有關(guān)硅鉬球鐵的一些問題-李傳拭

1、有關(guān)Si-Mo 球墨鑄鐵的一些問題中國鑄造協(xié)會(huì)資深顧問李傳拭（在上海鑄造展會(huì)期間論壇發(fā)表演講） 硅鉬球墨鑄鐵是一種價(jià)格比較低廉、應(yīng)用面較廣的耐熱材料，用以制成的鑄件可以長時(shí) 間在不超過850的高溫下作業(yè)。為了有助于現(xiàn)場工作的同仁對(duì)其有更好的了解，想在這里 就有關(guān)的問題作簡要的介紹。一、Si-Mo 球墨鑄鐵的由來1、硅在灰鑄鐵中的應(yīng)用 19 世紀(jì)，繼英國之后，一些工業(yè)國家都相繼完成了工業(yè)革命，促進(jìn)了生產(chǎn)力的快速發(fā) 展。20 世紀(jì)起，各產(chǎn)業(yè)部門的生產(chǎn)技術(shù)不斷進(jìn)步，增強(qiáng)了對(duì)耐熱材料的需求。20 世紀(jì)初期，灰鑄鐵是最重要的鑄造合金，用量是其他各種鑄造合金總和的若干倍。各種在高溫條件下作業(yè)的部件，從爐用

2、部件到當(dāng)時(shí)的汽輪機(jī)殼體，都用灰鑄鐵制造。因此，首先考慮的問題是，如何改善灰鑄鐵的耐熱性能。80 多年前，英國鑄鐵研究學(xué)會(huì)（BCIRA）就開發(fā)了碳含量1.82.2、硅含量為57、錳含量0.50.8的西拉爾（Silal）耐熱鑄鐵，1931 年，BCIRA 的A. L. Norbury 和E. Morgan在Journal of the Iron and Steel Institute 雜志（Vol. 23）發(fā)表了論文Effects of Carbon and Silicon on Growth and Scaling of Cast Iron,公布了西拉爾鑄鐵的化學(xué)成分及生產(chǎn)工藝的要點(diǎn)。 這種灰鑄

3、鐵中，基體組織以鐵素體為主，石墨形態(tài)以D 型為主，由于硅對(duì)鐵素體的固溶強(qiáng)化作用，鐵素體的硬度較高、強(qiáng)度也明顯提高。由于基體組織是鐵素體，常溫下，這種鑄鐵的抗拉強(qiáng)度可能略低于常規(guī)的珠光體灰鑄鐵，但脆性反而高一些，承受沖擊載荷的能力也較差，但是，在260以上其抗拉強(qiáng)度和抗沖擊能力都高于常規(guī)的灰鑄鐵。提高了鑄鐵中的硅含量后，不僅鑄鐵的高溫強(qiáng)度提高，更為重要的是，顯著增強(qiáng)了鑄鐵在高溫下的抗氧化能力和抗熱生長能力，鑄件可以在850、甚至900的高溫下作業(yè)。不久以后，為了改善西拉爾鑄鐵的常溫力學(xué)性能，將硅含量修訂為46。這樣的成分，一直沿用至今。早期，西拉爾鑄鐵是世界知名的耐熱鑄鐵。2、由西拉爾鑄鐵到Si

4、-Mo 球墨鑄鐵 20 世紀(jì)40 年代，球墨鑄鐵問世，為鑄鐵的發(fā)展開創(chuàng)一個(gè)新的紀(jì)元。隨著球墨鑄鐵的推廣應(yīng)用，50 年代就有人研究將西拉爾鑄鐵的經(jīng)驗(yàn)用于球墨鑄鐵。將球墨鑄鐵中的硅含量提高到46，鑄鐵的抗氧化能力、抗熱生長能力都顯著改善，60 年代，一些工業(yè)國家就已在生產(chǎn)中應(yīng)用。 硅含量56的球墨鑄鐵抗氧化能力很好，但是，硅含量超過5以后，鐵素體有一部分會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈韵郌e3Si，使韌性大幅度下降，出于兼顧二者的折衷考慮，耐熱球墨鑄鐵的硅含量一般都不超過5。提高了硅含量的球墨鑄鐵中，加入0.62.0的鉬，可以提高常溫下的強(qiáng)度和韌性，高溫力學(xué)性能的改善尤為明顯，鉬含量從0.2逐步增加到2.5，鑄鐵的蠕

