合金元素Cu 、Sn 對於片狀石墨鑄鐵微觀組織與機械性質之影響
收稿：100年01月05日 初審：100年02月10日
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合金元素Cu 、Sn 對於片狀石墨鑄鐵
微觀組織與機械性質之影響
楊榮顯1?游智強2
1
逢甲大學機械工程研究所 副教授
2
逢甲大學材料與製造工程碩士在職專班機械工程組 研究生
Effects of Alloying Element Cu ，Sn on the Metallographic Microstruture and Mechanial Properties of the Flake
Graphite Cast Iron
By
摘 要
本研究計畫主要目的是在探討合金元素Cu 和Sn 的單獨添加，對於呋喃樹脂模片狀石墨鑄鐵機械性質(硬度及抗拉強度等)及金相顯微組織(石墨及基地組織等)的影響。先前其他研究結果顯示，合金元素Cu 具有下列特性：(1)石墨化促進元素，約為Si 之10%~20%的能力。(2)微弱的促進石墨微細化及均一化。(3)促進波來鐵緻密化及肥粒鐵強化。(4)減少白口化及質量效應。而合金元素Sn 則具有下列特性：(1)阻礙石墨化元素。(2)不影響石墨形狀。(3)波來鐵緻密化及安定化效果。
本研究結果顯示，隨著合金元素Cu 添加量之增加(0.2~0.8%)，片狀石墨之形狀由粗大變為細小，而數量則由多變少。抗拉強度則隨著添加量之增加而有逐漸昇高之趨勢，當0.23%Cu 時為287MPa ，1.97%Cu 時則增加為343MPa 。合金元素Sn 之添加，當添加量為0.04%左右時，其抗拉強度與添加0.5％Cu 具有等同之數值。
關鍵詞：合金元素Cu,Sn 、金相顯微組織、機械性質、片狀石墨鑄鐵。
鑄造工程學刊 第37卷 第4期(第151期) 民國100年12月
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ABSTRACT
The objective of this research is to investigate the effects of adding alloying elements Cu and Sn independently on the metallographic microstructures (graphite, matrix, etc.) and mechanical properties (tensile strength, hardness, impact value, etc.). Previous studies showed that alloying element Cu has the following characteristics: (1) Enhance graphitize ability; its ability is about 10% to 20% of Si’s. (2) Promote graphite fineness and homogenization. (3) Enhance pearlite densification and ferrite strengthening. (4) Reduce the chill tendency and the mass effect. Alloying element Sn will have the following characteristics: (1) Hinder to graphite forming. (2) No affect on the graphite shape. (3) Densification and stabilization effects on pearlite.
The results indicated that, with the increasing of alloying element Cu (0.2 ~ 0.8%), the flake graphite shape varied from coarse to fine and its amount was lessened. Tensile strength is increased with the increasing of addition amount. As Cu content increased from 0.23% to 1.97%, its tensile strength changed from 287MPa to 343MPa. The tensile strength of 0.04%Sn addition has the same value with 0.5%Cu addition.
Keywords: Alloying elements Cu, Sn, metallographic microstructure, mechanical properties,
flake graphite cast iron.
一、前 言
鑄鐵在歷史上是很早就有的金屬材料，以冶金觀點而言，鑄鐵是一種鐵碳矽合金。依照石墨存在與否，可分成灰鑄鐵與白鑄鐵。按石墨型態之差異，可分為片墨鑄鐵、球墨鑄鐵、縮墨鑄鐵等。藉由各種合金元素之添加，通常可作為改善鋼鐵、非鐵等金屬材料之常溫與高溫之各種性質(物理性質、機械性質、鑄造性質及熱處理性質等)的方式
[1-5]
。
片狀石墨鑄鐵因具有適當之強度、切削
性及制震能等特性，故廣用於汽車產業、工具機產業、產業機械、電子機械、食品機械及紡織機械等零件之製作。國內鑄件的發達主要原因為國內經濟成長迅速，產業需求旺盛，所以鑄鐵產量每年均直線增加[4]。
鑄鐵提高性能的改善中較注重的是強度的提升，耐磨性、耐蝕性和韌性的改善。鑄件其材質的均勻度，良好的加工性質等都是品質上特別注重的地方。而鑄造的熔煉技
術、冷卻的條件等都會影響鑄件之材質。如果熔煉的控制不足以得到所要的高品質鑄件時，亦可以利用合金的添加來調整；經由合金的添加，所得到的機械性質，可以比起精細的熔煉技術或是熱處理所得到的結果，更為精準、經濟與滿意。
銅會促進石墨化，使波來鐵緻密，改善鑄鐵的機械性性質。含銅鑄鐵的特色是耐蝕性良好，亦可使灰鑄鐵的抗拉強度、硬度及耐磨耗性提高(6)。也可以減少薄截面及自由端激冷的困擾，其效用大約為矽的1/4。
銅為增加灰鑄鐵韌性之強有力的合金元素，且能改善灰鑄鐵的均質性。一般銅的添加量依鑄件肉厚而定，對於薄截面鑄件而言添加量約為0.5%~1%，而對於中等肉厚或是較厚截面鑄件，則通常添加1%~2%。若銅加入鑄鐵內超過3%時，鑄鐵在凝固時容易產生游離銅，以致強度降低[7]
。
錫對灰鑄鐵韌性有相當程度的改善。使用超過生成波來鐵基地所需的錫含量時，則會造成鑄鐵的脆化。錫為波來鐵促進劑與安
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定劑，在添加時對石墨有溫和的細晶化效果。因此，不但增加強度及硬度，而且可稍微提升鑄鐵的耐熱性。通常鑄鐵的含錫量不超過0.1%，超過時會降低鑄鐵之抗拉強度，然而過量的錫量並不會造成碳化物，但是將導致基地脆化的危險。此外，錫的添加，亦可用於降低斷面的敏感性，為厚斷面硬度均一化亦有裨益。錫添加量在0.1%內時可促使灰鑄鐵的基地完全波來鐵化，這將使鑄件具有較佳的強度及硬度，除此之外鑄件表面之耐磨耗性亦可得到改善[8]。
鑒於國內、外的文獻中，極少有關於鑄鐵中添加Cu 與Sn 合金之機械性質與金相顯微組織相互探討與比較的論文。因此本研究擬針對在片狀石墨鑄鐵中單獨添加合金元素Cu 與Sn 時，探討其對於片狀石墨鑄鐵之金相顯微組織與機械性質的影響，並進行系統性之解析與比較。
二、實驗方法
2.1 實驗材料與設備
本實驗是採用屬於自硬性模之呋喃樹脂模來進行造模及澆鑄，原料砂粒度為30mesh ，造模砂之重量百分比(%)為矽砂：呋喃樹脂：硬化劑=100：1：0.5，經過混練1~2分鐘後即進行造模，造模完成再放置24小時後進行澆鑄。熔解作業是利用高週波感應熔解爐，其週波數為1200～3000 Hz ，而熔解量為30 Kg (Max)，熔煉過程中須對作業程序以及對鑄件之化學成分做調整和控制。熔煉至除渣作業完成後，即將熔液升溫至1450℃左右後出湯，並進行接種處理，澆鑄溫度則設定為1400℃左右。標準條件之接種劑添加量為0.3wt%
2.2 鑄造模型示意圖
Fig.1及Fig.2所示為本實驗所採用之澆流系統與鑄件尺寸之示意圖。
Fig.1 The configuration of cylindrical casting (JIS G
5001).
