灰鑄鐵是歷史悠久的鑄造合金。人類掌握灰鑄鐵件的生產(chǎn)技術(shù)，就是文明發(fā)展過程中“鐵器時(shí)代”的開始，迄今已將近三千年了。正是由于灰鑄鐵件生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，才出現(xiàn)了蒸汽機(jī)和多種產(chǎn)業(yè)機(jī)械，從而推動了產(chǎn)業(yè)革命。
特別應(yīng)該提到的是：世界上最早掌握鑄鐵技術(shù)的是我們中國人，西方進(jìn)入鐵器時(shí)代大約比我們晚兩千年左右，是在元代進(jìn)軍歐洲時(shí)，由我國的隨軍工匠傳授給他們的。
產(chǎn)業(yè)革命以后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，球墨鑄鐵于上世紀(jì)40年代問世，各種高性能的鑄造合金也不斷開發(fā)和推廣應(yīng)用，近30年來，球墨鑄鐵件和各種輕合金鑄件的應(yīng)用發(fā)展很快，但是，由于灰鑄鐵具有多種優(yōu)越的性能，在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，仍然是重要的鑄造合金，其影響面很廣。迄今為止，灰鑄鐵仍然還是用量最大的鑄造合金。
2013年，世界鑄件產(chǎn)量創(chuàng)歷史新高，達(dá)10,323.0萬t，其中：灰鑄鐵件的產(chǎn)量為4,782.2萬t，占各類鑄件總產(chǎn)量的46.3％，穩(wěn)居首位；產(chǎn)量占第二位的是球墨鑄鐵件，為2,505.8萬t，只是灰鑄鐵件產(chǎn)量的52.4％。
根據(jù)發(fā)布各類鑄件產(chǎn)量的26個(gè)國家提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2010～2013年，世界各類鑄件的總產(chǎn)量及其中灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件的產(chǎn)量見表1。
表1 2010～2013年世界各類鑄件的總產(chǎn)量及灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件的產(chǎn)量
|
年度 |
世界鑄件總 產(chǎn)量（萬t） |
灰鑄鐵件產(chǎn)量及其在總產(chǎn)量中所占的比 |
球墨鑄鐵件產(chǎn)量及其在總產(chǎn)量中所占的比 | ||
|
產(chǎn)量 （萬t） |
占比 （％） |
產(chǎn)量 （萬t） |
占比 （％） | ||
|
2010 |
9,167.4 |
4,325.8 |
47.2 |
2,345.2 |
25.6 |
|
2011 |
9,859.3 |
4,587.0 |
46.5 |
2,478.3 |
25.1 |
|
2012 |
10,083.5 |
4,599.6 |
45.6 |
2,516.7 |
25.0 |
|
2013 |
10,323.0 |
4,782.2 |
46.3 |
2,505.8 |
24.3 |
目前，歐洲有一些國家球墨鑄鐵件的產(chǎn)量略大于灰鑄鐵件的產(chǎn)量，如法國、英國、丹麥、挪威、奧地利、西班牙、葡萄牙和瑞士等。但是，鑄件產(chǎn)量最多的5國中，只有美國的球墨鑄鐵件產(chǎn)量略高于灰鑄鐵件，其它各國產(chǎn)量居首位的都是灰鑄鐵件，參見表2。
表2 鑄件產(chǎn)量居前五位各國的鑄件總產(chǎn)量、灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件產(chǎn)量
|
年度 |
|
中國 |
美國 |
印度 |
德國 |
日本 |
|
2010 |
鑄件總產(chǎn)量（萬t） |
3960.0 |
823.8 |
905.2 |
479.4 |
475.8 |
|
灰鑄鐵件產(chǎn)量（萬t）/占比（％） |
1900.0 /48.0 |
263.3 / 32.0 |
618.0 / 68.3 |
218.5 / 45.6 |
215.8 / 45.4 | |
|
球墨鑄鐵件產(chǎn)量（萬t）/占比（％） |
1050.0 /26.5 |
275.3 / 33.4 |
105.3 / 11.6 |
148.7 / 30.9 |
135.1 / 28.4 | |
|
2011 |
鑄件總產(chǎn)量（萬t） |
4126.0 |
1000.8 |
999.4 |
546.7 |
547.4 |
|
灰鑄鐵件產(chǎn)量（萬t）/占比（％） |
1968.0 /47.7 |
296.2 / 29.6 |
679.8 / 68.0 |
254.1 / 46.5 |
219.0 / 40.0 | |
|
球墨鑄鐵件產(chǎn)量（萬t）/占比（％） |
1037.5 /25.1 |
384.1 / 38.4 |
109.0 / 11.0 |
169.8 / 31.1 |
163.5 / 29.9 | |
|
2012 |
鑄件總產(chǎn)量（萬t） |
4250.0 |
1282.5 |
934.4 |
521.4 |
534.3 |
|
灰鑄鐵件產(chǎn)量（萬t）/占比（％） |
2010.0 /47.3 |
429.6 / 33.5 |
625.4 /66.9 |
239.3 / 45.9 |
220.9 / 41.3 | |
|
球墨鑄鐵件產(chǎn)量（萬t）/占比（％） |
1090.0 /25.6 |
448.0 / 35.0 |
98.1 / 10.5 |
164.2 / 31.5 |
137.8 / 25.8 | |
|
2013 |
鑄件總產(chǎn)量（萬t） |
4450.0 |
1225.0 |
981.0 |
518.7 |
553.8 |
|
灰鑄鐵件產(chǎn)量（萬t）/占比（％） |
2055.0 /46.1 |
408.3 / 33.3 |
670.0 / 68.3 |
238.1 / 45.9 |
213.6 / 38.6 | |
|
球墨鑄鐵件產(chǎn)量（萬t）/占比（％） |
1160.0 /26.1 |
425.2 / 34.7 |
100.0 / 10.2 |
154.2 / 29.7 |
168.3 / 34.4 |
正是由于灰鑄鐵的用量很大、應(yīng)用面很廣，而且還是最便宜的鑄造合金，大家對它已經(jīng)習(xí)以為常，一般都視之為最普通、最簡單的事物，有的人甚至對其有些不屑一顧。
實(shí)際上，雖然人類與灰鑄鐵件打交道已經(jīng)三千年多了，但是，迄今為止，我們對它的認(rèn)識仍然十分膚淺，灰鑄鐵潛在的功能遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮，研究、開發(fā)的空間仍然廣闊。
為了適應(yīng)各行業(yè)持續(xù)發(fā)展的需求，進(jìn)一步加強(qiáng)對灰鑄鐵的研究，從而在材質(zhì)和熔煉工藝方面不斷有所創(chuàng)新，是鑄造行業(yè)必須面對的重要課題。
近二、三十年，各工業(yè)國家都很重視灰鑄鐵方面的研究和創(chuàng)新，從而，在其應(yīng)用方面出現(xiàn)了一些令人振奮的新動向。
一、汽車行業(yè)中灰鑄鐵件應(yīng)用的可喜動向