5、變性能也逐步改善。但是，從價(jià)值工程的觀點(diǎn)看來，最相宜的加入量為0.51.0。從20 世紀(jì)70 年代起，Si-Mo 球墨鑄鐵就是一種常用的耐熱鑄造合金，其用途很廣。 早期的內(nèi)燃機(jī)，燃燒效率不高，排出的廢氣溫度約在500左右，排氣歧管一般都用灰鑄鐵制造。隨著技術(shù)的進(jìn)步，內(nèi)燃機(jī)排氣溫度逐漸提高，排氣歧管的材質(zhì)也隨之不斷改進(jìn)。80 年代以后，檔次較高的內(nèi)燃機(jī)排氣溫度超過了800，所用的排氣歧管和渦輪增壓器，灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、硅鑄鐵等材質(zhì)都不能適應(yīng)要求。于是，Si-Mo 球墨鑄鐵大行其道，廣泛用于世界各國的汽車行業(yè)，其需求量猛增。 90 年代以后，一些汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度超過了900，Si-Mo 球墨鑄

6、鐵不能勝任了，開始用高鎳奧氏體球墨鑄鐵。2000 年代早期，高檔汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度又越過了950，排氣歧管和渦輪增壓器不得不改用鐵素體耐熱鋼。2005 年以后，為了進(jìn)一步提高燃油的燃燒效率，排氣溫度超過了1000，又要改用高鎳奧氏體不銹鋼。在內(nèi)燃機(jī)燃燒效率不斷提高的條件下，Si-Mo 球墨鑄鐵在汽車行業(yè)的應(yīng)用是有所減少了，而且還有繼續(xù)減少的趨向。但是，在柴油機(jī)方面的應(yīng)用仍然很多，而且，其他方面對(duì)耐熱鑄件的需求量也非?？捎^，Si-Mo 球墨鑄鐵仍然是一種重要的鑄造合金。二、Si-Mo 球墨鑄鐵的化學(xué)成分及其對(duì)力學(xué)性能的影響 Si-Mo 球墨鑄鐵中的主要合金元素是硅，鉬是為改善鑄鐵而加入的輔助合

7、金元素，在硅、鉬含量確定之后，對(duì)碳、錳、磷、硫等元素的含量也應(yīng)該予以嚴(yán)格的控制。1、硅 在Si-Mo 球墨鑄鐵中，硅是重要的組分，其在球墨鑄鐵中的作用是多方面的，主要是提高抗氧化能力和降低熱生長率，同時(shí)還可以使鐵素體固溶強(qiáng)化。其負(fù)面作用是，硅含量太高時(shí)導(dǎo)致鑄鐵脆化。（1）促進(jìn)石墨化、抑制滲碳體的析出 在鑄鐵中，硅固溶于奧氏體中的溶解度約為2，在鐵素體中的溶解度可高達(dá)18.5。鑄鐵中，硅是促進(jìn)石墨化作用最強(qiáng)的合金元素，其促進(jìn)石墨化的能力大致是鎳的3 倍、銅的5 倍。無論在液態(tài)鑄鐵或固態(tài)鑄鐵中，鐵與硅結(jié)合的能力比與碳結(jié)合的能力強(qiáng)。增加鑄鐵中的硅含量，可以使鐵-碳平衡圖中鐵-石墨系的共晶轉(zhuǎn)變溫度略有

8、提高，鐵-滲碳體系的共晶轉(zhuǎn)變溫度明顯降低，從而使二者之間的間隔顯著擴(kuò)大。對(duì)二者的共析轉(zhuǎn)變溫度也有類似的影響。 液態(tài)鑄鐵中含有硅，就會(huì)使碳的溶解度降低。鐵液中硅的含量愈高，能溶解的碳量相應(yīng)地愈低，就會(huì)有更多的碳脫溶析出。鐵液為過共晶成分時(shí)，硅含量高，凝固過程中，有更多的碳以初生石墨的形態(tài)析出，直到剩余的鐵液達(dá)到共晶成分后發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。鐵液為亞共晶成分時(shí)，凝固過程中，硅富集于初生奧氏體中。共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，硅富集于早期結(jié)晶的共晶奧氏體中，抑制碳與鐵化合成滲碳體，增強(qiáng)碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，促使碳以共晶石墨的形態(tài)析出。共析轉(zhuǎn)變時(shí)，固溶于奧氏體中的硅，仍然抑制碳與鐵形成滲碳體，增強(qiáng)碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，促

