铸铁的合金化及合金铸铁的分类
原创 吴德海 铸造工程 今天
作者简介：吴德海(1934-)，男，1954年毕业于哈尔滨工业大学，曾任清华大学博士生导师;任教40多年来在Fe-C合金物理冶金、球墨铸铁、富勒碳和碳纳米管等领域进行了富有成效的研究，并取得了显著成果：获得国家和省部级奖励12项，国家发明专利9项、美国专利1项，编著、译著多部学术著作等。
【编者按】铸铁不仅是古老的铸造合金，也是迄今为止用量最大、用途最广的铸造合金。参与世界铸件产量统计的38个国家在2018年的铸件总产量为11 273万吨，其中铸铁件7 832万吨占总量的69.5%;铸铁件在冶金矿山、机床制造、汽车拖拉机、机车城轨、动力工程、石化电力、轻纺工业、水暖器材以及食品工业等行业中均有广泛应用。随着应用领域技术的发展，对铸件特种性能的要求，以及对铸件轻量化的要求，也越来越高;因而，在原有基础上使用各种合金元素，达成更高的力学性能、更适宜的综合性能，将是铸铁的发展方向之一。基于此，本刊自2020年第3期起与读者分享吴德海先生等人关于《合金铸铁》的系列研究内容。
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1 铸铁合金化的概述
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把一种或多种合金元素添加到普通铸铁中，叫做铸铁的合金化。在普通灰口铸铁中添加合金元素后叫做合金灰口铸铁，在普通球墨铸铁中添加合金元素后叫做合金球墨铸铁，在普通白口铸铁中添加合金元素后叫做合金白口铸铁。
普通铸铁除碳、硅、锰、磷及硫五大元素外，在熔化过程中由于使用的原材料不同，经常会混入铜、铬、钒、钛、锡、铅、锑、砷、镍及铝等微量元素，同时也含有氢、氧及氮等气体，这些元素对铸铁的组织和性能有很大的影响。但是，如果这些元素不是为了某种目的有意加入的，即使有其微量存在，这种铸铁一般也不能叫做合金铸铁。另外，在天然铁矿中，常含有各种元素，只要含量足以起到合金化作用，又是特意使用的，这种铸铁可叫做合金铸铁。还要指出的是，如果铸铁中硅、锰、磷及硫含量超过一般常规含量时，则也叫做合金铸铁。
对于合金铸铁的研究远不如合金钢的研究系统和深入。据文献记载，最早的合金铸铁是1799年英国人S.S.席科林(Hickling)研究的高镍铸铁，为此而获得了英国专利(编号BP No. 2296)。当时，把25%的Ni(质量分数)加入到铸铁中，发现可以使铸铁不锈。但是，S.S.席科林本人并不知道他的这项专利的意义何在，因而当时这种高镍合金铸铁并未得到任何实际应用。
1913年，F.魏斯特(F.Wüst)等人首先对铸铁中各元素的影响进行了系统的研究，并取得了初步的成果。但是，关于合金元素对灰口铸铁作用的研究结果的首次生产应用，则是在1920年以后。1924年，英国Ferranti公司生产了高镍无磁奥氏体灰铸铁，其商业牌号叫做“Nomag”，这是最早的商业合金铸铁。1928年，著名的合金白口镍硬铸铁(Ni-Hard)研制成功。大约在1930年，又研制成功了高铬白口铸铁，其Cr(质量分数)为30%。从此，各种合金铸铁得以迅速发展。
通常在合金铸铁中加入的合金元素有硅、锰、铬、铜、钼、镍、锡、锑、铌及钒等，其中，硅、锰是铸铁在通常情况下都存在的，其含量只有超过普通铸铁的含量范围[如Si(质量分数)>4%、Mn(质量分数)>2%]，才能明显地起合金化作用。由于加入合金元素的目的是为了使铸铁具有优异的性能，因此，按使用性能来说，合金铸铁也叫做特种铸铁，此时的合金加入量相对比较高。
随着技术的发展以及简化生产的要求，从20世纪60年代开始，为简化生产及综合得到各种性能的组合而对铸铁的合金化进行了大量的研究，此时的合金含量就比较低，通常在3%以下。
在普通铸铁中增加合金肯定会增加铸件的生产成本，但是这为获得特有的使用性能和简化生产还是十分必要的。
2 在铸铁中加入合金元素的主要目的