汽車行業(yè)中，灰鑄鐵件的應(yīng)用很廣，除制動鼓、制動盤等要求熱導(dǎo)率高的鑄件是傳統(tǒng)的灰鑄鐵件外，由于灰鑄鐵在鑄造性能、耐磨性、減震性能等方面的優(yōu)點(diǎn)，二、三十年以前，在內(nèi)燃機(jī)缸體、缸蓋方面，灰鑄鐵一直都是占主導(dǎo)地位的材質(zhì)。但是，自上世紀(jì)80年代中期以后，出于輕量化的考慮，汽車設(shè)計(jì)方面，汽油機(jī)缸體、缸蓋的材質(zhì)開始出現(xiàn)了用鋁合金代替灰鑄鐵的趨向。
80年代末期，歐洲缸體、缸蓋鑄件采用鋁合金材質(zhì)者大約還只占10％左右，到2007年，十多年時(shí)間內(nèi)，即快速增長到占50％左右，大有很快就全部取代灰鑄鐵的勢頭。
但是，從2007年開始，情況有了很值得關(guān)注的變化：2007～2009年間，歐洲用這兩種材質(zhì)制造的缸體、缸蓋，用量大體上保持穩(wěn)定、平衡的態(tài)勢；而且，從2010年起，進(jìn)一步出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)的態(tài)勢，鋁合金缸體、缸蓋的用量緩慢下降，與之相應(yīng)，灰鑄鐵缸體、缸蓋的用量呈現(xiàn)了逐漸增長的態(tài)勢。近二、三十年來，這種情況是頗為罕見的，其主要原因是：
1、隨著對燃料利用率和廢氣排放的要求日益嚴(yán)格，內(nèi)燃機(jī)廢氣排放的溫度不斷提高，鋁合金高溫力學(xué)性能方面的弱勢日益顯現(xiàn)；
2、冶煉鋁的能耗很大，煉制1t鋁需耗能45,000 kWh左右，大約是煉制1t生鐵的10倍。用鋁合金鑄件代替灰鑄鐵件，雖然實(shí)現(xiàn)了輕量化，但大幅度增加了產(chǎn)品的總體能耗；
3、比之灰鑄鐵件，鋁合金鑄件的生產(chǎn)成本明顯較高。
灰鑄鐵的主要弱項(xiàng)是強(qiáng)度較低，為了增強(qiáng)灰鑄鐵在競爭中的優(yōu)勢，必須在不過多提高生產(chǎn)成本的條件下改善其力學(xué)性能。如果能做到這一點(diǎn)，不僅在汽油機(jī)缸體、缸蓋方面比鋁合金更具競爭能力，在高功率柴油機(jī)缸體、缸蓋方面也可以與蠕墨鑄鐵一爭高下。
要想在不過多提高生產(chǎn)成本的條件下改善灰鑄鐵的力學(xué)性能，關(guān)鍵在于發(fā)掘傳統(tǒng)灰鑄鐵的潛在功能，為此，必須對灰鑄鐵的凝固過程有更為深入的認(rèn)識，包括初生奧氏體枝晶的析出、石墨的生核、共晶轉(zhuǎn)變、殘留易熔相的凝固及其影響、前期的預(yù)處理、孕育處理、合金元素的合理應(yīng)用等許多方面的問題。目前，各工業(yè)國家都加強(qiáng)了這些方面的研究工作。更為重要的是，要將經(jīng)過確認(rèn)的成果、按照企業(yè)的具體條件，逐步落實(shí)在生產(chǎn)過程中。
合金元素的應(yīng)用方面，要盡可能地利用資源充裕、價(jià)格低廉的材料。
二、預(yù)處理工藝的推廣應(yīng)用
鑄鐵的預(yù)處理工藝，是為適應(yīng)感應(yīng)電爐熔煉的冶金特點(diǎn)而導(dǎo)出的。大約在上世紀(jì)70年代后期開始應(yīng)用于歐洲，隨后，差不多與感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵的工藝同步發(fā)展。
感應(yīng)電爐熔煉組織中含石墨的鑄鐵，采用預(yù)處理工藝，可以改善石墨結(jié)晶析出的生核條件，從而使鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變溫度提高，減輕過冷度，增加共晶團(tuán)數(shù)量，還可以使鑄鐵力學(xué)性能參數(shù)值的波動范圍減小，改善鑄件的加工性能。
預(yù)處理工藝的良好作用，已經(jīng)由很多研究工作和實(shí)際生產(chǎn)條件下的考核所確認(rèn)。目前，一些工業(yè)國家中，預(yù)處理工藝的應(yīng)用面很廣，可以說已經(jīng)是感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵的常態(tài)工藝。1980年、1982年，筆者曾經(jīng)在美國造訪過好幾家用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵的鑄造廠，就沒有見到一家不采用預(yù)處理工藝的。
2013年，我國灰鑄鐵件的產(chǎn)量為2,055萬t，占全世界灰鐵鑄件總產(chǎn)量的43％，但是，據(jù)我所知，采用預(yù)處理工藝的鑄造廠卻很少很少。
預(yù)處理工藝的效果是肯定的，但是，這項(xiàng)工藝從開始研發(fā)至今，畢竟只有四十多年，盡管一些工業(yè)國家進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，迄今為止，對其作用機(jī)制的認(rèn)識，最多也不過是知其梗概而已。工藝過程中，許多變數(shù)的影響都還有待深入的探索。
1、預(yù)處理工藝的興起
從上世紀(jì)60年代起，中頻感應(yīng)電爐有了重大的改進(jìn)，晶閘管靜態(tài)變頻電源、逆變變頻電源相繼問世，熱效率可達(dá)70％，加以生產(chǎn)安排靈活方便、有利于環(huán)境保護(hù)等方面的優(yōu)點(diǎn)，感應(yīng)電爐的應(yīng)用日益增多。
沖天爐熔煉鑄鐵，已經(jīng)有二百多年的歷史，我們對于鑄鐵質(zhì)量的控制已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗(yàn)。一旦轉(zhuǎn)而改用感應(yīng)電爐，鑄鐵熔煉的過程大不相同，簡單地沿用老經(jīng)驗(yàn)就難以確保鑄件的冶金質(zhì)量，生產(chǎn)中就會不斷出現(xiàn)新的問題，如：白口傾向大，石墨化程度不符合要求等。尤其令人頭痛的是，即使在爐料配比不變、原鐵液的成分符合要求、鐵液溫度相同的條件下，也很難保持鑄鐵的性能穩(wěn)定、一致。
預(yù)處理是針對上述問題研發(fā)的重要技術(shù)措施之一，上世紀(jì)70年代，歐洲鑄造行業(yè)率先先采用這項(xiàng)工藝。誰是這項(xiàng)工藝的創(chuàng)始人？我沒有辦法確切地查證，但是，廣為人知的是，英國S. Russell公司鑄造部對于開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)是有貢獻(xiàn)的。
Russell公司1952年開始生產(chǎn)鑄鐵件。60年代末，考慮到需求量增長的態(tài)勢很強(qiáng)，而且環(huán)保的要求將日益嚴(yán)格，在原有沖天爐的基礎(chǔ)上，裝設(shè)了2臺1.5t感應(yīng)電爐，1972年又增加了2臺8t感應(yīng)電爐。
采用感應(yīng)電爐熔煉后，為了解決鑄鐵冶金質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，公司進(jìn)行了多方面的分析研究，逐步認(rèn)識到：問題在于鑄鐵中SiO2之類的微細(xì)氧化物顆粒少了，共晶轉(zhuǎn)變時(shí)石墨化的生核條件不充分。據(jù)此，決定進(jìn)行預(yù)處理的試驗(yàn)研究工作，預(yù)先在爐內(nèi)加入預(yù)處理劑，使鐵液中存在的SiO2之類的氧化物顆粒增加。
