磷在球墨铸铁中的共晶作用及其影响

（一） 磷与磷共晶

磷是随金属炉料（生铁、废钢、回炉料、铁合金等）进入球墨铸铁中的，磷不影响球化，却是有害元素，它可以溶解在铁液中，降低铁碳合金的共晶含碳量，其降低的碳量相当于它含量的1/3。磷降低共晶温度和凝固开始温度，磷大约每增加0．1%，则凝固开始温度下降4～5℃。磷有微弱的石墨化作用。

磷在固态α—Fe中的最大溶解度为w（P）=2．6%；随着温度降低，其溶解度也降低，当室温达到w（P）=1．2%。磷在铁中的溶解度随含碳量增加而降低，对于w（C）=3．5%铸铁来说，磷的溶解度只有w（P）=0．3%。

当含磷量超过其溶解度，就会出现新相Fe3P[w（P）=15．6%，w（Fe）=84．4%，熔点1166℃]。Fe3P可以和Fe3C及含碳、磷的γ—Fe共同结晶组成三元共晶体——三元磷共晶。在常温下，奥氏体分解成铁素体或珠光体，所以在常温下三元磷共晶是由Fe3P+Fe3C+α—Fe组成。三元磷共晶中化学成分为w（P）=6．89%、碳w（C）=1．96%和w（Fe）=9．15%，熔点953℃。三元磷共晶也称作斯氏体（Steadit）。

有时，铸铁具有较强的石墨化能力（如含硅量高、孕育充分、冷却速度缓慢等）则没有Fe3C存在。此时，Fe3P与α—Fe组成二元磷共晶，其化学成分为w（P）=10．2%和w（Fe）=89．8%，熔点为1050℃。

在球墨铸铁中，因其呈粥样的凝固方式，磷很容易偏析，当磷的质量分数接近0．1%时，就会出现体积分数为2%左右的磷共晶。随着铸件壁厚增加，则偏析加剧，在热节部位，磷共晶数量就多。例如，直径为84mm的汽车曲轴，其边缘部位磷共晶很少，而在中心部位磷共晶数量高达体积分数的5%。一般来说，形成磷共晶的数量取决于含磷量，形成磷共晶的体积分数大体上是含磷量的10～20倍。

磷共晶熔点低，在球墨铸铁凝固过程中一直保持液态，不断被共晶团所排挤，最后在共晶团边界凝固，由此，磷共晶呈多角状分布于共晶团边界，急剧恶化球墨铸铁的力学性能。

（二） 磷对球墨铸铁力学性能的影响

图5-11示出磷对铸态铁素体球墨铸铁力学性能的影响。当磷量超过0．07%时，基体内出现了磷共晶，使断后伸长率δ急剧降低。(www.xing528.com)

球墨铸铁退火后，磷的有害作用有所减弱。图5-11 （a）是铸态球墨铸铁，当磷超过0．02%时，塑性和冲击韧度aK 开始下降，并且，随着含磷量的增多，塑性和冲击韧度则急剧降低；但此时，抗拉强度σb却下降不多，屈服强度σ0．2甚至有些上升。当球墨铸铁退火后，磷为0．1%时，断后伸长率δ才开始下降，并且冲击韧度的下降也减缓。这是因为，此时磷共晶有一定的钝化，应力集中作用有所减弱所致。另外，原来铸态中的三元磷共晶经过退火，有部分转变成二元磷共晶，致使冲击韧度有些改善。但是，这种退火并不能取得实质性的改善。

与铁素体球墨铸铁相比，磷对珠光体球墨铸铁的有害作用要严重得多。磷超过0．06%时，塑性（即断后伸长率δ）和冲击韧度aK 急剧下降。为此，珠光体球墨铸铁要求含磷量更低，对于结构零件，磷不应大于0．06%。

图5-11　磷对球墨铸铁退火前后力学性能的影响

（a）铸态；（b）退火态

磷显著提高脆性转变温度，磷的质量分数每增加0．01%时，脆性转变温度升高4．0～4．5℃。当磷的质量分数超过0．16%时，脆性转变温度已在室温以上，冲击断口出现脆性断裂。

含磷量高，还会在铸件中容易出现缩松，具有明显的冷脆现象，容易冷裂。

热力学表明，在铸铁中是不可脱磷的。生产球墨铸铁就必须采用低磷生铁。采取强化孕育（增加石墨球数）或各种热处理（高温退火或部分奥氏体化）只能减轻但不能从根本上消除磷的有害作用。