9、使碳以共析石墨的形態(tài)析出，硅含量為4左右的鑄鐵，基體組織大體上全是鐵素體。在加入了鉬，而且用于制造薄壁鑄件的條件下，組織中就可能含有少量的珠光體和碳化物。Si-Mo 球墨鑄鐵中，硅含量較高，因而，薄壁鑄件中形成碳化物的傾向較低，這對(duì)于制造排氣歧管之類的薄壁鑄件是很適宜的。（2）提高鑄鐵的抗氧化能力 一般說來，耐熱鑄件的作業(yè)條件是，在高溫下、長時(shí)間與氧化性氣體（主要是O2 、H2O、CO2）接觸。在這種條件下，鐵基鑄件的表面層會(huì)被氧化。高溫氣體介質(zhì)中有時(shí)還含有硫化物，硫?qū)﹁F的作用也屬于氧化反應(yīng)。耐熱鑄件應(yīng)具有在高溫下抗氧化的能力，也就是高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性。鐵在高溫下的氧化從表面開始，先形成一層薄

10、氧化膜，然后逐漸增厚。由于鑄鐵件的基本成分是鐵，其氧化過程實(shí)際上是鐵被氧化的過程。 在570以上的高溫下，鐵基鑄件表面的氧化膜為三層結(jié)構(gòu)。內(nèi)層（貼近金屬本體）為FeO，中間層為Fe3O4，外層為Fe2O3。氧化過程中，氧原子以擴(kuò)散的方式通過氧化膜進(jìn)入鐵中，使鐵氧化，鑄鐵中的鐵原子則向氧化膜方面擴(kuò)散。鐵逐層被氧化成FeO，F(xiàn)eO 逐層被氧化成Fe3O4 ，F(xiàn)e3O4 又逐層被氧化成Fe2O3。結(jié)果是各氧化層不斷增厚，金屬本體逐漸減薄（見圖1）。鑄鐵的氧化過程中，在金屬本體逐漸減薄的同時(shí)，由于氧化膜的密度小于鐵，鑄件的體積卻反而會(huì)增加。鑄件外表面產(chǎn)生的氧化皮，是可能剝落的。如果鑄件的內(nèi)部氧化，則產(chǎn)

11、生的氧化皮不可能剝落，結(jié)果是導(dǎo)致鑄件的體積增大，這就是因氧化而致的熱生長。圖1 鐵基鑄件表面氧化的示意圖要提高鑄鐵的抗氧化能力，必須使其中含有能形成致密氧化膜的合金元素，而且這種氧化膜還應(yīng)與金屬本體結(jié)合緊密，從而抑制外界的氧原子通過氧化膜向鑄件內(nèi)部擴(kuò)散、以及鐵原子向氧化膜擴(kuò)散。 如果鑄鐵中含有加入鋁、硅、鉻等元素，形成的氧化膜的成分和結(jié)構(gòu)都有變化，可以增強(qiáng)鑄鐵的抗氧化能力。鉻、鋁含量高時(shí)，鑄件的表面上形成致密的Cr2O3 或Al2O3 氧化膜，有良好的保護(hù)作用。鉻、鋁含量不很高時(shí)，鑄件的表面上形成FeO·Cr2O3、FeO·Al2O3 等尖晶石型氧化物，能與鐵結(jié)合牢固，也有