經(jīng)過試驗(yàn)室工作和生產(chǎn)考核，都表明預(yù)處理的效果很好，鑄鐵性能的穩(wěn)定性明顯改善。
1978年美國鑄造師學(xué)會的年會上，Russell公司的B. C. Godsell ，介紹了研發(fā)預(yù)處理工藝的經(jīng)驗(yàn)，受到了廣泛的關(guān)注。
此后，對預(yù)處理工藝的試驗(yàn)、研究一直沒有間斷。用感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵和球墨鑄鐵的企業(yè)，熔煉過程中采用預(yù)處理的日見增多，甚至還進(jìn)一步推廣到?jīng)_天爐熔煉。
2、在熔煉灰鑄鐵方面的應(yīng)用
用感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵時(shí)，在保持原鐵液中硫含量不低于0.06％，且有一定的氧含量的條件下，采用預(yù)處理工藝，可使鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變時(shí)的過冷度減小，避免組織中出現(xiàn)B型、D型和E型石墨，組織中共晶團(tuán)數(shù)量增多，從而，鑄鐵的力學(xué)性能得以提高，而且比較穩(wěn)定。
如果預(yù)處理工藝得當(dāng)，還可以明顯減緩孕育作用的衰退。
生產(chǎn)薄壁鑄件時(shí)，不僅可避免組織中出現(xiàn)碳化物，而且可使過冷石墨（B型和D型）減至最少。經(jīng)預(yù)處理工藝的鐵液，可用于砂型鑄造，也可用于金屬型鑄造和離心鑄造。
3、預(yù)處理劑及加入方法
1）碳化硅
從預(yù)處理工藝開始研發(fā)之日起，幾十年來廣泛用于灰鑄鐵的預(yù)處理劑是碳化硅，主要是碳化硅含量75％左右的冶金碳化硅。今后，隨著對預(yù)處理作用機(jī)制的認(rèn)識逐漸深化，當(dāng)然會不斷有效果更好的新品種問世。
碳化硅是將硅砂和焦炭（或石油焦）置于電極加熱的電阻爐內(nèi)，在1450～1900℃的高溫下，由碳將SiO2還原而制得的。在制造、破碎、燒結(jié)過程中，SiC顆粒表面都會形成很薄的SiO2保護(hù)膜。一般的碳化硅，都含有5％左右的游離SiO2，這也就是SiC抗氧化能力特別強(qiáng)，能用作耐火材料和電熱組件的原因。
碳化硅溶于鐵液后，游離SiO2以非常微細(xì)的顆粒分散于鐵液中，對于異質(zhì)晶核的生成非常有益。國外有研究者認(rèn)為，碳化硅的預(yù)處理作用主要在于含有這種游離SiO2。
碳化硅的熔點(diǎn)很高，在
碳化硅加入后需要一定的時(shí)間使之溶于鐵液，而且需要攪拌，以加速其溶解。用感應(yīng)電爐熔煉時(shí)，可在出鐵前將預(yù)處理劑加入爐中。考慮到碳化硅的密度低，約為3.2～3.3％，熔清后加入，易浮在液面，還是隨固體爐料一并加入為好。
作為預(yù)處理劑，碳化硅的加入量一般為金屬爐料的0.5～1％。由于預(yù)處理的效果受鐵液的成分、爐況條件以及作業(yè)方式等多種因素的影響，鑄造廠最好是通過試驗(yàn)，求得適合企業(yè)具體條件的最佳用量。
2）預(yù)處理劑的發(fā)展
十多年前，瑞典Elkem公司基于T. Skaland等人對鑄鐵中石墨生核進(jìn)行的研究工作，考慮到Al、Ca、Zr等元素的硫化物、氧化物，都是異質(zhì)晶核中的主要組成物，研制了一種新型預(yù)處理劑“Preseed”，其主要成分（％）如下：
Si Ca Zr Al
62～69 0.6～1.9 3.0～5.0 3.0～5.0
據(jù)稱這種預(yù)處理劑的效果很好，用量比碳化硅少得多，只是金屬爐料的0.1％左右。
此外，也有用晶態(tài)石墨作預(yù)處理劑的報(bào)道。
三、逐漸增強(qiáng)對灰鑄鐵中初生奧氏體枝晶的控制
出于強(qiáng)度方面的考慮，灰鑄鐵主要是亞共晶鑄鐵，在對熱導(dǎo)率、耐磨性能或減震性能有特殊要求、必須增加組織中石墨所占的份額時(shí)，也有用共晶或微過共晶成分的。
影響灰鑄鐵力學(xué)性能的因素很多，主要如：初生奧氏體的數(shù)量和形態(tài)、片狀石墨的數(shù)量和形態(tài)、共晶團(tuán)的數(shù)量、基體組織和最后凝固區(qū)的狀況等。
灰鑄鐵中初生奧氏體枝晶是影響力學(xué)性能的重要因素，鑄鐵組織中初生奧氏體枝晶所占的體積分?jǐn)?shù)提高，鑄鐵的強(qiáng)度隨之提高，交錯(cuò)、接搭的枝晶尤為有益。
長時(shí)期以來，在改進(jìn)灰鑄鐵力學(xué)性能方面的研究工作主要是都著重于孕育處理，從而改善石墨片的形態(tài)、增加共晶團(tuán)的數(shù)量、增強(qiáng)基體組織。此外，在優(yōu)化成分、合金化方面也做了大量的研究工作。鑄造界的許多前輩為這類工作奉獻(xiàn)了畢生的精力，使得灰鑄鐵的性能得以不斷改善，從而具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，至今仍然是用量最大的鑄造合金。
但是，長時(shí)期以來，對灰鑄鐵中初生奧氏體枝晶方面的研究工作，相對而言的確是太少了。其主要原因是，初生奧氏體在二次結(jié)晶過程中要發(fā)生碳的脫溶和共析轉(zhuǎn)變，用常規(guī)的顯微觀察方法很難分辨其形貌、大小以及在鑄鐵組織所占的份額。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，到目前為止，我們對初生奧氏體的認(rèn)知還很不夠，控制的自由度當(dāng)然也就不大，在實(shí)際生產(chǎn)中，工藝技術(shù)人員在質(zhì)量控制方面很少考慮初生奧氏體的作用，大家對它也知之甚少。
長期以來，鑄造行業(yè)中提高灰鑄鐵強(qiáng)度的一項(xiàng)主要措施是降低鑄鐵的碳當(dāng)量，實(shí)際上，其主要作用就是提高組織中初生奧氏體所占的體積分?jǐn)?shù)。為提高強(qiáng)度而加入的合金元素，除改善組織、增加珠光體含量以外，很多元素也還具有促進(jìn)初生奧氏體增加的作用。
近幾十年，一些國家的高等學(xué)校和研究機(jī)構(gòu)都增強(qiáng)了對鑄鐵中初生奧氏體的研究，檢測組織中初生奧氏體含量的方法也不斷改進(jìn)，使我們對控制初生奧氏體的作用有了進(jìn)一步的認(rèn)識。看來，在實(shí)際生產(chǎn)中，通過控制初生奧氏體提高灰鑄鐵強(qiáng)度已經(jīng)為期不遠(yuǎn)了。
1、初生奧氏體枝晶的析出
工業(yè)用的灰鑄鐵，以亞共晶鑄鐵居多。亞共晶鑄鐵凝固過程中首先析出的是初生奧氏體，這是大家都熟知的。
（1）亞共晶鑄鐵
碳當(dāng)量為Fe亞的亞共晶鐵液，冷卻到液相線BC以下，就開始析出低碳初生奧氏體枝晶，液相中碳當(dāng)量隨之沿BC線逐漸增高。
冷卻到溫度T1，由于已逐漸析出初生奧氏體枝晶，液相中的碳含量增高到C1。
冷卻到共晶溫度TEG，液相中的碳含量為共晶碳含量C，由于并非處于平衡狀態(tài)，而且鐵液中沒有石墨作為共晶奧氏體析出的依托，不可能在此溫度下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
