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    各元素對灰鑄鐵金相組織和力學性能的影響


      1、碳、硅  碳、硅都是強烈地促進石墨化的元素,可用碳當量來說明他們對灰鑄鐵金相組織和力學性能的影響。提高碳當量促使石墨片變粗、數量增加,強度硬度下降。相反降低碳當量可減少石墨數量、細化石墨、增加初析奧氏體枝晶數量,從而提高灰鑄鐵的力學性能。但是降低碳當量會導致鑄造性能下降。  
    2、錳:錳本身是穩定碳化物、阻礙石墨化的元素,在灰鑄鐵中具有穩定和細化珠光體作用,在 Mn=0.5%~1% 范圍內,增加錳量,有利于強度、硬度的提高。  

    3、磷:鑄鐵中含磷量超過0.02%,就有可能出現晶間磷共晶。磷在奧氏體中的溶解度很小,鑄鐵凝固時,磷基本上都留在液體中。共晶凝固接近完成時,共晶團之間剩余的液相成分接近三元共晶成(Fe-2%、C-7%、P)。此液相約在955℃凝固。       鑄鐵凝固時,鉬、鉻、鎢和釩都偏析于富磷的液相中,使磷共晶的量增多。鑄鐵中含磷量高時,除磷共晶本身的有害作用外,還會使金屬基體中所含的合金元素減少,從而減弱合金元素的作用。     磷共晶液體在凝固長大的共晶團周圍呈糊狀,凝固收縮很難得到補給,鑄件出現縮松的傾向較大。

     4、硫:降低鐵液流動性,增加鑄件熱裂傾向,是鑄件中的有害元素。很多人認為硫含量越低越好,實則不然,當硫含量≤0.05%時,此種鑄鐵對我們使用的普通孕育劑來說不起作用,原因是孕育衰退的很快,常常在鑄件中產生白口。  

    5、銅:銅是生產灰鑄鐵最常加入的合金元素,主要原因是由于銅熔點低(1083℃),易熔解,合金化效果好,銅的石墨化能力約為硅的1/5,因此能降低鑄鐵的白口傾向,同時銅也能降低奧氏體轉變的臨界溫度,因此銅能促進珠光體的形成,增加珠光體的含量,同時能細化珠光體和強化珠光體及其中的鐵素體,因而增加鑄鐵的硬度及強度。但是并非銅量越高越好,銅的適宜加入量為0.2%~0.4%當大量地加銅時,同時又加入錫和鉻的做法對切削性能是有害的,它會促使基體組織中產生大量的索氏體組織。

       6、鉻:鉻的合金化效果是非常強烈的,主要是因為加鉻使鐵水白口傾向增大,鑄件易收縮,產生廢品。所以,應對鉻量加以控制。一方面希望鐵水中含有一定量的鉻,以提高鑄件的強度和硬度;另一方面又將鉻嚴格控制在下限,以防止鑄件收縮而造成廢品率增加。傳統的經驗認為,原鐵水鉻量超過0.35%時,將對鑄件產生致命的影響。  

       7、鉬:鉬是典型的化合物形成元素,是很強的珠光體穩定元素,它能細化石墨,在ωMo <0.8%時,鉬能細化珠光體,同時能強化珠光體中的鐵素體,從而能有效地提高鑄鐵的強度和硬度。     

    a、加大過熱或延長保溫州間.能使熔液內已有的異質核心消失或功效下降,使奧氏體晶粒數目減少。  

    b、鈦對灰鑄鐵有細化初生奧氏體的作用。因為鈦的碳化物、氮化物、碳氮化物可作為奧氏休形核的基礎。鈦可增加奧氏體的核心,細化奧氏體晶粒。另方面當鐵液中存在多于的Ti時,鐵中的S會和Ti而不是和Mn反應生成TiS顆粒,TiS的石墨核心作用比不上MnS有效,因此,延緩了共晶石墨核心的形成,從而增加了初生奧氏體的析出時間。釩、鉻、鋁、鋯與鈦相似易形成碳化物、氮化物和碳氮化物,可成為奧氏體核心。  

