灰鑄鐵應(yīng)用、發(fā)展的一些動(dòng)向

1、灰鑄鐵應(yīng)用、發(fā)展的一些動(dòng)向 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(guò)程中“鐵器時(shí)代”的開(kāi)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(dòng)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(guó)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(guó)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(wèn)世，各種高性能的鑄造合金也不斷開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，近30年來(lái)，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

2、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)10323.0萬(wàn)噸，其中：灰鑄鐵件的產(chǎn)量為4782.2萬(wàn)噸，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2505.8萬(wàn)噸，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(guó)家提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，20102013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(jiàn)表1。表1 20102013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(wàn)噸）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(wàn)噸）占比

3、（）產(chǎn)量 （萬(wàn)噸）占比 （）20109167.44325.847.22345.225.620119859.34587.046.52478.325.1201210083.54599.645.62516.725.0201310323.04782.246.32505.824.3目前，歐洲有一些國(guó)家球墨鑄鐵件的產(chǎn)量略大于灰鑄鐵件的產(chǎn)量，如法國(guó)、英國(guó)、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(guó)中，只有美國(guó)的球墨鑄鐵件產(chǎn)量略高于灰鑄鐵件，其它各國(guó)產(chǎn)量居首位的都是灰鑄鐵件，參見(jiàn)表2。表2 鑄件產(chǎn)量居前五位各國(guó)的鑄件總產(chǎn)量、灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件產(chǎn)量年度中國(guó)美國(guó)印度德國(guó)日本2010鑄件

4、總產(chǎn)量（萬(wàn)噸）3960.0823.8905.2479.4475.8灰鑄鐵件產(chǎn)量（萬(wàn)噸）/占比（）1900.0 /48.0263.3 / 32.0618.0 / 68.3218.5 / 45.6215.8 / 45.4球墨鑄鐵件產(chǎn)量（萬(wàn)噸）/占比（）1050.0 /26.5275.3 / 33.4105.3 / 11.6148.7 / 30.9135.1 / 28.42011鑄件總產(chǎn)量（萬(wàn)噸）4126.01000.8999.4546.7547.4灰鑄鐵件產(chǎn)量（萬(wàn)噸）/占比（）1968.0 /47.7296.2 / 29.6679.8 / 68.0254.1 / 46.5219.0 / 40.0球

5、墨鑄鐵件產(chǎn)量（萬(wàn)噸）/占比（）1037.5 /25.1384.1 / 38.4109.0 / 11.0169.8 / 31.1163.5 / 29.92012鑄件總產(chǎn)量（萬(wàn)噸）4250.01282.5934.4521.4534.3灰鑄鐵件產(chǎn)量（萬(wàn)噸）/占比（）2010.0 /47.3429.6 / 33.5625.4 /66.9239.3 / 45.9220.9 / 41.3球墨鑄鐵件產(chǎn)量（萬(wàn)噸）/占比（）1090.0 /25.6448.0 / 35.098.1 / 10.5164.2 / 31.5137.8 / 25.82013鑄件總產(chǎn)量（萬(wàn)噸）4450.01225.0981.0518.75

6、53.8灰鑄鐵件產(chǎn)量（萬(wàn)噸）/占比（）2055.0 /46.1408.3 / 33.3670.0 / 68.3238.1 / 45.9213.6 / 38.6球墨鑄鐵件產(chǎn)量（萬(wàn)噸）/占比（）1160.0 /26.1425.2 / 34.7100.0 / 10.2154.2 / 29.7168.3 / 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(duì)它已經(jīng)習(xí)以為常，一般都視之為最普通、最簡(jiǎn)單的事物，有的人甚至對(duì)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(duì)它的認(rèn)識(shí)仍然十分膚淺，灰鑄鐵潛在的功能遠(yuǎn)沒(méi)有充分發(fā)揮，研究、開(kāi)發(fā)的空間仍

7、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(duì)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(duì)的重要課題。近二、三十年，各工業(yè)國(guó)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(dòng)向。一、汽車行業(yè)中灰鑄鐵件應(yīng)用的可喜動(dòng)向汽車行業(yè)中，灰鑄鐵件的應(yīng)用很廣，除制動(dòng)鼓、制動(dòng)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(kāi)始出現(xiàn)了用鋁合金代替灰鑄鐵的趨