冷卻到共晶溫度TEG以下某一溫度T2時(shí)，液相中的碳含量已經(jīng)沿BC的延長線增高到C2，為過共晶成分，石墨異質(zhì)生核、結(jié)晶析出。石墨析出后，液相中的碳當(dāng)量降低到共晶成分附近，奧氏體以石墨為核心結(jié)晶析出，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。在共晶轉(zhuǎn)變的初期，仍然有初生奧氏體析出，有一段初生奧氏體析出和共晶轉(zhuǎn)變重疊的過程。
（2）過共晶鑄鐵
碳當(dāng)量為Fe過的過共晶鐵液，冷卻到CD線以下，開始析出初生石墨，未凝的液相中碳當(dāng)量沿DC線逐漸降低。
冷卻到溫度T1時(shí)，由于已逐漸析出初生石墨，液相中的碳當(dāng)量降低到C1＇，碳當(dāng)量仍然略高于共晶成分C，不析出奧氏體。
冷卻到共晶溫度TEG，液相中的碳當(dāng)量為共晶碳含量C，由于并非處于平衡狀態(tài)，仍然不析出奧氏體，也不可能發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
冷卻到共晶溫度TEG以下某一溫度T2時(shí)，液相中的碳含量已經(jīng)沿DC的延長線降低到C2＇，為亞共晶成分，析出初生奧氏體枝晶。由于初生奧氏體的析出，液相中的碳當(dāng)量回歸到共晶成分附近，奧氏體以石墨為核心結(jié)晶析出，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
（3）共晶鑄鐵
在非平衡狀態(tài)下，即使是碳當(dāng)量為共晶成分的鐵液，冷卻到共晶溫度TEG，也不可能立即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
冷卻到TEG溫度以下，初生奧氏體枝晶生核、析出。由于鐵液中單向性生核，石墨不可能依托奧氏體析出。液相中碳當(dāng)量提高后，石墨借助于異質(zhì)生核結(jié)晶析出，液相中的碳當(dāng)量回歸到共晶成分附近，奧氏體以石墨為核心結(jié)晶析出，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
2、初生奧氏體枝晶的形態(tài)及其作用
奧氏體的晶格是面心正立方，直接自鐵液中生核、成長時(shí)，只有按原子密排面（111）生長，表面能最小，形成八面體晶體，析出的奧氏體才穩(wěn)定。然后，因?yàn)榫w的棱角前沿鐵液中溶質(zhì)的濃度梯度大，易于擴(kuò)散，棱角的成長速度比平面大，就形成了一次枝晶，又在此基礎(chǔ)上長出二次枝晶，進(jìn)而長出三次枝晶，因此，通常都稱之為奧氏體枝晶。
實(shí)際生產(chǎn)中的鑄鐵，由于鐵液中各部位溫度的差異、成分的偏析以及熱流的影響，初生奧氏體枝晶可以成長為柱狀晶，也可以是等軸晶。柱狀晶在鑄型壁上生核，向熱流的反方向長大。等軸晶在鐵液中生核，向熱流的方向長大。
鑄鐵中的奧氏體枝晶還具有不完整、不對稱的特征，各個(gè)枝晶、一個(gè)枝的各部位，生長的狀況都有差別。此外，也有在熱流作用下破損、缺失的部位。
灰鑄鐵中，石墨的形態(tài)是片狀的，有切割金屬基體的作用，因而，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度比基體相同的球墨鑄鐵低得多。但是，在灰鑄鐵中，初生奧氏體枝晶析出和長大的過程中，是不會被石墨切割的，所以，初生奧氏體枝晶的強(qiáng)度很好，其在灰鑄鐵中的作用好象混凝土中的鋼筋，其增強(qiáng)灰鑄鐵的作用不亞于片狀石墨的形態(tài)。
表述奧氏體枝晶特點(diǎn)的主要參數(shù)是：二次枝晶的間距，枝晶的平均長度，枝晶的數(shù)量和方向性。
亞共晶灰鑄鐵凝固過程中，最先析出的是奧氏體枝晶，其對鑄鐵中共晶團(tuán)的生核、長大也都會有重要的影響，這方面還有待進(jìn)一步的研究和認(rèn)識。
3、檢測有關(guān)初生奧氏體各種參數(shù)的方法
初生奧氏體含量對灰鑄鐵的強(qiáng)度有非常重要的影響，但是，長期以來，在實(shí)際生產(chǎn)中，我們未能有意識地控制初生奧氏體，其原因就在于：用常規(guī)的顯微觀察，難以分辨初生奧氏體，因而，對它的作用不甚了解，當(dāng)然也就忽略了到它的控制。
近幾十年，隨著對初生奧氏體作用的認(rèn)識逐漸增多，這方面的研究工作不斷加強(qiáng)。測定組織中初生奧氏體含量的方法也日益受到關(guān)注，先后推出了多種測定方法，而且還在實(shí)踐在不斷優(yōu)化。以下對一些應(yīng)用較多的方法作簡要的介紹，供參考。
（1）分段液淬法（也有人稱之為連續(xù)液淬法）
早期采用的是“分段液淬法”，即：在鑄鐵凝固過程中，在不同溫度下取樣，以液態(tài)或半固態(tài)直接淬火。經(jīng)液淬后，初生奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，未凝的鐵液轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的萊氏體，易于區(qū)分。這種方法好倒是很好，就是太麻煩，不可能在生產(chǎn)條件下應(yīng)用。
（2）凝固后直接等溫淬火法
方法的要點(diǎn)是：鑄造的試樣凝固后及早使之與鑄型分離，以保持試樣的溫度不低于
（3）試樣熱處理法
上世紀(jì)70年代，美國Ohio州凱私西儲大學(xué)的J.F.Wallace等，將試樣熱處理以顯現(xiàn)組織中的初生奧氏體枝晶。由于鑄鐵凝固過程中的偏析，初生奧氏體枝晶中穩(wěn)定珠光體元素的含量較低，因而這類元素富集于枝晶間。將試樣加熱到
（4）彩色金相技術(shù)
上世紀(jì)80年代，德國、美國都致力于開發(fā)彩色金相技術(shù)（即熱堿液蝕顯法），其要點(diǎn)是：將經(jīng)拋光的試樣置堿溶液中加熱，使試樣表面形成一層干擾膜，由于這種干擾膜的消光效應(yīng)，可將不同的組織以不同的顏色顯現(xiàn)出來。所用的堿液，由NaOH、KOH、苦味酸和蒸餾水組成。
彩色金相技術(shù)不僅簡便易行，而且，可以顯現(xiàn)常規(guī)金相技術(shù)不能顯現(xiàn)的結(jié)晶狀況，對于研究凝固和固態(tài)相變的關(guān)系非常有益。使對鑄鐵中初生奧氏體的研究工作不再局限于大專院校和研究單位，很多鑄造企業(yè)也可以進(jìn)行。
我國大連理工大學(xué)的周繼揚(yáng)在這方面作了大量的工作，他的著作《鑄鐵彩色金相學(xué)》，2002年由機(jī)械工業(yè)出版社印行。如果要做這方面的研究工作，請仔細(xì)閱讀。
（5）改進(jìn)的微分熱分析法
以熱分析得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用牛頓熱傳導(dǎo)分析法，改進(jìn)微分熱分析技術(shù)，列式、用計(jì)算機(jī)計(jì)算，可以求得鑄鐵凝固過程中各階段的冷卻速率、計(jì)算各種相的析出量。
上世紀(jì)80年代初，為了有助于對鑄鐵凝固過程的進(jìn)一步研究，美國鑄造協(xié)會（AFS）資助Wisconsin大學(xué)對這一課題進(jìn)行了研究［1］。
最近，西班牙鑄造研究中心（Azterlan），與美國Ohio大學(xué)的D.M.Stefanescu合作，對灰鑄鐵中初生奧氏體進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，其中，鑄鐵組織中初生奧氏體所占份額就用改進(jìn)的微分熱分析法測定［2］，并用彩色金相法和分段液淬進(jìn)行了驗(yàn)證。