12、一定的保護(hù)作用。硅含量較高的鑄鐵中，氧化膜的主要組成成分是鐵橄欖石（Fe2SiO4），致密程度大為改善，能抑制外界的氧原子通過表面進(jìn)入鑄鐵內(nèi)部。就提高鑄鐵的抗氧化能力而言，硅是很強(qiáng)的抗氧化元素，其作用能力大約是鉻的3 倍。幾種常用合金元素對(duì)鐵氧化速率的影響見圖2。圖2 常用合金元素對(duì)鐵氧化速度的影響（3）減少鑄件的熱生長 鑄鐵件熱生長的定義是：鑄件長時(shí)間暴露于高溫下，或在反復(fù)加熱、冷卻作用下所產(chǎn)生的永久性體積增大。熱生長不僅使鑄鐵的強(qiáng)度降低，還可能損壞與之接觸的其他部件。鑄鐵發(fā)生熱生長的原因，可以簡要地歸納為以下三個(gè)方面。1）高溫下珠光體中的滲碳體分解、析出石墨所致的體積膨脹 球墨鑄鐵中的珠光

13、體在540以下比較穩(wěn)定。超過540以后，其中的滲碳體就會(huì)逐漸分解，碳以石墨的形態(tài)析出，通過擴(kuò)散方式沉積在石墨球上。650以上，石墨化的速度提高。在700以上，石墨化在短時(shí)間內(nèi)就可以完成。石墨化的結(jié)果就導(dǎo)致鑄鐵的體積膨脹?；w組織全部為珠光體的球墨鑄鐵件，因石墨化而致的體積生長，按計(jì)算，大約是1。由于鑄件內(nèi)部存在疏松和其他細(xì)小的孔隙，實(shí)際鑄件因石墨化而致的生長低于此值。有研究報(bào)告稱：珠光體組織的球墨鑄鐵件，在高溫下長時(shí)間保持，因石墨化而致的體積生長約在0.250.5之間。 完全鐵素體基體的球墨鑄鐵件，在820以下保持，實(shí)際上不可能因石墨化而產(chǎn)生體積增長。Si-Mo 球墨鑄鐵中，硅含量提高到4左右

14、，不僅基體組織基本上是鐵素體，珠光體很少，而且可以使鐵-石墨系的共析轉(zhuǎn)變溫度Ac1提高到870以上。因此，在作業(yè)溫度不超過850的條件下，不必?fù)?dān)心鑄件因石墨化而產(chǎn)生熱生長的問題。2）相變所致的體積膨脹 鑄件作業(yè)過程中，即使是鐵素體基體的球墨鑄鐵，如果所處的溫度不斷通過鑄鐵共析轉(zhuǎn)變溫度范圍，鑄鐵周期性地發(fā)生鐵素體 奧氏體、奧氏體 鐵素體的相變。加熱到基體組織為奧氏體時(shí)，少量石墨溶入奧氏體，留下一些微小的孔隙。冷卻時(shí)，奧氏體中的碳又以石墨的形態(tài)析出，但不會(huì)析出在原來留下的孔隙中，從而造成石墨化膨脹。長時(shí)間反復(fù)經(jīng)歷這種轉(zhuǎn)變，鐵就會(huì)有可觀的體積膨脹，導(dǎo)致很壞的后果。因此，常規(guī)的鐵素體球墨鑄鐵的作業(yè)溫度

15、，一般都不能高于共析轉(zhuǎn)變溫度（約在760左右）。提高鑄鐵中的硅含量，可以使其共析轉(zhuǎn)變溫度提高，鑄鐵作業(yè)的溫度也可相應(yīng)地提高，參見表1。表1 硅含量對(duì)共析轉(zhuǎn)變溫度的影響3）鑄鐵內(nèi)部氧化所致的體積膨脹前面已經(jīng)提到，鑄鐵件的內(nèi)部氧化是導(dǎo)致熱生長的主要原因之一，而鑄鐵組織中石墨的形態(tài)和數(shù)量又是影響鑄件內(nèi)部氧化的重要因素?；诣T鐵的顯微組織中，石墨呈分散的片狀，實(shí)際上是相互連接的團(tuán)簇體，而且還有觸及鑄件表面的石墨片。石墨是碳質(zhì)材料，在高溫、氧化性氣氛下易于氧化，這樣，就逐漸形成了氧進(jìn)入鑄件內(nèi)部的通道。因此，灰鑄鐵是易于發(fā)生內(nèi)部氧化，所導(dǎo)致的熱生長率也高。石墨片越粗大、數(shù)量越多、連續(xù)性越好，內(nèi)部的氧化就越嚴(yán)