8、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(zhǎng)到占50左右，大有很快就全部取代灰鑄鐵的勢(shì)頭。但是，從2007年開(kāi)始，情況有了很值得關(guān)注的變化：20072009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(shì)；而且，從2010年起，進(jìn)一步出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)的態(tài)勢(shì)，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(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。近二、三十年來(lái)，這種情況是頗為罕見(jiàn)的，其主要原因是：1、隨著對(duì)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(shì)日益顯現(xiàn)；2、冶煉

9、鋁的能耗很大，煉制1噸鋁需耗能45000 kWh左右，大約是煉制1噸生鐵的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?；诣T鐵的主要弱項(xiàng)是強(qiáng)度較低，為了增強(qiáng)灰鑄鐵在競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)，必須在不過(guò)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(jìng)爭(zhēng)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(zhēng)高下。要想在不過(guò)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(duì)灰鑄鐵的凝固過(guò)程有更為深入的認(rèn)識(shí)，包括初生奧氏體枝晶的析出、石墨的生核

10、、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(wèn)題。目前，各工業(yè)國(guó)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)冷度，增加共晶團(tuán)數(shù)量，還可以使鑄鐵力學(xué)

11、性能參數(shù)值的波動(dòng)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(guó)家中，預(yù)處理工藝的應(yīng)用面很廣，可以說(shuō)已經(jīng)是感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵的常態(tài)工藝。1980年、82年，筆者曾經(jīng)在美國(guó)造訪過(guò)好幾家用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵的鑄造廠，就沒(méi)有見(jiàn)到一家不采用預(yù)處理工藝的。2013年，我國(guó)灰鑄鐵件的產(chǎn)量為2055萬(wàn)噸，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(kāi)始研發(fā)至今，畢竟只有四十多年，盡管一些工業(yè)國(guó)家進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，迄今為止，對(duì)其作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)，最多也不過(guò)是知其梗

12、概而已。工藝過(guò)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(wèn)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(duì)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(guò)程大不相同，簡(jiǎn)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(huì)不斷出現(xiàn)新的問(wèn)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

13、致。預(yù)處理是針對(duì)上述問(wèn)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(shuí)是這項(xiàng)工藝的創(chuàng)始人？我沒(méi)有辦法確切地查證，但是，廣為人知的是，英國(guó)S. Russell公司鑄造部對(duì)于開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)是有貢獻(xiàn)的。Russell公司1952年開(kāi)始生產(chǎn)鑄鐵件。60年代末，考慮到需求量增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)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(tái)1.5噸感應(yīng)電爐，1972年又增加了2臺(tái)8噸感應(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(wèn)題，公司進(jìn)行了多方面的分析研究，逐步認(rèn)識(shí)到：?jiǎn)栴}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，

14、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(guò)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(guó)鑄造師學(xué)會(huì)的年會(huì)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(duì)預(yù)處理工藝的試驗(yàn)、研究一直沒(méi)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(guò)程中采用預(yù)處理的日見(jiàn)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(guò)冷

15、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(guò)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(kāi)始研發(fā)之日起，幾十年來(lái)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(duì)預(yù)處理作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)逐漸深化，當(dāng)然會(huì)不斷有效果更好的新品種問(wèn)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14501900

16、的高溫下，由碳將SiO2還原而制得的。在制造、破碎、燒結(jié)過(guò)程中，SiC顆粒表面都會(huì)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(duì)于異質(zhì)晶核的生成非常有益。國(guó)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2700以上，2600以下相當(dāng)穩(wěn)定。在熔煉鑄鐵的溫度下，燒損量很少，而且不可能熔化，只能逐步溶解、擴(kuò)散，因而其作用的時(shí)效相當(dāng)長(zhǎng)。碳化硅加入后需要一定的時(shí)間使之溶于鐵水，而且需要攪拌，以加速其溶解。用感應(yīng)電爐熔煉時(shí)

17、，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3.23.3，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0.51。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(guò)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(duì)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 6269 0.61.9 3.05.