Fig.2 The 3D view of gating system and casting.
2.3 實驗流程圖
本實驗之實驗流程圖如Fig.3所示。
R es in
R aw material s and Hardener
Mixing Moldings and Molding Melting A lloy additions
P ouring
R ec ons ider alloy
addition amount
S pec trog raphic as alys is
T es t piec es
P roduc e s pec imens C as ting qualities
T ens ile tes t
Imag e analys is Hardnes s tes t
NO
Y es Fig.3 Experimental flow chart.
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2.4 實驗條件參數
本研究是在固定之C 及Si 含量下(分別為3.0%及1.6%)，分別添加不同含量之合金元素Cu 與Sn ，澆鑄後鑄件之分光分析結果則如Table 1與Table 2所示。
Table 1 Chemical composition of finial casting with
Cu addition.
Heat No. C% Si% Cu%
I 3.06 1.63 0.23 J 3.04 1.68 0.50 L 3.04 1.69 0.61 M 3.01 1.67 0.82 N 3.03 1.68 1.03
R 2.98 1.72 1.19 S 2.98 1.75 1.73 T 2.94 1.75 1.97
Table 2 Chemical Composition of finial casting with Sn addition.
Heat No. C% Si% Sn%
O 2.98 1.68 0.027 P 2.99 1.65 0.039 Q 2.98 1.65 0.060 X 3.04 1.73 0.112 Y 3.03 1.74 0.143 Z 2.98 1.73 0.173
2.5 拉伸試驗
將各種不同條件下澆鑄所得JIS G5001規範之試棒，加工成JIS Z2201規範中之4號標準試片，並以萬能強度試驗機來進行常溫拉伸試驗，拉伸速率5mm/min ，以獲得抗拉強
度值。試驗試片規格與製作如下述:
利用鐵鎚將澆鑄所得之四根圓型鑄件試棒敲下，再利用高速車床加工成標準規範為JIS Z2201中的8號C 試片之拉伸試棒，如Fig.4所示，直徑為30mm ，平行部長度P 約為20mm ，截面直徑D 為20mm ，圓角R 為40mm 以上。
Fig.4 Configuration of JIS Z2201 No.8 specimens.
2.6 金相顯微組織觀察與分析 將自各種不同條件下澆鑄所得拉伸試片上切取適當大小尺寸之試片，利用光學式顯微鏡來觀察試片之金相顯微組織，並加以探討各種組織構成相之分布狀態、佔有之面積率等。金相試驗流程如下所述。 2.6.1 取樣
試驗所需的部分皆取自鑄件(試棒)上同
一個的部份其位置如Fig.5所示。
Fig.5 The configuration of the sample of
metallographic microstructure test on the casting.
2.6.2 研磨
將試片以100、400、800、1200及1500 mesh 的砂紙進行研磨，試片順90°分別旋轉
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且單一方向研磨。 2.6.3 拋光
經過1500mesh 研磨後，需再利用Al 2O 3所調製的拋光液(粒徑為0.3m 及0.05m)，配合拋光布做拋光動作。 2.6.4 腐蝕
經過拋光好的試片，浸入腐蝕液(濃度為3%的nital 液)經過適當時間拿起並以酒精(乙醇)沖洗並吹乾。 2.7 硬度試驗
為了解每個實驗條件的硬度值，以金相試片作為硬度試片，利用勃氏硬度(Brinell
hardness tester)計來做硬度測試。
三、結果與討論
本研究主要是探討合金元素Cu 及Sn 添加量對於片狀石墨鑄鐵之顯微組織與機械性質之影響，標準鑄造參數設定為接種劑添加量為0.3wt%，澆鑄溫度為1450℃，實驗結果分述如下。 3.1 顯微組織
3.1.1 合金元素Cu 之添加 3.1.1.1 對石墨之影響
在片狀石墨鑄鐵中添加不同含量合金元素Cu 後之金相顯微組織圖(100倍)分別如Fig.6、Fig.7及Fig.8所示。
Fig.6 OM microstructure of specimen. I.(0.23% Cu)
Fig.7 OM microstructure of specimen. N.(1.03% Cu)
Fig.8 OM microstructure of specimen T. (1.97 % Cu)
Fig.6~Fig.8所示為合金元素Cu 之添加量分別為0.23%、1.03%及1.97%時之顯微組織圖。由圖可知，隨著添加量之增加，其片狀石墨由粗大逐漸變為細小，亦即有逐漸微細化之現象。
3.1.1.2對基地組織之影響
本實驗採用合金元素Cu 多組添加量來做比較；其中取微量(0.23%)、少量(1.03%)及中量(1.97%)之顯微組織圖(500倍)，如Fig.9、Fig.10及Fig.11所示： 100
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Fig.9 OM microstructure of specimen I. (0.23% Cu)
Fig.10 OM microstructure of specimen N.(1.03% Cu)
Fig.11 OM microstructure of specimen T.(1.97% Cu)
由圖可知，隨著合金元素Cu 添加量之增加，波來鐵有逐漸緻密化之趨勢，此結果與文獻[6]中提及Cu 會促進波來鐵緻密化之結果相吻合。
利用上述Fig.9~Fig.11金相圖做影像分析，進行石墨及波來鐵面積率之分析後，其結果如Fig.12所示。由Fig.12可知， (0.23% Cu)、 (0.5% Cu)及(0.61% Cu)之石墨與波來鐵面積率並無明顯變化；但試片M →T (0.82% Cu →1.97% Cu)則隨著含量的漸增，石墨面積率有稍微下降的趨勢，而波來鐵面積率則有
些微上升的趨勢。
Fig.12 The relation between the area percentage of
graphite ,pearlite and specimen.
3.1.2合金元素Sn 之添加 3.1.2.1對石墨之影響
本實驗採用合金元素Sn 之多組添加量來做比較，分別取三組較具代表性，為微量0.027% Sn 、少量0.060% Sn 及中量0.173% Sn 時之金相顯微組織圖，如Fig.13、Fig.14及Fig.15所示。
Fig.13 OM microstructure of specimen O.(0.027%
Sn)
100
100
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Fig.14 OM microstructure of specimen Q.(0.060%
Sn)
Fig.15 OM microstructure of specimen Z.(0.173%
Sn)
如圖所示，隨著合金元素Sn 添加量之增加(0.027% Sn →0.060% Sn →0.173% Sn)，其片狀石墨由細長逐漸變為短小，亦即有妨礙石墨化之現象。此結果與之文獻[6]中提及Sn 為妨礙石墨化元素及不影響石墨形狀之結果相吻合。
3.1.2.2 對基地組織之影響
採用合金元素Sn 之多組添加量來做比較，分別取三組較具代表性，為微量0.027% Sn 、少量0.060% Sn 及中量0.173% Sn 時之金相顯微組織圖 (800倍) ，如Fig.16、Fig.17及Fig.18所示。
Fig.16 OM microstructure of specimen O.(0.027%
Sn)
Fig.17 OM microstructure of specimen Q.(0.060%
Sn)
Fig.18 OM microstructure of specimen Z.(0.173%
Sn)
12μ
12μ
12μ
100
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由Fig.16~Fig.18得知，其基地組織隨著Sn 含量的增加而緻密，波來鐵由較粗之波來鐵轉為較細波來鐵。
此結果與之文獻中[7]提及Sn 為波來鐵促進劑與安定劑，在添加時對波來鐵有細晶化效果，因此會增加強度及硬度的趨勢結果吻合。
將Fig.16~Fig.18之金相圖做影像分析，分析石墨及波來鐵的比例後，其結果如Fig.19所示。
Fig.19 The relation between the area percentage of
graphite pearlite and Sn content(wt%).
