生產(chǎn)高牌號孕育灰鑄鐵件，進(jìn)行有效的孕育處理，是至關(guān)重要的，但是，正確地確定化學(xué)成分，必要時配加少量合金元素，也是不可忽視的條件。如處理得當(dāng)，合理選定化學(xué)成分和孕育處理方法可以有效的提高灰鑄鐵各個方面機(jī)械性能及其鑄造成熟度。
這里，我們要討論有關(guān)控制灰鑄鐵化學(xué)成分，及孕育處理的一些問題。 一．灰鑄鐵的組織和合金元素的影響
灰鑄鐵的強(qiáng)度和綜合質(zhì)量，取決于其終的顯微組織，生產(chǎn)高牌號灰鑄鐵件，控制其顯微組織的目標(biāo)，大致有以下幾方面：
★ 少量游離滲碳體和晶間滲碳體； ★ 石墨形態(tài)為A型； ★石長3——4 級。
★ 基體組織95%以上為珠光體，游離鐵素體不多于5%； ★ 晶粒細(xì)小均勻。 上述5項目標(biāo)中，前3項要在鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變過程中建立基礎(chǔ)，后2項則要通過控制鑄鐵共析轉(zhuǎn)變來達(dá)到。只有合理控制化學(xué)成分，有效地強(qiáng)化孕育才能滿足上述五項條件。 1．鑄鐵的共晶過程
要分析鑄鐵的共晶過程，不能不回顧一下鐵-碳合金的相圖。鐵-碳合金的相圖是雙重的，有穩(wěn)定的鐵-石墨系和介穩(wěn)定的鐵-滲碳體系。制成高性能的灰鐵件，當(dāng)然不希望出現(xiàn)游離的滲碳體，所以要使鑄鐵按穩(wěn)定的鐵-石墨系凝固。
圖1（借用李傳栻的圖）中簡略地表示了鐵-碳合金相圖的共晶部分，并表示了一些合金元素對鐵-石墨系和鐵-滲碳體系共晶溫度的影響。
圖1 合金元素對鐵-石墨系和鐵-滲碳體系平衡共晶溫度的影響
鐵-石墨系的共晶溫度高于鐵-滲碳體系的共晶溫度，如果共晶成分的鐵水冷卻到鐵-石墨共晶溫度以下，同時又在鐵-滲碳體的共晶溫度以上，此時，對鐵-石墨系而言鐵水已經(jīng)有了過冷度，可以進(jìn)行石墨加奧氏體（γ）的共晶結(jié)晶，對鐵-滲碳體系而言，則系統(tǒng)的自由能仍較高，沒有進(jìn)行滲碳體加奧氏體共晶結(jié)晶的可能。這樣，得到的是沒有游離滲碳體的灰鑄鐵。
但是，對于只含碳而不含其他合金元素的鑄鐵，鐵-石墨共晶結(jié)晶溫度與鐵-滲碳體共晶溫度之間的間隔只有6℃，要實現(xiàn)上述凝固條件，實際上幾乎是不可能的。在鐵-碳合金中加入硅，可以使鐵-石墨共晶溫度與鐵-滲碳體共晶溫度之間的間隔顯著擴(kuò)大，見圖2。含硅量為2%時，此間隔大于30℃，要制得不含游離滲碳體的鑄鐵，就非常方便了。所以，所有的灰鑄鐵中都含有大量的硅，硅是灰鑄鐵中必不可少的，為重要的合金元素。如果沒有硅的存在即使碳很高也很
圖2 硅對鐵碳合金平衡共晶溫度的影響
難獲得游離體的鑄鐵組織。在灰鑄鐵中Si是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，鐵中只有C沒有Si石墨化是很難完成的。Si元素含量低時，鑄鐵易出現(xiàn)白口組織，力學(xué)性能和鑄造性能都較低：含量過高時，石墨片過多且粗大，甚至?xí)霈F(xiàn)過飽和碳，嚴(yán)重降低鑄鐵的機(jī)械性能和質(zhì)量。因此工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)鑄件對材質(zhì)的要求和鑄件的壁厚合理控制C、Si含量。
各種常用的合金元素，共晶溫度范圍的影響，概略地在圖1中表示了。一些有數(shù)據(jù)可供參考的合金元素的作用見表1。
① 對于鐵-石墨系共晶成分，將表列數(shù)據(jù)乘以元素含量的百分?jǐn)?shù)。
② 在穩(wěn)定條件下凝固時，固、液界面處合金元素在固相中的含量與其在液相中的含量的比。
