2.2　合金元素

在球墨鑄鐵中添加合金元素是調(diào)整鑄件組織、提高力學(xué)性能、改善某些物理性質(zhì)的技術(shù)手段。用于改善球墨鑄鐵組織和性能的合金元素種類很多。下面介紹幾種常用的促進(jìn)石墨化元素鎳、銅、硅以及碳化物形成元素鉬、鉻、釩。

2.2.1　銅

銅是促進(jìn)石墨化元素。但其石墨化能力弱于碳和硅，可用于減弱或抵消部分碳化物形成元素的反石墨化作用。

銅在鐵中的分配系數(shù)1.09，凝固時(shí)呈負(fù)偏析。多數(shù)銅原子溶于奧氏體。銅在γ鐵中的溶解度高于在α鐵中的溶解度，并隨溫度下降而減少。850℃時(shí)為2.13%，724℃（鐵碳合金共析溫度）時(shí)為0.68%，700℃時(shí)為0.52%。室溫時(shí)下降到0.2%。銅作為合金元素加入球墨鑄鐵時(shí)，加入量受到它在鐵中溶解度影響。為改變奧氏體轉(zhuǎn)變和促進(jìn)球墨鑄鐵中珠光體生成而加入銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～1.0%。鑄件中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%時(shí)，沖擊韌度開始下降，超過1.2%后沖擊韌度將會(huì)顯著下降。

溶入奧氏體中的銅原子富集于石墨球周圍，阻擋碳原子在石墨與基體之間遷移，抑制鐵素體析出，因此能促進(jìn)珠光體形成[3]。其促進(jìn)珠光體生成的作用與鎳和錳相近。同時(shí)還能有效地促使珠光體細(xì)化。較厚鑄件加入1%以下銅，能顯著增加鑄件組織中珠光體體積分?jǐn)?shù)。例如當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%～0.50%時(shí)，加入0.50%～0.70%Cu。球墨鑄鐵基體中珠光體含量可達(dá)到70%。

銅原子含量較高（>0.75%）時(shí)，應(yīng)對(duì)鑄件進(jìn)行高溫（經(jīng)過奧氏體化）固溶處理和析出強(qiáng)化處理。目的是讓?duì)畔啵ǜ汇~固溶體）質(zhì)點(diǎn)從γ相中析出，產(chǎn)生析出強(qiáng)化作用，提高基體金屬拉伸強(qiáng)度和硬度。但是固溶于α相中的銅原子，能夠使晶格畸變。因此即使鐵素體球墨鑄鐵含銅量低于1%，其斷后伸長率也會(huì)下降（圖2-8）。珠光體球墨鑄鐵和鐵素體球墨鑄鐵的沖擊韌性都隨含銅量提高而相應(yīng)降低，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度則提高。

珠光體基體；鐵素體基體

銅不與碳形成碳化物。

銅與鉬同時(shí)加入球墨鑄鐵時(shí)，銅能增強(qiáng)鉬提高淬透性的能力。因此，為了提高球墨鑄鐵淬透性，常把銅和鉬一起加入。單獨(dú)加銅對(duì)改善球墨鑄鐵淬透性的效果并不十分明顯。

銅能減少鑄件的斷面敏感性，使不同厚度的斷面組織和性能趨于均勻。它對(duì)奧氏體共析轉(zhuǎn)變臨界溫度和淬透性的影響以及固溶強(qiáng)化作用等性能與鎳很相似。由于鎳價(jià)格較高，很多工廠用銅代替部分鎳。

銅增強(qiáng)球墨鑄鐵件抗大氣腐蝕能力。與磷配合使用，效果更顯著。

銅也能改善球墨鑄鐵件的耐磨性和可切削性。提高切削加工表面光潔度。機(jī)床鑄件和耐腐蝕鑄件常需采用含銅球墨鑄鐵。

銅本身不干擾石墨球化。但需注意，制取銅鎂合金球化劑或?yàn)榉€(wěn)定珠光體、提高淬透性而使用的工業(yè)純銅和電解銅均含有一些干擾元素，如鈦、鉛、鉍、銻、錫、碲等。這些干擾元素影響石墨球化。發(fā)現(xiàn)含銅球墨鑄鐵內(nèi)出現(xiàn)畸形石墨時(shí)，需加入適量稀土元素中和干擾元素的有害作用。

2.2.2　鎳

鎳與鐵在液態(tài)無限互溶。固態(tài)下鎳也能溶解于α相和γ相中。鎳與碳一般不形成碳化物。圖1-22（b）已經(jīng)顯示了鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)穩(wěn)定系和亞穩(wěn)定系鑄鐵合金共晶轉(zhuǎn)變溫度的影響。說明它能促進(jìn)穩(wěn)定共晶轉(zhuǎn)變，降低鑄件產(chǎn)生白口傾向。鎳屬于石墨化元素。