18、0 3.05.0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(duì)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(duì)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(guò)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?；诣T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(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，在改進(jìn)

19、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(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，對(duì)灰鑄鐵中初生奧氏體枝晶方面的研究工作，相對(duì)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(guò)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(duì)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，

20、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(duì)它也知之甚少。長(zhǎng)期以來(lái)，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(guó)家的高等學(xué)校和研究機(jī)構(gòu)都增強(qiáng)了對(duì)鑄鐵中初生奧氏體的研究，檢測(cè)組織中初生奧氏體含量的方法也不斷改進(jìn)，使我們對(duì)控制初生奧氏體的作用有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)?？磥?lái)，在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)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

21、過(guò)程中首先析出的是初生奧氏體，這是大家都熟知的。實(shí)際生產(chǎn)中，鑄鐵件是在非平衡條件下凝固的，共晶、微過(guò)共晶（即使碳當(dāng)量高達(dá)4.7），鑄造組織中仍然有一定量的初生奧氏體，這里，就不同共晶度的鑄鐵作簡(jiǎn)單的分析，見(jiàn)圖1圖1 亞共晶、過(guò)共晶鑄鐵中初生奧氏體的析出a亞共晶鑄鐵；b過(guò)共晶鑄鐵（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(kāi)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(méi)有石墨作為共晶奧氏體析出的依托，不

22、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(zhǎng)線增高到C2，為過(guò)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(guò)程。（2）過(guò)共晶鑄鐵碳當(dāng)量為Fe過(guò)的過(guò)共晶鐵液，冷卻到CD線以下，開(kāi)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

23、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(zhǎng)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)

24、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(zhǎng)時(shí)，只有按原子密排面（111）生長(zhǎng)，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(zhǎng)速度比平面大，就形成了一次枝晶，又在此基礎(chǔ)上長(zhǎng)出二次枝晶，進(jìn)而長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)大。等軸晶在鐵液中生核，向熱流的方向長(zhǎng)大。鑄鐵中的奧氏體枝晶還具有不完整、不對(duì)稱的特征，各個(gè)枝晶、一

25、個(gè)枝的各部位，生長(zhǎng)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(zhǎng)大的過(guò)程中，是不會(huì)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(zhǎng)度，枝晶的數(shù)量和方向性。亞共晶灰鑄鐵凝固過(guò)程中，最先析出的是奧氏體枝晶，其對(duì)鑄鐵中共晶團(tuán)的生核、長(zhǎng)大也都會(huì)有重要的影響，這方面還有待進(jìn)一步的研究和認(rèn)識(shí)。3、檢測(cè)有關(guān)初生奧氏體各種參數(shù)

26、的方法初生奧氏體含量對(duì)灰鑄鐵的強(qiáng)度有非常重要的影響，但是，長(zhǎng)期以來(lái)，在實(shí)際生產(chǎn)中，我們未能有意識(shí)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(duì)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(duì)初生奧氏體作用的認(rèn)識(shí)逐漸增多，這方面的研究工作不斷加強(qiáng)。測(cè)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(cè)定方法，而且還在實(shí)踐在不斷優(yōu)化。以下對(duì)一些應(yīng)用較多的方法作簡(jiǎn)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(guò)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

27、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900；然后將試樣置900爐中，保溫30min，使之均勻化；再將試樣淬入360的鹽液，保持90min，然后空冷。這種方法能顯示奧氏體晶粒的宏觀組織，可看出試樣外表層的初生奧氏體柱狀晶，但不能區(qū)分心部的初生奧氏體等軸晶和共晶轉(zhuǎn)變后的奧氏體晶粒，而且工藝過(guò)程也很繁瑣。（3）試樣熱處理法上世紀(jì)70年代，美國(guó)Ohio州凱私西儲(chǔ)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(guò)

28、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870左右、保溫45min后，以56/h的速率冷卻。一般情況下，試樣經(jīng)拋光、再用3的硝酸酒精浸蝕后，即可顯示枝晶組織。枝晶間是珠光體和片狀石墨。（4）彩色金相技術(shù)上世紀(jì)80年代，德國(guó)、美國(guó)都致力于開(kāi)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(lái)。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(jiǎn)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(duì)于研究凝固和固態(tài)相變的

29、關(guān)系非常有益。使對(duì)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(guó)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(qǐng)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(guò)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(duì)鑄鐵凝固過(guò)程的進(jìn)一步研究，美國(guó)鑄造協(xié)會(huì)（AFS）資助Wisconsin大學(xué)對(duì)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(guó)Ohio

