灰鑄鐵件是一種重要的工程材料，在機(jī)械、汽車、農(nóng)機(jī)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用?；诣T鐵中包含多種元素，其中每個元素都對灰鑄鐵的性能和用途有著重要的影響。本文將就灰鑄鐵件中幾種常見元素的作用進(jìn)行介紹。
1、碳、硅 碳、硅都是強(qiáng)烈地促進(jìn)石墨化的元素，可用碳當(dāng)量來說明他們對灰鑄鐵金相組織和力學(xué)性能的影響。碳是灰鑄鐵中最主要的元素之一，它的含量通常在2.5%到4.0%之間。碳的存在使灰鑄鐵具有很好的鑄造性能，可鑄造出形狀復(fù)雜的零件。另外，碳還可以提高灰鑄鐵的硬度和耐磨性，但會降低其塑性和韌性。提高碳當(dāng)量促使石墨片變粗、數(shù)量增加，強(qiáng)度硬度下降。相反降低碳當(dāng)量可減少石墨數(shù)量、細(xì)化石墨、增加初析奧氏體枝晶數(shù)量，從而提高灰鑄鐵的力學(xué)性能。但是降低碳當(dāng)量會導(dǎo)致鑄造性能下降。硅的含量通常在1.0%到3.0%之間。硅可以提高灰鑄鐵的耐磨性、硬度和強(qiáng)度，減少熱膨脹系數(shù)。但過量的硅會降低灰鑄鐵的韌性和沖擊韌性。
2、錳：錳本身是穩(wěn)定碳化物、阻礙石墨化的元素，在灰鑄鐵中具有穩(wěn)定和細(xì)化珠光體作用，在Mn=0．5％～1％ 范圍內(nèi)，增加錳量，有利于強(qiáng)度、硬度的提高。
3、磷：磷的含量通常在0.1%到0.6%之間。磷可以提高灰鑄鐵的韌性和沖擊韌性，但會降低其硬度和耐磨性。鑄鐵中含磷量超過0.02%，就有可能出現(xiàn)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(tuán)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(tuán)周圍呈糊狀，凝固收縮很難得到補(bǔ)給，鑄件出現(xiàn)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(rèn)為硫含量越低越好，實(shí)則不然，當(dāng)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(chǎn)生白口。硫的含量通常在0.02%到0.15%之間。硫可以使灰鑄鐵易于加工，但會降低其強(qiáng)度和韌性。因此，硫的含量應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)。
5、銅：銅可以提高灰鑄鐵的耐腐蝕性、硬度和強(qiáng)度，同時還可以提高其導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。銅的含量通常在0.1%到1.0%之間。銅是生產(chǎn)灰鑄鐵最常加入的合金元素，主要原因是由于銅熔點(diǎn)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(zhuǎn)變的臨界溫度，因此銅能促進(jìn)珠光體的形成，增加珠光體的含量，同時能細(xì)化珠光體和強(qiáng)化珠光體及其中的鐵素體，因而增加鑄鐵的硬度及強(qiáng)度。但是并非銅量越高越好，銅的適宜加入量為0．2％～0．4％當(dāng)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(chǎn)生大量的索氏體組織。
6、鎳（Ni）、鈦（Ti）
鎳可以提高灰鑄鐵的強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性。當(dāng)鎳的含量達(dá)到一定水平時，灰鑄鐵具有良好的高溫性能和抗疲勞性能。鈦可以改善灰鑄鐵的鑄造性能和熱穩(wěn)定性，同時還可以提高其抗疲勞性能和硬度。鈦的含量通常在0.05%到0.15%之間。
7、鉻：鉻可以提高灰鑄鐵的耐腐蝕性、耐磨性和抗疲勞性能。鉻的含量通常在0.1%到1.0%之間。鉻的合金化效果是非常強(qiáng)烈的，主要是因?yàn)榧鱼t使鐵水白口傾向增大，鑄件易收縮，產(chǎn)生廢品。所以，應(yīng)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(qiáng)度和硬度；另一方面又將鉻嚴(yán)格控制在下限，以防止鑄件收縮而造成廢品率增加。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，原鐵水鉻量超過0．35％時，將對鑄件產(chǎn)生致命的影響。
8、鉬：鉬的含量通常在0.2%到1.0%之間。鉬可以提高灰鑄鐵的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，同時還可以提高其耐腐蝕性和抗疲勞性能。鉬是典型的化合物形成元素，是很強(qiáng)的珠光體穩(wěn)定元素，它能細(xì)化石墨，在ωMo <0.8％時，鉬能細(xì)化珠光體，同時能強(qiáng)化珠光體中的鐵素體，從而能有效地提高鑄鐵的強(qiáng)度和硬度。
