五大元素對灰鑄鐵組織和性能的影響

程 敏， 張莎莎， 楊嘯岳， 葉 云

(山西晉中理工學(xué)院，山西 晉中 030600)

引 言

灰鑄鐵是非常重要的機械材料，它擁有較好的可鑄造性、可加工性、傳熱性、耐熱性、抗屈服性、減震性以及其成本低等優(yōu)點，在汽車、機床、發(fā)動機等領(lǐng)域使用很廣泛[1]。在當(dāng)下汽車節(jié)能、減耗、減輕重量的趨勢下，對于灰鑄鐵的性能有了更加嚴(yán)格的要求[2]。

灰鑄鐵一般是指具有片狀石墨組織的鑄鐵，它的斷口面顯示灰色，在成分上除鐵外，還存在5種較為特殊的元素：碳、硅、錳、硫以及磷。它是使用最廣泛的鑄鐵，它的產(chǎn)出量占據(jù)鑄鐵總產(chǎn)出量的80%以上[3]。在灰鑄鐵生產(chǎn)過程中，通常通過調(diào)整C、Si、Mn、P、S以及其他一些含量較低的合金元素來控制鑄鐵成分，以此來改變石墨的生長，改變基體，獲得性能更好的灰鑄鐵件[4]。

本文通過設(shè)計五大元素在灰鑄鐵中的含量，來研究五大元素對提高灰鑄鐵性能的影響。

1 實驗方法及設(shè)備

1.1 實驗材料

由于該實驗是為了研究元素對灰鑄件的影響，因此在原鐵液的純凈度方面，實驗要求非常高，這樣才可以盡量排除其他元素等干擾因素，該實驗遵循的是高碳低硅，低錳、磷、硫的原則，因此實驗的主要原材料選擇的是廢鋼、增碳劑、生鐵(含碳量大于2%的鐵碳合金，工業(yè)生鐵含碳量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般在2.11%～4.3%，并含C、Si、Mn、P、S等元素，是用鐵礦石經(jīng)高爐冶煉出來的產(chǎn)品)、FeS增硫劑、硅鐵、鉻鐵、錳鐵和工業(yè)用鋼。廢鋼的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為(0.2%C，0.3%Si，0.3%Mn)，盡量不包括雜質(zhì)的影響。

1.2 灰鑄鐵試樣的制備

在實驗過程中采用的是6 t中頻感應(yīng)電爐進行鐵液的熔煉，用樹脂砂進行造型，在熔煉時往電爐中添加廢鋼的質(zhì)量是電爐容量的30%～50%，生鐵的添加量是電爐容量的5%～15%，返材≤40%，將原材料按照此配比添加到中頻感應(yīng)電爐中進行熔煉，鐵液的出爐溫度為1 380 ℃～1 420 ℃。在經(jīng)過孕育處理后澆注出3組試棒、每組3根Φ30 mm灰鑄鐵試棒，高溫靜置的溫度約為1 350 ℃。試棒采用同一砂箱手工造型，造型的材料是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%～92%的原砂以及4%～5%的水構(gòu)成的。

在進行實驗的時候為了確保準(zhǔn)確性要保證在進多組行實驗時孕育處理、爐料、澆注溫度等影響鑄件組織和性能的因素相同，在進行實驗時都是只改變其中一種元素的含量，而將其他的元素保持不變來進行實驗研究，以防止變量太多影響實驗結(jié)果。

1.3 檢測儀器

成分：光譜檢測儀、碳硅儀；

硬度：使用HB-3000型布氏硬度試驗機上測量；

金相：P-2型拋光機、XJL-02立式金相顯微鏡；

試棒：采用萬能拉力試驗機。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳

碳在鑄鐵中的存在形式主要有兩種,一種是以游離態(tài)石墨的形式存在,另一種是以化合態(tài)滲碳體的形式存在,也正是碳在鑄鐵中的這種存在形式可把鑄鐵分成許多類型。碳是強烈促進石墨化的元素,增加碳量會增加石墨的數(shù)量,但會使石墨粗大，當(dāng)碳含量過高時，鑄鐵的力學(xué)性能會降低，硬度達(dá)不到要求；反之，減少碳量，會使石墨細(xì)小，但是含碳量過低會導(dǎo)致縮松、縮孔等缺陷[5-7]。

