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铸造论坛»铸造论坛 铸造技术交流区 铸铁铸造 五大元素对灰铸铁组织和性能的影响
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五大元素对灰铸铁组织和性能的影响

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发表于 2017-10-12 10:06:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
铸铁中的五大元素是指碳、硅、锰、硫、磷。碳和硅是普通灰铸铁中两个最主要的化学元素,他们对铸铁的组织和性能有着决定性的影响,生产中经常通控制与调整碳和硅的含量来控制和改善普通灰铸铁的组织与性能。

碳本身就是构成石墨的元素,增加含碳量能使石墨的均质晶核增多,也能使铁液中未溶解的石墨夹杂物增多,使石墨非均质晶核增多,从而可以提高铁液的实际结晶温度。因此,碳,碳铸铁中是促进石墨的元素。但含碳量过高,会使铸铁的石墨化程度增大,石墨粗大,基体中球光体减少,铁素体增多,使铸件力学性能降低。为了提高铸铁的强度,使组织中的石墨细化,数量减少,珠光体增加,就需要适当降低铸铁中的含碳量。

硅是强烈促进石墨化的元素。增加含硅量可使铸铁的石墨化程度增大,基体组织中铁素体量增加而珠光体量减少。若含硅量过低,石墨化不良,则易出现麻口或白口组织。但硅含量过高,易使石墨粗大,力学性能降低。并且,在炉料的添加顺序当中,要严格遵守先增锰,再增碳,再增硅的工序要求。如果铸铁中不需要加锰,则遵守先增碳,后增硅的原则。因为硅和硫一样,都有影响增碳剂吸收作用。

锰是阻碍石墨化的元素,它使铸铁基体中珠光体量增多并得到细化的珠光体。在需要保证铸铁的珠光体时,通常将锰含量控制在0.6%---1.2%的范围内。锰含量过高则易使铸铁组织中出现自由渗碳体,呈现白口倾向。锰可以溶于铁素体形成置换式固溶体,也可以溶解在渗碳体中形成含锰渗碳体。锰溶解在渗碳体中,会加强铁与碳的结合能力,使渗碳体更为稳定,因而阻碍石墨化。锰对于石墨化的影响,只有在它与硫发生化学反应后,才能通过剩余部分表现出来。
锰和硫之间有比较大的亲各力,可发生以下反应
Mn+S=MnS
Mn+Fes=MnS+Fe
硫化锰的溶点高,在铁液中多以固体质点存在,密度小,可人铁液中浮出,或呈颗粒状夹杂物存在于铸铁中,从而减弱硫的有害作用。为了充分发挥锰抵消硫有害作用的能力,在生产,常常利用锰对硫的抵消特性来调整锰硫比。
在铸铁生产,通常硫在0.08%---0.15%时,约需要0.4%---0.6%的锰与硫反应,当锰含量超过这个值时,才开始使珠光体和化合碳量增加。因此,锰加入到铸铁中时,开始不但不提高硬度,而且有使铸铁软化的倾向。中有当锰加到一定量时,铸铁的强度、硬度才有所提高。
当铸铁中的含锰量较低、冷却速度又较大时,会在晶粒边界处形成三元共晶体或二元共晶体,或以富铁的硫化物形态存在。当含锰量较高时,则能形成高熔点硫化锰(熔点约为1650度)或其他高熔点硫化物,如三硫化二铝、硫化铬、三硫化二铈、硫化镁等。

硫对铸铁石墨化的影响与其存形式有关。若硫以三元共晶体或富铁硫化物形态存在,则因熔点低,结晶时沿晶粒边界分布,阻碍铁、碳原子的扩散,从而可有力地阻碍石墨化的进行。虽然硫在固溶体和渗碳体中的溶解度很小,但却加强了铁碳原子间的结合力,降低了碳的活度,使共晶转变时稳定系与亚稳定系临界温度之间的距离缩小,促使铸铁按亚稳定系进行结晶,从而阻碍石墨化。特别是当冷却速度较大,碳、硅含量较低时,硫会促使共晶的过冷度增大,从而阻碍石墨化的作用更加强烈。因此,低碳、低硅,高硫的铁液就易生产白口组织。
硫在铸铁中是有害元素,它以硫化铁的形式完全溶解于铁液中,并能降低碳在铁中的溶解度(1%的硫约可降低0.5%的碳)但当铸铸铁凝固后,硫在固溶体(奥氏体和铁素体)或渗碳体中的溶解度却很小,约在铁液中含硫0.02%时就可形成独立的硫化物相,其成分、性质和存在形式由铸铁中锰和其他元素的含量而决定。
此外,硫在铸铁中恶化铸铁的铸造性能,当铁液中存在大量的硫化物时,铁液的流动性就会降低,从而造成补缩性能差,容易产生裂纹等缺陷。因此,一般将灰铸铁中的含硫量限制在0.1---0.12%以下。

磷对铸铁的石墨化影响不大。磷和硅一样可使铸铁的共晶点左移,当铁液中的磷含量达到1%时,可使共晶点含碳量在铁液中减少0.3%。但与硅相反,磷会降低共晶转变温度。磷能完全溶解于铁液中,但在固态下溶解度很小,并且随着铸铁中含碳量的增加而减小(如在纯铁中可溶入1.2%的磷,而在含碳量3.5%的铸铁铁中只能溶解0.3%的灰)。同时,磷在固态铁中的扩散速度慢,凝固过程中极易发生偏析而较多地集中在残留的液体中,从而形成低熔点的磷共晶体。
在生产实践中还发现,铸铁中含磷量较高时,铸件产生粘砂、气孔等缺陷的倾向明显减少。磷还可以降低液相线温度,使流动性提高,有利于获得完整的铸件,特别是在浇注薄壁件时,含磷量可达0.5%—0.8%。还有一些对铸铁的力学性能要求不高、但要求表面花纹清晰的艺术铸件,含磷量可达1%左右。有时为了提高某些铸铁的耐磨性能,还会有意识地加入一些磷,如机床床身、气缸套和活塞环等,磷含量可达0.6%以上,称为高磷铸铁。


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