碳量不变，加入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。
如果保持灰铸铁的碳当量不变，适当地提高含硅量，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，就可以相应提高铸铁的强度和弹性模量。
（2）共晶凝固
随着初生奥氏体枝晶的析出，剩余液相中的碳当量不断提高，到其值达到4.3%时，即发生共晶转变。
共晶凝固从石墨生核开始。液相中微细的未熔石墨颗粒和高熔点的非金属夹杂物都可以是石墨结晶的核心。石墨晶核形成后，很快就生长成片状分枝，邻近石墨的液相中碳含量减少，促使奥氏体在石墨之间析出。奥氏体析出，又使邻近的液相富碳，促进石墨继续生长。这样相互促进，并向周围液相不断生长的奥氏体-石墨共生晶粒，我们称之为共晶团。液相中很多这样的共晶团，各自径向长大，结晶前沿大致接近于球形。每一个共晶团中的石墨片又都是相互连接的。
共晶凝固终了时，各共晶团相互间、共晶团与初生奥氏体枝晶。间互相接触。共晶团晶界上常聚集有较多的夹杂物，一些元素，（如磷、硫）与铁、碳组成的低熔点共晶体也可能析出于共晶团之间。有时，由于合金元素的偏析，还可能导致在共晶团之间析出渗碳体，这种渗碳体称之间晶间渗碳体。
石墨片的形态和尺寸，主要决定于凝固温度，冷却速率和液相中生核的情况。比较理想的石墨组织是散乱分布的、长度相近的石墨片（即A型石墨）。如铁水中生核状况良好，在略低于平衡共晶温度的适当过冷度下发生共晶反应，就可得到A型石墨。如果铁水中的生核条件不好，在比平衡温度低得多的温度下（过冷度大）凝固，则石墨片的长大速率和分枝速率都很高，则得到分布于枝晶间的细小石墨片，通常称之为过冷石墨（D型石墨）。除在特殊条件下使用的铸铁件外，一般不希望产生这种石墨组织。
增加共晶团数量（即共晶团尺寸减少），可使铸铁的强度较高，所以也是制造高牌号铸铁的目标。孕育处理是增加共晶团数的有效方法，但是，许多研究工作表明，一些偏析于液相并使固相线温度降低的合金元素，会阻碍共晶团的长大，从而使铸铁的共晶团数增加。现已知道，铸铁中加入钼、钒、铬、磷和铋，都可使共晶团数增加。
2．对灰铸铁凝固过程的分析
对于研究铸铁的凝固过程，冷却曲线是很有价值的。分析冷却曲线的特点，就可以预测铸铁的组织和性能。亚共晶灰铸铁的典型凝固冷却曲线如图3所示。