如何稳定灰铸铁中的珠光体组织_待续_

国外科技铁道机车车辆工人第6期2001年6月如何稳定灰铸铁中的珠光体组织(待续)美国灰铸铁研究委员会 AFS灰铸铁部在铸件生产中，加入到灰铸铁中的合金元素根据其功能可分为四大类：石墨化元素、碳化物形成元素、稳定珠光体元素及细化珠光体元素。元素碳(C)、硅(Si)、铝(AI)、钛(Ti)、铜(Cu)、和镍(Ni)在铸铁凝固时能促使石墨的 形成,被认为是石墨化元素。但这些元素的作用大小并不相同,Cu的石墨化能力只有Si的0. 05 % ,Ni和Cu具有石墨化及细化珠光体的双重功能,而细化珠光体的功能是主要的，因此被认为是稳定珠光体的元素。由于锡(Sn)、锑(Sb)、锰(Mn)、目(Mo)、各(Cr)、钒(V)、和铌(Nb)能延缓石墨的析 出和增加形成渗碳体倾向，而被划分为碳化物形成元素。其中一些元素如 目(Mo),也具有双重作用，因为它还能细化珠光体 ：当目含量0.8 %时，是 细化珠光体元素；当其含量0.8%时，是碳化物形成元素。人们在熔融灰铸铁中，有意识地加入一些合金元素，来促进珠光体的形 成、细化珠光体组织和提高它的稳定性。由铁素体和碳化物薄片交替排列的细珠光体层状组织能增加铸铁的硬度和强度。珠光体片层的粗细取决于奥氏体的冷却速度。缓慢的冷却速度有利于形成粗片状的珠光体组织；快速冷却则容易形成细珠光体。例如，铸件从较 高的落砂温度，如1 700 u (927 C)开始冷却，会比较低落砂温度如1 400 u (760 C)冷却产生硬度更高、组织更细的珠光体组织。在奥氏体区域缓慢冷却的条件下某些合金元素能使铸件形成细珠光体组织。Cr (0. 1 %0.6 %)及V(0. 1 %0. 4 %)是有效的常用珠光体形成元 素。Mo (0. 1 %0. 8%)及Ni (0. 1 %1. 5 %)则是常用的珠光体稳定元 素。由于某些元素能有效地促进珠光体的形成，而另一些元素对促进珠光体的细化和稳定更有效，因此要使铸件获得最佳性能，应同时包含上述两类 元素,并采用合适的落砂温度。关于合金元素 Cr、V、Mo和Ni的作用，很多文献都有报道 。为了使铸 造工作者更好地理解 Sb、Cu、Mn、Nb和Sn在灰铸铁生产中的作用，本文将对通过文献检索得到的各种结果及合金元素稳定灰铸铁中珠光体组织的机 理进行讨论。23图1560 X粗片状珠光体，片间距0. 00508 mm它是由于稳定珠光体元素的含量低，而硅 含量在允许值的上限所造成。灰铸铁中的锰在灰铸铁中加入Mn的作用及必要性在于它能与硫(S)形成对性能无害的蓝灰色硫化锰 (MnS)夹杂物，从而稳定了硫(S) 元素。硫化锰夹杂物随机分布在 金属基体上，能有助于提高铸铁 的切削性能(提高切削刀具的寿 命)。锰的存在防止了硫化铁 (FeS的形成，硫化铁的熔点只有 2 180 u(1 193 C),而硫化锰为 2 948 u(1 620 C)。阻碍硫化铁的形成就能防止由它产生的脆性，它以晶粒或共晶的晶界相形式存在，使铸件产生脆性、热脆和残余应力。除了能与硫结合外，通常认为锰在灰铸铁内还起稳定珠光体的作用或 者象在钢中的锰那样，具有促进珠光体形成的作用。大多数灰铸铁牌号中都有意加入了锰。事实上所有其它类型的铸铁中也都有残存的锰元素。在大多数铸铁配料中都有锰元素，它作为合金元素在钢中的使用量也不断增加。锰在奥氏体中的固溶强化作用微乎其微，在铁素体中也只有中等的作用。锰大大延缓了奥氏体转变为铁素体的过程，使得可热处理钢和铸铁具有更好的淬透性。锰还能降低相变温度和共析点碳浓度。锰是提高淬透性性能价格比最高的合金元素。通过一系列的研究表明：硫对石墨片形核和长大所起的关键作用得到 了证实和记载。这项研究工作是重新认识铸铁中的石墨片尺寸的开端，能通过对铸造过程的控制来获得一致和可重现的灰铸铁。要得到片状石墨组织的灰铸铁，硫的最低含量根据当前的标准为0. 06%。低于该值，会出现白口组织和石墨片分布不均的问题。从化学当量计算，锰的原子量为 55，而硫为32，因此如要形成硫化锰 (MnS)，锰的重量应该是硫质量的1.7倍。但是很多年前人们就认识到，需要更多的锰(0. 3 %0. 35 %)才能阻止硫化铁(FeS)的形成及硫化铁在灰24铸铁中的产生。当锰含量超过形成硫化锰所需要的化学当量时，就会形成复合的铁锰硫化物。事实上，硫化锰和硫化铁能够相互溶解，因此，在复合硫化物中，铁和锰的含量是可变的。