* — 尚缺可用的數(shù)據(jù)。 （1） 初生奧氏體析出 ；
共晶凝固過程從自液相中析出初生奧氏體枝晶開始。即使是共晶成分的鑄鐵（只有亞共晶狀態(tài)才會析出初生奧氏體），也會產(chǎn)生一些初生奧氏體，因為誘發(fā)共晶反應(yīng)有賴于石墨的生核，石墨生核又需要一定的過冷度，這就有利于析出初生奧氏體。
共晶反應(yīng)前析出的初生奧氏體枝晶的量愈多，鑄鐵的強(qiáng)度愈高，初生奧氏體枝晶的多少，取決于鑄鐵的化學(xué)成分。碳含量是決定奧氏體枝晶析出量的主要因素，碳含量比共晶碳含量4.26%低得愈多，奧氏體枝晶析出量就愈多。
大多數(shù)合金元素，都改變鑄鐵的共晶碳含量，從而改變初生奧氏體枝晶的析出量。使鑄鐵化合碳含量降低的元素，通常稱為促進(jìn)石墨化元素；使化合碳含量提高的元素，稱為阻礙石墨化元素。
硅和磷是作用強(qiáng)的、降低鑄鐵化合碳含量的元素，灰鑄鐵中含有硅和磷時，其共晶碳含量見下式： 共晶碳含量（%）=4.26%-1/3（%Si+%P）
一些常用合金元素的影響見表1。硫其在灰鑄鐵中作用的機(jī)制比較復(fù)雜，它在共晶轉(zhuǎn)變時起微弱的促進(jìn)石墨化的作用，而在共析轉(zhuǎn)變過程中它有強(qiáng)烈阻礙石墨化的作用。鋁降低化合碳含量的作用也很強(qiáng)，但鋁主要用于高鋁耐熱鑄鐵，一般灰鑄鐵中都不含鋁。
如果灰鑄鐵的含碳量不變，加入降低化合碳含量的合金元素，就會使鑄鐵的碳當(dāng)量增高，從而會使初生奧氏體枝晶的析出量較少，共晶凝固的液相較多。液相高，鐵水的流動性就好，金屬液的流動性好其自補(bǔ)縮性能就好，鑄造性能相對也就好（現(xiàn)在稱為鑄造成熟度）。 （2）共晶凝固
隨著初生奧氏體枝晶的析出，剩余液相中的碳當(dāng)量不斷提高，其值達(dá)到4.26%時，即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。
共晶凝固從石墨生核開始。液相中微細(xì)的未熔石墨顆粒和高熔點的非金屬夾雜物都可以是石墨結(jié)晶的核心。石墨晶核形成后，很快就生長成片狀分枝，鄰近石墨的液相中碳含量減少，促使奧氏體在石墨之間析出。奧氏體（奧氏體為面心立方體，其原子密排面為111面，晶體外形為八面體）析出，又使鄰近的液相富碳，促進(jìn)石墨繼續(xù)生長。這樣相互促進(jìn)，并向周圍液相不斷生長的奧氏體-石墨共生晶粒，我們稱之為共晶團(tuán)。液相中很多這樣的共晶團(tuán)，各自徑向長大，結(jié)晶前沿大致接近于球形。每一個共晶團(tuán)中的石墨片又都是相互連接的。
共晶凝固終了時，各共晶團(tuán)相互間、共晶團(tuán)與初生奧氏體枝晶。間互相接觸。共晶團(tuán)晶界上常聚集有較多的夾雜物，一些元素，（如磷、硫）與鐵、碳組成的低熔點共晶體也可能析出于共晶團(tuán)之間。有時，由于合金元素的偏析，還可能導(dǎo)致在共晶團(tuán)之間析出滲碳體，這種滲碳體稱之晶間滲碳體（碳化物）。
石墨片的形態(tài)和尺寸，主要決定于凝固溫度，冷卻速率和液相中生核的情況。比較理想的石墨組織是散亂分布的、長度相近的石墨片（即A型石墨）。如鐵水中生核狀況良好，在略低于平衡共晶溫度的適當(dāng)過冷度下發(fā)生共晶反應(yīng)，就可得到A型石墨。如果鐵水中的生核條件不好，在比平衡溫度低得多的溫度下（過冷度大）凝固，則石墨片的長大速率和分枝速率都很高，則得到分布于枝晶間的小塊狀石墨，通常稱之為過冷石墨（D型石墨）。除在特殊條件下使用的鑄鐵件外，一般不希望產(chǎn)生這種石墨組織。
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