（一）球墨鑄鐵中五元素對(duì)其金相組織與力學(xué)性能的影響作用

　　 

　　1.碳（C）

　?。?）當(dāng)碳當(dāng)量小于4.5%～4.7%時(shí)，增加碳含量可提高鎂的吸收率，利于球化。

　?。?）碳高鐵液流動(dòng)性好，凝固期間析出石墨量多，石墨化體積膨脹增加，補(bǔ)償收縮增加鑄件致密性，改善力學(xué)性能。

　?。?）在共晶成分以上，增加碳含量易產(chǎn)生石墨漂浮，降低力學(xué)性能。

　?。?）降低含碳量易產(chǎn)生游離滲碳體，使機(jī)械強(qiáng)度降低、脆性增加，同時(shí)增加縮孔、縮松等鑄造缺陷。

　　 

　　2.硅（Si）

　　（1）硅是強(qiáng)烈的石墨化元素，既促使石墨結(jié)晶，又促使?jié)B碳體分解。因此，提高硅含量，石墨球徑減小，數(shù)量增加，形態(tài)圓整。

　?。?）硅量增加，鐵素體增加，珠光體減少，強(qiáng)度和硬度降低，塑性和韌性提高。

　?。?）硅具有強(qiáng)化鐵素體的作用，當(dāng)含量大于3.3%時(shí)，脆性增加，塑性降低。

　?。?）硅使共晶點(diǎn)向左上方移動(dòng)，使凝固區(qū)間縮小，增加流動(dòng)性，減少縮松。

　?。?）硅顯著提高球鐵的脆性轉(zhuǎn)變溫度，增加低溫脆性。

　　 

　　3.錳（Mn）

　　（1）錳降低共析轉(zhuǎn)變溫度，從而穩(wěn)定并細(xì)化珠光體組織，在石墨化退火時(shí)，阻止珠光體的分解。

　?。?）錳促使?jié)B碳體形成，增加錳量可提高強(qiáng)度、硬度，降低塑性、韌性，當(dāng)組織中出現(xiàn)較多自由滲碳時(shí)，除硬度而外其他性能均下降。

　?。?）錳增加過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性，使S曲線(xiàn)右移。

　　 

　　4.磷（P）

　　 

　　(1)磷在鐵中具有一定的溶解度，超過(guò)此值在組織中出現(xiàn)二元或三元磷共晶，沿晶界分布，破壞了晶料間的結(jié)合能力，因此使球鐵的強(qiáng)度下降，塑性和韌性明顯降低。

　?。?）磷增加晶間縮松傾向，降低力學(xué)性能。

　?。?）在熱處理過(guò)程中，磷不阻礙共晶滲碳體的分解，而阻礙共析滲碳體的分解。

　?。?）磷提高脆性轉(zhuǎn)變溫度范圍，增大冷裂性。

　?。?）隨著磷含量增加，縮孔、縮松傾向增加。

　　 

　　5.硫（S）

　　（1）硫與稀土、鎂具有很強(qiáng)的結(jié)合能力，原鐵液含硫量高會(huì)消耗過(guò)多球化劑，而出現(xiàn)球化不良和球化衰退。

　?。?）原鐵液含硫量高，球化劑加入量大，處理后鐵液溫度低，鐵液中夾雜物多，鐵液表面氧化結(jié)膜溫度高，鐵液流動(dòng)性差，容易使球鐵產(chǎn)生夾渣、皮下氣孔等缺陷。

　　 

　　（二）球墨鑄鐵中加入合金元素對(duì)其金相組織與力學(xué)性能的影響作用

　　 

　　1.鉬（Mo）

　　加入合金目的：

　?。?）提高強(qiáng)度和耐磨性；

　?。?）改善厚斷面鑄件組織的均勻性；

　?。?）改善中溫（400～600℃）的耐熱強(qiáng)度。

　　 

　　對(duì)金相組織與力學(xué)性能的影響：

　　 

　?。?）在鑄鐵中鉬是一微調(diào)的碳化物形成元素，易獲得細(xì)珠光體及索氏體組織：

　　 

　　鉬含量                                  鑄態(tài)組織

　　 

　　0.2%～1%                               細(xì)珠光體+索氏體

　　 

　　1%～1.2%                               貝氏體+索氏體

　　 

　　1.2%～1.5%                             貝氏體

　　 

　?。?）鉬能顯著提高球墨鑄鐵的強(qiáng)度和韌性：

　　 

　　材質(zhì)名稱(chēng)                           σb/MPa     ax/N.m.cm-2    硬度（HRC）   熱處理方式

　　 

　　普通球墨鑄鐵                      1100～1200    20～25        43～45        等溫淬火

　　 