試片0.027%Sn 及0.06% Sn 隨著Sn 含量的漸增，則石墨面積率有稍微下降的趨勢，波來鐵面積率有稍微上升的趨勢；試片 0.06% Sn 及0.173% Sn 隨著Sn 添加量的增多，石墨面積率下降的呈現趨勢較不明顯，波來鐵面積率上升的趨勢亦相同。 3.2 機械性質
3.2.1 合金元素Cu 之添加 3.2.1.1 抗拉強度
Fig.20所示為銅添加量與抗拉強度之關係，由圖可知抗拉強度與銅的添加量有相同的趨勢,也就是抗拉強度會隨著銅的添加
量之增多而變高，0.23% Cu 試片之抗拉強度則增加為287MPa ，1.03% Cu 試片之抗拉強度為317Mpa ，1.97% Cu 試片之抗拉強度更增為343MPa 。
Fig.20 The relation between Cu content and tensile
strength.
3.2.1.2硬度
Fig.21所示為銅添加量與硬度之關係，由Fig.21可知，銅的含量越多，硬度呈現大幅上升的趨勢，0.23%Cu 試片硬度為197HB ， 1.03% Cu 試片硬度為227HB ， 而1.97% Cu 試片硬度為251HB 。而此趨勢應是當Cu 添加量增加時，基地組織之波來鐵的緻密化及面積率增加之效果所導致。
Fig.21 The relation between Cu content and hardness.
Cu, wt%
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3.2.2合金元素Sn 之添加
3.2.2.1抗拉強度
Sn 添加量與抗拉強度之關 係如Fig.22所示，亦即當錫添加量由0.027% Sn 至0.06% Sn 時，抗拉強度呈現明顯的攀升(0.027% Sn 抗拉強度為298MPa ，0.06% Sn 抗拉強度為310MPa)；當添加量超過0.06% Sn 時則抗拉強度則不會有太大的改變，呈現平緩的狀態。但是，當添加量超過0.143% Sn 時，會隨著添加量的增加而抗拉強度則明顯的逐漸降低(試片0.143% Sn 抗拉強度為311MPa ，試片0.173% Sn 抗拉強度則為272MPa)。
Fig.22 The relation between Sn content and tensile
strength.
3.2.2.2硬度
Fig.23所示為錫添加量與硬度之關係，由圖可知，硬度隨著Sn 添加量的增加，呈現大幅上升的趨勢，0.027% Sn 硬度為207HB ，0.06%Sn 硬度為217HB ，而0.173%Sn 硬度為248HB 。此Fig.23之變化趨勢可印證前述金相顯微組織觀察之結果，亦即為當Sn 添加量增加時，基地組織之波來鐵緻密化與面積率增加之效果所導致。
Fig.23 The relation between Sn content and hardness.
四、結 論
本研究主要是以片狀石墨鑄鐵FC350為目標，在固定之C 及Si 含量下，探討Cu 及Sn 添加量對於金相顯微組織與機械性質之影響，標準鑄造參數設定為接種劑添加量為0.3wt%，澆鑄溫度為1450℃，實驗結果歸納如下：
隨著Cu 添加量之增加，片狀石墨有逐漸細化之現象。值得注意的是當Cu 添加量0.61%以下時，石墨與波來鐵面積率無明顯變化。而添加量0.82% 至1.97% Cu 時，石墨面積率稍微下降，波來鐵面積率稍微上升。
隨著Sn 添加量之增加，片狀石墨由細長逐漸變為短小。當Sn 添加量0.06%以下，石墨面積率稍微下降，波來鐵面積率稍微上升。而添加量0.06% Sn 至0.173% Sn 時，石墨面積率下降的趨勢微弱，波來鐵面積率上升的趨勢亦呈現微弱。
隨著添加Cu 合金的增加，抗拉強度由287MPa 增加至343MPa ，硬度亦由197HB 增加為251HB 。
隨著添加Sn 合金的增加，抗拉強度由298MPa 增加至311MPa 。而Sn 添加量超過0.143% 時，會隨著添加量的增加而抗拉強度
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逐漸降低。但硬度隨著Sn 添加量逐漸增加，由207HB 增加為248HB 。
五、參考文獻
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铸铁的分类及特性 从铁碳相图中知道，含碳量大于 2.06%的铁碳合金称为铸铁 尽管铸铁强度、塑性、韧性较差，不能进行锻造，但它具有优良的铸造性、减摩性、切削加工等一系列性能特点；另外其生产设备和工艺简单、价格低廉，因此得到了广泛的应用。 1.铸铁的分类 铸铁的常用分类方法有两种：一是按石墨化程度；二是按石墨结晶形态。 按石墨化程度可分为： ①灰口铸铁：即在第一和第二阶段石墨化过程中都得到了充分石墨化的铸铁，其断口呈暗灰色。 ②白口铸铁：即第一、二和三阶段的石墨化全部被抑制，完全按Fe—Fe s C相图进行结晶而得到的铸铁。 ③麻口铸铁：即在第一阶段的石墨化过程中便未得到充分石墨 化的铸 铁。 按石墨结晶形态分： ①灰口铸铁：铸铁组织中的石墨形态呈片状结晶。 ②可锻铸铁：铸铁组织中的石墨形态呈固絮状。 ③球墨铸铁：铸铁组织中的石墨形态呈球状。 2.铸铁的编号基本性能及用途
(1)灰口铸铁：根据GB976 —67所规定的编号、牌号用“HT 表示灰口铸铁，后面两项数字分别表示其抗拉和抗弯强度的最低值。女口HT20 —40表示抗拉强度和抗弯强度最低值为200MN/m2 和 400MN/m2。 灰口铸铁具有优良的铸造性、切削加工性，优良的减摩性。 良好的消震性和缺口敏感性，故而灰口铸铁主要用于制造各种承受压力和要求消震性的床身、机架、复杂的箱体、壳体和经受磨擦的导轨、罐体等。 （2）可锻铸铁：按GB978 —67规定牌号以“ KT”和 “ KTZ ” 表示可锻铸铁，其中“ KT”表示铁素体可铸铸铁， “ KTZ ”表示珠光体可锻铸铁，牌号中的两项数字表示其最低抗拉强度和延伸率。 可锻铸铁的机械性能，特别是冲击韧性普遍较灰口铸铁高，但由于其成本高，故而应用不是很广泛，主要用于制造一些小型铸铁。 （3）球墨铸铁：按GB1348—78规定，球墨铸铁以“ QT” 表示，后面数字同可锻铸铁一样。 球墨铸铁不仅具有远远超过灰铁的机械性能，而且同样也具有灰铁的优点，如良好的减摩性、切削加工性及低的缺口敏感性，甚至可与锻钢媲美，如疲劳强度大致与中碳钢相近，耐磨性优于表面淬火钢等。此外，球墨铸铁还可适应各种热处理，使其机械性能提高到更高的水平。 球铁主要用来代替钢，如铁素体球墨铁可代替35、40#钢，珠 35CrMo、40CrMnMo 及20CrMnTi。 光体铸铁可代替
灰铸铁的热处理 退火 1.去应力退火为了消除铸件的残余应力，稳定其几何尺寸，减少或消除切削加工后产生的畸变，需要对铸件进行去应力退火。 去应力退火温度的确定，必须考虑铸铁的化学成分。普通灰铸铁当温度起过550℃时，即可能发生部分渗碳体的石墨化和粒化，使强度和硬度降低。当含有合金元素时，渗碳体开始分解的温度可提高到650℃左右。 通常，普通灰铸铁去应力退火温度以550℃为宜，低合金灰铸铁为600℃，高合金灰铸铁是可提高到650℃，加热速度一般选用60～120℃/h.保温时间决定于加热温度、铸件的大小和结构复杂程度以及对消除应力程度的要求。铸件去应力退火的冷却速度必须缓慢，以免产生二次残余内应力，冷却速度一般控制在20～40℃/h，冷却到200～150℃以下，可出炉空冷。 一些灰铸铁件的去应力退火规范示于表1. 2.石墨化退火灰铸铁件进行石墨化退火是为了降低硬度，改善加工性能，提高铸铁的塑性和韧性。 若铸件中不存在共晶渗碳体或其数量不多时，可进行低温石墨化退火；当铸件中共晶渗碳体数量较多时，须进行高温石墨化退火。 （1）低温石墨化退火，铸铁低温退火时会出现共析渗碳体石墨化与粒化，从而使铸件硬度降低，塑性增加。 灰铸铁低温石墨化退火工艺是将铸件加热到稍低于Ac1下限温度，保温一段时间使共析渗碳体分解，然后随炉冷却。