16、重。球墨鑄鐵中的石墨球是互不相連的，也沒有聯(lián)通外界的通道，可以有效地抑制內(nèi)部的氧化。提高鑄鐵的硅含量后，鑄鐵本身抗氧化能力又大為增強(qiáng)，這方面就更不成問題了。Si-Mo 球墨鑄鐵件中，可能導(dǎo)致內(nèi)部氧化的因素是：在反復(fù)加熱、冷卻的條件下，可能產(chǎn)生延伸到鑄件表面的細(xì)微裂紋。4）硅對(duì)鐵素體的固溶強(qiáng)化作用在球墨鑄鐵中，硅固溶于鐵素體，有抑制滲碳體析出、促進(jìn)鐵素體形成、提高鑄鐵抗氧化能力等作用，此外，固溶于鐵素體的硅能使鐵素體強(qiáng)化、改善球墨鑄鐵的力學(xué)性能。將球墨鑄鐵中的硅含量提高到3.84.5，可以得到全鐵素體組織。由于硅對(duì)鐵素體的固溶強(qiáng)化作用，抗拉強(qiáng)度可以略高于600MPa，而且屈服強(qiáng)度、伸長率都有較大

17、幅度的提高。但是，硅含量超過4.5以后，鑄鐵即顯現(xiàn)脆性，伸長率隨硅含量的增高而急劇下降。由于鑄鐵組織全部為鐵素體，鑄件的硬度均勻，加工性能明顯改善。硅固溶強(qiáng)化的球墨鑄鐵，疲勞極限優(yōu)于常規(guī)球墨鑄鐵。硅固溶強(qiáng)化的球墨鑄鐵，脆性轉(zhuǎn)變溫度很高：用V-形缺口試樣和U-形缺口試樣測定時(shí)，脆性轉(zhuǎn)變溫度都高于室溫，在60以上；用無缺口試樣測定時(shí)，也在10以上。因此，硅固溶強(qiáng)化的球墨鑄鐵不宜用于制造結(jié)構(gòu)上有應(yīng)力集中部位的鑄件，尤其不宜用于在低溫條件下承受沖擊載荷的鑄件。在脆性轉(zhuǎn)變溫度以上，硅固溶強(qiáng)化的球墨鑄鐵的沖擊韌性優(yōu)于常規(guī)球墨鑄鐵。無論是鑄鐵或鑄鋼中，硅含量太高都會(huì)使鑄鐵（或鑄鋼）的脆性增大。因此，硅作為提

18、高抗氧化性能的元素，其應(yīng)用受到了很大的制約，不像鉻那樣，加入量可高達(dá)2030?；诣T鐵是脆性材料，硅含量可略高一點(diǎn)，一般宜在6以下；球墨鑄鐵中，硅含量不宜超過5；鑄鋼中的硅，一般都用作改善抗氧化性的輔助元素，其含量應(yīng)限制在3以下。2、鉬鉬是促進(jìn)碳化物形成能力很強(qiáng)的元素之一。鉬在奧氏體中的固溶度可達(dá)3，隨著奧氏體中碳含量的增高，固溶度還可提高。鉬在鐵素體中的固溶度更高，可達(dá)37左右，有使鐵素體固溶強(qiáng)化的作用。硅含量較高的鐵素體球墨鑄鐵加入鉬，可以提高其常溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度和蠕變性能，其正面作用是非常明顯的。但是，加入鉬不可避免地也會(huì)有一些負(fù)面作用，隨著鉬含量的增加，鑄鐵組織中可能出現(xiàn)少量碳化物。凝固

19、終了后，珠光體分解時(shí)，還可能在晶界附近析出富鉬的次生相。次生相的組成挺復(fù)雜，其中含有Fe-Mo-Si 金屬間化合物、鉬的碳化物、固溶有鉬和硅的鐵素體和珠光體，有時(shí)簡化用分子式Fe2MoC·M6C 表示。含有少量珠光體和這種次生相，鑄鐵的伸長率和斷面收縮率當(dāng)然會(huì)相應(yīng)地有所下降。關(guān)于鉬含量對(duì)Si-Mo 球墨鑄鐵性能的影響，美國Climax Molybdenum 公司曾經(jīng)進(jìn)行過大量的試驗(yàn)研究工作。以下，引用該公司的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大致說明鉬在Si-Mo 球墨鑄鐵中的作用。1）鉬對(duì)Si4 球墨鑄鐵拉伸性能的影響采用碳、硅、錳含量基本一致的鑄鐵（碳含量為3.163.23；硅含量為3.974.04