a、加大過熱或延長保溫州間．能使熔液內(nèi)已有的異質(zhì)核心消失或功效下降，使奧氏體晶粒數(shù)目減少。
b、鈦對灰鑄鐵有細(xì)化初生奧氏體的作用。因?yàn)殁伒奶蓟?、氮化物、碳氮化物可作為奧氏休形核的基礎(chǔ)。鈦可增加奧氏體的核心，細(xì)化奧氏體晶粒。另方面當(dāng)鐵液中存在多于的Ti時，鐵中的S會和Ti而不是和Mn反應(yīng)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(tuán)數(shù)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(tuán)數(shù)的影響較弱，含稀土的孕育劑作用最好，當(dāng)與Al、N復(fù)合加入時作用更加顯著。含A1、Bi的硅鐵可強(qiáng)烈增加共晶團(tuán)數(shù)
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(tuán)。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(diǎn)化合物及氣體夾雜，同樣也是共晶團(tuán)的核心。 由于共晶晶核是共晶團(tuán)生長的起點(diǎn)，故共晶團(tuán)數(shù)即反映共晶鐵液中能長成石墨的核心數(shù)。影響共晶團(tuán)數(shù)的因素有化學(xué)成分、鐵液的核心狀態(tài)及冷卻速度。 化學(xué)成分中的碳、硅量有重要影響．碳當(dāng)量越接近共晶成分，共晶團(tuán)數(shù)則越多。S是影響灰鑄鐵共晶團(tuán)的另一重要元素，低的含硫量對提高共晶團(tuán)不利，因?yàn)殍F液中的硫化物是石墨核心的重要物質(zhì)，此外硫可降低異質(zhì)核心與熔體之間的界面能，使更多的核心得到活化當(dāng)W(S)＜0．03％時，共晶團(tuán)數(shù)顯著減少，孕育的效果降低。 Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2％以內(nèi)時，Mn量增多，共晶團(tuán)數(shù)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(tuán)。Ti、V降低共晶團(tuán)數(shù)，因?yàn)殁C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(tuán)增加，當(dāng)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(tuán)數(shù)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(tuán)數(shù)增多。 除化學(xué)成分外，共晶熔液的核心狀態(tài)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(tuán)數(shù)減少、直徑變大。孕育處理可大大改善核心狀態(tài)從而增加共晶團(tuán)數(shù)量。冷卻速度對共晶團(tuán)數(shù)的影響十分明顯，冷卻越快，共晶團(tuán)數(shù)量越多。5、共晶團(tuán)數(shù)的多少直接反應(yīng)共晶晶粒的粗細(xì)。按一般原則。細(xì)的晶?？商岣呓饘俚男阅?。在化學(xué)成分、石墨類型相同的前提下，隨共晶團(tuán)數(shù)增加，抗拉強(qiáng)度提高，因?yàn)楣簿F(tuán)內(nèi)的石墨片隨共晶團(tuán)數(shù)的增多而變細(xì)小，使強(qiáng)度增加。然而，隨硅量增加，共晶團(tuán)數(shù)明顯增多，但強(qiáng)度反而下降；鑄鐵強(qiáng)度隨過熱溫度提高(至1500℃)而提高，可是，此時共晶團(tuán)數(shù)卻顯著減久孕育處理導(dǎo)致共晶團(tuán)數(shù)變化規(guī)律與強(qiáng)度增加的關(guān)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(qiáng)度比用CaSi高，但是鑄鐵的共晶團(tuán)數(shù)卻比CaSi少很多。 隨共晶團(tuán)數(shù)增多，鑄鐵的縮松傾向增大，為防止小件形成縮松應(yīng)將共晶團(tuán)數(shù)控制在300—400個／cm2以下。
9、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(xì)化晶粒、增加奧氏體數(shù)量及促進(jìn)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(dá)到提高綜合力學(xué)性能、改善均勻性、加大組織調(diào)節(jié)的目的。此原理已在高碳鑄鐵(如剎車制動零件)的生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用。
總的來說，灰鑄鐵件中的元素對其性能和用途都有著重要的影響。不同的元素含量組合可以使灰鑄鐵具有不同的性能，可以滿足不同領(lǐng)域的需求。因此，在生產(chǎn)過程中，需要根據(jù)不同的應(yīng)用要求控制灰鑄鐵中元素的含量，以使其達(dá)到最優(yōu)的性能和用途。