　　含鉬（0.15%～0.25%）球墨鑄件      1200～1500    30～60        47～51        等溫淬火

　　 

　?。?）鉬能提高球墨鑄鐵的淬透性。

　　 

　　2.銅（Cu）

　　加入合金目的：

　　（1）提高強(qiáng)度；

　　（2）提高耐磨性及耐蝕性；

　?。?）改善厚斷面鑄件組織均勻性；

　?。?）提高接觸疲勞強(qiáng)度。

　　對(duì)金相組織與力學(xué)性能的影響：

　?。?）銅是一微弱促進(jìn)石墨化的元素，在石墨化結(jié)晶過(guò)程中對(duì)第一階段石墨化起促進(jìn)作用。而對(duì)第二階段石墨化則起阻礙作用。

　?。?）由于銅阻礙奧氏體的分解，從而穩(wěn)定并細(xì)化了珠光體組織，隨著銅含量增加，強(qiáng)度和硬度增加，塑性降低，當(dāng)鋼含量增加并超過(guò)一定值時(shí)，強(qiáng)度反而下降。

　?。?）銅鉬聯(lián)合使用，對(duì)提高球墨鑄鐵的力學(xué)性能、耐磨性能以及改善厚斷面鑄件組織均勻性，效果都更為顯著。

　　 

　　3.錫（Sn）

　　加入合金目的：

　?。?）得到鑄態(tài)珠光體組織；

　?。?）改善斷面均一性；

　?。?）增加熱穩(wěn)定性。

　　對(duì)金相組織與力學(xué)性能的影響：

　　（1）在鎂球墨鑄鐵中，當(dāng)錫含量達(dá)到0.13%時(shí)，球狀石墨就會(huì)變成片狀石墨；而在稀土鎂球墨鑄鐵的生產(chǎn)中，由于稀土的存在，可以中和錫對(duì)球狀石墨的破壞作用。（2）微量錫加入球墨鑄鐵中能顯著增加珠光體的含量。如加入0.05% Sn可使原來(lái)50%珠光體提高到85%；加入Sn0.1%鐵素體消失。

　　（3）錫能提高珠光體在高溫上的穩(wěn)定性，故可提高球墨鑄鐵在600～650℃下的使用壽命。

　　 

　　4.鎢（W）

　　加入合金目的：

　?。?）提高強(qiáng)度、韌性和耐磨性；

　?。?）提高中溫（350～650℃）力學(xué)性能。

　　對(duì)金相組織與力學(xué)性能的影響：

　?。?）鎢和鉬相似，具有微弱促進(jìn)滲碳體形成的作用，在鐵中有較大的溶解度，石墨化退火后可提高韌性。

　　（2）鎢溶解于鐵素體，使之得到強(qiáng)化，有助于提高常溫和中溫力學(xué)性能。

　　 

　　5.釩（V）

　　加入合金目的：

　?。?）提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性；

　?。?）提高熱強(qiáng)度及耐熱性能。

　　對(duì)金相組織與力學(xué)性能的影響：

　?。?）釩是強(qiáng)烈阻礙石墨化穩(wěn)定滲碳體的元素，其作用超過(guò)鉻。

　?。?）釩含量在0.3%以下時(shí)，穩(wěn)定并細(xì)化珠光體，提高了球墨鑄鐵的強(qiáng)度和硬度，當(dāng)超過(guò)一定量時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)自由滲碳體，使其性能降低。

　?。?）釩與碳、氮形成碳化釩、氮化釩等化合物，其顯微硬度為1000～1300HV，化合物的質(zhì)點(diǎn)高度彌散，對(duì)球墨鑄鐵的耐磨性極為有利。

　　 

　　6.鈦（Ti）

　　加入合金目的：

　?。?）提高耐磨性；

　?。?）脫氣凈化鐵水；

　?。?）細(xì)化晶粒。

　　對(duì)金相組織與力學(xué)性能的影響：

　　（1）鈦與氧、氫具有很強(qiáng)的結(jié)合能力，起到凈化鐵液細(xì)化晶粒的作用。

　　（2）鈦與釩聯(lián)合使用對(duì)提高耐磨性能更為顯著。（3）在鎂球墨鑄鐵中，含ωTi0.02%就會(huì)出現(xiàn)片狀石墨，當(dāng)ωTi超過(guò)0.04%時(shí)則會(huì)出現(xiàn)大量片狀石墨，在稀土鎂球墨鑄鐵中，由于鈰的存在顯著的抵制或克服了鈦的破壞作用。

　　 