20、；錳含量均為0.31），球化處理和孕育處理的工藝相同，只改變鉬的含量，制成拉伸試樣后，在不同溫度下的拉伸性能見表1.1（說明：屈服強(qiáng)度均為殘留變形為0.2的屈服強(qiáng)度）。表1.1 在不同溫度下鉬含量對(duì)Si4 球墨鑄鐵拉伸性能的影響2）鉬對(duì)Si4 球墨鑄鐵蠕變性能的影響在硅含量為4左右的球墨鑄鐵中，增加少量的鉬，還可以降低鑄鐵在高溫下的蠕變速度、提高蠕變斷裂的強(qiáng)度。鉬含量對(duì)Si4 球墨鑄鐵在705保持后的斷裂強(qiáng)度的影響見圖3。圖3 鉬含量對(duì)Si4 球墨鑄鐵在705保持100h 和1000h 后的斷裂強(qiáng)度的影響（試樣經(jīng)790退火）鉬含量對(duì)Si4 球墨鑄鐵在815下產(chǎn)生1蠕變的應(yīng)力和時(shí)間的影響見圖4。

21、圖4 鉬含量對(duì)Si4 球墨鑄鐵在815下產(chǎn)生1蠕變的應(yīng)力和時(shí)間的影響3、Si-Mo 鑄鐵中的其他組分1）碳和碳當(dāng)量常規(guī)的球墨鑄鐵，隨著硅含量的提高，碳含量要相應(yīng)降低，以調(diào)整碳當(dāng)量，但是，碳含量降低的程度，不能按保持碳當(dāng)量相同考慮。在降低碳含量的同時(shí)，往往要使碳當(dāng)量略高一些。Si-Mo 球墨鑄鐵中的硅含量較高，應(yīng)該相應(yīng)地調(diào)低碳含量，而碳當(dāng)量的值則應(yīng)略高于常規(guī)球墨鑄鐵。確定碳含量，還應(yīng)考慮鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及壁厚等要求。對(duì)于排氣歧管之類的薄壁鑄件，沒有石墨漂浮的問題，碳當(dāng)量宜保持在4.8%左右，或者再略高一點(diǎn)。壁厚50 左右的鑄件，碳當(dāng)量則以控制在4.54.7為好。2）錳錳是大家熟知的碳化物形成元素，常

22、規(guī)的鐵素體球墨鑄鐵中，通常都要求錳含量不超過0.2，為此，爐料中往往不得不配用高純生鐵。但是，球墨鑄鐵中可以容許的錳含量，與鑄鐵中的硅含量和鑄件的壁厚有關(guān)。提高鑄鐵中的硅含量，可以有效地削弱錳促進(jìn)碳化物形成的作用，而且鑄件的壁厚愈薄，這種作用就愈明顯。大約每增加1的硅，可容許錳含量增加0.1。鑄件凝固過程中，硅偏析于石墨球附近，錳則偏析于最后凝固的液相中。因此，厚壁鑄件凝固過程中，最后凝固部位的錳含量很高，例如，平均錳含量為0.35的中厚鑄件，最后凝固部位的錳含量可能高達(dá)2.5。鑄鐵中的硅，則在鑄件凝固的早期偏析于石墨球附近的鐵素體中，最后凝固部位的硅含量很低。因此，對(duì)于中、厚型鑄件，不可能通