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1、碳、硅 碳、硅都是強(qiáng)烈地促進(jìn)石墨化的元素，可用碳當(dāng)量來說明他們對灰鑄鐵金相組織和力學(xué)性能的影響。碳是灰鑄鐵中最主要的元素之一，它的含量通常在2.5%到4.0%之間。碳的存在使灰鑄鐵具有很好的鑄造性能，可鑄造出形狀復(fù)雜的零件。另外，碳還可以提高灰鑄鐵的硬度和耐磨性，但會降低其塑性和韌性。提高碳當(dāng)量促使石墨片變粗、數(shù)量增加，強(qiáng)度硬度下降。相反降低碳當(dāng)量可減少石墨數(shù)量、細(xì)化石墨、增加初析奧氏體枝晶數(shù)量，從而提高灰鑄鐵的力學(xué)性能。但是降低碳當(dāng)量會導(dǎo)致鑄造性能下降。硅的含量通常在1.0%到3.0%之間。硅可以提高灰鑄鐵的耐磨性、硬度和強(qiáng)度，減少熱膨脹系數(shù)。但過量的硅會降低灰鑄鐵的韌性和沖擊韌性。
2、錳：錳本身是穩(wěn)定碳化物、阻礙石墨化的元素，在灰鑄鐵中具有穩(wěn)定和細(xì)化珠光體作用，在Mn=0．5％～1％ 范圍內(nèi)，增加錳量，有利于強(qiáng)度、硬度的提高。
3、磷：磷的含量通常在0.1%到0.6%之間。磷可以提高灰鑄鐵的韌性和沖擊韌性，但會降低其硬度和耐磨性。鑄鐵中含磷量超過0.02%，就有可能出現(xiàn)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(tuán)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(tuán)周圍呈糊狀，凝固收縮很難得到補(bǔ)給，鑄件出現(xiàn)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(rèn)為硫含量越低越好，實(shí)則不然，當(dāng)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(chǎn)生白口。硫的含量通常在0.02%到0.15%之間。硫可以使灰鑄鐵易于加工，但會降低其強(qiáng)度和韌性。因此，硫的含量應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)。
5、銅：銅可以提高灰鑄鐵的耐腐蝕性、硬度和強(qiáng)度，同時還可以提高其導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。銅的含量通常在0.1%到1.0%之間。銅是生產(chǎn)灰鑄鐵最常加入的合金元素，主要原因是由于銅熔點(diǎn)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(zhuǎn)變的臨界溫度，因此銅能促進(jìn)珠光體的形成，增加珠光體的含量，同時能細(xì)化珠光體和強(qiáng)化珠光體及其中的鐵素體，因而增加鑄鐵的硬度及強(qiáng)度。但是并非銅量越高越好，銅的適宜加入量為0．2％～0．4％當(dāng)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(chǎn)生大量的索氏體組織。
6、鎳（Ni）、鈦（Ti）
鎳可以提高灰鑄鐵的強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性。當(dāng)鎳的含量達(dá)到一定水平時，灰鑄鐵具有良好的高溫性能和抗疲勞性能。鈦可以改善灰鑄鐵的鑄造性能和熱穩(wěn)定性，同時還可以提高其抗疲勞性能和硬度。鈦的含量通常在0.05%到0.15%之間。
7、鉻：鉻可以提高灰鑄鐵的耐腐蝕性、耐磨性和抗疲勞性能。鉻的含量通常在0.1%到1.0%之間。鉻的合金化效果是非常強(qiáng)烈的，主要是因?yàn)榧鱼t使鐵水白口傾向增大，鑄件易收縮，產(chǎn)生廢品。所以，應(yīng)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(qiáng)度和硬度；另一方面又將鉻嚴(yán)格控制在下限，以防止鑄件收縮而造成廢品率增加。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，原鐵水鉻量超過0．35％時，將對鑄件產(chǎn)生致命的影響。
8、鉬：鉬的含量通常在0.2%到1.0%之間。鉬可以提高灰鑄鐵的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，同時還可以提高其耐腐蝕性和抗疲勞性能。鉬是典型的化合物形成元素，是很強(qiáng)的珠光體穩(wěn)定元素，它能細(xì)化石墨，在ωMo <0.8％時，鉬能細(xì)化珠光體，同時能強(qiáng)化珠光體中的鐵素體，從而能有效地提高鑄鐵的強(qiáng)度和硬度。