　　7.鎳（Ni）

　　加入合金目的：

　?。?）提高強(qiáng)度和硬度；

　?。?）改善塑性和韌性；

　?。?）獲得非磁性，提高耐蝕性和耐磨性；

　?。?）改善厚斷面鑄件組織的均勻性。

　　對(duì)金相組織與力學(xué)性能的影響：

　?。?）鎳促進(jìn)石墨化，其能力相當(dāng)于硅的1/3.鎳穩(wěn)定奧氏體，降低共析轉(zhuǎn)變溫度，使S曲線(xiàn)和CCT曲線(xiàn)右移。

　?。?）鎳穩(wěn)定和細(xì)化珠光體，達(dá)到一定含量可在鑄上獲得貝氏體組織，不僅提高強(qiáng)度和硬度，而且改善塑性和韌性。鎳與鋁或釩同時(shí)添加效果更好。

　?。?）鎳改善大斷面鑄件的組織、強(qiáng)度和硬度的均勻性，降低斷面敏感性。

　?。?）少量鎳（Ni0.5%）可強(qiáng)化鐵素體基體，提高屈服點(diǎn)，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。

　?。?）進(jìn)一步添加Ni（ωNi2%）可獲得高強(qiáng)度和較好韌性的珠光體球墨鑄鐵。

　?。?）加ωNi18%～36%可獲得奧氏體球墨鑄鐵，具有優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性、耐磨性、耐疲勞性以及良好的低溫性能和非磁性。

　　 

　　8.鉻（Cr）

　　 

　　加入合金目的：提高強(qiáng)度和硬度。

　　對(duì)金相組織與力學(xué)性能的影響：

　?。?）鉻強(qiáng)烈促進(jìn)形成碳化物，穩(wěn)定珠光體。

　?。?）鉻低時(shí)不影響球化，但會(huì)降低韌性和塑性。

　　（3）鉻提高強(qiáng)度和硬度，但加入量以不出現(xiàn)游離碳化物為限，對(duì)于高韌性鐵素體球墨鑄鐵要嚴(yán)格限制含鉻量。

　?。?）一般珠光體球墨鑄鐵不宜使用過(guò)多的鉻。

　　 

　　（三）球墨鑄鐵中加入球化元素的影響作用及其在球墨鑄鐵中的適宜殘留量

　　 

　　1.鎂（Ng）

　　在采用鎂作球化劑時(shí)，其適宜殘留量與鑄鐵硫含量、鑄件壁厚及鑄型材料（冷卻強(qiáng)度）有關(guān)，鑄鐵硫含量高以及鑄件凝固時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，鎂的適宜殘留量也應(yīng)適當(dāng)高些，一般情況下將鎂的殘留量控制在0.03%～0.065%，應(yīng)指出，鐵液中殘留鎂量也不宜過(guò)高，殘留鎂量過(guò)高會(huì)使石墨形狀發(fā)生惡化，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)畸變。其原因在于鎂原子在石墨表面上的吸附。由于鎂也屬于表面活性元素，過(guò)量的鎂原子也有封閉石墨的螺旋位錯(cuò)生臺(tái)階、促使石墨沿[1010]晶向生長(zhǎng)的作用。過(guò)高的殘留鎂量還會(huì)使鑄鐵形成白口的傾向增大，并會(huì)使鎂的氧化物及硫氧化物等夾雜數(shù)量增多，從而增大形成鑄造缺陷的可能性。

　　 

　　2.鈰（Ce）

　　鈰作為球化劑時(shí)，為了獲得高的球化率和圓整度，要求有過(guò)共晶的碳當(dāng)量，鐵液中的適宜殘留鈰量與硫含量有關(guān)，當(dāng)硫含量低于ωS0.02%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，適宜鈰含量約為ωCe0.017%～0.034%。鈰的球化作用還與鐵液中的氧量有關(guān)。只有當(dāng)鐵液中氧的活度較低，因而使鈰能主要與硫化合，而使硫的活度足夠低時(shí)，石墨才能有良好的球化。但過(guò)量的鈰也會(huì)使石墨形狀?lèi)夯龃箬T鐵的白口傾向和使夾雜物增多。

　　 

　　3.釔（Y）

　　與鎂、鈰相比，釔的球化作用較弱。為使石墨穩(wěn)定地球化，所需的殘留鈰量比鎂、鈰高得多。適宜的殘留釔量約為0.25%左右，與鎂、鈰不同的是殘留釔量的允許范圍較大，研究表明，即使鑄鐵中含有超過(guò)適宜殘留量一倍（即0.5%）的釔時(shí)，也不會(huì)使石墨形狀?lèi)夯意嫴粫?huì)增大鑄鐵的白口傾向。

　　 

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