23、過提高硅含量來解決錳在晶界處形成碳化物的問題。Si-Mo 球墨鑄鐵中的硅含量相當(dāng)高，對(duì)于鑄造排氣歧管之類的薄壁鑄件，錳的負(fù)面作用不像常規(guī)鐵素體鑄件那樣嚴(yán)重，一般說來，錳含量的上限值可以是0.4，美國SAE 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值為0.5。3）磷磷在球墨鑄鐵中是導(dǎo)致脆性的有害元素，其在鐵素體中的固溶度隨鐵素體中碳含量的提高而降低。鑄鐵中的磷含量如果在0.07以下，可固溶在鐵素體中，對(duì)鑄鐵的性能影響不大；超過固溶度以后，就可能析出分散的新相Fe3P（熔點(diǎn)1166）；含量更高一些，就可能出現(xiàn)二元磷共晶（鐵素體Fe3P，熔點(diǎn)約1050）或三元磷共晶（鐵素體Fe3PFe3C，熔點(diǎn)約953），析出于共晶團(tuán)的邊界

24、，使鑄鐵脆化。磷還可能使鐵素體球墨鑄鐵的脆性轉(zhuǎn)變溫度提高。此外，有報(bào)道說，提高鑄鐵中的硅含量，還可能增強(qiáng)磷的脆化作用。Si-Mo 球墨鑄鐵中的磷含量，一般都要求低于0.05，也有將上限值規(guī)定為0.07的。4）硫總體而言，球墨鑄鐵中，硫是有害元素。硫與稀土、鎂、鈣、錳等元素結(jié)合的能力很強(qiáng)，球化處理時(shí)，原鐵液含有的硫首先與球化劑中的活性元素反應(yīng)，耗用球化劑。因此，通常都認(rèn)為硫是反球化的元素，其在原鐵液中的含量愈高，鑄鐵球化需用的球化劑量愈多。高硫原鐵液還會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生浮渣缺陷。球墨鑄鐵件表面出現(xiàn)的浮渣，主要是由硫化鎂、氧化鎂和硅酸鎂組成的。如浮渣中硫化鎂含量高，在鑄件與砂型的界面處，可能與大氣中的

25、氧反應(yīng)（2MgSO22MgO2S），硫返回界面處的鐵液，使鑄件表面的球化衰退，出現(xiàn)片狀石墨。硫化鎂還可能與型砂中的水分反應(yīng)（MgSH2OMgOH2S），使鑄件產(chǎn)生皮下氣孔。但是，硫又是球墨鑄鐵中不可或缺的元素。球墨鑄鐵凝固過程中，最先結(jié)晶析出的是石墨，而石墨析出所依托的是異質(zhì)晶核。經(jīng)球化處理的鐵液，純凈度高，其中的硫、氧含量顯著降低。從熱力學(xué)能位的角度看來，一些元素的硫化物比氧化物穩(wěn)定，因而先形成MgS、CaS 和MnS 等硫化物，作為晶核的核心。然后，在微細(xì)的硫化物上形成多種氧化物，這些氧化物又與SiO2作用，形成復(fù)合的硅酸鹽外層，其與石墨晶格的匹配度較好，這就是析出球狀石墨所依托的異質(zhì)晶核

26、。因此，從石墨化生核方面考慮，原鐵液中不能沒有硫，其含量還不宜太低，尤其不宜時(shí)高、時(shí)低，最好保持在0.0100.015之間，生產(chǎn)薄壁鑄件時(shí)尤應(yīng)如此。當(dāng)然，原鐵液還應(yīng)該保留有一定的氧含量?；谶@樣的認(rèn)識(shí)，就會(huì)想到：如果原鐵液經(jīng)球化處理后用含硫、氧的孕育劑進(jìn)行孕育處理，應(yīng)該有很好的效果。這種設(shè)想，已在十多年前由歐洲同行的研究工作確認(rèn)，采用含硫、氧的孕育劑，可以使球化率提高、石墨球數(shù)量增多、石墨球尺寸減小，因而可以從多方面提高球墨鑄鐵件的質(zhì)量。4、Si-Mo 球墨鑄鐵的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)迄今為止，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織、美國的ASTM 和日本標(biāo)準(zhǔn)化組織，都未發(fā)布有關(guān)Si-Mo 球墨鑄鐵的標(biāo)準(zhǔn)。我國標(biāo)