固態(tài)下，鎳擴(kuò)大奧氏體相區(qū)。這種變化很大程度上是奧氏體穩(wěn)定化的結(jié)果。穩(wěn)定相在相變時(shí)總是會(huì)減緩相變進(jìn)程、使相變過冷度加大、鑄件組織和性能發(fā)生變化。

在凝固過程中，鎳呈負(fù)偏析，大部分溶于奧氏體晶粒內(nèi)。鎳原子強(qiáng)化固溶體結(jié)構(gòu)，使奧氏體組織趨于穩(wěn)定，提高共析過冷度，非常有效地促進(jìn)珠光體生成。球墨鑄鐵中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)每提高1%，共析轉(zhuǎn)變溫度約下降30℃，共析組織中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約減少0.05%。奧氏體轉(zhuǎn)變溫度下降和共析含碳量減少都直接導(dǎo)致共析組織層片間距減小和力學(xué)性能提高。圖2-9顯示鎳對(duì)ω（C）=3%、ω（Si）=2.3%、ω（Mn）=0.2%、ω（Ni）=4%～8%、ω（Mo）=0.2%、ω（Mg）=0.05%等溫淬火球墨鑄鐵鑄態(tài)基體組織、拉伸強(qiáng)度和伸長率的影響（試棒φ25mm）[1]。

試樣成分：ω（C）=3%,ω（Si）=2.3%;ω（Mn）=0.2%UB為上貝氏體，LB為下貝氏體，M為馬氏體

共析轉(zhuǎn)變過冷度隨加鎳量增加而增大。提高過冷度為穩(wěn)定奧氏體創(chuàng)造了條件。奧氏體的穩(wěn)定性與鑄件壁厚（冷速）及其他元素（硅、錳）含量有關(guān)。當(dāng)球墨鑄鐵含鎳量達(dá)到14%左右，γ相已經(jīng)非常穩(wěn)定，γ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗟臏囟纫呀?jīng)降低到室溫以下。即使較緩慢地冷卻，基體也能保留全部奧氏體組織，成為具有奧氏體基體的球墨鑄鐵件。這種類型的球墨鑄鐵耐腐蝕、耐高溫性能十分優(yōu)越，采用這種合金球墨鑄鐵能夠制成優(yōu)良的耐熱件和耐蝕件。

在提高珠光體體積分?jǐn)?shù)方面，鎳與銅的作用相似，但是其能力優(yōu)于銅。抑制鐵素體生長所需的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也少于銅。鑄件加入1%Ni時(shí)，可在錳量降低到≤0.30%條件下獲得超過70%珠光體的基體組織。厚度超過80mm的鎂球墨鑄鐵件中，同時(shí)加入1%～1.5%Ni與0.25%～0.35%Mo，鑄態(tài)基體將是珠光體+索氏體并含有少量鐵素體組織。力學(xué)性能達(dá)到QT600-3牌號(hào)的要求。

鎳抑制鐵素體生成，能比較有效地消除白口傾向。只需加入少量鎳即可將鐵素體體積分?jǐn)?shù)降低（<5%）。但消除游離碳化物、降低白口傾向的作用比硅差。

鎳延長奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的孕育時(shí)間，降低等溫轉(zhuǎn)變的臨界冷速。同時(shí)也降低珠光體轉(zhuǎn)變溫度。延長奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?cè)杏龝r(shí)間相當(dāng)于有利于厚壁鑄件和復(fù)雜鑄件淬火硬化。這些作用都使鎳成為促進(jìn)珠光體生成以及穩(wěn)定珠光體組織的元素。除了穩(wěn)定珠光體作用外，加鎳還細(xì)化珠光體，抑制碳化物生成。鎳提高鑄件強(qiáng)度和室溫沖擊韌度。降低球墨鑄鐵韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度。有利于提高低溫沖擊韌度。對(duì)于低溫應(yīng)用的鑄件來說這是一項(xiàng)重要作用。當(dāng)ω（Ni）=2%～3%時(shí)，鑄件即可在低溫環(huán)境應(yīng)用。

鎳降低馬氏體點(diǎn)（Ms），但這方面的作用弱于錳。含鎳球墨鑄鐵鑄態(tài)組織可能出現(xiàn)馬氏體和針狀鐵素體組織。觀察φ30mm含鎳球墨鑄鐵試棒鑄態(tài)組織可以看到，當(dāng)鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%時(shí)，基體組織均為鐵素體+珠光體（碳量超過2.5%時(shí)，石墨析出量增加）。鎳和碳的含量增加到一定程度，出現(xiàn)馬氏體。如果再提高含鎳量，則出現(xiàn)奧氏體。可以根據(jù)這樣的結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整不同壁厚鑄件的化學(xué)成分，制取鑄態(tài)馬氏體球墨鑄鐵件。

