合金球墨铸铁的组织分析

合金元素对球墨铸铁组织的影响有：①共晶凝固；②凝固偏析；③在冷却过程中的奥氏体转变。

必须指出的是，从基本组织来说，球墨铸铁与普通铸铁在本质上是相同的。因此，在讨论分析合金元素对球墨铸铁组织的影响时，可以借助于合金元素对普通铸铁组织的影响来进行分析。这样，可使问题简化，而所得出的结论都适用于球墨铸铁。

（一） 共晶凝固

铸铁凝固时析出石墨就成为灰铸铁，析出碳化物就成为白口铁，它们两者混合，就成为麻口铁。在冷却速度相同的情况下，这要取决于铸铁中的合金元素及其含量。图5-24和图5-25是不同含硅量和含铬量对共晶凝固的影响。显然，随着含铬量的增加，铸铁易得到白口组织；相反，随着含硅量的增加，铸铁易得到灰口组织。因此，在合金铸铁中加入的元素有促进石墨化的，也有反对石墨化的合金元素，它们均使共晶凝固组织有很大的变化。由图5-26得知，C、P、Cu、Co、Ni、Ti、Si、Al促进石墨化次序依次递增，而W、Mn、Mo、Cr、Sn、V、S则是依次反对石墨化的。

图5-24　硅对铸铁石墨共晶温度和莱氏体共晶温度的影响示意图

关于合金元素对铸铁石墨化和白口倾向的能力，一般以硅作基准，把硅的石墨化能力设定为1，比较合金元素与硅的石墨化能力，正值表示促进石墨化；负值表示反对石墨化，促使形成白口。主要合金元素的石墨化能力示于表5-8。

图5-25　铬对铸铁石墨共晶温度和莱氏体共晶温度的影响示意图

表5-8　主要合金元素的石墨化能力

（二） 凝固偏析

合金元素在基体组织中的分布是不均匀的，而且会出现明显的微观偏析。微观偏析现象是基于合金元素在基体组织的各种相中的溶解度不同。根据合金元素的分布情况，可以分成四类：①在奥氏体中富集；②在渗碳体中富集；③在残余铁液中富集；④在化合物中富集。

一般来说，合金元素在石墨中并不溶解。

属于第①类的元素有Si、Cu、Ni和Al。这些元素首先富集的基体组织中，也就是它们富集在奥氏体树枝晶里面，亦即在呈灰口凝固时，它们富集在共晶团的中心区域。这些元素在渗碳体中几乎不溶解。在呈白口凝固时，它们富集在奥氏体或残余铁液中。

属于第②类的元素有Cr、Mo、Mn和V。在呈白口凝固时，这些元素主要富集在渗碳体中；在呈灰口凝固时，它们主要富集在残余铁液中。由此，使残余铁液的白口倾向增大，因而形成各种碳化物或中间化合物。磷在形成微观偏析中具有特殊的作用。在含磷高的球墨铸铁中，由于在残余铁液中有上述这些元素的富集，致使磷共晶中也富集这些元素。这里，特别突击的元素就是Mo。

属于第③类的元素，在奥氏体和渗碳体中均只有很有限的溶解度，因此它们大多集中在残余铁液中，由此，而使凝固温度降低。磷和不与锰形成MnS的硫均属此类元素。

属于第④类的典型元素是钛。在凝固开始以前，钛以氮化物或碳化物形式存在于铁液中。Mn与S形成MnS化合物时，它们也属此类元素。

在球墨铸铁中最常见的偏析型式原则上有两种：

（1）正偏析。在凝固结束时，在共晶团边界富集，如Mn、Mo、Cr、V、Ti、P、S、稀土等。

（2）逆偏析。在凝固结束时，在共晶团内部富集，如Si、Al、Cu、Ni。

图5-26　合金元素对铸铁白口深度的影响

例如，原铁液成分为w（C）=3．74%、w（Si）=2．75%、w（Mn）=0．4%、w（P）=0．03%和w（S）=0．006%，加镁进行球化处理后，用电子探针分析结果表明，在奥氏体内硅为2．5%；在莱氏体内硅为1．8%；而在渗碳体中硅只有0．4%。

但Mn和P在奥氏体中，贫化 [w（Mn）=0．4%、w（P）=0．02%]，而在莱氏体中则有富集[w（Mn）=0．7%、w（P）=0．04%]。

此时，如果用偏析系数Fs来表示则Fs （Mn、P）＞1；Fs （Si）＜1。(www.xing528.com)

把上述成分的铸铁进行珠光体—铁素体退火（900℃保温后炉冷并气冷），则经退火后仍有珠光体保留下来，而没有分解。这种珠光体与铁素体不同，具有较高的含锰量和较低的含硅量。用电子探针分析表明，在偏析地区含锰量提高了3倍 （由0．3%提高至1．2%），而硅则降低了8倍 （由2．8%降低至0．3%）（见图5-27）。

图5-27　球墨铸铁中合金元素的偏析

（三） 合金元素对铸铁共析转变的影响

铸铁的奥氏体转变和在凝固时的情形一样，可以按照稳定系统，也可以按照亚稳定系统进行。在按照稳定系统进行转变时，形成铁素体和石墨；在按照亚稳定系统进行转变时，则形成珠光体或者在冷却速度相当高的情况下形成淬火组织（马氏体）。

可以由奥氏体直接生成铁素体和石墨，也可以间接地通过预先形成的珠光体进行分解而得到铁素体和石墨。在这两种情况下，石墨的沉淀析出具有决定性的作用。由于在此温度范围内，对于灰铸铁来说，一般并不产生新的石墨晶核，所以碳原子总是移向相邻的石墨上，并在那里进行结晶。因此，只要任何的影响因素能够促进或者加速碳原子的扩散和石墨的结晶长大，则它们就对铁素体化的进程有利；相反，只要任何的影响因素阻碍这个过程的进行，那么，这就有助于珠光体的形成。