    c、各種孕育劑對共晶團數的效果存在較大差異,依次排列為:  CaSi>ZrFeSi>75FeSi>BaSi>SrFeSi   含Sr或Ti的FeSi對共晶團數的影響較弱,含稀土的孕育劑作用最好,當與Al、N復合加入時作用更加顯著。含A1、Bi的硅鐵可強烈增加共晶團數,

     d、以石墨晶核為中心所形成的石墨—奧氏體兩相共生生長的晶粒稱共晶團。存在于鐵液中可做共晶石墨核心的亞微觀石墨聚積體、殘存未熔的石墨微粒、初生石墨片分枝,高熔點化合物及氣體夾雜,同樣也是共晶團的核心。  由于共晶晶核是共晶團生長的起點,故共晶團數即反映共晶鐵液中能長成石墨的核心數。影響共晶團數的因素有化學成分、鐵液的核心狀態及冷卻速度。  化學成分中的碳、硅量有重要影響.碳當量越接近共晶成分,共晶團數則越多。S是影響灰鑄鐵共晶團的另一重要元素,低的含硫量對提高共晶團不利,因為鐵液中的硫化物是石墨核心的重要物質,此外硫可降低異質核心與熔體之間的界面能,使更多的核心得到活化當W(S)<0.03%時,共晶團數顯著減少,孕育的效果降低。 Mn的質量分數在2%以內時,Mn量增多,共晶團數隨之提高。Nb在鐵液中易生成碳、氮化合物,作為石墨核心而增加共晶團。Ti、V降低共晶團數,因為釩降低碳的話度;鈦易奪取MnS、MgS中的S形成鈦的硫化物,其生核能力不如MnS、MgS有效。鐵液中N使共晶團增加,當含N小于350 x10-6時不明顯,超過一定值后,增大過冷從而增加共晶團數量。氧在鐵液中易形成各種氧化夾雜作為核心.故隨氧增多、共晶團數增多。  除化學成分外,共晶熔液的核心狀態是重要影響因素,保持長時間高溫過熱會引起原有核心消失或減少,使共晶團數減少、直徑變大。孕育處理可大大改善核心狀態從而增加共晶團數量。冷卻速度對共晶團數的影響十分明顯,冷卻越快,共晶團數量越多。  

    5、共晶團數的多少直接反應共晶晶粒的粗細。按一般原則。細的晶?商岣呓饘俚男阅。在化學成分、石墨類型相同的前提下,隨共晶團數增加,抗拉強度提高,因為共晶團內的石墨片隨共晶團數的增多而變細小,使強度增加。然而,隨硅量增加,共晶團數明顯增多,但強度反而下降;鑄鐵強度隨過熱溫度提高(至1500℃)而提高,可是,此時共晶團數卻顯著減久孕育處理導致共晶團數變化規律與強度增加的關系也并不總存在相同的走向、用含Si、Ba的FeSi孕育處理獲得 的強度比用CaSi高,但是鑄鐵的共晶團數卻比CaSi少很多。 隨共晶團數增多,鑄鐵的縮松傾向增大,為防止小件形成縮松應將共晶團數控制在300—400個/cm2以下。  

        6、在石墨化孕育劑中添加過冷的臺金元素Cr、Mn、Mo、Mg、Ti、Ce、Sb)可提高鑄鐵過冷程度、細化晶粒、增加奧氏體數量及促進珠光體形成。添加的表面活性元素(Te、Bi、5b) 能吸附在石墨晶核表面限制石墨生長從而減小石墨尺寸,以達到提高綜合力學性能、改善均勻性、加大組織調節的目的。此原理已在高碳鑄鐵(如剎車制動零件)的生產實踐中得到應用。


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