（2）高温石墨化退火，高温石墨化退火工艺是将铸件加热至高于Ac1上限以上的温度，使铸铁中的自由渗碳体分解为奥氏体和石墨，保温一段时间后根据所要求的基体组织按不同的方式进行冷却。 正火 灰铸铁正火的目的是提高铸件的强度、硬度和耐磨性，或作为表面淬火的预备热处理，改善基体组织。一般的正火是将铸件加热到Ac上限+30～50℃，使原始组织转变为奥氏体，保温一段时间后出炉空冷。形状复杂的或较重要的铸件正火处理后需再进行消除内应力的退火。如铸铁原始组织中存在过量的自由渗碳体，则必须先加热到Ac1上限+50～100℃的温度，先进行高温石墨化以消除自由渗碳体在正火温度范围内，温度愈高，硬度也愈高。因此，要求正火后的铸铁具有较高硬度和耐磨性时，可选择加热温度的上限。 正火后冷却速度影响铁素体的析出量，从而对硬度产生影响。冷速愈大，析出的铁素体数量愈少，硬度愈高。因此可采用控制冷却速度的方法）（空冷、风冷、雾冷），达到调整铸铁硬度的目的。 淬火与回火 1.淬火铸铁淬火工艺是将铸件加热到Ac1上限+30～50℃的温度，一般取850～900℃，使组织转变成奥氏体，并在此温度下保温，以增加碳在奥氏体中的溶解度，然后进行淬火，通常采用油淬。 对于形状复杂或大型铸件应缓慢加热，必要时可在500～650℃预热，以避免不均匀加热而造成开裂。 随奥氏体化温度升高，淬火后的硬度越高，但过高的奥氏体化温度，不但增加铸铁变形和开裂的危险，并产生较多的残留奥氏体，使硬度下降。 灰铸铁的淬透性与石墨大小、形状、分布、化学成分以及奥氏体晶粒度有关。
钢材中各元素对性能性的影响 1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和 冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此 用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高 还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀； 此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢 含有0.15－0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就 算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度， 故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入 1.0－1.2%的硅， 强度可提高15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀 性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具 有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低 钢的焊接性能。 3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢 中含锰0.30-0.50%,在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度， 提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点 高40%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性 能。 4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，
使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求 钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。 5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降 低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性 能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改 善切削加工性，通常称易切削钢。 6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐 磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐 腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。 7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍 对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但 由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬 钢。 8、钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高 温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发 生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以 抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化 晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18 镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。 10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶
1.0影响材料性能的因素 2.01.1碳当量对材料性能的影响字串9 决定灰铸铁性能的主要因素为石墨形态和金属基体的性能。当碳当量（）较高时，石墨的数量增加，在孕育条件不好或有微量有害元素时，石墨形状恶化。这样的石墨使金属基体能够承受负荷的有效面积减少，而且在承受负荷时产生应力集中现象，使金属基体的强度不能正常发挥，从而降低铸铁的强度。在材料中珠光体具有好的强度、硬度，而铁素体则质底较软而且强度较低。当随着 C、Si的量提高，会使珠光体量减少，铁素体量增加。因此，碳当量的提高将在石墨形状和基体组织两方面影响铸铁铸件的抗拉强度和铸件实体的硬度。在熔炼过程控制中，碳当量的控制是解决材料性能的一个很重要的因素。 1.2合金元素对材料性能的影响 在灰铸铁中的合金元素主要是指Mn、Cr、Cu、Sn、Mo等促进珠光体生成元素，这些元素含量会直接影响珠光体的含量，同时由于合金元素的加入，在一定程度上细化了石墨，使基体中铁素体的量减少甚至消失，珠光体则在一定的程度上得到细化，而且其中的铁素体由于有一定量的合金元素而得到固溶强化，使铸铁总有较高的强度性能。在熔炼过程控制中，对合金的控制同样是重要的手段。 1.3炉料配比对材料的影响字串4 过去我们一直坚持只要化学成分符合规范要求就应该能够获得符合标准机械性能材料的观点，而实际上这种观点所看到的只是常规化学成分，而忽略了一些合金元素和有害元素在其中所起的作用。如生铁是Ti的主要来源，因此生铁使用量的多少会直接影响材料中Ti的含量，对材料机械性能产生很大的影响。同样废钢是许多合金元素的来源，因此废钢用量对铸铁的机械性能的影响是非常直接的。在电炉投入使用的初期，我们一直沿用了冲天炉的炉料配比（生铁：25~35%，废钢：30~35%）结果材料的机械性能（抗拉强度）很低，当我们意识到废钢的使用量会对铸铁的性能有影响时及时调整了废钢的用量之后，问题很快得到了解决，因此废钢在熔化控制过程中是一项非常重要的控制
