|
原创 吴德海 铸造工程 2022-03-10 16:30 编辑导语 介绍了铸铁共析转变的概念、特点和转变产物;说明了没有其他合金的铸铁共析转变时，奥氏体中富余碳的去向问题;阐明了合金元素对铸铁共析转变温度、转变产物的影响情况和珠光体形成与生长机理;提出了降低铸件断面敏感性的途径。 图片 01 铸铁共析转变的概念 铸铁凝固后冷却到共析温度时会产生奥氏体的转变，此为共析转变。共析转变和凝固时的情形一样，可以按照稳定系统进行，也可以按照亚稳定系统进行。按照稳定系统进行转变时，形成铁素体和石墨;按照亚稳定系统进行转变时，形成珠光体，或者在冷却速度相当快的情况下形成淬火组织（马氏体）。所以，铸铁的共析转变过程决定了铸铁最终的基体组织，从而也决定了铸铁的最终性能。而影响这个过程的就是冷却速度与铸铁的化学成分，尤其是铸铁中所使用的合金类别及其含量。在平衡状态下的Fe-C合金，共析转变温度是727 ℃。但实际上，由于其它元素的存在，共析转变温度是在改变的，可能提高，也可能下降；而且不再是一个固定温度，而是一个范围。图1显示了Si、Mn对铸铁共析转变温度的影响。 图片 图1 Si 和Mn对铸铁共析温度的影响 02 无合金铸铁的共析转变组织 在一般情况下，共析过程是由面心结构的奥氏体转变为体心结构的铁素体的过程，伴随着体积的变化。由于各种元素在奥氏体和铁素体中的溶解度不同，所以有扩散去向及其难易的问题。在没有其它合金元素时，就存在着一个关键的步骤——奥氏体中的富余含碳量的去向。因为奥氏体中的含碳量在0.8%，而铁素体内仅0.02%(平衡状态下);此时，可以由奥氏体直接生成铁素体和石墨(按稳定系转变的铁素体化)，也可以间接通过预先形成的珠光体进行分解而得到铁素体和石墨(间接铁素体化)。在这两种情况下，石墨的沉淀析出具有决定性的作用。由于在此温度范围内，对于按稳定系凝固的铸铁来说，一般并不产生新的石墨晶核，所以碳原子总是移向相邻的石墨上去，并在那里进行结晶。因此，只要任何的影响因素能够促进或者加速碳原子的扩散和石墨的结晶长大，则它们就对铁素体化的进程有利;相反，只要任何的影响因素阻碍这个过程的进行，就有助于珠光体的形成。 铁素体化的速度在很大程度上取决于碳原子向其最相邻石墨沉积所要走过的路程。如果石墨的片间距越小，则碳原子的扩散距离就越短。因此，强烈分枝的D型石墨则在很大程度上有利于铁素体的形成。在球墨铸铁中石墨球数越多，碳的扩散距离越短，就越容易获得铁素体基体组织(见图2)。 图片 图2 石墨球数对铁素体量的影响 03 合金元素对铸铁共析转变的影响 3.1 合金元素对转变温度及转变产物的影响 硅可以提高共析转变温度，也可以在较高温度下结束共析转变，在高温下碳的扩散速度快，因而容易达到聚团性的铁素体化(见图3)。 图片 图3 Si 对共析转变温度和铁素体化的影响 扩散速度随着温度降低而减慢。所以，把转变温度降低，则会阻碍铁素体的形成。 提高冷却速度，会加大奥氏体的过冷度，因此就产生珠光体，或者在更大的冷却速度时，会产生贝氏体或马氏体。 所有溶解在奥氏体中的合金元素，均会使碳原子的扩散速度减慢，因而使实际的转变温度降低，这样就有助于按照亚稳定系统进行转变。 还有一种特殊的阻碍碳原子扩散的形式，这就是合金元素在奥氏体进行转变时富集在石墨附近，或者就直接富集在石墨表面上。这样，就非常有效地制止了碳原子向着石墨上的沉积，因而就必然产生珠光体。属于这样的合金元素有铜、锡以及许多微量元素。 在合金钢中，我们已经得知，合金元素可以扩大γ区或扩大α区。铜和镍可使γ区扩大并使之向下，因而有助于形成珠光体;并且，当含量更高或冷却速度更大时，则会得到马氏体组织。如果含量进一步增加，即使在室温时也会使奥氏体得到稳定。 还有一组合金元素是使α区扩大，并使共析转变温度向上。属于这组的元素有硅、铝、钼和钒。此时，由于合金元素使共析含碳量得到改变，因而也能起一定的作用。 此外，还有的合金元素会形成特殊的碳化物或者形成莱氏体型的渗碳体。由于合金元素的作用，也会改变共析渗碳体的稳定性。铬、锰、钒、钼等元素能溶解在渗碳体中，因而造成渗碳体分解的驱动力减少乃至到零。这样，也就阻碍了铁素体的形成。相反，硅和铝能使渗碳体的稳定性减弱，因而它们有助于铁素体的形成。但是，硅、铝的作用还有另外的机制，其作用结果，仍然是能改善淬透性。 