2.1.1 化學(xué)成分檢測

在試驗過程中通過改變在熔煉時添加增碳劑的多少從而達(dá)到改變鐵液中碳含量的目的。其他元素的含量保持不變，增碳劑添加量分別為10、15、20、25、30 kg，做5組實驗進行對比。通過光譜分析儀來檢測鐵液的化學(xué)成分，結(jié)果見表1。測試結(jié)果表明，幾組數(shù)據(jù)都在所需的范圍內(nèi)。

表1 光譜化學(xué)成分分析數(shù)據(jù) %

2.1.2 灰鑄鐵性能

由圖1可知，碳含量低時，灰鑄鐵的硬度低。隨著鑄件中碳含量的增加，灰鑄鐵的硬度也在不斷增加，因此碳含量與硬度之間呈現(xiàn)正相關(guān)的聯(lián)系。

圖1 硬度與碳含量的關(guān)系圖

由圖2可知，灰鑄鐵的抗拉強度伴隨著鑄件中碳的不斷添加而降低，因此碳含量與抗拉強度之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

圖2 抗拉與碳含量的關(guān)系圖

2.1.3 灰鑄鐵的金相(見圖3)

用軟件對比分析，觀察到圖3中金相存在細(xì)微差別，第一組中的石墨較為細(xì)小，第二組中石墨較為均勻，第三組中存在石墨粗大的現(xiàn)象，并且3組金相圖中石墨都是以A型石墨為主，但是隨著碳含量的增加組織中的碳化物也會增加，綜合來看，第2組中的金相組織為最佳。

圖3 金相組織圖(400X)

通過金相的檢測分析可以得知，隨著碳含量的增加鑄件內(nèi)部的碳化物就會增多，且碳化物會割裂基體，降低鑄件強度但是會增加鑄件的硬度，因此隨著碳含量的增加抗拉強度越低、硬度越高。

2.2 硅

硅是鑄鐵的常存五元素之一。硅的存在能減少碳在液態(tài)和固態(tài)鐵中的溶解度，促使石墨的析出，因此它是促進石墨化的元素。硅含量過高會使石墨粗大，過低會出現(xiàn)麻口或白口組織。一般碳硅含量低時，可獲得較高機械強度和硬度的灰鑄鐵件，但鐵液流動性稍差；反之，碳硅含量高，鐵液流動性好，但鑄鐵件的機械強度和硬度較低。當(dāng)薄壁鑄件出現(xiàn)白口時，可提高碳硅含量使之變灰；當(dāng)厚壁件出現(xiàn)粗大的石墨時應(yīng)適當(dāng)降低碳硅含量，并達(dá)到提高機械強度和硬度的目的[8-9]。

2.2.1 化學(xué)成分檢測

在熔煉過程中通過改變添加碳化硅的多少來改變鐵液中硅的含量，其他元素的含量保持不變，硅鐵添加量分別為15、20、25、30、35 kg，做5組實驗進行對比。通過光譜分析儀來檢測鐵液的化學(xué)成分，結(jié)果見表2。測試結(jié)果表明，幾組數(shù)據(jù)都在所需的范圍內(nèi)。

表2 光譜化學(xué)成分分析數(shù)據(jù) %

2.2.2 灰鑄鐵的性能

由圖4可知，灰鑄鐵的硬度隨著硅含量的添加而不斷降低。硅含量較低時，灰鑄鐵可以獲得較高的硬度，因此硅的含量與鑄鐵件硬度呈反比。

圖4 硬度與硅含量的關(guān)系圖

由第29頁圖5可知，伴隨著灰鑄鐵中硅含量的增長，灰鑄鐵的抗拉強度也在不斷的降低，所以硅含量與灰鑄鐵的抗拉強度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖5 抗拉強度與硅含量的關(guān)系圖

2.2.3灰鑄鐵的金相組織(見圖6)

圖6 金相組織圖

經(jīng)過用軟件對比分析，圖6中金相都符合實際的生產(chǎn)要求，但也存在細(xì)微差別，第1組中的石墨較為細(xì)小，第2組中石墨較為均勻，第3組中存在石墨粗大的現(xiàn)象，并且3組金相圖中石墨均是A型石墨為主，且隨著硅含量的增加組織中的石墨數(shù)量也在增加，因此以第2組中的金相組織為最好。由這兩個實驗可以看出硅的作用與碳的作用較為相似。