各化学元素对钢材的影响 1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。 4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。 5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。
铸铁 牌 号 （白心）可锻铸铁性能及相关数据 '); //--> 材料名称：(白心)可锻铸铁 牌号：KTB450-07
标准：GB 9440-88 ●特性及适用范围： 坯料在氧化性介质中进行脱碳退火，焊接性较好，只适宜铸造壁厚在15mm以下的铸件。国内应用较少，国外有用作水暖管件的 ●化学成份：wC=2.2%～2.8%,wSi=1.0%～1.8%,wMn=0.3%～0.8%,wS≤0.2%,wP≤0.1%. ●力学性能： （1）抗拉强度σb (MPa) 当试棒直径：d=9mm时，≥400；d=12mm时，≥450；d=15mm时，≥480 （2）条件屈服强度σ0.2 (MPa） 当试棒直径：d=9mm时，≥230；d=12mm时，≥260；d=15mm时，≥280 （3）伸长率δ (％) 当试棒直径：d=9mm时，≥10；d=12mm时，≥7；d=15mm时，≥4 （4）硬度：≤220HB （5）试样尺寸，试棒直径：d=9mm；d=12mm；d=15mm ●热处理规范及金相组织： 热处理规范：（由供方定） 金相组织：小断面尺寸：铁素体。大断面尺寸：表面区域－－铁素体；中间区域－－珠光体＋铁素体＋退火碳；心部区域－－珠光体＋退火碳 中日美部分不锈钢化学成分对比表 '); //-->
球墨铸铁性能及相关数据 '); //--> 材料名称：球墨铸铁 牌号：QT600-3 标准：GB 1348-88 ●特性及适用范围： 为珠光体型球墨铸铁，具有中高等强度、中等韧性和塑性，综合性能较高，耐磨性和减振性良好，铸造工艺性能良好等特点。能通过各种热处理改变其性能。主要用于各种动力机械曲轴、凸轮轴、连接轴、连杆、齿轮、离合器片、液压缸体等零部件 ●化学成份： 碳 C ：3.56～3.85 硅 Si：1.83～2.56 锰 Mn：0.49～0.70 硫 S ：0.016～0.045 磷 P ：0.035～0.058 镁 Mg：0.041～0.067 注：RxOy:0.033～0.049 ●力学性能： 抗拉强度σb (MPa)：≥600 条件屈服强度σ0.2 (MPa)：≥370 伸长率δ (％)：≥3 硬度：190～270HB ●热处理规范及金相组织： 热处理规范：（由供方定，以下为某试样的热处理规范，供参考） 930℃，2h正火空冷， 600℃，2h，回火空冷 金相组织：珠光体＋铁素体
1、碳(C):钢中含碳量增加,屈服点与抗拉强度升高,但塑性与冲击性降低,当碳量0、23%超过时,钢的焊接性能变坏,因此用于焊接的低合金结构钢,含碳量一般不超过0、20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力,在露天料场的高碳钢就易锈蚀;此外,碳能增加钢的冷脆性与时效敏感性。 2、硅(Si):在炼钢过程中加硅作为还原剂与脱氧剂,所以镇静钢含有0、15－0、30%的硅。如果钢中含硅量超过0、50-0、60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限,屈服点与抗拉强度,故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1、0－1、2%的硅,强度可提高15－20%。硅与钼、钨、铬等结合,有提高抗腐蚀性与抗氧化的作用,可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢,具有极高的导磁率,用于电器工业做矽钢片。硅量增加,会降低钢的焊接性能。 3、锰(Mn):在炼钢过程中,锰就是良好的脱氧剂与脱硫剂,一般钢中含锰0、30－0、50%。在碳素钢中加入0、70%以上时就算“锰钢”,较一般钢量的钢不但有足够的韧性,且有较高的强度与硬度,提高钢的淬性,改善钢的热加工性能,如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性,用于挖土机铲斗,球磨机衬板等。锰量增高,减弱钢的抗腐蚀能力,降低焊接性能。 4、磷(P):在一般情况下,磷就是钢中有害元素,增加钢的冷脆性,使焊接性能变坏,降低塑性,使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0、045%,优质钢要求更低些。 5、硫(S):硫在通常情况下也就是有害元素。使钢产生热脆性,降低钢的延展性与韧性,在锻造与轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利,降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0、055%,优质钢要求小于0、040%。在钢中加入0、08-0、20%的硫,可以改善切削加工性,通常称易切削钢。 6、铬(Cr):在结构钢与工具钢中,铬能显著提高强度、硬度与耐磨性,但同时降低塑性与韧性。铬又能提高钢的抗氧化性与耐腐蚀性,因而就是不锈钢,耐热钢的重要合金元素。 7、镍(Ni):镍能提高钢的强度,而又保持良好的塑性与韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力,在高温下有防锈与耐热能力。但由于镍就是较稀缺的资源,故应尽量采用其她合金元素代用镍铬钢。 8、钼(Mo):钼能使钢的晶粒细化,提高淬透性与热强性能,在高温时保持足够的强度与抗蠕变能力(长期在高温下受到应力,发生变形,称蠕变)。结构钢中加入钼,能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。 9、钛(Ti):钛就是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密,细化晶粒力;降低时效敏感性与冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛,可避免晶间腐蚀。10、钒(V):钒就是钢的优良脱氧剂。钢中加0、5%的钒可细化组织晶粒,提高强度与韧性。钒与碳形成的碳化物,在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 11、钨(W):钨熔点高,比重大,就是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度与耐磨性。在工具钢加钨,可显著提高红硬性与热强性,作切削工具及锻模具用。 12、铌(Nb):铌能细化晶粒与降低钢的过热敏感性及回火脆性,提高强度,但塑性与韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌,可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌,可防止晶间腐蚀现象。 13、钴(Co):钴就是稀有的贵重金属,多用于特殊钢与合金中,如热强钢与磁性材料。 14、铜(Cu):武钢用大冶矿石所炼的钢,往往含有铜。铜能提高强度与韧性,特别就是大气腐蚀性能。缺点就是在热加工时容易产生热脆,铜含量超过0、5%塑性显著降低。当铜含量小于0、50%对焊接性无影响。 15、铝(Al):铝就是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝,可细化晶粒,提高冲击韧性,如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性与抗腐蚀性能,铝与铬、硅合用,可显著提高钢的高温不起皮性能与耐高温腐蚀的能力。铝的缺点就是影响钢的热加工性能、焊接性能与切削加
