2.3　微量元素

球墨鑄鐵開發應用以來，人們陸續發現一些微量元素（千分之幾到萬分之幾）對鑄件組織和性能產生顯著影響。這些元素中，有的能夠改變基體金屬組織，改善球狀石墨形態、防止石墨畸變、增加石墨球數，有助于提高和改變球墨鑄鐵力學性能。在不同情況下，也有干擾石墨球化的能力。這些元素多是表面活性元素，與球化元素（鎂、鈰）有較強親和力，形成化合物后，能削弱球化元素的作用，使石墨晶體不能按形成球狀石墨的模式生長而產生畸形石墨。微量元素的作用，常與其在鐵水中的質量分數有關，其含量在一定范圍內時，可能發揮有益作用。超過界限含量則有害無益。

下面簡要介紹幾種微量元素的作用。

2.3.1　錫

錫是促進珠光體生成的元素。在球墨鑄鐵凝固過程中，錫偏析于球狀石墨和基體金屬相鄰的界面上，形成錫的富集層。這個穩定的高錫表層，能夠有效地抑制碳在奧氏體中向球狀石墨表面擴散，因此能夠減緩或抑制鐵素體析出，促進珠光體形成。

有文獻指出，在球墨鑄鐵中加入質量分數為0.06%Sn，并配合加入少量稀土元素，可使基體中的珠光體量明顯增加。

錫穩定珠光體的能力很強，遠超過銅穩定珠光體的能力。但是發現，錫和銅復合加入時，銅顯著促進錫發揮其作用。錫和銅同時加入鐵水，球墨鑄鐵基體中鐵素體體積分數列于表2-4。

錫顯著增加基體中珠光體體積分數，提高鑄件抗拉強度，也能改善材料的沖擊韌度。對鎂球墨鑄鐵力學性能和基體組織的影響與銻類似。圖2-14顯示錫質量分數對鎂球墨鑄鐵抗拉強度的影響。

制取珠光體球墨鑄鐵加入微量錫是有益的。在厚大斷面球墨鑄鐵件中錫也能強化石墨球周圍基體金屬，從而防止球狀石墨蛻化為塊狀石墨。但是錫也是干擾石墨球化的元素，當其質量分數超過0.07%，就會使石墨形狀惡化，出現蠕蟲石墨、塊狀石墨，使材料沖擊韌度下降和脆-韌性轉變溫度升高。S.I.Karsay曾提出防止塊狀石墨的合適加錫量。表2-5列出ω（Si）=2.0%～2.5%厚斷面球墨鑄鐵件推薦的加錫量。除嚴格限制其加入量外還需采用稀土硅鐵鎂球化劑進行球化處理，利用稀土元素中和錫的有害作用。錫在奧氏體中的溶解度極限很低，超過極限溶解量的錫將偏析與晶界，形成脆性相FeSn2，顯著增加球墨鑄鐵脆性。當鑄件含錫量達到0.15%，脆化現象就十分顯著了。

錫的熔點231.91℃，沸點2690℃。沸點遠超過原鐵水的過熱溫度。因此錫可在出鐵時直接加入包中，獲得較高的吸收率。

2.3.2　銻

含銻球墨鑄鐵開發應用比較早。特別是在鐵水中加入銻生產厚壁鑄件（如汽車曲軸）應用研究較為深入，技術上也比較成熟，應用效果很好。

銻富集在球狀石墨周圍的奧氏體內，能降低共晶轉變過冷度，阻止奧氏體中的碳向石墨擴散，抑制鐵素體析出，促進珠光體形成。含銻球墨鑄鐵的共晶轉變溫度下降到540～700℃，珠光體組織得到細化。加銻并經過合適孕育處理的球墨鑄鐵中球狀石墨變得非常圓整，石墨球數增加。例如200mm厚斷面球墨鑄鐵件中加入0.005%Sb,球數比不加銻時增加1倍。鐵中含銻量超過0.003%即可使珠光體含量增加。但是生產珠光體球墨鑄鐵時，加銻量則需增加到0.006%～0.010%。

銻不但增加珠光含量，還能使厚斷面鑄件中石墨球數增加，形態趨于圓整。但是過量加入銻會干擾石墨球化，產生碎塊石墨，影響球墨鑄鐵力學性能。在厚大斷面的鑄件中加入適量的金屬銻和稀土元素能有效消減碎塊石墨，防止產生其他畸形石墨。用純鎂球化劑進行球化處理時，鐵水含銻量不應超過0.03%。如果和稀土同時加入（殘余稀土量0.01%～0.03%），可適當提高含銻量。稀土加入量以鑄件中鈰的質量分數達到0.003%為準。

在薄壁或金屬模鑄造球墨鑄鐵件時，加銻既能穩定珠光體，也能提高碳化物生成傾向。鑄件的快冷部分可能出現白口層。因此需要控制殘留鎂量，采用瞬時孕育處理。已產生白口的鑄件，需進行高溫石墨化處理。

銻的熔化溫度為630.5℃，沸點1440℃。因此加銻時需要控制鐵水溫度，超過沸點將會使銻氣化而增加損耗。銻與孕育劑同時加入時吸收率較高。

2.3.3　鉛

鉛強烈干擾石墨球化。鎂球墨鑄鐵含鉛量超過0.008%即可使石墨發生嚴重畸變。

厚斷面鑄件中加入微量（<0.007%）鉛，同時加入稀土元素（0.005%Ce）可以消除少量鉛（<0.01%Pb）的有害作用，并能有效防止碎塊石墨出現。

鉛對球狀石墨的影響機制尚不十分清楚。有文獻指出：鉛降低奧氏體導熱能力，避免鐵水凝固過程中因球狀石墨周圍的奧氏體層遭到破壞而產生碎塊石墨。

2.3.4　鉍

鉍是表面活性元素。有干擾石墨球化的作用。不含稀土元素的鎂球墨鑄鐵含鉍量超過0.006%時，石墨發生畸變。

鈰能抑制鉍的有害作用。含有稀土元素的球墨鑄鐵中，鉍允許含量增加到0.02%左右。適量稀土和微量鉍同時存在于厚斷面鑄件，可以顯著減少碎塊石墨，在薄壁件中顯著增加石墨球數。球狀石墨的數量比不含鉍時提高數倍。由于球數增加，基體金屬中鐵素體體積分數相應增加，并減少可能出現的碳化物。近些年有些鑄造廠采用鉍+75硅鐵作為孕育劑對球墨鑄鐵進行孕育處理。在薄壁鑄件上顯示了優良的孕育效果。