各元素在钢铁中的作用

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1、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、生核和凝凶以及凶态的相变都作了不少研允。在材料科学H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，对灰铸铁性能的耍求也越來越高了。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，

2、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。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。上述5项目

3、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合金元素対铁■石墨系和铁■渗碳体系平衡共品温度的影响铁•石墨系的共晶温度高于铁•渗碳体系的共晶温度，如

4、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（Y）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品结晶的可能。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°C,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

5、。含硅量为2%时，此间隔大于30°C,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。1i2oio心z°x-r含Si量（％）S2硅对铁碳合金平衡共晶温度的影响各种常用的合金元素，対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。表1-些合金元秦在精铁去.最遴..固时的作用元素导致茲员錢含量的改变导致芸扇温厦的改变分配系数K石墨化元

6、素渗碳体稳定元素铁-石墨系铁-渗碳体系Ni-0.05提咼降低1.2Cu-0.08提咼降低*Al-0.22提咼提咼*Si-0.29提咼降低1.6S-0.41+曰占J心6*0.002P***0.2Mo+0.01降低降低0.7Mn■H0.O3降底降低0.85Cr+0.06降底提咼*V710降底提高*Ti+0.14睡低提咼0.6www.instrument,c&mctj①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在稳定条件下凝固吋，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

7、用的数据。（1）初生奥氏体析出灰铸铁大都是亚共品铸铁，共凝固过程从口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品析出量的主要因素，碳含量比共晶碳含量（43%）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

8、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，其在灰铸铁屮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