更为复杂的是，硫和氧也能相互溶解，所形成的化合 物为FexMn ySvOw，其中x、y、v和w将随铁含量的局部变化而变化。在铸铁中很难发现有游离的S原子，但是如上所述，也许所遇到的 Mn S比例很低。最佳的Mn :S比例可为1. 7%S + （0. 30. 5） %Mn，但该值随铸件的 截面尺寸、铸造工艺等的不同而变化。灰铸铁中多余的自由硫原子会迅速增加白口层，减少液体的流动性和孕育处理的作用。通过加入足以把所有的硫都结合成硫化锰的锰元素，就可消除硫原子对铸件的大部分影响。在适当的铸造条件下，只要锰的含量足以阻止白口的形成，硫含量在小于0. 18 %的范围内不会对灰铸铁产生很 大的有害影响。在缺少足量锰的情况下，硫能显著地稳定渗碳体，从而促使 碳化物的形成（形成白口铁）。对于某一铸造工艺，最佳的锰元素的额外添加量将随浇铸后铸件中残 存的合金元素含量及基本硫含量而变化，但为使铸件质量便于控制，额外的锰含量在0. 2 %0. 5 %之间为好。任何铸造工厂（车间）如打算对他们自 己的铸件求得最佳的额外锰含量，可在一段持续的时间内（大约一个月）每次调整增加0. 1 %Mn含量，这样就可得到该厂所需特定的工艺和产品，获得强度和硬度最佳组合（强度/硬度比）的额外锰含量。由铁一碳相图可知： 锰是通过增加共晶石墨来减少强度/硬度比的，锰含量低会增加碳化物和白口铁形成的倾向、细化石墨、增加基体中珠光体的比例，并使铸造性能不稳定。锰含量太高会引起石墨片粗大，珠光体弥散、晶界条件不好，导致铸铁强度密度的降低。要使灰铸铁中残留的锰含量超过0. 7 %，就必须保证较低的硫含量和较高的浇铸温度，以避免硫化锰在铸件上型箱表面产生铁渣反应，并在铁水次表面形成气孔。硫化锰的密度只有4g/cm3,因此其粒子总是浮在铁水表面,并供型腔/金属界面在此进行反应。当硫含量小于0. 15 %时，在次表面上很少能看到气孔。铸铁中硫和锰元素的存在以及对它们含量的控制,对于铸件生产中获得所需的显微组织、机械性能和最佳强度，避免形成铸造251994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/国外科技铁道机车车辆工人第6期2001年6月缺陷是绝对重要的。从实用的角度考虑，含硫量在0. 05 %0. 15 %范围内的普通灰铸铁 中,当锰含量低于0. 65%时，对灰铸铁的强度、硬度影响不大。为了防止在 不足25. 4 mm厚度的灰铸铁中形成碳化物，加入的锰含量应比与硫形成硫化物所需要的数量更多一些，并应加入少量的镍和（或）铜。据报道，当铸铁的碳当量为4 %及其以上时，铁水包内加锰会使铸件的薄壁处（厚度小于9.525 mm）形成针孔缩松。这显然是由于锰对氢具有高亲和力、使氢在铸件凝固前不释放的缘故。为此，如果要把锰作为合金元素加入灰铸铁中，建议至少要在浇铸前10 min加入。根据以往AFS的研究，在A、B、C 3种型号试样的各个截面上，极限抗拉强度均随锰含量的增加（锰的范围为0. 39%0. 97 %）而减少。锰含量最低时（0.39%），强度和硬度比较大，这时铸件内可能会有自由的硫元素。铸铁的密度随锰含量的增加会稍稍减少。激冷造成的白口层厚度在锰含量为0.71 %时最小，因此可假定，在这样的锰含量下，能与硫获得最佳的平衡，石墨最容易形核。随着锰含量的增加，铸件整体的硬度和基体的硬度都会 稍稍降低。总之，在锰与硫形成硫化锰后还存在额外锰为0. 3%的条件下，A型和B型试样的布氏硬度随硫含量的增加（0. 03、0. 09、0. 16） %而增加。但是对所有铁来说珠光体的硬度变化很小。直径为50. 08 mm的试样整体硬度最低，这多半是由试样内产生粗大石墨片造成的。锰应该属于碳化物形成元素，因为它阻碍石墨的析出、增大形成渗碳体 的倾向。形成硫化锰后减少多余的锰含量应有一定的限度，低于该限度会使强度与硬度比降低（硬度增加，强度不增加），同时硫化铁的形成有利于生 成碳化物并引起脆性问题。相反，多余锰含量超过通常采用的0.3%时对材料的适度强化是有利的，但多余锰不能增加到使强度与硬度比开始下降 的程度。如果要求形成稳定的珠光体组织，必须寻找铜和（或）镍及少量锡、锑的某种组合添加剂，以获得所要求的产品特性。（待续）译自美刊Modern Casting2000 , N11 ,40 43潘琴华译孙国平校 收稿日期：2001 - 05 - 0726 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/