此时，与合金元素含量无关，石墨形态具有重要的作用。铁素体化的速度在很大程度上取决于碳原子向其最相邻石墨沉积所要走过的路程。如果石墨的片间距越小，则碳原子的扩散距离就越短。因此，强烈分枝的D型石墨则在很大程度上有利于铁素体的形成。

扩散速度随着温度降低而减慢。所以，把转变温度降低，则会阻碍铁素体的形成。

提高冷却速度，会加大奥氏体的过冷度，因此会产生珠光体，或者在更大的冷却速度时产生贝氏体或马氏体。

所有溶解在奥氏体中的合金元素，均会使碳原子的扩散速度减慢，因而使实际的转变温度降低，这样就有助于按照亚稳定系统进行转变。

还有一种特殊的阻碍碳原子扩散的形式，这就是合金元素在奥氏体进行转变时富集在石墨附近，或者就直接富集在石墨表面上。这样，就非常有效地制止了碳原子向着石墨上的沉积，因而就必然产生珠光体。属于这样的合金元素有铜、锡及许多微量元素。

在合金钢中，我们已经得知，合金元素可以扩大γ区或扩大α区。铜和镍可使γ区扩大并使之向下，因而有助于形成珠光体；并且，当含量更高或冷却速度更大时，则会得到马氏体组织。如果在含量进一步增加时，则即使在室温时也会使奥氏体得到稳定。

还有一组合金元素是使α区扩大，并使共析转变温度向上。属于这组的元素有Si、Al、Mo和V。此时，由于合金元素使共析含碳量得到改变，因而也能起一定的作用。

此外，还有的合金元素会形成特殊的碳化物或者形成莱氏体型的渗碳体。由于合金元素的作用，也会改变共析渗碳体的稳定性。Cr、Mn、V、Mo等元素能溶解在渗碳体中，因而造成渗碳体分解的驱动力减少乃至到零。这样，也就阻碍了铁素体的形成。相反，硅和铝能使渗碳体的稳定性减弱，因而它们有助于铁素体的形成。但是，硅、铝的作用还有另外的机制，其作用结果仍然能改善淬透性。

在渗碳体中不溶解的元素，或者对奥氏体转变没有影响，或者阻碍碳原子在石墨上的沉积，因而延缓了奥氏体的分解，这样的元素有镍、铜、锡等。

此外，人们总是力求在所有断面上得到细珠光体组织的高强度灰铸铁铸件，这也就是说，尽可能得到断面敏感性最小的铸件。

加入强烈形成碳化物的元素（如铬或钒），可在厚断面上得到珠光体基体组织；但在薄断面上会使白口倾向增大或硬度过高。因此，在附加这种合金元素时必须严格定量和加强质量控制。

如果合金元素在凝固时促进石墨化，而在共析转变时又促进珠光体的形成，那么它就能显著地减少断面敏感性。它能使铸件在薄断面和厚断面的宽广范围里均得到灰口珠光体基体组织。这种合金元素就是铜和镍。当然，调整形成碳化物元素的含量，也可以得到全珠光体基体组织，但最好是采用多元合金化复合加入。

另外，Mo和Sn等本来都是增加白口倾向的，但是在其加入量较少的情况下，它们几乎对白口倾向没有影响，并且能显著增加珠光体量。因此，它们也能减小断面敏感性。

图5-28　含镍灰铸铁（a）与普通灰铸铁（b）的奥氏体等温转变图（C形曲线）的对比

[灰铸铁成分：（a）为w（C）=3．68%，w（Si）=1．2%，w（Ni）=2．03%；（b）为w（C）=3．63%，w（Si）=1．75%]（a）含镍灰铸铁的奥氏体等温转变；（b）普通灰铸铁的奥氏体等温转变

合金铸铁的奥氏体等温转变图，由于元素是否产生碳化物而有所不同。由于珠光体的生成是以Fe3C （碳化物）作为领先相（也就是作为核心），所以，镍、硅、铜等促进石墨化元素就延迟了碳化物核心的产生，因而从一开始就延缓了转变的进行，结果使奥氏体等温转变曲线 （C曲线）向右推移的。图5-28是含镍灰铸铁与普通灰铸铁C曲线对比。由图5-28中可以看出，由于加镍使奥氏体转变速度迟缓。相反，对于形成碳化物的合金元素来说，它们容易形成碳化物，提供了珠光体核心；可是这时的碳化物由多种合金元素所组成，在奥氏体中的合金元素必须进行扩散，此时与生成Fe3C相比较，扩散则需要更长的时间，因而也使C曲线右移。所以，无论是促进石墨化元素，还是形成碳化物元素，均使铸铁的C曲线右移。

另外，贝氏体相变则是以铁素体作为核心的。这种铁素体由于碳的扩散是在每个单独的地方进行，所以不需要合金元素的扩散。由于碳的扩散比起合金元素的扩散要来得容易，所以，合金元素对于贝氏体的生核，没有过多的影响，因此，贝氏体转变曲线与珠光体转变曲线有明显的分离。

由于形成碳化物的元素与碳的亲和力大，且含量多，则能明显阻止碳的扩散，因而使珠光体转变延迟，结果使C上部右移。但是，钼可使铸铁中的铁素体增多，这也就是说，钼有助于贝氏体生核，因而使C曲线的下部左移，最后导致原来的C曲线变成S曲线（见图5-16）。