怎样控制好球墨铸铁中碳和硅配料指数

球墨铸铁中存在三类化学元素：第一类是常存元素，包括碳、硅、锰、硫、磷铁；第二类是为了改变显微组织和铸件性能添加或炉料带入的合金元素；如镍、铬、钼等；第三类是为了获取球状石墨所加入的球化元素（镁、铈等）以及炉料带进或添加的一些微量元素。这些微量元素有些干扰石墨球化，有些则能改善铸件组织和性能。

一、常存元素

1.碳和硅

碳在球墨铸铁中以三种形式存在。首先以聚合状态存在，构成球状石墨晶体。球墨铸铁中的石墨体积分数约为10%--12%。另一些溶入固溶体（奥氏体、铁素体），以固溶状态存。第三是以化合状态存在。碳与铁或其他合金元素化合（如铬、钒、钼等），构成渗碳体或合金碳化物。

碳在铸铁组织中的存在形式主要与铁水碳的活度有关。温度相同的铁水中，提高碳和硅的质量分数可提高碳活度，使原子活动能力增强，促进碳原子在铁水中顺利移位、扩散。因而在冷却速率等工艺条件相同情况下，碳当量高的铁水易于析出石墨，使石墨体积分数增加，石墨球数相应增加。碳活度较低时，碳原子活动能力趋弱，碳原子通过短距离移位在铁水中与铁原子形成C—Fe原子集团。最终铁与碳原子相化合产生渗碳体。

获取球墨铸铁需在铁水中加入球化元素。球化元素降低碳的活度，提高铁水液—固相变的过冷倾向。过冷是促成球状石墨晶体生长的重要条件。但是过冷量过大也促使渗碳体形成。组织中将会出现初生和共晶碳化物。因此需要通过提高碳当量，进行孕育处理，促使碳活度提高，增加石墨核心，促使铁水按稳定共晶系转变，避免铸件产生白口。球墨铸铁件碳当量高于灰铸铁件，一般采用共晶或过共晶成分。这是球墨铸铁件化学成分的特点之一。由于球状石墨切割基体金属较轻，力学性能指标质量分数的影响相对较小。提高球墨铸铁碳当量降低力学性能的作用远小于灰铸铁。

下图（2—1）显示球墨铸铁中碳的质量分数对球墨铸铁力学性能的影响。

适当提高碳量，还能提高铁水流动性，减少铸件发生缩孔、缩松倾向和缩松分布面积，改善球墨铸铁铸造性能。硅促使共晶转变温度提高，有助于铁水发生稳定系共晶转变。抑制渗碳体生成。在各种元素中，硅促进石墨化能力，仅次于碳。存在于球状石墨心部的硅氧化合物是形核基质中的组分，有促进石墨形核的作用。

在铁水中碳=3.75%，硅=2.8%---4.2%的球墨铸铁中，每增加1%的硅，合金冷却时转变温度（Ar1）提高47摄氏度。Ar1提高将会增加铁素体含量，相应减少珠光体含量。因此，制造珠光体球墨铸铁件时，在避免渗碳体组织生成条件下，可在上述范围内，选择较低的含硅量，在较小薄壁铸件中，硅的质量分数应选取中限或下限。薄壁铸件在成分范围内选择硅的上限含量。厚壁铸件则需适当降低含硅量。

硅还提高球墨铸铁淬透性，铸件避免珠光体转变的临界冷却速度随含硅量提高而降低。基体含碳量越高，降低程度越明显。

值得注意的是，铁素体球墨铸铁中，硅量过高（例如耐热铁素体球墨铸铁）会使韧-脆性转变温度上升。对铸铁低温性能也存在不良影响。特别是球墨含磷量较高时，低温脆性对硅质量分数非常敏感。

以固溶状态存在的硅能在球墨铸铁中发挥固溶强化作用。＜5%的硅含量可使球墨铸铁的抗拉强度和硬度都有所提高，但是断后伸长率和冲击韧性值随含硅量提高而连续下降（如下图2-2所示），冲击韧度急剧下降。

一般球墨铸铁中，硅的质量分数可在以下范围内选择：铁素体球墨铸件中硅含量控制在：2.4%---3%，珠光体球墨铸铁中硅控制在：2.1%---2.6……。有些耐腐蚀铸件采用高硅铁素体球墨铸铁，其含硅量超过上述范围，这磷矿铸件需采用低碳成分，例如碳=2%--2.5，以保持合适的碳当量。另外铸件还需添加合金元素（例如钼），并严格控制磷含量，以避免冲击韧度过低的铸件在应中发生脆裂。

铸态使用的球墨铸铁件，碳和硅质量分数可选碳=3.6%--3.8%。硅=2.1—2.5.碳当量=4.3---4.5，再根据铸件厚度、孕育处理工艺等条件在以上范围内确定硅含量、以身试法球墨铸铁的碳、硅量可以调整基体铁素体和珠光体体积分数。如下图（2—3）显示的各种模数（铸件体积/铸件散热表面积）球墨铸铁中碳、硅含量与铁素体体积分数（%）的关系。

图中曲线是根据铁水（锰）＜0.01%，碳、硅含量不同的一组铁水试验数据描绘出来的。

试棒直径12---38毫米，采用硅铁镁和镍镁合金复合球化剂处理，加入75硅铁0.5%进行孕育处理。由图可见，散热较快的低械数铸件，即使碳、硅含量量，锰量很低，也难以获得纯铁素体组织，这是因为冷速高，从奥氏体中脱溶的碳不能充分扩散所致。随着模数增加，热量散失着缓，避免碳化物的临界碳、硅逐渐降低。硅量较高时，这种差异较为明显。

下图（2---4）显示各种模数铸件为避免出现渗面体时，碳和硅质量分数的关系。铸件含硅相同时，为了避免碳化物析出，小模数铸件（冷速高）需要较高的碳当量。由此图可以看出，碳促进石墨化的能力比硅强。如果碳质量分数减小时，硅质量分数必须增加。

考虑到所需的基体组织、铸件壁厚、抑制渗碳体析出、保持良好冲击韧性、避免石墨飘浮等因素，未完待续……