30、大學(xué)的D.M.Stefanescu合作，對(duì)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(cè)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(cè)有關(guān)初生奧氏體的各種參數(shù)也是簡(jiǎn)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(guò)冷度，以及促進(jìn)奧氏體生核、長(zhǎng)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(lái)控制初生奧氏體枝晶的自由度不大。以下，簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)目前

31、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(zhǎng)期以來(lái)，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(lái)提高鑄鐵的強(qiáng)度，有不少負(fù)面作用，如：l 鐵液的流動(dòng)性差；l 鑄件的硬度提高，加工性能惡化；l 鑄件產(chǎn)生收縮缺陷的傾向增強(qiáng)；l 鑄鐵的減震性能差；l 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(dòng)鼓、制動(dòng)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(duì)不能允許的。近幾十年來(lái)，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(guó)家

32、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(lái)，逐漸加強(qiáng)了對(duì)初生奧氏體枝晶的研究，孕育處理對(duì)初生奧氏體枝晶的影響也日益受到了關(guān)注，對(duì)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(guò)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(shuō)，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(zhǎng)為柱狀晶。2) 鐵粉或細(xì)鐵粒 加入純鐵粉或細(xì)小的鐵粒（0.41）作為奧氏體枝晶

33、析出的均質(zhì)晶核，應(yīng)該是很有效的，問(wèn)題是純鐵粉很容易熔入鐵液，難以控制。也有研究報(bào)告說(shuō)：鑄鐵中加入鐵粉后，對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)SiO2作為初生奧氏體異質(zhì)核心的作用進(jìn)行過(guò)研究，他們的工作表明，鐵液中加入微細(xì)的粉狀-石英或-方石英，都有促進(jìn)初生奧氏體枝晶生核、長(zhǎng)大的作用，石英玻璃則是無(wú)

34、效的。4）鈦 四十年前，美國(guó)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(lái)，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(huì)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(huì)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

35、育劑同時(shí)加入?；诣T鐵中加鈦，對(duì)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(huì)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(huì)形成超細(xì)的晶間石墨（也稱為珊瑚狀石墨），石墨片的長(zhǎng)度從常規(guī)灰鑄鐵的50100µm縮短到510µm。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1519提高到2736，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300345 MPa。灰鑄鐵中，鈦加入量最好在0.250

36、.40之間，鈦含量太高，鐵液中TiC增多，易于聚集成團(tuán)簇，會(huì)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(guó)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

37、，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(shí)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(shí)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(guó)的鑄鐵研究學(xué)會(huì)（BCIRA），他們從上世紀(jì)初開(kāi)始，就著手研究硫和錳對(duì)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(duì)灰鑄鐵件的需求量和性能要求日益提高，各工業(yè)國(guó)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(guò)冷度和白口傾向的影

38、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(shuō)是浩如煙海。但是，到目前為止，對(duì)于硫和錳在灰鑄鐵中的作用，我們的認(rèn)識(shí)仍然是很淺薄而不全面的，可以說(shuō)是管中窺豹，只見(jiàn)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(guó)自上世紀(jì)20年代開(kāi)始生產(chǎn)硫系易切削鋼，其中的硫含量為0.080.35，40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

39、對(duì)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(duì)灰鑄鐵凝固過(guò)程的影響是多方面的，如：l 有助于石墨生核；l 影響石墨片的形態(tài)；l 增強(qiáng)過(guò)冷度、促進(jìn)白口傾向；l 使共晶團(tuán)數(shù)增多。硫?qū)诣T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(guò)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(wèn)題。近百年來(lái)，各國(guó)鑄造行業(yè)的同仁為此做了大量的研究工作，使我們對(duì)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

40、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)1193），F(xiàn)eS還可以與鐵和碳形成低熔點(diǎn)的共晶體（含碳0.17%，硫31.7%，其余為鐵，熔點(diǎn)975）。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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)中的石墨擴(kuò)散，阻礙鑄鐵石墨化、抑制共晶團(tuán)的成長(zhǎng)，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(duì)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(huì)有少量溶于鐵液中、未與其它元

41、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(guò)程中，自由硫移動(dòng)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(zhǎng)，因而，對(duì)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(wú)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

42、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(guò)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(lái)，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(zhǎng)時(shí)期以來(lái)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