通過對金相組織的分析，可以得知隨著硅含量的增加鑄件中的碳化物含量越少，且鑄件中石墨的數(shù)量在不斷增多，石墨可以降低強度和硬度，但是卻可以增加韌性，因此隨著硅含量的增加，鑄件的抗拉強度以及硬度會越低。

2.3 錳

錳是鑄鐵的常存五元素之一，除少量固溶于鐵素體以外，大部分溶入共析碳化物和滲碳體中，以復(fù)合碳化物的形態(tài)存在，加強了碳化物的形成，所以錳是阻礙石墨化的元素[10]。鑄鐵中存在少量錳元素會抵消部分硫的有害作用，可以提高硬度，但是在實際生產(chǎn)中錳過高反而會產(chǎn)生壞的效果[11]。

2.3.1 化學(xué)成分檢測

在熔煉過程中通過改變添加錳鐵的量來改變鐵液中錳的含量，其他元素的含量保持不變，在添加過程中錳鐵添加量不能太多，添加過多時容易出現(xiàn)游離的滲碳體。添加錳鐵使錳的含量分別為0.6%、0.7%、0.8%、0.9%和1.0%，做5組實驗進行對比。通過光譜分析儀來檢測鐵液的化學(xué)成分，結(jié)果見表3。測試結(jié)果表明,這幾組數(shù)據(jù)都在所需的范圍內(nèi)。

表3 光譜化學(xué)成分分析數(shù)據(jù) %

2.3.2 灰鑄鐵的性能

由圖7可知，在灰鑄鐵中錳含量在0.6%～1.1%這個范圍內(nèi)時，灰鑄鐵的硬度隨著錳含量的增長而發(fā)生曲線變化，灰鑄鐵的硬度在錳含量為0.8%左右時是最好的。

圖7 硬度與錳含量的關(guān)系圖

由圖8可知，在錳含量為0.7%～1.0%這個范圍內(nèi)，灰鑄鐵的抗拉強度在錳含量為0.8%左右的時候最好。

圖8 抗拉強度與錳含量的關(guān)系圖

2.3.3 灰鑄鐵的組織(見圖9)

圖9 金相組織圖(400X)

對比圖9中第1組～第3組的金相圖可以了解到，在灰鑄鐵中的石墨的數(shù)量隨著鑄鐵中錳元素的含量的增長在不斷降低，這就是因為錳元素會阻礙石墨化。

結(jié)合金相組織和力學(xué)性能實驗結(jié)果分析，再加入錳元素較少時，錳元素主要跟鑄鐵中的硫元素反應(yīng)，抵消硫的阻礙石墨化作用；錳元素繼續(xù)增加時，這時錳元素阻礙石墨化的作用會表現(xiàn)出來，才開始增多珠光體以及化合碳量，因此力學(xué)性能才會有如此表現(xiàn)。

2.4 磷

磷也是鑄鐵的常存五元素之一，在通常的鑄鐵中被認(rèn)為是有害元素。磷和硅相似，能溶于液態(tài)的鑄鐵中，并降低碳在液態(tài)鑄鐵中的溶解度；但在固態(tài)鑄鐵中磷的溶解度是有限的，并隨著碳含量的增加和溫度的降低而減少。磷對石墨化的影響不大，略微促進石墨化，但有時也能阻礙石墨化。磷主要以二元磷共晶(Fe-Fe3P)、三元磷共晶(Fe-FeP-Fe3P)和復(fù)合磷共晶的形式存在于鑄鐵中，磷共晶的硬度高、脆性大、分布在晶粒的邊界上，割裂了晶粒間的連續(xù)性，使鑄鐵的強度、塑性下降，硬度提高。另外，由于磷共晶具有較低的熔化溫度和磷可以降低鑄鐵熔點的緣故，因此磷能增加鑄鐵的流動性及可鑄性，但磷的增高會使鑄鐵的縮孔、縮松以及開裂傾向增加[12]。