常用球墨铸铁的性能和特点 ①灰口铸铁。灰口铸铁的组织由石墨和基体两部分组成。基体可以是铁素体、珠光体或铁素体加珠光体，相当于钢的组织。因此铸铁的组织可以看成是钢基体上分布着石墨。 灰口铸铁包括普通灰FI铸铁和孕育铸铁两种。灰口铸铁价格便宜、应用最广泛，在各类铸铁的总产量中，灰口铸铁占 80.o％以上。影响灰口铸铁组织和性能的因素主要是化学成分和冷却速度。灰口铸铁中的碳、硅含量一般控制在碳 2.5％～ 4.0％，硅 1.0％～ 3.0％。 ②球墨铸铁管。球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合机械洼能接近于钢，因铸造性能很好、成本低廉、生产方便，在工业中得到了广泛的应用。 球墨铸铁的成分要求比较严格，与灰口铸铁相比，它的含碳量较高，通常在 4.5％～ 4.7％范围内变动，以利于石墨球化。 球墨铸铁的抗拉强度远远超过灰口铸铁，而与钢相当。因此对于承受静载的零件，使用球墨铸铁比铸钢还节省材料，而且重量更轻。不同基体的球墨铸铁，性能差别很大，球墨铸铁具有较好的疲劳强度，实验表明，球墨铸铁的扭转疲劳强度甚至超过459钢。
在实际应用中，大多数承受动载的零件是带孔或带台肩的，囡此用邀墨铸铁来岱益钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。 ③焉基铸铁。蠕墨铸铁是近十几年来发展起来的一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性和较高的耐磨性；同时又有灰口铸铁良好的铸造性能和导热性。蠕墨铸铁是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂经处理而炼成的。蠕化剂目前主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。蠕墨铸铁在生产中主要用于生产汽缸盖、汽缸套、钢锭模和液压阀等铸件。 ④可锻铸铁。可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。它有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。按退火方法不同，这种铸铁有黑心和自心两种类型。黑心可锻铸铁依靠石墨化退火来获得；白心可锻铸铁利用氧化脱碳退火来制取。 可锻铸铁常用来制造形状复杂、承受冲击和振动荷载的零件，如管接头和低压阀门等。这些零件用铸钢生产时，因铸造性能不好，工艺上困难较大，而用灰口铸铁时，又存在性能不能满足要求的问题。与球墨铸铁相比，可锻铸铁具有成本低、质量稳定、工 艺处理简单等优点。尤其对于薄壁件，球墨铸铁还容易生成白口，需要进行高温退火，这时采用可锻铸铁更为适宜。 ⑤耐磨铸铁。在铸铁中加入某些合金元素而得到。耐磨铸铁是在磨粒磨损条件下工作的铸铁，应具有高而均匀的硬度。白口铸铁就属这类耐磨铸铁。但白口铸铁脆性较大，不能承受冲击荷载，因此在生产上常采用激冷的办法来获得耐磨铸铁。 ⑥耐热铸铁。耐热铸铁是在高温下工作的铸件，如炉底板、换热器、坩埚、热处理炉内的运输链条等。在灰口铸铁中加入铝、硅和镉等元素，一方面在铸件表面形成致密的氧化膜，阻碍继续氧化；另一方面提高铸铁的临界温度，使基体变为单相铁素体，不发生石墨化过程，因此铸铁的耐热性得到改善。
1.0 影响材料性能的因素 2.01.1 碳当量对材料性能的影响字串9 决定灰铸铁性能的主要因素为石墨形态和金属基体的性能。当碳当量（）较高时，石墨的数量增加，在孕育条件不好或有微量有害元素时，石墨形状恶化。这样的石墨使金属基体能够承受负荷的有效面积减少，而且在承受负荷时产生应力集中现象，使金属基体的强度不能正常发挥，从而降低铸铁的强度。在材料中珠光体具有好的强度、硬度，而铁素体则质底较软而且强度较低。当随着 C、Si的量提咼，会使珠光体量减少，铁素体量增加。因此，碳当量的提咼将在石墨形状和基体组织两方面影响铸铁铸件的抗拉强度和铸件实体的硬度。在熔炼过程控制中，碳当量的控制是解决材料性能的一个很重要的因素。 1.2 合金元素对材料性能的影响 在灰铸铁中的合金元素主要是指Mn、Cr、Cu、Sn、Mo 等促进珠光体生成 元素，这些元素含量会直接影响珠光体的含量，同时由于合金元素的加入，在一定程度上细化了石墨，使基体中铁素体的量减少甚至消失，珠光体则在一定的程度上得到细化，而且其中的铁素体由于有一定量的合金元素而得到固溶强化，使铸铁总有较咼的强度性能。在熔炼过程控制中，对合金的控制同样是重要的手段。 1.3 炉料配比对材料的影响字串4 过去我们一直坚持只要化学成分符合规范要求就应该能够获得符合标准机械性能材料的观点，而实际上这种观点所看到的只是常规化学成分，而忽略了一些合金元素和有害元素在其中所起的作用。如生铁是Ti的主要来源，因此生铁使用量的多少会直接影响材料中Ti的含量，对材料机械性能产生很大的影响。同样废钢是许多合金元素的来源，因此废钢用量对铸铁的机械性能的影响是非常直接的。在电炉投入使用的初期，我们一直沿用了冲天炉的炉料配比（生铁：25~35%，废钢：30~35%）结果材料的机械性能（抗拉强度）很低，当我们意识到废钢的使用量会对铸铁的性能有影响时及时调整了废钢的用量之后，问题很快得到了解决，因此废钢在熔化控制过程中是一项非常重要的控制 参数。因此炉料配比对铸铁材料的机械性能有着直接的影响，是熔炼控制的重点。
（ a ）碳；含碳量越高，刚的硬度就越高，但是它的可塑性和韧性就越差． （ b ）硫；是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性． （ c ）磷；能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫作冷脆性．在优 质钢中，硫和磷要严格控制．但从另方面看，在低碳钢中含有较高的硫和磷，能使其切削易断，对改 善钢的可切削性是有利的． （ d ）锰；能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合 金钢（高锰钢）具有良好的耐磨性和其它的物理性能． （ e）硅；它可以提高钢的硬度，但是可塑性和韧性下降，电工用的钢中含有一定量的硅，能改善软 磁性能． （ f）钨；能提高钢的红硬性和热强性，并能提高钢的耐磨性． 冷镦钢成型用钢,冷镦是在室温下采用一次或多次冲击加载,广泛用于生产螺钉,销钉,螺母等标准件.冷镦 工艺可节省原料,降成本,而且通过冷作硬化提高工作的抗拉强度,改善性能,冷镦用钢必须其有良好的冷 顶锻性能,钢中S和P等杂质含量减少,对钢材的表面质量要求严格,经常采用优质碳钢,若钢的含碳钢大 于0.25%,应进行球化退火热处理,以改善钢的冷镦性能. 力学性能要求 1．屈服强度σs及变形抗力尺可能的小，这样可使单位变形力相应减小，以延长模具寿命。 