27、準(zhǔn)GB/T94372009耐熱鑄鐵件中，列有兩種Si-Mo 球墨鑄鐵（QTRSi4Mo 和QTRSi4Mo1），化學(xué)成分要求見表2，力學(xué)性能要求見表3。表2 Si-Mo 球墨鑄鐵的化學(xué)成分（）表3 Si-Mo 球墨鑄鐵的力學(xué)性能要求美國汽車工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAE J2582 DEC2001用于高溫條件的汽車球墨鑄鐵件也列有兩種Si-Mo 球墨鑄鐵，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定硅含量、鉬含量和布氏硬度必須符合要求，見表4。表4 對(duì)Si、Mo 含量和硬度的要求碳、錳、磷、硫等元素的含量和殘留鎂量，標(biāo)準(zhǔn)中只提出適用于兩種牌號(hào)的大致范圍，供參考：C 3.303.80； Mn 0.100.50； P0.050； S0.03

28、5； Mg 0.0250.060。實(shí)際生產(chǎn)中，鑄造廠應(yīng)該根據(jù)客戶的要求和對(duì)鑄件的具體條件，規(guī)定更為嚴(yán)格的成分控制范圍。至于對(duì)力學(xué)性能的要求，鑄造ASTM A536 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單鑄試塊，截取試樣，預(yù)期的測定值見表5。表5 Si-Mo 球墨鑄鐵力學(xué)性能的預(yù)期值（SAE J2582 DEC2001）實(shí)際生產(chǎn)中，由于鑄件的幾何形狀和截面的冷卻速率不同，自鑄件本體截取試樣測定的值可能與表5 中的數(shù)值有所不同。應(yīng)該符合客戶根據(jù)鑄件用途提出的具體要求。三、有關(guān)生產(chǎn)工藝的幾個(gè)問題由于Si-Mo 球墨鑄鐵化學(xué)成分和性能要求方面的特點(diǎn)，生產(chǎn)工藝方面不宜完全沿用常規(guī)球墨鑄鐵的方式，以下簡單地提及以下幾點(diǎn)，供參考。1

29、、熔煉理論上，熔煉Si-Mo 球墨鑄鐵所需的原鐵液，既可以用沖天爐，也可以用感應(yīng)電爐。實(shí)際上，當(dāng)前應(yīng)用的Si-Mo 球墨鑄鐵件的大多是小型、薄壁鑄件，單位時(shí)間需求的原鐵液為量不多，而且要求控制的成分范圍很窄，不宜用大型沖天爐熔煉。小型沖天爐，在能耗、環(huán)保等方面又難以適應(yīng)當(dāng)前的要求。因此，熔煉設(shè)備宜優(yōu)先選用感應(yīng)電爐。爐前最好配備有光譜分析儀。由于鑄鐵的硅含量比常規(guī)鑄鐵高，應(yīng)該按要求的硅含量范圍，用專用的標(biāo)樣校定光譜儀。對(duì)鉬含量的測定，也要經(jīng)常校核。碳含量，應(yīng)以燃燒法的測定值為依據(jù)。2、爐前的處理Si-Mo 球墨鑄鐵的碳當(dāng)量較高，生產(chǎn)壁厚20 的鑄件時(shí)，宜采用稀土含量低、或不含稀土的球化劑，以避免

30、出現(xiàn)碎塊狀石墨。由于鑄鐵中的硅含量高，有利于石墨化，尤其是對(duì)于薄壁鑄件，球化劑的用量可以略低于常規(guī)球墨鑄鐵。這樣，既可以節(jié)省球化劑，又有利于控制鑄態(tài)組織中的珠光體含量和碳化物。國外一些鑄造廠，將殘留鎂量控制在0.0200.025之間，效果很好。當(dāng)然，提出這一數(shù)值只是供參考而已，各鑄造廠的最佳控制范圍，要根據(jù)廠家的具體生產(chǎn)條件，如所用的球化劑、孕育劑、孕育方法、孕育劑加入量等，經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)后確定。孕育處理方法一般都應(yīng)該采用瞬時(shí)孕育方式，使孕育的衰退減至最小。最好在出爐前，用碳化硅對(duì)原鐵液進(jìn)行預(yù)處理，以獲得更好的顯微組織。3、防止鑄件出現(xiàn)收縮缺陷Si-Mo 球墨鑄鐵是過共晶成分，碳當(dāng)量較高，而硅含量又較高，碳大都在鐵液中脫溶、以初生石墨析出。凝固過程的早期，奧氏體析出，又促使石墨球長大，