鎳常與鉬或鉻一起加入。鎳與鉬復(fù)合應(yīng)用，可以獲得細(xì)密堅(jiān)韌的淬火組織，而且經(jīng)過等溫處理可以產(chǎn)生強(qiáng)韌性很高的等溫淬火基體。鎳與鉻也常復(fù)合應(yīng)用于球墨鑄鐵件，這種鑄件組織經(jīng)過熱處理也可以充分強(qiáng)韌化，滿足鑄件高抗磨能力、高強(qiáng)度、高韌性要求。

我國鎳資源并不十分豐富。生產(chǎn)一般珠光體球墨鑄鐵件時(shí)，也應(yīng)盡量利用與鎳有相似作用的銅來代替。

2.2.3　硅

前面已經(jīng)介紹過硅作為常存元素在球墨鑄鐵凝固和固態(tài)相變過程中促進(jìn)石墨化和鐵素體生成的作用。硅還可作為主加合金元素用于耐熱和耐蝕球墨鑄鐵。當(dāng)球墨鑄鐵含硅量達(dá)到4%，基體成為相變溫度較高的單一鐵素體組織，并使鑄件表面產(chǎn)生保護(hù)性鈍化膜，能抵抗外界介質(zhì)侵入鑄件。高硅耐蝕球墨鑄鐵硅含量達(dá)到14%，除形成保護(hù)膜外，還能提高基體陽極電位，顯著改善材料抗電化學(xué)腐蝕能力。

2.2.4　鉬

鉬的凝固分配系數(shù)0.35%，凝固時(shí)部分溶入奧氏體。鉬既降低穩(wěn)定共晶轉(zhuǎn)變溫度也降低亞穩(wěn)定共晶轉(zhuǎn)變溫度，屬于弱碳化物形成元素。

鉬不促進(jìn)也不干擾石墨球化。

鉬縮小γ相區(qū)，提高Ar3點(diǎn)，降低Ar1點(diǎn)。延長奧氏體轉(zhuǎn)變?cè)杏冢瑥?qiáng)烈推遲奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變，減少奧氏體轉(zhuǎn)變臨界冷卻速度，因而可以提高球墨鑄鐵的淬透性，擴(kuò)大球墨鑄鐵件淬火硬化范圍。

在球墨鑄鐵中單獨(dú)加入少量鉬（例如0.1%～0.3%）有助于鐵素體形成，使石墨周圍鐵素體暈圈厚度增加。對(duì)珠光體的形成沒有顯著影響。圖2-10顯示鉬對(duì)球墨鑄鐵件中不同壁厚處基體組織的影響。由于鉬減緩?qiáng)W氏體向珠光體轉(zhuǎn)變程度大于向鐵素體轉(zhuǎn)變程度，因此在厚大球墨鑄鐵件中單獨(dú)加鉬時(shí)，能提高珠光體體積分?jǐn)?shù)。鉬與珠光體穩(wěn)定元素銅、鎳一起加入可以獲得較好效果。

圖中數(shù)字表示測(cè)得的布氏硬度值馬氏體　貝氏體　珠光體+鐵素體

在共析轉(zhuǎn)變過程中鉬阻礙碳原子擴(kuò)散，降低擴(kuò)散速度。因而固溶于奧氏體的鉬降低共析轉(zhuǎn)變速度。使珠光體的形成相應(yīng)減緩。但對(duì)鐵素體生成的影響相對(duì)較小。在ω（Mo）較低時(shí)，會(huì)增加鐵素體體積分?jǐn)?shù)（主要表現(xiàn)在牛眼狀鐵素體量增加），珠光體量相對(duì)減少。鉬增加共析過冷度能有效促進(jìn)共析組織細(xì)化，提高球墨鑄鐵的力學(xué)性能。圖2-11顯示在鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵和珠光體球墨鑄鐵中添加鉬對(duì)材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、布氏硬度的影響。由圖可見，鉬在提高球墨鑄鐵強(qiáng)度方面效果比較明顯，但是斷后伸長率則下降。在提高強(qiáng)度方面，鉬比錳、銅的作用更有效。

但當(dāng)鉬與促進(jìn)珠光體形成元素銅、鎳等元素同時(shí)加入球墨鑄鐵時(shí)，由于原子擴(kuò)散很緩慢，使奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變開始時(shí)間延長，開始轉(zhuǎn)變溫度降低。在這種情況下，奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的時(shí)間和溫度范圍都將顯著增加，即使在較低冷速下，也能避免珠光體的生成。

推遲珠光體轉(zhuǎn)變開始時(shí)間和轉(zhuǎn)變溫度還使轉(zhuǎn)變所形成的共析組織趨于細(xì)密。能有效地提高珠光體球墨鑄鐵的力學(xué)性能。