2．钢材的冷变形性能要好，即材料应有较好的塑性，较低的硬度，能在较大的变形程度下不致引起产品开裂。3．钢材的加工硬化敏感性尽可能的低，这样不致使冷镦变形过程中的变形力太大。 二、化学成份要求冷镦钢 1．碳（C）碳是影响钢材冷塑性变形的最主要元素。含碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低。实践证明，含碳量每提高0.1%，其屈服强度σs约提高27.4Mpa；抗拉强度σb提高58.8~78.4Mpa；而伸 长率δ则降低4.3%，断面收缩率ψ降低7.3%。由此可见，钢中含碳量对于钢材的冷塑性变形性能的 影响是很大的。在生产实际中，冷镦，冷挤用钢的含碳量大于0.25%时，要求钢材在拉拔前要进行球 化退火。对于变形程度为65%~80%的冷镦件，不经过中间退火而进行三次镦锻变形时，其含碳量不应超过0.4%。2．锰（Mn）锰在钢的冶炼中与氧化铁作用（Mn+FeO→MnO+Fe）,主要是为钢脱 氧而加入。锰在钢中硫化铁作用（Mn+FeS→MnS+Fe）,能减少硫对钢的有害作用。所形成的硫化锰，可改善钢的切削性能。锰使钢的抗拉强度σb和屈服强度σs有所提高，塑性有所降低，对于钢的冷塑 性变形是不利的。但是锰对变形力的影响仅为碳的1/4左右。所以，除特殊要求外，碳钢的含锰量，不宜超过0.9%。3．硅（Si）硅是钢在冶炼时脱氧剂的残余物。当钢中含硅量增加0.1%时，抗拉 强度σb提高13.7Mpa。经验表明，含硅量超过0.17%且含碳量较高时，对钢材的塑性降低有很大的影响。在钢中适当增加硅的含量，对钢材的综合力学性能，特别是弹性极限有利，还可增加钢的耐蚀性。但是钢中含硅量超过0.15%时，使钢急剧形成非金属夹杂物。高硅钢即使退火，也不会软化，降低钢 的冷塑性变形性能。因此，除了产品有高强度性能要求外，冷镦钢总是尽量要求减少硅的含量。 4．硫（S）硫是有害杂质。钢中的硫在冷镦时会使金属的结晶颗粒彼此分离引起裂纹，硫的存在还促使钢产生热脆和生锈，因此，含硫量应小于0.055%。优质钢应小于0.04%，由于硫、磷和锰的化合物能改善切削性能、冷镦螺母用钢的含硫量可放宽到0.08~0.12%，以有利于攻螺纹。但一般没有专为螺
一、影响灰铸铁力学性能的主要因素： 化学成分（C、Si、Mn、P、S合金元素）灰铸铁的力学性能金相组织 石墨的形状、大小、分布工艺因素和冶金因素 和数量以及基体组织 工艺、冶金因素：主要有冷却速度，铁液的过热处理、孕育处理、炉料特性等（1）关于冷却速度的影响铸铁是一种对冷却速度敏感性很大的材料，同一铸件的厚壁和薄壁部分，内部和外表都可能获得相差悬殊的组织，俗称为组织的不均匀性。因为石墨化过程在很大程度上取决于冷却速度。影响铸件冷却速度的因素较多：铸件壁厚和重量、铸型材料的种类、浇冒口和重量等等。由于铸件的壁厚、重量和结构取决于工作条件，不能随意改变，故在选择化学成分时应考虑到它们对组织的影响。 （2）关于铁液孕育处理的影响孕育处理就是在铁液进入铸件型腔前，把孕育剂附加到铁液中以改变铁液的冶金状态，从而可改善铸铁的显微组织和性能。 对灰铸铁而言，进行孕育处理是为了获得A型石墨、珠光体基体、细小共晶团的组织，以及减少铸件薄壁或边角处的白口倾向和对铸件壁厚的敏感性；对可锻铸铁而言，是为了缩短短退火周期，增大铸件的允许壁厚和改善组织的结构；对球墨铸铁而言，是为了减少铸件白口倾向，提高球化率和改善石墨的圆整性。 （3）关于铁液过热处理的影响。提高铁液过热温度可以：①增加化合碳含量和相应减少石墨碳含量，②细化石墨，并使枝晶石墨的形成，③消除铸铁的“遗传性”，④提高铸件断面上组织的均匀性，⑤有利于铸件的补缩。同样，铁液保温也有铁液过热的类似作用。 （4）关于炉料特性的影响实际生产中往往发现改变金属炉料（例如采用
不同产地的生铁或改变炉料的配比等)而化学成分似乎无变化的情况下铸铁具有不同的组织和性能，这说明原材料的性质直接影响着用它熔炼出来的铸铁的性质，称为铸铁的：“遗传性”为此，采用提高铁液温度和使用多种铁料配料可消除这种“遗传性”，并改善铸铁的组织和性能。 综上所述，铸铁的工艺因素和冶金因素对铸铁的力学性能有着很大的影响，因此，不应忽视对这些影响因素的控制。 二、灰铸铁不可用热处理的方法来达到牌号要求 一般说来，热处理能在很大程度上改善铸造合金的组织和性能，但在灰铸铁条件下，热处理所能发挥的作用相对较小。在灰铸铁中，石墨对铸铁性能的影响很大，而任何的热处理方法都不能改变石墨的形态和分布，故不可通过热处理来有效地提高灰铸铁的性能使之达到牌号要求。 但是，提高灰铸铁力学性能的方法很多，如合理选配化学成分、改变炉料组成、过热处理铁液、孕育处理、微量或低合金化等，都可取得很好效果。 三、生产高牌号灰铸铁（孕育铸铁）的注意事项 生产产高牌号灰铸铁(一般指HT200以上)时，为了获得高的力学性能，必须尽可能地减少石墨的数量、减小石墨的长度。传统的方法就是降低铁液的碳、硅含量、提高铁液的冷凝速度，但幅度稍大时就会出现D型过冷石墨及白口，反而降低灰铸铁的力学性能。 在炉前或在浇注前往铁液中添加适量的、以硅铁为主的铁合金碎粒被称作孕育处理。孕育处理在铁液中提供大量的、石墨借以生核的生核质点。有效的孕育将促进石墨的析出，从而消除白口、细化片状石墨并使过冷石墨转变为无方向性均布石墨(A型石墨)，不但可大幅度地提高综合力学性能，同时还提高铸
1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。 4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。 5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。 7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。 8、钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。 9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。 12、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。 13、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。 14、铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。 15、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削
各种元素对铸铁组织性能的影响 1.C 碳是铸铁的基本组元，在铸铁中的存在形式主要有两种，一种是以游离碳石墨的形式存在，另一种是以化合碳渗碳体的形式存在，也正是碳在铸铁中的这种存在形式可把铸铁分成许多类型可把铸铁分成许多类型,在灰铸铁中，碳的质量分数控制在2.7%-3.8%的范围内，碳主要以片状石墨形式存在，高碳灰铸铁的金相组织为铁素体和粗大的片状石墨，机械强度和硬度较低，但挠度较好；低碳灰铸铁的金相组织为珠光体和细小的片状石墨，有较高的机械强度和硬度，但挠度较差。由于灰铸铁的成分位于共晶点附近，因此具有良好的铸造性能。对于亚共晶范围的灰铸铁，增加碳含量能提高流动性，反之，对于过共晶范围的灰铸铁，只有降低碳含量才能提高流动性。在QT中含C量高，析出的石墨数量多，石墨球数多，球径尺寸小，圆整度增加。提高含C量可以减小缩松体积，减小缩松面积，使铸件致密。但是含C量过高则降低缩松作用不明显，反而出现严重的石墨漂浮，且为保证球化所需要的残余Mg量要增多。 2.Si 硅是铸铁的常存五元素之一，能减少碳在液态和固态铁中的溶解度，促进石墨的析出，因此是促进石墨化的元素，其作用为碳的1/3 左右，故增加硅量会增加石墨的数量，也会使石墨粗大；反之，减少硅量，会使石墨细小。在灰铸铁中，硅的质量分数控制在1.1%-2.7%的范围
