行業知識 | 合金鐵影響鑄鐵產業中的五大元素
CP-MG 20181001 13:00
資料來源：RZHENGQIAO
圖片來源：澄柏國際 CP-MG
鑄鐵中的五大元素是指：碳 C、矽 Si、錳 Mn、硫 S、磷 P。
碳和矽是普通灰鑄鐵中兩個最主要的化學元素，他們對鑄鐵的組織和性能有著決定性的影響，生產中經常通控制與調整碳和矽的含量來控制和改善普通灰鑄鐵的組織與性能。
碳 C：
碳本身就是構成石墨的元素，增加含碳量能使石墨的均質晶核增多，也能使鐵液中未溶解的石墨夾雜物增多，使石墨非均質晶核增多，從而可以提高鐵液的實際結晶溫度。因此，碳，碳鑄鐵中是促進石墨的元素。但含碳量過高，會使鑄鐵的石墨化程度增大，石墨粗大，基體中球光體減少，鐵素體增多，使鑄件力學性能降低。為了提高鑄鐵的強度，使組織中的石墨細化，數量減少，珠光體增加，就需要適當降低鑄鐵中的含碳量。
矽 Si：
矽是強烈促進石墨化的元素。增加含矽量可使鑄鐵的石墨化程度增大，基體組織中鐵素體量增加而珠光體量減少。若含矽量過低，石墨化不良，則易出現麻口或白口組織。但矽含量過高，易使石墨粗大，力學性能降低。並且，在爐料的添加順序當中，要嚴格遵守先增錳，再增碳，再增矽的工序要求。如果鑄鐵中不需要加錳，則遵守先增碳，後增矽的原則。因為矽和硫一樣，都有影響增碳劑吸收作用。
錳 Mn：
錳是阻礙石墨化的元素，它使鑄鐵基體中珠光體量增多並得到細化的珠光體。在需要保證鑄鐵的珠光體時，通常將錳含量控制在0.6%---1.2%的範圍內。錳含量過高則易使鑄鐵組織中出現自由滲碳體，呈現白口傾向。錳可以溶於鐵素體形成置換式固溶體，也可以溶解在滲碳體中形成含錳滲碳體。錳溶解在滲碳體中，會加強鐵與碳的結合能力，使滲碳體更為穩定，因而阻礙石墨化。錳對於石墨化的影響，只有在它與硫發生化學反應後，才能通過剩餘部分錶現出來。
錳和硫之間有比較大的親各力，可發生以下反應：
Mn+S=MnS
Mn+Fes=MnS+Fe
硫化錳的溶點高，在鐵液中多以固體質點存在，密度小，可人鐵液中浮出，或呈顆粒狀夾雜物存在於鑄鐵中，從而減弱硫的有害作用。為了充分發揮錳抵消硫有害作用的能力，在生產，常常利用錳對硫的抵消特性來調整錳硫比。
在鑄鐵生產，通常硫在0.08%---0.15%時，約需要0.4%---0.6%的錳與硫反應，當錳含量超過這個值時，才開始使珠光體和化合碳量增加。因此，錳加入到鑄鐵中時，開始不但不提高硬度，而且有使鑄鐵軟化的傾向。中有當錳加到一定量時，鑄鐵的強度、硬度才有所提高。
當鑄鐵中的含錳量較低、冷卻速度又較大時，會在晶粒邊界處形成三元共晶體或二元共晶體，或以富鐵的硫化物形態存在。當含錳量較高時，則能形成高熔點硫化錳（熔點約為1650度）或其他高熔點硫化物，如三硫化二鋁、硫化鉻、三硫化二鈰、硫化鎂等。
硫 S：
硫對鑄鐵石墨化的影響與其存形式有關。若硫以三元共晶體或富鐵硫化物形態存在，則因熔點低，結晶時沿晶粒邊界分佈，阻礙鐵、碳原子的擴散，從而可有力地阻礙石墨化的進行。雖然硫在固溶體和滲碳體中的溶解度很小，但卻加強了鐵碳原子間的結合力，降低了碳的活度，使共晶轉變時穩定係與亞穩定係臨界溫度之間的距離縮小，促使鑄鐵按亞穩定係進行結晶，從而阻礙石墨化。特別是當冷卻速度較大，碳、矽含量較低時，硫會促使共晶的過冷度增大，從而阻礙石墨化的作用更加強烈。因此，低碳、低矽，高硫的鐵液就易生產白口組織。
硫在鑄鐵中是有害元素，它以硫化鐵的形式完全溶解於鐵液中，並能降低碳在鐵中的溶解度（1%的硫約可降低0.5%的碳）但當鑄鑄鐵凝固後，硫在固溶體（奧氏體和鐵素體）或滲碳體中的溶解度卻很小，約在鐵液中含硫0.02%時就可形成獨立的硫化物相，其成分、性質和存在形式由鑄鐵中錳和其他元素的含量而決定。
此外，硫在鑄鐵中惡化鑄鐵的鑄造性能，當鐵液中存在大量的硫化物時，鐵液的流動性就會降低，從而造成補縮性能差，容易產生裂紋等缺陷。因此，一般將灰鑄鐵中的含硫量限制在0.1---0.12%以下。
磷 P：
磷對鑄鐵的石墨化影響不大。磷和矽一樣可使鑄鐵的共晶點左移，當鐵液中的磷含量達到1%時，可使共晶點含碳量在鐵液中減少0.3%。但與硅相反，磷會降低共晶轉變溫度。磷能完全溶解於鐵液中，但在固態下溶解度很小，並且隨著鑄鐵中含碳量的增加而減小（如在純鐵中可溶入1.2%的磷，而在含碳量3.5 %的鑄鐵鐵中只能溶解0.3%的灰）。同時，磷在固態鐵中的擴散速度慢，凝固過程中極易發生偏析而較多地集中在殘留的液體中，從而形成低熔點的磷共晶體。
在生產實踐中還發現，鑄鐵中含磷量較高時，鑄件產生粘砂、氣孔等缺陷的傾向明顯減少。磷還可以降低液相線溫度，使流動性提高，有利於獲得完整的鑄件，特別是在澆注薄壁件時，含磷量可達0.5%—0.8%。還有一些對鑄鐵的力學性能要求不高、但要求表面花紋清晰的藝術鑄件，含磷量可達1%左右。有時為了提高某些鑄鐵的耐磨性能，還會有意識地加入一些磷，如機床床身、氣缸套和活塞環等，磷含量可達0.6%以上，稱為高磷鑄鐵
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