在渗碳体中不溶解的元素，或者对奥氏体转变没有影响，或者阻碍碳原子在石墨上的沉积，因而延缓了奥氏体的分解，这样的元素有镍、铜、锡等。 3.2 合金元素对铸件断面敏感性的影响机理 此外，人们总是力求在所有断面上得到细珠光体组织的高强度灰铸铁铸件，这也就是说，尽可能得到断面敏感性最小的珠光体化铸件。 加入强烈形成碳化物的元素(例如铬或钒)，可在厚断面上得到珠光体基体组织;但在薄断面上会使白口倾向增大或硬度过高。因此，在附加这种合金元素时必须严格定量和加强质量控制。 如果合金元素在凝固时促进石墨化，而在共析转变时又促进珠光体的形成，那么它就能显著地减少断面敏感性。它能使铸件薄断面和厚断面的宽广范围里均得到灰口珠光体基体组织。这种合金元素就是铜和镍。当然，调整形成碳化物元素的含量，也可以得到全珠光体基体组织，但最好是采用多元合金化复合加入。 另外，钼和锡等本来都是增加白口倾向的，但是在其加入量较少的情况下，它们几乎对白口倾向没有影响，并且能显著增加珠光体量。因此，它们也能减小断面敏感性。 3.3 珠光体的形成与生长 奥氏体连续慢冷时，或者在A1点以下急速冷却后，在一定温度下保温，则发生γ→α转变，组成α+Fe3C的机械混合物，即珠光体。 对于珠光体来说，一般是从奥氏体晶粒边界和含有某种杂质的表面处，呈不均质生核，并以球形或半球形向着奥氏体中心方向生长。当然，也有在奥氏体晶粒内部生核，并以球形向其四周长大的情况，但几率很小。从研究得知，结晶构造与浓度各异的两个相(α+Fe3C)呈平行的层状结构成长。这两个相的生长方向与奥氏体的晶向没有直接关系(见图4)。 图片 图4 珠光体组织(400×) 图5是珠光体的成长过程与碳浓度的分布示意图。距离珠光体不远的地方，奥氏体的浓度是不变的。珠光体以一定的速度生长，这就是说，在珠光体的生长端部，保持恒定不变的状态。由于珠光体是由两个互相平行的、层状相所组成，所以关于它的生核问题，从来认为，构成珠光体组成之一的渗碳体是领先相，随后，在其两侧，则是低碳的α相生核。 图片 图5 珠光体长大示意图 图片 图片 04 合金铸铁的奥氏体等温转变 由于含有不产生碳化物的元素如镍、硅、铜等，以及含有产生碳化物的元素如铬、钼、钒、锰等的不同而不同。由于珠光体的生成是以Fe3C(碳化物)作为领先相(也就是作为核心)，所以，镍、硅、铜等促进石墨化元素就延迟了碳化物核心的产生，因而从一开始就延缓了转变的进行，结果使奥氏体等温转变曲线(C曲线)向右推移。图6是含镍灰铸铁与普通灰铸铁的C曲线对比。由图可以看出，由于加镍使奥氏体转变速度迟缓。相反，对于形成碳化物的合金元素来说，它们容易形成碳化物，提供了珠光体核心;可是这时的碳化物是由含有多种合金元素所组成，在奥氏体中的合金元素必须进行扩散，此时与生成Fe3C相比较，则需要更长的扩散时间，因而也使C形曲线右移。所以，无论是促进石墨化元素，还是形成碳化物元素，均使铸铁的C形曲线右移。图7是两种含锰量球墨铸铁的C形曲线，它们都在925 ℃保温50小时均匀化以后在900 ℃保温3小时正火。 图片 图6 含镍灰铸铁与普通灰铸铁的C形曲线对比 图片 图7 两种含锰量球墨铸铁的C形曲线对比 另外，贝氏体相变则是以铁素体作为核心的。这种铁素体由于碳的扩散是在每个单独的地方进行，所以不需要合金元素的扩散;由于碳的扩散比起合金元素的扩散要来的容易，所以，合金元素对于贝氏体的生核，没有过多的影响，因此，贝氏体转变曲线与珠光体转变曲线有明显的分离。图8是含钼铸铁的奥氏体等温转变曲线，其质量分数为C 2.51%，Si 2.66%，Ni 2.06%，Mo 0.51%。由于形成碳化物的元素与碳的亲和力大，其含量多，则能明显阻止碳的扩散，因而使珠光体转变延迟，结果使C形上部右移。但是，钼可使铸铁中的铁素体增多，这也就是说，钼有助于贝氏体生核，因而使C形曲线的下部左移，最后导致原来的C形曲线变成S形曲线。 图片 图8 镍钼铸铁的奥氏体等温转变曲线 05 结语 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。随着应用领域技术的发展，对铸件特种性能的要求和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;因而，弄清合金元素对铸铁组织与性能影响的机理，是十分重要的基础工作。此文是笔者关于《合金铸铁》的系列研究连载内容之四。 |
|
|