内，一般碳硅含量低可获得较高的机械强度和硬度，但流动性稍差；反之，碳硅含量高，流动性好，机械强度和硬度较低。当薄壁铸件出现白口时，可提高碳硅含量使之变灰；当厚壁铸件出现粗大的石墨时，应适当降低碳硅含量，并达到提高机械强度和硬度的目的。Si是Fe-C 合金中能够封闭ｒ区的元素，Si使共析点的含C量降低。Si提高共析转变温度，且在QT中使铁素体增加的作用比HT要大。 HT中C、Si 都是强烈促进石墨化的元素。提高碳当量促使石墨片变粗、数量增多，强度和硬度下降。降低碳当量可以减少石墨数量、细化石墨、增加初析奥氏体枝晶数量，从而是提高灰铸铁力学性能常采取的措施。但是降低碳当量会导致铸造性能降低、铸件断面敏感性增加，硬度上升加工困难等问题。 3.Mn 锰是铸铁的常存五元素之一，除少量固溶于铁素体以外，大部分溶入共析碳化物和渗碳体中，以复合碳化物的形态存在，加强了碳化物的形成，因此是阻碍石墨化的元素，故增加锰量会增大基体组织中的珠光体数量。在灰铸铁中，锰的质量分数控制在0.5%-1.4%的范围内，主要作用有二，一是中和硫的有害作用，生成MnS及（F e、Mn）S 化合物，以颗粒状分布于机体中。这些化合物的熔点在1600℃以上，不仅无阻碍石墨化的作用，而且还可以作为石墨化非自发性晶核。二是稳定和细化珠光体，在此含量范围内，随锰含量的增加，铸铁的强度、硬度增加，而塑性和韧性降低。 在QT中Mn的作用是形成碳化物和珠光体。对于厚大断面的QT件来
灰铸铁缺陷产生的原因分析及预防措施 一、影响灰铸铁力学性能的主要因素： 化学成分（C、Si、Mn、P、S合金元素）灰铸铁的力学性能金相组织 石墨的形状、大小、分布工艺因素和冶金因素 和数量以及基体组织 工艺、冶金因素：主要有冷却速度，铁液的过热处理、孕育处理、炉料特性等（1）关于冷却速度的影响铸铁是一种对冷却速度敏感性很大的材料，同一铸件的厚壁和薄壁部分，部和外表都可能获得相差悬殊的组织，俗称为组织的不均匀性。因为石墨化过程在很大程度上取决于冷却速度。影响铸件冷却速度的因素较多：铸件壁厚和重量、铸型材料的种类、浇冒口和重量等等。由于铸件的壁厚、重量和结构取决于工作条件，不能随意改变，故在选择化学成分时应考虑到它们对组织的影响。 （2）关于铁液孕育处理的影响孕育处理就是在铁液进入铸件型腔前，把孕育剂附加到铁液中以改变铁液的冶金状态，从而可改善铸铁的显微组织和性能。 对灰铸铁而言，进行孕育处理是为了获得A型石墨、珠光体基体、细小共晶团的组织，以及减少铸件薄壁或边角处的白口倾向和对铸件壁厚的敏感性；对可锻铸铁而言，是为了缩短短退火周期，增大铸件的允许壁厚和改善组织的结构；对球墨铸铁而言，是为了减少铸件白口倾向，提高球化率和改善石墨的圆整性。 （3）关于铁液过热处理的影响。提高铁液过热温度可以：①增加化合碳含量和相应减少石墨碳含量，②细化石墨，并使枝晶石墨的形成，③消除铸铁的“遗传性”，④提高铸件断面上组织的均匀性，⑤有利于铸件的补缩。同样，铁液保
温也有铁液过热的类似作用。 （4）关于炉料特性的影响实际生产中往往发现改变金属炉料（例如采用不同产地的生铁或改变炉料的配比等)而化学成分似乎无变化的情况下铸铁具有不同的组织和性能，这说明原材料的性质直接影响着用它熔炼出来的铸铁的性质，称为铸铁的：“遗传性”为此，采用提高铁液温度和使用多种铁料配料可消除这种“遗传性”，并改善铸铁的组织和性能。 综上所述，铸铁的工艺因素和冶金因素对铸铁的力学性能有着很大的影响，因此，不应忽视对这些影响因素的控制。 二、灰铸铁不可用热处理的方法来达到牌号要求 一般说来，热处理能在很大程度上改善铸造合金的组织和性能，但在灰铸铁条件下，热处理所能发挥的作用相对较小。在灰铸铁中，石墨对铸铁性能的影响很大，而任何的热处理方法都不能改变石墨的形态和分布，故不可通过热处理来有效地提高灰铸铁的性能使之达到牌号要求。 但是，提高灰铸铁力学性能的方法很多，如合理选配化学成分、改变炉料组成、过热处理铁液、孕育处理、微量或低合金化等，都可取得很好效果。 三、生产高牌号灰铸铁（孕育铸铁）的注意事项 生产产高牌号灰铸铁(一般指HT200以上)时，为了获得高的力学性能，必须尽可能地减少石墨的数量、减小石墨的长度。传统的方法就是降低铁液的碳、硅含量、提高铁液的冷凝速度，但幅度稍大时就会出现D型过冷石墨及白口，反而降低灰铸铁的力学性能。 在炉前或在浇注前往铁液中添加适量的、以硅铁为主的铁合金碎粒被称作
各种元素对钢材性能的影响
1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如
资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。 8、钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。 9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。 10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。 12、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀
铸铁材料的显微组织及分析 铸铁为含碳量在2%以上的铁碳合金，俗称生铁。工业用铸铁一般含碳量为2%～4%。由于碳在铁中固溶量有限，且渗碳体不稳定，适当条件下即会分解为铁和碳单质即石墨，因此在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有1%～3%的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。铸铁材料没有严格的分类，可按铸铁的使用性能、断口特征或成份特征进行分类。较为方便和常用的则是将铸铁分为七大类（见下表）。 铸铁的组织视化学成分和冷却速度而异，当铸铁凝固的冷却速度足够大时，得到白口铸铁组织，随冷却速度减小，铸铁组织依次改变为麻口铸铁、珠光体灰口铸铁、珠光体铁素体灰口铸铁和铁素体灰口铸铁；球墨铸铁是在浇铸前向灰口铸铁加入少量球化剂获得球状石墨的铸铁。球墨铸铁具备优于灰铁的强度、范性和韧性；可锻铸铁又叫可锻铸铁，由白口铸铁经过石墨化退火后制成，是一种强度韧性都较高的铸铁。
以下对生产中应用较多的铸铁成分、显微组织及其性能进行分析。 1、灰口铸铁 灰口铸铁应用最广泛，占铸铁总产量的80%以上。其中碳全部或部分以自由碳-片状石墨形式存在，因此断口呈现灰色。其显微组织根据石墨化程度的不同分为铁素体、珠光体、铁素体+珠光体灰口铸铁。而所有灰口铸铁组织的共同特征是，在这些铸铁的组织总有一个相当于钢的组织的金属基体，在这基体上分布着片状石墨。 由于石墨片对钢基体产生割裂作用，破坏了钢基体的连续性、完整性，减少了钢基体的有效面积，使其抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于脆性材料。灰口铸铁不能承受加工变形，但是却具有优良的铸造性能，同时切削加工性能也很好。 灰铸铁的化学成分范围一般为：w（C）=2.7%～3.6%，w（Si）=1.0%～2.5%，w（Mn）=0.5%～1.3%，w（P）≤0.3%，w（S）≤0.15%。 （1）未经浸蚀的灰口铸铁 为了研究石墨的形状和分布，一般均先观察未经腐蚀的样品。由于片状石墨无反光能力，故试样未经腐蚀即可看出灰黑色。石墨性脆，在磨制时容易脱落，在显微镜下表现为空洞。 未经腐蚀的基体在显微镜下呈现白亮色，黑色条状物即为石墨。