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(1)提高铸铁的力学性能。有的合金元素可明显增加珠光体数量或者是使珠光体片间距细化。例如钼、铜、锡、锰等可提高铸铁的强度和硬度;加入铜还可使珠光体细化。因此，在普通球墨铸铁中加铜，可把抗拉强度由600MPa 提高至800MPa。此时，如果再附加钼，通过等温淬火处理，可把抗拉强度提高至1200 MPa甚至1600 MPa。
(2)使铸铁获得特种物理性能。在普通的球墨铸铁中通过加入合金元素可以获得耐磨、耐腐蚀、耐热、防氧化及无磁等特种物理性能，大多采用很多的合金元素是中合金或高合金球墨铸铁。
(3)获得不同的基体组织。
(4)为在不同壁厚的铸件上获得同样的基体组织及性能，或使用同一炉熔炼的铁液来生产不同材质、不同壁厚的铸件。
(5)缓冲铸铁中由于碳、硅发生偏差而引起的组织和性能的影响。
(6)调整基体组织中的珠光体量以及厚大断面上的强度和硬度。
(7)配合生产中“基铁”的使用。为方便及简化熔炼工艺，都希望使用同样的炉料，同样的熔炼方式，从而得到同样化学成分的铁液，这种铁液称为基铁(baisciron)。然后，根据不同的铸件结构与不同的牌号，使用少量或微量合金元素来达到不同的要求。
(8)在增加强度的同时减少铸件硬度的提升或切削性能的下降。
(9)获得各种性能的良好组合。例如：强度与韧性;强度与切削性能;导热率、强度与耐磨性。
为上述目的而加入合金时，其加入量和种类的确定应仔细，而且严格控制，以便过多地增加成本。此外，在考虑某种合金时，应在用其优点的同时要注意负面作用，更要注意的是否适合生产条件，例如回炉料的使用等。
3 合金铸铁的分类方法
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合金铸铁可按不同方法进行分类。
(1)按合金元素含量分类
一般来说，合金元素含量(质量分数)在3%以下为低合金铸铁;含量在3%～10%为中合金铸铁;含量在10%以上为高合金铸铁。①低合金铸铁加入的合金元素有Cr、Cu、Mo、Ni、Sn、Sb、V及Ti等。② 中合金铸铁加入的合金元素有Si、Al、Mn及Cr等。③ 高合金铸铁加入的合金元素有Cr、Si、Al、Mn及Ni等。
(2)按铸铁的基体组织分类
铸铁的基体组织有铁素体、珠光体、奥铁体、贝氏体、马氏体、莱氏体和奥氏体铸铁等。
(3)按使用性能分类
在铸铁中加入合适的合金元素，可以得到100%的珠光体组织，从而提高铸铁对滑动摩擦的耐磨性。在有润滑的情况下，铸铁的耐磨性能随珠光体含量的增加而急剧增加。珠光体含量对铸铁耐磨性能的影响见表1。
表1 珠光体含量对铸铁耐磨性能的影响
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在铸铁中加入合金元素，可提高耐蚀性能。据统计，在工业化国家，由于腐蚀所造成的损失竟占国民经济总产值的4%。与普通铸铁相比，采用合金铸铁，可使铸铁在特定的腐蚀介质条件下的耐蚀性能成几倍的增加。
事实证明，在铸铁中加入合金元素，可改善铸铁的各种物理性能。加入合金元素，可使铸铁呈无磁性，使相对透磁率显著降低;加入合金元素，可以改善铸铁的耐热性能;加入不同的合金元素，可显著改善铸铁的抗氧化性、抗生长性和热冲击性能。此外，加入合金元素，还可改善铸铁的低温性能。根据使用要求，加入合金元素，可使铸铁具有最小的热膨胀系数,也可使铸铁具有最大的热膨胀系数。各种铸铁都可按用途分类，合金球墨铸铁的分类见表2。
表2 合金球墨铸铁的分类
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由此可见，按使用性能，合金铸铁可分为高强度铸铁、耐磨铸铁(减磨和抗磨铸铁)、耐热铸铁、耐蚀铸铁、无磁铸铁及各种特殊性能的铸铁。
4 结束语
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把一种或多种合金元素添加到普通铸铁中，使其获得或提升某种性能的方法叫做铸铁的合金化。这类铸铁即为合金铸铁，可按合金元素含量、基体组织和使用性能三种方法进行分类。
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文章编辑：柳建国
微信编辑：蔡文娟
微信审核：张 杨