含鉬的球墨鑄鐵經(jīng)過正火和回火，屈服強(qiáng)度的提高非常顯著。但是斷后伸長率下降較多。鉬和鎳同時(shí)存在時(shí)，可以改變這種情況。

鐵素體球墨鑄鐵件在400～600℃之間緩慢冷卻，或較長時(shí)間保溫都會(huì)出現(xiàn)回火脆性，韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度升高到遠(yuǎn)高于室溫，室溫及低溫沖擊韌性顯著下降。這種現(xiàn)象在鐵素體球墨鑄鐵退火過程中表現(xiàn)得更為突出。為了減輕回火脆性的影響，在鑄件中添加0.15%～0.25%Mo是有效技術(shù)措施。

2.2.5　鉻

鉻與鐵無限互相溶解。凝固時(shí)大部分鉻偏析于液相。鉻縮小奧氏體相區(qū)。

鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)球墨鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變溫度的影響如圖1-22（c）所示。穩(wěn)定共晶轉(zhuǎn)變溫度隨鉻含量增加而降低，亞穩(wěn)共晶轉(zhuǎn)變溫度則隨鉻含量增加而提高。鉻與碳的親和力很強(qiáng)，遠(yuǎn)大于鉻與鐵的親和力。鉻在一般球墨鑄鐵中主要形成（FeCr）3C、（FeCr）7C3等穩(wěn)定的鉻碳化合物，以斷續(xù)網(wǎng)狀富集于共晶團(tuán)邊界。由于鉻的碳化物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，必須通過高溫?zé)崽幚聿拍苁蛊浞纸狻?/p>

鉻提高共析轉(zhuǎn)變溫度。1%Cr可提高約10～15℃。因而鉻能有效促使珠光體生成。但需要考慮的是生成珠光體的同時(shí)如何避免碳化物析出。鉻和鎳以1∶1.5或1∶2的比例同時(shí)加入鑄件時(shí)，可以消減碳化物生成傾向。

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為ω（C）=2.9%～3.14%、ω（Si）=2.9%～3.13%、ω（Mn）=0.5%球墨鑄鐵中含鉻量對(duì)力學(xué)性能的影響如圖2-12所示。

○鑄態(tài)；△正火

當(dāng)鐵水含鉻較高時(shí)，厚壁鑄件中偏析于晶間殘余熔液中的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)甚至可能高達(dá)10%以上，使共晶團(tuán)之間產(chǎn)生晶間碳化物。這些碳化物還易于與磷共晶結(jié)合。對(duì)鑄件力學(xué)性能特別是抗沖擊能力造成很大傷害。

為避免鉻對(duì)球墨鑄鐵力學(xué)性能的不良影響，應(yīng)限制鑄件中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。一般非合金球墨鑄鐵件中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過0.15%，厚壁鑄件不宜超過0.05%。高韌性球墨鑄鐵件應(yīng)低于0.02%。為了控制鑄件組織和性能，鉻可以與石墨化元素同時(shí)加入。生產(chǎn)需含有高硬度碳化物的耐磨球墨鑄鐵件時(shí)，鉻的含量可以根據(jù)需要提高。

2.2.6　釩

釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)球墨鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變溫度的影響示于圖1-22（d）。含釩量超過0.6%時(shí)，兩條臨界轉(zhuǎn)變溫度差小于14℃。圖1-22（d）表明，達(dá)到0.8%以后，亞穩(wěn)共晶轉(zhuǎn)變溫度高于穩(wěn)定共晶轉(zhuǎn)變溫度。在這種情況下已難于避免共晶碳化物出現(xiàn)。

釩與碳親和力很強(qiáng)，生成VC、V2C、V4C3等穩(wěn)定化合物。這些化合物呈塊狀分布于基體中。含釩超過0.3%，在厚度25mm試樣中即會(huì)出現(xiàn)含釩的共晶碳化物，其體積分?jǐn)?shù)隨釩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大。

球墨鑄鐵加入少量釩（<0.5%）對(duì)球狀石墨的生長沒有顯著影響。

釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均隨著含釩量的增加而提高。每增加0.1%V，抗拉強(qiáng)度就增加35MPa，屈服強(qiáng)度增加25MPa，但斷后延伸率有所下降。沖擊韌度也隨含釩量增加而顯著下降。脆-韌轉(zhuǎn)變溫則隨含釩量增加而提高。釩加入量超過0.5%時(shí)，珠光體含量的增加非常顯著。適合用于厚大斷面的球墨鑄鐵件。

圖2-13顯示釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鑄態(tài)和經(jīng)過940℃×2h+730℃×11h退火處理球墨鑄鐵力學(xué)性能的影響。試樣成分為：ω（C）=3.44%～3.5%，ω（Si）=2.01%～2.13%，ω（Mn）=0.04%，ω（P）=0.014%。

○退火；●鑄態(tài)