43、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(lái)歐洲、美國(guó)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(shí)。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(shì)的。Mn+FeS MnS + Fe灰鑄鐵

44、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(lái)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(jiǎn)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

45、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(guó)鑄鐵研究協(xié)會(huì)（BCIRA）很早就進(jìn)行過(guò)比較系統(tǒng)的研究，美國(guó)鑄造學(xué)會(huì)（AFS）也組織過(guò)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0.20.3%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(méi)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

46、、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(wú)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(guò)試驗(yàn)，確定其最合適的錳含量?？梢杂?.2%為超量錳的起點(diǎn)，在一較長(zhǎng)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(duì)鑄鐵性能的測(cè)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?！卑碝n/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(lái)，一個(gè)重要的原因是沒(méi)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

47、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(jiàn)圖2。圖2 不同溫度下MnS的溶解度與硫、錳含量的關(guān)系圖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（1200）的曲線，%Mn×%S的乘積大致為0.03。這一數(shù)值是非常重要的，可用以優(yōu)化灰鑄鐵的強(qiáng)度，也可以由錳含量來(lái)控制共晶轉(zhuǎn)變時(shí)鐵液中的自由硫含量。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

48、形態(tài)類似于過(guò)冷的D型石墨。存在于固-液界面處的自由硫量增多，就會(huì)抑制石墨的快速方枝，形成比較粗而長(zhǎng)的A型石墨。但是，自由硫含量太高，又會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生另一類的畸形石墨。英國(guó)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(zhǎng)而曲折的石墨，稱之為“spiky graphite”，見(jiàn)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(huì)出現(xiàn)胞狀晶間碳化物和FeS。圖3 高硫、低錳灰鑄鐵中細(xì)長(zhǎng)而曲折的石墨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(duì)鑄鐵性能的影響也就不一樣。硫和錳的協(xié)同作用，對(duì)灰鑄鐵的過(guò)冷度、

49、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(shuō)了。美國(guó)R.B.Gundlach，基于熱力學(xué)的計(jì)算求得：灰鑄鐵在共晶溫度（1160左右）下，平衡常數(shù)（%Mn×%S的乘積）大致等于0.03。1973年，美國(guó)Ohio州凱私西儲(chǔ)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。圖4 灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度與%Mn×%S乘積的關(guān)系美國(guó)Wisconsin大學(xué)的C.R. lop

50、er等也對(duì)錳、硫在灰鑄鐵中的作用進(jìn)行過(guò)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(lái)，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(guó)鑄造協(xié)會(huì)（AFS）最近的研究課題有鑒于灰鑄鐵中錳和硫?qū)αW(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(guó)鑄造學(xué)會(huì)（AFS）于2012年啟動(dòng)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

51、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)：l 認(rèn)識(shí)硫、錳含量與不同截面厚度鑄鐵件強(qiáng)度之間的關(guān)系；l 進(jìn)一步認(rèn)識(shí)硫、錳含量與石墨組織的關(guān)系；l 研究如何通過(guò)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(hào)灰鑄鐵件時(shí)，盡可能地不用或少用其它合金元素；l 力求對(duì)硫在鑄鐵生核和共晶凝固過(guò)程中的多種作用有更好的認(rèn)識(shí)。這一研究課題已于2014年結(jié)束，并安排在2014年召開(kāi)的美國(guó)鑄造協(xié)會(huì)年會(huì)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(duì)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(guò)程的安排”；第三部分

52、是“對(duì)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(huì)的論文集（AFS Transactions 2014）中只見(jiàn)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(jiàn)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(hào)為“14158”，但是在論文集中找不到這篇很關(guān)鍵的報(bào)告?？磥?lái)，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(guó)AFS出版的雜志“International Journal of Metalcasting”2015年第二期見(jiàn)到了該研究報(bào)告的第三部分9，報(bào)告中

53、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(jiàn)：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4070 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(jiàn)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(guò)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

54、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?；诣T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?；诣T鐵中硫含量在0.08以上，無(wú)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(zhǎng)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(jiǎn)要介紹的概況可見(jiàn)，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

55、明：灰鑄鐵中錳含量超過(guò)0.7，就會(huì)影響鐵液凝固過(guò)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(guò)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(lái)，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(wèn)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(duì)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(duì)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(hào)；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