2.4.1 化學(xué)成分檢測

在熔煉過程中通過改變添加生鐵的量來改變鐵液中磷的含量，其他元素的含量保持不變。磷的含量分別為0.013%、0.024%、0.032%、0.042%、0.053%，做5組實驗進行對比。通過光譜分析儀來檢測鐵液的化學(xué)成分，結(jié)果見表4。測試結(jié)果表明，幾組數(shù)據(jù)都在所需的范圍內(nèi)。

表4 光譜化學(xué)成分分析數(shù)據(jù) %

2.4.2 灰鑄鐵的性能

由圖10可知，在灰鑄鐵中磷含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在0.01%～0.06%范圍之間，灰鑄鐵的硬度與磷元素的含量呈正相關(guān)的關(guān)系。

圖10 硬度與磷含量的關(guān)系圖

由圖11可知，在灰鑄鐵中磷含量在0.01%～0.06%范圍之間時，灰鑄鐵的抗拉強度與磷元素的含量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

圖11 抗拉強度與磷含量的關(guān)系圖

2.4.3 灰鑄鐵的組織(見圖12)

由圖12可知，磷含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在范圍0.01%～0.06%，對于灰鑄鐵的石墨影響不大，圖中3組石墨基本上沒有變化。

圖12 金相組織圖

結(jié)合金相組織以及力學(xué)性能的實驗結(jié)果分析可知，由于磷共晶的硬度高、脆性大、分布在晶粒的邊界上，因此隨著磷含量的增加，磷共晶就會割裂晶粒間的連續(xù)性，使鑄鐵的強度、塑性下降，硬度提高。

2.5 硫

硫也是鑄鐵的常存五元素之一，通常也被認(rèn)為是有害元素。硫是強烈穩(wěn)定滲碳體的元素[13]，它會阻止共晶石墨化[14]。硫少量溶于鐵素體及滲碳體中，降低碳在液態(tài)鑄鐵中的溶解度，剩余的大部分硫會以硫化鐵和其他硫化夾雜物(MnS、CeS)的形式存在于鑄鐵中，并分布于晶界上。硫化鐵的熔點低，且質(zhì)軟而脆，能降低鑄鐵的強度，促進鑄鐵的收縮，并引起鑄鐵的過硬和裂紋形成。硫化錳的熔點高、且以顆粒狀分布，對鑄鐵的強度無多大影響，但能使鐵液變稠，流動性較差[15-17]。

2.5.1 化學(xué)成分檢測

在熔煉過程中通過改變添加生鐵的量來改變鐵液中硫的含量，其他元素的含量保持不變。硫的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.076%、0.083%、0.095%、0.103%、0.112%，做5組實驗進行對比。通過光譜分析儀來檢測鐵液的化學(xué)成分，結(jié)果見表5。測試結(jié)果表明，幾組數(shù)據(jù)都在所需的范圍內(nèi)。

表5 光譜化學(xué)成分分析數(shù)據(jù) %

2.5.2 灰鑄鐵的性能

由第31頁圖13可知，灰鑄鐵的硬度隨著灰鑄鐵中硫元素含量的增加而不斷地變大，由此可知硫元素可以增大灰鑄鐵的硬度。

圖13 硬度與硫含量的關(guān)系圖

由第31頁圖14可知，灰鑄鐵中的硫元素對灰鑄鐵的抗拉強度起著增強的作用，在硫含量增多的同時抗拉強度也在不斷增強。

圖14 抗拉強度與硫含量的關(guān)系圖

3) 灰鑄鐵的組織(見圖15)

圖15 金相組織圖(400X)

由圖15可以得知,灰鑄鐵中硫元素的含量對于灰鑄鐵組織的影響也是十分顯著的，隨著硫元素含量的增加，灰鑄鐵鑄件中的A型石墨在不斷增多。

結(jié)合金相組織以及力學(xué)性能的實驗結(jié)果可知，隨著硫含量的增多鑄件中的石墨數(shù)量增多，從而會導(dǎo)致鑄件的力學(xué)性能增加。

3 結(jié)論

綜上所述，不同含量的五大元素對灰鑄鐵的石墨組織和基體組織的影響不同，且對灰鑄鐵的硬度、延伸率、抗拉強度、屈服強度的影響也不一樣。在灰鑄鐵的生產(chǎn)中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3.30%左右最好；硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在2.10%左右最好；錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.8%左右最好；磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在低于0.3%；而硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.08%～0.1%之間最佳。