影响铸铁石墨化的因素

三、影响铸铁石墨化的因素

生产实践证明，石墨化受到铸铁的化学成分、熔炼、处理方法、铁水的过热程度以及铸造时的冷却条件等一系列因素的影响，其中化学成分和冷却速度是最主要的影响因素。

(一)化学成分的影响

按对石墨化的作用可将铸铁中的元素分为两大类:一类是能促进石墨化的元素，如碳、硅、铝、铜、镍等。另一类是阻止石墨化的元素，如铬、钨、钼、钒、锰等。铸铁中促进石墨化的合金元素越多，越有利于石墨化过程的进行。

碳和硅都是能强烈促进石墨化的元素，铸铁中碳和硅的质量分数越大，石墨化的程度越高。硅原子与铁原子的结合力很强，它溶于铁中，不但会削弱铁碳原子间的结合力，而且还会改变相图中共晶点的成分和温度。随着铸铁中硅含量的增多，共晶转变温度将提高，而共晶点的碳含量却显著降低，这将有利于石墨的析出。实践表明，大约w_Si=3%的硅就能使共晶点碳的质量分数降低1%。在实际生产中，为了综合考虑碳和硅的影响，通常将硅含量折合成相当的碳含量，并把这个折合量与实际碳含量之和称为碳当量(C_eq)，即

实际使用中，若用碳当量代替Fe-C(G)相图横坐标中的碳含量，就可以近似地估算出铸铁在Fe-C(G)相图上的实际位置。调整碳当量是控制铸铁组织性能的基本措施之一。

硫是强烈阻碍铸铁石墨化的元素。此外，硫还会降低铸铁的流动性，恶化其铸造性能并大幅降低铸铁的力学性能。因此，铸铁中硫的质量分数一般须控制在0．15%以下。

磷是能促进石墨化的元素，但其作用较弱。磷使共晶点左移，并降低铸铁的熔点和共晶温度，提高铁水的流动性，改善其铸造性能。但磷在铸铁中主要形成Fe₃P化合物，并以各种形式的磷共晶存在，故含量较多时会增加铸铁的脆性，通常铸铁中磷的质量分数应控制在0．30%以下。

锰也是阻止石墨化的元素。但当其含量较低时，锰将优先与硫、氧结合，形成MnS、MnO，因而可减轻硫、氧对石墨化过程的有害作用，此时，锰实际上间接起着促进石墨化的作用。但锰含量过高时，则会对石墨化，尤其是共析阶段的石墨化起抑制作用，促进珠光体的形成。因此当铸铁要求珠光体基体时，锰含量可适当提高至w_Mn＞0．80%;当要求以铁素体基体为主时，锰含量则应较低w_Mn＜0．60%。

(二)冷却速度的影响

在生产中常会发生同一铸铁件上厚薄不同的部分，浇注冷却后得到的组织往往出现不同的情况。铸件壁厚较大的部位由于散热较慢，冷却速度较小，石墨化过程容易进行而得到灰口组织;而薄壁部分常因冷却速度较快而出现白口组织(形成Fe₃C)。这说明，在化学成分不变的条件下，通过改变铸铁结晶时的冷却速度可以影响其石墨化的程度，从而影响铸铁的组织。这是因为铸铁中的石墨化过程实际上也是一个原子扩散的过程，浇注后冷却速度愈缓慢，高温阶段时间愈长，碳原子扩散时间愈充分，也就愈有利于石墨化过程的充分进行。反之，随着过冷度的增大，铸铁的石墨化过程将变得难以进行，白口化的倾向增大。

影响冷却速度的因素主要有浇注温度、铸件壁厚、造型材料等。在其他条件相同时，浇注温度愈高，铸型吸收的热量愈多，铸件的冷却速度就愈缓慢;铸件壁厚愈大，冷却速度亦愈缓慢;铸型材料导热性愈差，冷速愈慢。例如，金属型浇注时的冷却速度比干砂型浇注时的冷却速度要快，温砂型比干砂型的冷速快等。

根据上述分析可知，在实际生产中，若要获得合格的铸铁组织，必须根据铸件壁厚来选择适当的铸铁成分，即主要是选择适当的碳含量和硅含量。图8-3表示在一般砂型铸造条件下，化学成分(碳、硅总量)、冷却速度(以铸件壁厚表征)对铸铁组织的影响。实际生产中就是利用这一关系，针对不同壁厚的铸件，通过调整其碳、硅含量进而保证浇注后得到合格的铸铁组织。

图8-3　化学成分和铸件壁厚对石墨化的影响