在當(dāng)前的條件下，用這種方法檢測有關(guān)初生奧氏體的各種參數(shù)也是簡便易行的。
4、使灰鑄鐵中初生奧氏體枝晶增多的方法
影響灰鑄鐵中初生奧氏體枝晶數(shù)量和形態(tài)的因素很多，如：鐵液的化學(xué)成分，溫度，鐵液在鑄型中的冷卻速度、過冷度，以及促進(jìn)奧氏體生核、長大的孕育處理等。因而，可以用多種方式使奧氏體枝晶的數(shù)量增多。但是，在生產(chǎn)條件下，有一些參數(shù)決定于多種工藝要求和具體條件，由改變這些參數(shù)來控制初生奧氏體枝晶的自由度不大。以下，簡單說說目前常用的幾種方法。
（1）降低鑄鐵的碳當(dāng)量
鑄鐵的碳當(dāng)量是影響初生奧氏體枝晶數(shù)量的重要因素。降低碳當(dāng)量，奧氏體枝晶數(shù)量增多，鑄鐵的強(qiáng)度也相應(yīng)提高。長期以來，降低碳當(dāng)量是廣泛采用的、提高灰鑄鐵強(qiáng)度的傳統(tǒng)措施。但是，只靠降低碳當(dāng)量來提高鑄鐵的強(qiáng)度，有不少負(fù)面作用，如：
◇ 鐵液的流動性差；
◇ 鑄件的硬度提高，加工性能惡化；
◇ 鑄件產(chǎn)生收縮缺陷的傾向增強(qiáng)；
◇ 鑄鐵的減震性能差；
◇ 鑄鐵的熱導(dǎo)率降低。
因而，以這種方式提高灰鑄鐵的強(qiáng)度，是受到很大制約的。特別是汽車制動鼓、制動盤之類的鑄件，材質(zhì)的熱導(dǎo)率和減震性能受到影響是絕對不能允許的。
近幾十年來，大家關(guān)注的是：在不降低碳當(dāng)量的條件下增加初生奧氏體枝晶。很多國家都在這方面進(jìn)行了研究工作。
（2）往鐵液中加入促進(jìn)初生奧氏體生核的孕育劑
近十多年來，逐漸加強(qiáng)了對初生奧氏體枝晶的研究，孕育處理對初生奧氏體枝晶的影響也日益受到了關(guān)注，對多種可能成為初生奧氏體晶核的材料進(jìn)行了研究。
1) 石墨粉 基于單向性生核的觀點(diǎn)，過共晶鑄鐵中析出的初生石墨，當(dāng)然可以作為初生奧氏體枝晶析出的異質(zhì)晶核，實(shí)際情況也是如此。亞共晶鑄鐵中，加入晶態(tài)石墨粉，應(yīng)該可以作為奧氏體枝晶析出的異質(zhì)晶核，但是，微細(xì)的石墨粉很容易溶于鐵液，其作用很難控制穩(wěn)定。有報(bào)道說，將石墨涂在型壁上，可促進(jìn)初生奧氏體生核，以型壁為依托成長為柱狀晶。
2) 鐵粉或細(xì)鐵粒 加入純鐵粉或細(xì)小的鐵粒（0.4～1㎜）作為奧氏體枝晶析出的均質(zhì)晶核，應(yīng)該是很有效的，問題是純鐵粉很容易熔入鐵液，難以控制。也有研究報(bào)告說：鑄鐵中加入鐵粉后，對石墨的生核有負(fù)面影響，使鑄鐵的白口傾向增強(qiáng)。因此，鐵粉宜在孕育處理之前加入，經(jīng)孕育處理后，可以緩解這種負(fù)面作用。
最近，羅馬尼亞曼徹斯特技術(shù)大學(xué)的研究工作表明：在共晶、微過共晶灰鑄鐵中，加入鐵粉也可以使初生奧氏體增多，鑄鐵的強(qiáng)度提高。這對于要求熱導(dǎo)率、耐磨性能和減震性能的汽車用部件是非常有益的。
3) SiO2 三十年前，日本早稻田大學(xué)就對SiO2作為初生奧氏體異質(zhì)核心的作用進(jìn)行過研究，他們的工作表明，鐵液中加入微細(xì)的粉狀α-石英或α-方石英，都有促進(jìn)初生奧氏體枝晶生核、長大的作用，石英玻璃則是無效的。
4）鈦 四十年前，美國Wisconsin大學(xué)的C.R. loper等就注意到，灰鑄鐵中加入鈦，有促進(jìn)初生奧氏體枝晶生核和細(xì)化等軸晶的作用。近年來，鈦在灰鑄鐵中的這種作用受到了廣泛的關(guān)注。
鈦的碳化物、氮化物、碳氮化物都可以作為初生奧氏體晶出的異質(zhì)晶核。鐵液中加入鈦，可以使析出的初生奧氏體明顯地增多，可以使初生奧氏體晶粒細(xì)化。而且，如果加入鐵液中的鈦，在其與碳、氮作用后還有剩余，就會與鐵液中的硫作用，形成TiS，TiS作為石墨晶核的作用不及MnS，因而會減緩共晶石墨的生核，從而增加了初生奧氏體析出的時(shí)間，這也是使鑄鐵組織中初生奧氏體增多的因素。由于有這樣的作用，加鈦宜在孕育處理之前，或者與孕育劑同時(shí)加入。
灰鑄鐵中加鈦，對石墨的形態(tài)也有重要的影響，隨著鈦含量的增加，石墨的形態(tài)會發(fā)生由A型向枝晶間析出的D型轉(zhuǎn)變。鈦含量在0.25％以上，就會形成超細(xì)的晶間石墨（也稱為珊瑚狀石墨），石墨片的長度從常規(guī)灰鑄鐵的50～100μm縮短到5～10μm。這也是提高鑄鐵強(qiáng)度因素。
西班牙鑄造技術(shù)中心最近的研究工作［3］表明，碳當(dāng)量為4％的低硫（＜0.01％）灰鑄鐵中，加入0.3％的鈦，初生奧氏體含量由常規(guī)鑄鐵的15～19％提高到27～36％，可在不明顯提高硬度的條件下（布氏硬度保持在200以下），使鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，從常規(guī)灰鑄鐵的260 MPa左右提高到300～345 MPa。
灰鑄鐵中，鈦加入量最好在0.25％～0.40％之間，鈦含量太高，鐵液中TiC增多，易于聚集成團(tuán)簇，會使鑄鐵的力學(xué)性能降低。
5）提高Si/C比
在保持碳當(dāng)量相同的條件下，適當(dāng)提高灰鑄鐵中的硅含量、相應(yīng)地降低碳含量，提高Si/C比，可以明顯提高灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度。
1980年前后我國北京鋼鐵學(xué)院（現(xiàn)在的北京科技大學(xué)）鐘雪友等進(jìn)行了這方面的研究、試驗(yàn)工作。在灰鑄鐵碳當(dāng)量保持在4.05％左右、不加入合金元素的條件下，將Si/C比提高到0.78左右，可以使灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度就保持在300 MPa以上。
有兩個(gè)因素導(dǎo)致這種強(qiáng)化作用：一是硅固溶于鐵素體中起強(qiáng)化鐵素體的作用；再就是Si/C比提高可以使組織中的初生奧氏體增加10％、或者更多一點(diǎn)。
但是，在這種條件下，灰鑄鐵組織中石墨片的含量相應(yīng)減少，不適用于要求熱導(dǎo)率和減震性能的鑄件。
四、進(jìn)一步認(rèn)識硫和錳在灰鑄鐵中的作用
硫和錳都是傳統(tǒng)灰鑄鐵中的5項(xiàng)基本元素之一，早就是我們的老相識了。硫和錳在灰鑄鐵中有很重要的作用，可是，其作用的機(jī)制非常復(fù)雜，影響的因素也很多。
這方面研究工作的領(lǐng)先者，應(yīng)該是英國的鑄鐵研究學(xué)會（BCIRA），他們從上世紀(jì)初開始，就著手研究硫和錳對灰鑄鐵性能的影響，以及二者之間的相互作用。
二次大戰(zhàn)以后，隨著工業(yè)、技術(shù)的發(fā)展，對灰鑄鐵件的需求量和性能要求日益提高，各工業(yè)國家都在這方面進(jìn)行了大量的研究工作，涉及的范圍很廣，包括：硫?qū)κ螒B(tài)的影響、硫?qū)簿F(tuán)的影響、硫?qū)﹁T鐵的過冷度和白口傾向的影響、錳在消解硫的有害作用方面的功能、硫和錳在石墨成核方面的作用、硫和錳之間的互補(bǔ)增益作用等等，已發(fā)表的文獻(xiàn)可說是浩如煙海。