b、鈦對灰鑄鐵有細(xì)化初生奧氏體的作用。因?yàn)殁伒奶蓟?、氮化物、碳氮化物可作為奧氏休形核的基礎(chǔ)。鈦可增加奧氏體的核心，細(xì)化奧氏體晶粒。另方面當(dāng)鐵液中存在多于的Ti時，鐵中的S會和Ti而不是和Mn反應(yīng)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(tuán)數(shù)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(tuán)數(shù)的影響較弱，含稀土的孕育劑作用最好，當(dāng)與Al、N復(fù)合加入時作用更加顯著。含A1、Bi的硅鐵可強(qiáng)烈增加共晶團(tuán)數(shù)
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(tuán)。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(diǎn)化合物及氣體夾雜，同樣也是共晶團(tuán)的核心。 由于共晶晶核是共晶團(tuán)生長的起點(diǎn)，故共晶團(tuán)數(shù)即反映共晶鐵液中能長成石墨的核心數(shù)。影響共晶團(tuán)數(shù)的因素有化學(xué)成分、鐵液的核心狀態(tài)及冷卻速度。 化學(xué)成分中的碳、硅量有重要影響．碳當(dāng)量越接近共晶成分，共晶團(tuán)數(shù)則越多。S是影響灰鑄鐵共晶團(tuán)的另一重要元素，低的含硫量對提高共晶團(tuán)不利，因?yàn)殍F液中的硫化物是石墨核心的重要物質(zhì)，此外硫可降低異質(zhì)核心與熔體之間的界面能，使更多的核心得到活化當(dāng)W(S)＜0．03％時，共晶團(tuán)數(shù)顯著減少，孕育的效果降低。 Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2％以內(nèi)時，Mn量增多，共晶團(tuán)數(shù)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(tuán)。Ti、V降低共晶團(tuán)數(shù)，因?yàn)殁C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(tuán)增加，當(dāng)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(tuán)數(shù)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(tuán)數(shù)增多。 除化學(xué)成分外，共晶熔液的核心狀態(tài)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(tuán)數(shù)減少、直徑變大。孕育處理可大大改善核心狀態(tài)從而增加共晶團(tuán)數(shù)量。冷卻速度對共晶團(tuán)數(shù)的影響十分明顯，冷卻越快，共晶團(tuán)數(shù)量越多。5、共晶團(tuán)數(shù)的多少直接反應(yīng)共晶晶粒的粗細(xì)。按一般原則。細(xì)的晶?？商岣呓饘俚男阅?。在化學(xué)成分、石墨類型相同的前提下，隨共晶團(tuán)數(shù)增加，抗拉強(qiáng)度提高，因?yàn)楣簿F(tuán)內(nèi)的石墨片隨共晶團(tuán)數(shù)的增多而變細(xì)小，使強(qiáng)度增加。然而，隨硅量增加，共晶團(tuán)數(shù)明顯增多，但強(qiáng)度反而下降；鑄鐵強(qiáng)度隨過熱溫度提高(至1500℃)而提高，可是，此時共晶團(tuán)數(shù)卻顯著減久孕育處理導(dǎo)致共晶團(tuán)數(shù)變化規(guī)律與強(qiáng)度增加的關(guān)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(qiáng)度比用CaSi高，但是鑄鐵的共晶團(tuán)數(shù)卻比CaSi少很多。 隨共晶團(tuán)數(shù)增多，鑄鐵的縮松傾向增大，為防止小件形成縮松應(yīng)將共晶團(tuán)數(shù)控制在300—400個／cm2以下。
9、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(xì)化晶粒、增加奧氏體數(shù)量及促進(jìn)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(dá)到提高綜合力學(xué)性能、改善均勻性、加大組織調(diào)節(jié)的目的。此原理已在高碳鑄鐵(如剎車制動零件)的生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用。
總的來說，灰鑄鐵件中的元素對其性能和用途都有著重要的影響。不同的元素含量組合可以使灰鑄鐵具有不同的性能，可以滿足不同領(lǐng)域的需求。因此，在生產(chǎn)過程中，需要根據(jù)不同的應(yīng)用要求控制灰鑄鐵中元素的含量，以使其達(dá)到最優(yōu)的性能和用途。
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