但是，到目前為止，對于硫和錳在灰鑄鐵中的作用，我們的認(rèn)識仍然是很淺薄而不全面的，可以說是管中窺豹，只見其一斑而已。
1、硫在灰鑄鐵中的作用
在大家的印象中，一般都認(rèn)為硫在鋼、鐵中是有害元素，但實(shí)際情況卻并非如此。即使是在鋼中，在一定的條件下硫也可以是有益的元素，例如：
硫以（Fe、Mn）S夾雜物存在于鋼中，可以改善鋼的切削性能。美國自上世紀(jì)20年代開始生產(chǎn)硫系易切削鋼，其中的硫含量為0.08％～0.35％，40年代以后，日本也大量采用。在軸承鋼中，含有適量的MnS，可減輕鋼中硅酸鹽夾雜對疲勞壽命的有害作用。
在灰鑄鐵和球墨鑄鐵中，多種硫化物都是石墨結(jié)晶析出所依附的異質(zhì)晶核中不可或缺的組分。
在灰鑄鐵中，硫的作用尤為重要，對灰鑄鐵凝固過程的影響是多方面的，如：
◆ 有助于石墨生核；
◆ 影響石墨片的形態(tài)；
◆ 增強(qiáng)過冷度、促進(jìn)白口傾向；
◆ 使共晶團(tuán)數(shù)增多。
硫對灰鑄鐵力學(xué)性能影響，決定于多種因素的復(fù)合作用，而且這些因素又與鑄鐵的實(shí)際成分和凝固過程中的諸多參數(shù)密切相關(guān)。因此，充分發(fā)揮其正面作用、消解其有害影響，是非常復(fù)雜的問題。近百年來，各國鑄造行業(yè)的同仁為此做了大量的研究工作，使我們對其逐步有所認(rèn)知，但是，迄今為止，這方面還有廣闊的空間有待探索。
如果灰鑄鐵中含有硫，而與硫親和力強(qiáng)于鐵的元素含量又很低，硫就易于與鐵化合，生成低熔點(diǎn)化合物FeS（熔點(diǎn)
FeS在鐵液中的溶解度比較高，而在奧氏體和滲碳體中的固溶度卻很小。鑄鐵凝固過程中，偏析于共晶團(tuán)界面液相中的FeS或三元共晶，還易于吸附在生長的石墨晶核的表面，增大石墨與液相之間的界面能，影響鐵液中的碳原子向成長中的石墨擴(kuò)散，阻礙鑄鐵石墨化、抑制共晶團(tuán)的成長，從而使鑄鐵的白口傾向增大。FeS、三元共晶又都是脆性物質(zhì)。這些因素都對鑄鐵的力學(xué)性能有很大的負(fù)面影響。
實(shí)際上，鑄鐵中含有的硫不可能全都與鐵化合，總會有少量溶于鐵液中、未與其它元素化合的硫，通常稱之為“溶解硫”或“自由硫”。即使鑄鐵中含有一些與氧結(jié)合能力強(qiáng)于鐵的元素，如錳等，也不可能使自由硫完全消除。
硫是表面活性元素，在鑄鐵凝固過程中，自由硫移動到固-液界面，影響碳原子向石墨片轉(zhuǎn)移，影響石墨片的生長，因而，對灰鑄鐵的組織和性能有重要的影響。
2、錳在灰鑄鐵中的作用
錳在奧氏體中的固溶度很高，幾乎可認(rèn)為其能無限固溶。在鐵素體中的固溶度也不低，約為3％左右，且略有強(qiáng)化鐵素體的作用。
在不含硫、或硫的活性已被有效抑制的Fe-C合金中，固溶于奧氏體的錳有抑制碳的活性的作用，能促進(jìn)珠光體形成，并穩(wěn)定珠光體，從而有強(qiáng)化基體的作用。
錳還可以與碳結(jié)合，形成類似于滲碳體的碳化物。因此，錳本身也是阻礙鑄鐵石墨化的元素。
在含硫的灰鑄鐵中，錳有兩種重要的作用：
一是錳與硫結(jié)合的能力強(qiáng)于鐵，能與自由硫結(jié)合、抑制FeS的生成，抑制自由硫和FeS在鑄鐵中的有害作用，而且MnS又是石墨晶核中的重要組分；
二是通過控制鑄鐵中的錳含量，可以控制鐵液中自由硫的含量，更好地利用自由硫的有益作用。
從各種元素硫化物生成的自由能看來，可以在鑄鐵中抑制FeS生成、控制自由硫含量的合金元素很多，與硫結(jié)合能力強(qiáng)于鐵的有（按作用漸強(qiáng)的順序排列）：
Mn → Al → Mg → Ba → Zr → Ca → Ce
為什么長時(shí)期以來最受關(guān)注的是錳和硫的配合作用呢？其原因是：MnS是鑄鐵中石墨生核不可缺少的；而錳又是資源豐富、價(jià)格低廉的合金元素。
3、錳和硫的協(xié)同作用
灰鑄鐵中，錳與硫除化合形成MnS和多種復(fù)合化合物外，二者之間還有很復(fù)雜的互補(bǔ)、增益作用，我們應(yīng)該不斷深化這方面的認(rèn)知。
（1）硫化物
單獨(dú)的硫或錳都是阻礙鑄鐵石墨化的元素，但是，硫和錳化合的產(chǎn)物反而卻是鑄鐵石墨化不可或缺的條件。
按照近年來歐洲、美國和日本所作的多項(xiàng)研究工作，灰鑄鐵石墨化時(shí)，石墨析出所依托的是異質(zhì)核心，而MnS和FeS等多種硫化物組成的復(fù)合硫化物(Mn、x)S，卻是異質(zhì)核心中的主要組分。目前，這種觀點(diǎn)在各種條件下都得到了確認(rèn)，已成為普遍的共識。
在灰鑄鐵中，硫與錳的親和力比其與鐵的親和力大得多，下式表述的反應(yīng)中，MnS的形成是占優(yōu)勢的。
Mn+FeS → MnS + Fe
灰鑄鐵中，MnS和FeS可以互溶，所以，復(fù)合硫化物（Mn、Fe）S中，錳和硫的量都是可變的。
此外。硫化物和氧化物也可以互溶，所以，灰鑄鐵中，硫化物的情況很復(fù)雜，生成的硫氧復(fù)合化合物可以用FexMnySvOw來表示，其中x、y、v和w的值因鑄鐵的具體條件而改變。
（2）從抑制形成FeS的觀點(diǎn)控制鑄鐵中硫、錳的含量
錳在灰鑄鐵中的一項(xiàng)重要作用，是抑制FeS的形成。
錳的原子量為54.93，硫的原子量為32.06，二者的比值為1.71。早期，只考慮二者之間的化合關(guān)系，當(dāng)灰鑄鐵中錳含量與硫含量的比（以下簡稱Mn/S比）為1.71時(shí)，即認(rèn)為其處于錳硫平衡狀態(tài)。含量高于平衡狀態(tài)的錳，稱為“超量錳”，錳含量低于平衡狀態(tài)時(shí)，則屬于“硫超量”。
按此推論，灰鑄鐵中，1.71倍于硫含量的錳，是抑制硫的負(fù)面作用所必需的，超量錳就可以起穩(wěn)定珠光體、提高灰鑄鐵強(qiáng)度的作用。實(shí)際上，按Mn/S比和超量錳控制錳、硫含量的做法，在不同生產(chǎn)條件下應(yīng)用，效果往往大相徑庭、莫衷一是。
關(guān)于錳和硫在灰鑄鐵中的作用，英國鑄鐵研究協(xié)會（BCIRA）很早就進(jìn)行過比較系統(tǒng)的研究，美國鑄造學(xué)會（AFS）也組織過有關(guān)的調(diào)查和研究，當(dāng)時(shí)的看法是：灰鑄鐵中的超量錳以0.2~0.3%為宜。但是，由于在不同條件下驗(yàn)證的結(jié)果往往差異相當(dāng)大，因此，BCIRA和AFS都沒有推薦生產(chǎn)企業(yè)直接采用這一數(shù)據(jù)，只作大致如下的表述：
“由于各個(gè)鑄造廠的熔煉方式、鑄鐵中的硫含量、各種殘留合金元素等含量都不不一致，所以各廠超量錳的最佳值不盡相同，無法推薦廣泛適用的超量錳。各鑄造廠都應(yīng)該根據(jù)其具體熔煉條件，通過試驗(yàn)，確定其最合適的錳含量。可以由0.2%為超量錳的起點(diǎn)，在一較長的時(shí)間內(nèi)逐步改變錳含量進(jìn)行試驗(yàn)，每一階段（約一個(gè)月）增加0.1%的錳，然后對鑄鐵性能的測試數(shù)據(jù)作綜合分析，從而求得適合其作業(yè)條件和產(chǎn)品要求的錳含量。”
按Mn/S比和超量錳控制灰鑄鐵中的硫、錳含量，一致性是不能令人滿意的，現(xiàn)在看來，一個(gè)重要的原因是沒有考慮到自由硫的作用。
（3）按硫化錳在鑄鐵中的溶解度控制鑄鐵中硫、錳的含量
由熱力學(xué)計(jì)算，灰鑄鐵鐵液中，硫化錳的溶解度取決于鐵液的溫度和硫、錳含量，硫和錳脫溶形成MnS的溫度可由下式計(jì)算：
Log(%Mn×%S)＝-1920/T(0K)
硫、錳含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的乘積（%Mn×%S）是計(jì)算MnS生成自由能的平衡常數(shù)。
不同溫度下硫化錳的溶解度與硫、錳含量的大致關(guān)系參見圖2。
圖2中各曲線的左下方，硫和錳都溶于鐵液中；曲線的右上方，硫和錳脫溶，化合形成MnS。接近共晶轉(zhuǎn)變溫度（
如果灰鑄鐵中含有的自由硫很少，共晶轉(zhuǎn)變時(shí)石墨很易于分枝，其形態(tài)類似于過冷的D型石墨。
存在于固-液界面處的自由硫量增多，就會抑制石墨的快速方枝，形成比較粗而長的A型石墨。但是，自由硫含量太高，又會導(dǎo)致產(chǎn)生另一類的畸形石墨。
英國A.Alderson在研究試驗(yàn)［4］中發(fā)現(xiàn)：灰鑄鐵中硫含量很高（0.176％）、錳含量很低（0.18％）時(shí)，組織中出現(xiàn)細(xì)長而曲折的石墨，稱之為“spiky graphite”，見圖3。
低碳當(dāng)量的灰鑄鐵中，如果硫含量很高、而錳含量又很低，組織中還會出現(xiàn)胞狀晶間碳化物和FeS。
不同溫度下自鐵液中析出的MnS，其形態(tài)、大小和分布狀況不盡相同，對鑄鐵性能的影響也就不一樣。硫和錳的協(xié)同作用，對灰鑄鐵的過冷度、組織中的共晶團(tuán)數(shù)、珠光體數(shù)量都有不可忽視的影響。這些，就不可能不在這里一一細(xì)說了。
美國R.B.Gundlach，基于熱力學(xué)的計(jì)算求得：灰鑄鐵在共晶溫度（
1973年，美國Ohio州凱私西儲大學(xué)的J.F.Wallace等，從優(yōu)選硫含量的角度，用多種不同硫含量的灰鑄鐵進(jìn)行了大量的試驗(yàn)［5］。從他們報(bào)告中發(fā)表的數(shù)據(jù)可以得知：在硫、錳含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的乘積（%Mn×%S）為0.03左右時(shí)，出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度的最高值，如圖4所示。
美國Wisconsin大學(xué)的C.R. loper等也對錳、硫在灰鑄鐵中的作用進(jìn)行過研究工作，分析他們發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)［6］，也可以得知，抗拉強(qiáng)度最高的鑄鐵，硫、錳含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的乘積（%Mn×%S）都在0.04附近。
看來，由平衡常數(shù)（%Mn×%S）控制灰鑄鐵中的硫、錳含量，是一項(xiàng)十分可取的方式。
4、美國鑄造協(xié)會（AFS）最近的研究課題
有鑒于灰鑄鐵中錳和硫?qū)αW(xué)性能有很重要的影響，其作用的機(jī)制卻很復(fù)雜，而我們目前的認(rèn)知又非常有限，美國鑄造學(xué)會（AFS）于2012年啟動了一項(xiàng)新的研究課題——“錳和硫?qū)﹁T鐵性能的影響（Influence of Mn and S on the Properties of Cast Iron）”。
這項(xiàng)課題主旨是：根據(jù)熱力學(xué)的原理，分析、研究灰鑄鐵中硫和錳的關(guān)系，確定鐵液共晶凝固時(shí)其中所含自由硫的作用。
課題的目標(biāo)主要有4項(xiàng)：
◆ 認(rèn)識硫、錳含量與不同截面厚度鑄鐵件強(qiáng)度之間的關(guān)系；
◆ 進(jìn)一步認(rèn)識硫、錳含量與石墨組織的關(guān)系；
◆ 研究如何通過平衡硫、錳含量以提高厚截面鑄鐵件的強(qiáng)度。生產(chǎn)高牌號灰鑄鐵件時(shí)，盡可能地不用或少用其它合金元素；
◆ 力求對硫在鑄鐵生核和共晶凝固過程中的多種作用有更好的認(rèn)識。
這一研究課題已于2014年結(jié)束，并安排在2014年召開的美國鑄造協(xié)會年會上發(fā)表研究報(bào)告。報(bào)告共方三部分：第一部分是“歷史的回顧”，重點(diǎn)是對相關(guān)的文獻(xiàn)資料進(jìn)行分析和討論；第二部分是“試驗(yàn)過程的安排”；第三部分是“對試驗(yàn)結(jié)果的分析”。應(yīng)該包含力學(xué)性能、白口深度、硬度、化學(xué)分析方面的數(shù)據(jù)，熱分析曲線以及顯微組織等方面詳情。
但是，在2014年年會的論文集（AFS Transactions 2014）中只見到第一部分和第二部分［7、8］，雖然第二部分中提到試驗(yàn)結(jié)果的分析見第三部分，而且在參考文獻(xiàn)中提到第三部分在論文集中的編號為“14－158”，但是在論文集中找不到這篇很關(guān)鍵的報(bào)告。看來，很可能是在論文集即將付印時(shí)發(fā)現(xiàn)需要進(jìn)一步補(bǔ)充、修改，臨時(shí)撤下去了。
半年以后，在美國AFS出版的雜志“International Journal of Metalcasting”2015年第二期見到了該研究報(bào)告的第三部分［9］，報(bào)告中的基本觀點(diǎn)仍然在于按硫化錳的溶解度控制灰鑄鐵中硫和錳的含量，同時(shí)也注意到自由硫的負(fù)面影響，以下是幾點(diǎn)主要的分析意見：
1）如果灰鑄鐵中的硫含量和錳含量配合適當(dāng)，其抗拉強(qiáng)度可提高40～70 MPa；
2）灰鑄鐵發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，如硫、錳含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的乘積（％S×％Mn）在0.03左右，則MnS在鐵液中的溶解度達(dá)到極限，參見圖2。按此值平衡灰鑄鐵中的硫、錳含量，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度最高，％S×％Mn的乘積超過這一限值，抗拉強(qiáng)度降低；
3）在控制％S×％Mn的乘積為0.03左右的條件下，還應(yīng)該注意自由硫?qū)诣T鐵的性能的負(fù)面影響。
如果鑄鐵中錳含量很低，而硫含量很高，即使％S×％Mn的乘積為0.03％左右，由于鐵液中存在的自由硫多，其負(fù)面作用是多方面的。
灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度與布氏硬度的比值隨硫含量的提高而降低。這一比值的降低，表明鑄鐵中的石墨結(jié)構(gòu)改變、強(qiáng)度降低。
灰鑄鐵中硫含量在0.08％以上，無論錳含量如何，鑄件的壁厚如何，組織中都可能出現(xiàn)細(xì)長而曲折的石墨。
如灰鑄鐵中錳含量低于0.3％、硫含量在0.10％以上，組織中可能出現(xiàn)胞狀晶間碳化物。在這種情況下，提高錳含量、或降低硫含量都可以抑制這種碳化物的析出。
由以上簡要介紹的概況可見，硫和錳是灰鑄鐵中的重要組成元素，但是，迄今為止，如何控制硫和錳的含量才能更好地利用灰鑄鐵潛在的功能？仍然有待進(jìn)一步深入的探索。
五、高錳灰鑄鐵的研制
以前，不少研究報(bào)告表明：灰鑄鐵中錳含量超過0.7％，就會影響鐵液凝固過程中石墨的生核，使共晶團(tuán)數(shù)量少，石墨粗大，甚至可能促成過冷石墨，從而使鑄鐵的強(qiáng)度降低。因此，生產(chǎn)中一般都將灰鑄鐵的錳含量控制在1.0％以下。
近年來，由于錳的價(jià)格低廉，日本各行業(yè)采用的低合金高強(qiáng)度鋼中，以錳為主要合金元素的日益增多，而且為了確保鋼的強(qiáng)度，鋼中的錳含量已逐步提高到2％左右。在此種情況下，供應(yīng)鑄造行業(yè)的下腳料廢鋼，錳含量高已經(jīng)成為常態(tài)。
同時(shí)，生產(chǎn)灰鑄鐵件的鑄造企業(yè)，熔煉設(shè)備采用感應(yīng)電爐的也日益增多，配料中廢鋼的用量增大，廢鋼中的錳含量高往往成為鑄造廠的棘手問題。有的鑄造廠不得不在爐料中配用高純生鐵，以淡化廢鋼中錳含量的影響，這樣，當(dāng)然導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高。
針對這種情況，日本巖手大學(xué)工學(xué)部的堀江 皓等數(shù)年前進(jìn)行了一項(xiàng)專題研究工作［10］，課題的要點(diǎn)是：
對3種常用的灰鑄鐵進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)鑄鐵的碳當(dāng)量分別為4.4％、4.0％和3.6％，分別相當(dāng)于HT150、HT250和HT350等牌號；
每一種鑄鐵，都將錳含量提高到2.0％，并配加不同的硫含量，使Mn/S比分別為5、10、20、50和100；
就錳含量為2％、碳當(dāng)量不同的鑄鐵，分析Mn/S比對鑄鐵性能的影響。
1、鑄鐵的成分、熔煉工藝和試樣的制備
試驗(yàn)用鑄鐵的成分配置按表3。
表3 試驗(yàn)用灰鑄鐵的成分和與之相應(yīng)的常規(guī)鑄鐵的牌號
|
鑄鐵編號 |
碳當(dāng)量CE，％ |
常規(guī)灰鑄鐵相當(dāng)?shù)呐铺?SPAN lang=EN-US> |
C，％ |
Si，％ |
Mn，％ |
S，％ |
Mn/S比 |
|
1 |
4.4 |
HT 150 |
3.6 |
2.4 |
2.0 |
0.40 |
5 |
|
0.20 |
10 | ||||||
|
0.10 |
20 | ||||||
|
0.04 |
50 | ||||||
|
0.02 |
100 | ||||||
|
2 |
4.0 |
HT 250 |
3.3 |
2.1 |
2.0 |
0.40 |
5 |
|
0.20 |
10 | ||||||
|
0.10 |
20 | ||||||
|
0.04 |
50 | ||||||
|
0.02 |
100 | ||||||
|
3 |
3.6 |
HT 350 |
3.0 |
1.8 |
2.0 |
0.40 |
5 |
|
0.20 |
10 | ||||||
|
0.10 |
20 | ||||||
|
0.04 |
50 | ||||||
|
0.02 |
100 |
試驗(yàn)用鑄鐵在12kHz、20kW的感應(yīng)電爐中熔煉，每次熔煉3㎏。爐料由高純生鐵、電解鐵、75硅鐵、錳鐵和硫化亞鐵組配，以力求避免干擾元素的影響。
爐料熔清后升溫到最高熔煉溫度（
各種試樣的澆注溫度均為
此外，為了比較各種孕育劑對高錳灰鑄鐵孕育的效果，還就碳當(dāng)量CE＝4.0的2號試驗(yàn)鑄鐵，分別用純硅、75硅鐵和硅鈣合金進(jìn)行孕育處理，并與不孕育的鑄鐵比較。與前述的試驗(yàn)相同，熔煉的最高溫度
2、Mn/S對抗拉強(qiáng)度的影響
錳含量為2％的3種灰鑄鐵，Mn/S比對抗拉強(qiáng)度的影響見圖5。
由圖5可見，不同碳當(dāng)量的灰鑄鐵，Mn/S比為5（硫含量為0.4％）時(shí)，抗拉強(qiáng)度很低，此后，隨著Mn/S比的提高，抗拉強(qiáng)度明顯提高，Mn/S比提高到20（硫含量為0.1％）以后，抗拉強(qiáng)度基本上趨于一致。也就是說，高錳灰鑄鐵中，硫含量不宜高于0.1％，但也不宜將硫含量控制得太低。
錳含量為, 2％的灰鑄鐵，抗拉強(qiáng)度可能比碳當(dāng)量相同的常規(guī)灰鑄鐵高100MPa左右。也就是說，將常規(guī)灰鑄鐵的錳含量提高到2％，在適當(dāng)控制Mn/S比的條件下，鑄鐵的強(qiáng)度大約可提高一個(gè)牌號。
3、Mn/S比對鑄鐵的硬度和試片白口深度的影響
Mn/S比對3種灰鑄鐵布氏硬度的影響見圖6。
由圖6可見，Mn/S比為5時(shí)，鑄鐵的硬度很低，此后，隨著Mn/S比的提高，硬度逐步提高，Mn/S比提高到20以后，布氏硬度基本上趨于一致。這種情況與Mn/S對抗拉強(qiáng)度的影響有很好的對應(yīng)關(guān)系。
Mn/S比對3種鑄鐵試片白口深度的影響見圖7。
無論是哪種鑄鐵，白口傾向都隨Mn/S比的提高而降低，直到Mn/S比為50以后才趨于一致。與圖1、圖2對比可見，Mn/S比提高并不導(dǎo)致鑄鐵中碳化物增加。Mn/S比高的鑄鐵，強(qiáng)度和硬度的提高，主要是由于珠光體細(xì)化，當(dāng)然，珠光體量也有所增加。
4、提高錳含量對鑄鐵顯微組織的影響
為了了解提高錳含量對鑄鐵顯微組織的影響，自前述2號試驗(yàn)灰鑄鐵（CE 4.0）拉伸試樣取金相試樣，另自感應(yīng)電爐熔煉的、碳當(dāng)量相當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)灰鑄鐵（錳含量0.7％）取樣，觀察顯微組織，并, 進(jìn)行對比。
用未經(jīng)浸蝕的試樣觀察石墨組織，如圖8。
常規(guī)灰鑄鐵的組織以A型石墨為主，有少量D型石墨。此外，還有C型石墨，這可能是爐料中生鐵用量太多所致，此處暫不討論。
錳含量為2％的試驗(yàn)鑄鐵，全部為A型石墨。
在掃描電鏡觀察下，兩種鑄鐵組織中珠光體片層厚度（層間距）見圖9。
由圖9可見，高錳灰鑄鐵組織中珠光體明顯細(xì)化。
5、高錳灰鑄鐵適用的孕育劑
為了了解提高錳含量后鑄鐵對孕育處理和各種孕育劑的適應(yīng)性， 2號試驗(yàn)鑄鐵（CE 4.0）熔煉后，分別用純硅、75硅鐵和硅鈣合金進(jìn)行孕育處理，考核其對鑄鐵的白口深度、抗拉強(qiáng)度和共晶團(tuán)數(shù)量的影響。并與不進(jìn)行孕育的鑄鐵比較。
不同孕育劑對試片白口深度的影響見圖10，對鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響見圖11。
經(jīng)硅鈣合金孕育的鑄鐵，共晶團(tuán)數(shù)量最多。用75硅鐵孕育的鑄鐵次之，但比硅鈣處理的約差兩個(gè)等級。用純硅孕育居第三位，與用75硅鐵處理的差別不太大。不經(jīng)孕育處理的鑄鐵，共晶團(tuán)數(shù)量然最少。
由此可見，對于錳含量提高到2％左右的灰鑄鐵，最適宜的孕育劑是硅鈣合金。
從3項(xiàng)檢測的指標(biāo)看來，用75硅鐵處理的鑄鐵居第二位，但與硅鈣合金處理的差距并不很大，實(shí)際生產(chǎn)中也是可用的。
用純硅處理的效果不及75硅鐵。
| 【上一個(gè)】 如何防止球墨鑄鐵石墨漂浮缺陷？ | 【下一個(gè)】 如何解決蠟?zāi)１砻嫒毕萑勰ｈT造中的一個(gè)重要工作？ |