2.2　合金元素

在球墨铸铁中添加合金元素是调整铸件组织、提高力学性能、改善某些物理性质的技术手段。用于改善球墨铸铁组织和性能的合金元素种类很多。下面介绍几种常用的促进石墨化元素镍、铜、硅以及碳化物形成元素钼、铬、钒。

2.2.1　铜

铜是促进石墨化元素。但其石墨化能力弱于碳和硅，可用于减弱或抵消部分碳化物形成元素的反石墨化作用。

铜在铁中的分配系数1.09，凝固时呈负偏析。多数铜原子溶于奥氏体。铜在γ铁中的溶解度高于在α铁中的溶解度，并随温度下降而减少。850℃时为2.13%，724℃（铁碳合金共析温度）时为0.68%，700℃时为0.52%。室温时下降到0.2%。铜作为合金元素加入球墨铸铁时，加入量受到它在铁中溶解度影响。为改变奥氏体转变和促进球墨铸铁中珠光体生成而加入铜的质量分数为0.8%～1.0%。铸件中铜的质量分数超过1%时，冲击韧度开始下降，超过1.2%后冲击韧度将会显著下降。

溶入奥氏体中的铜原子富集于石墨球周围，阻挡碳原子在石墨与基体之间迁移，抑制铁素体析出，因此能促进珠光体形成[3]。其促进珠光体生成的作用与镍和锰相近。同时还能有效地促使珠光体细化。较厚铸件加入1%以下铜，能显著增加铸件组织中珠光体体积分数。例如当锰的质量分数为0.30%～0.50%时，加入0.50%～0.70%Cu。球墨铸铁基体中珠光体含量可达到70%。

铜原子含量较高（>0.75%）时，应对铸件进行高温（经过奥氏体化）固溶处理和析出强化处理。目的是让ε相（富铜固溶体）质点从γ相中析出，产生析出强化作用，提高基体金属拉伸强度和硬度。但是固溶于α相中的铜原子，能够使晶格畸变。因此即使铁素体球墨铸铁含铜量低于1%，其断后伸长率也会下降（图2-8）。珠光体球墨铸铁和铁素体球墨铸铁的冲击韧性都随含铜量提高而相应降低，韧-脆性转变温度则提高。

珠光体基体；铁素体基体

铜不与碳形成碳化物。

铜与钼同时加入球墨铸铁时，铜能增强钼提高淬透性的能力。因此，为了提高球墨铸铁淬透性，常把铜和钼一起加入。单独加铜对改善球墨铸铁淬透性的效果并不十分明显。

铜能减少铸件的断面敏感性，使不同厚度的断面组织和性能趋于均匀。它对奥氏体共析转变临界温度和淬透性的影响以及固溶强化作用等性能与镍很相似。由于镍价格较高，很多工厂用铜代替部分镍。

铜增强球墨铸铁件抗大气腐蚀能力。与磷配合使用，效果更显著。

铜也能改善球墨铸铁件的耐磨性和可切削性。提高切削加工表面光洁度。机床铸件和耐腐蚀铸件常需采用含铜球墨铸铁。

铜本身不干扰石墨球化。但需注意，制取铜镁合金球化剂或为稳定珠光体、提高淬透性而使用的工业纯铜和电解铜均含有一些干扰元素，如钛、铅、铋、锑、锡、碲等。这些干扰元素影响石墨球化。发现含铜球墨铸铁内出现畸形石墨时，需加入适量稀土元素中和干扰元素的有害作用。

2.2.2　镍

镍与铁在液态无限互溶。固态下镍也能溶解于α相和γ相中。镍与碳一般不形成碳化物。图1-22（b）已经显示了镍质量分数对稳定系和亚稳定系铸铁合金共晶转变温度的影响。说明它能促进稳定共晶转变，降低铸件产生白口倾向。镍属于石墨化元素。

固态下，镍扩大奥氏体相区。这种变化很大程度上是奥氏体稳定化的结果。稳定相在相变时总是会减缓相变进程、使相变过冷度加大、铸件组织和性能发生变化。

在凝固过程中，镍呈负偏析，大部分溶于奥氏体晶粒内。镍原子强化固溶体结构，使奥氏体组织趋于稳定，提高共析过冷度，非常有效地促进珠光体生成。球墨铸铁中镍的质量分数低于5%时，质量分数每提高1%，共析转变温度约下降30℃，共析组织中碳的质量分数约减少0.05%。奥氏体转变温度下降和共析含碳量减少都直接导致共析组织层片间距减小和力学性能提高。图2-9显示镍对ω（C）=3%、ω（Si）=2.3%、ω（Mn）=0.2%、ω（Ni）=4%～8%、ω（Mo）=0.2%、ω（Mg）=0.05%等温淬火球墨铸铁铸态基体组织、拉伸强度和伸长率的影响（试棒φ25mm）[1]。

试样成分：ω（C）=3%,ω（Si）=2.3%;ω（Mn）=0.2%UB为上贝氏体，LB为下贝氏体，M为马氏体

共析转变过冷度随加镍量增加而增大。提高过冷度为稳定奥氏体创造了条件。奥氏体的稳定性与铸件壁厚（冷速）及其他元素（硅、锰）含量有关。当球墨铸铁含镍量达到14%左右，γ相已经非常稳定，γ相转变为α相的温度已经降低到室温以下。即使较缓慢地冷却，基体也能保留全部奥氏体组织，成为具有奥氏体基体的球墨铸铁件。这种类型的球墨铸铁耐腐蚀、耐高温性能十分优越，采用这种合金球墨铸铁能够制成优良的耐热件和耐蚀件。

在提高珠光体体积分数方面，镍与铜的作用相似，但是其能力优于铜。抑制铁素体生长所需的质量分数也少于铜。铸件加入1%Ni时，可在锰量降低到≤0.30%条件下获得超过70%珠光体的基体组织。厚度超过80mm的镁球墨铸铁件中，同时加入1%～1.5%Ni与0.25%～0.35%Mo，铸态基体将是珠光体+索氏体并含有少量铁素体组织。力学性能达到QT600-3牌号的要求。

镍抑制铁素体生成，能比较有效地消除白口倾向。只需加入少量镍即可将铁素体体积分数降低（<5%）。但消除游离碳化物、降低白口倾向的作用比硅差。

镍延长奥氏体等温转变的孕育时间，降低等温转变的临界冷速。同时也降低珠光体转变温度。延长奥氏体等温转变孕育时间相当于有利于厚壁铸件和复杂铸件淬火硬化。这些作用都使镍成为促进珠光体生成以及稳定珠光体组织的元素。除了稳定珠光体作用外，加镍还细化珠光体，抑制碳化物生成。镍提高铸件强度和室温冲击韧度。降低球墨铸铁韧-脆性转变温度。有利于提高低温冲击韧度。对于低温应用的铸件来说这是一项重要作用。当ω（Ni）=2%～3%时，铸件即可在低温环境应用。

镍降低马氏体点（Ms），但这方面的作用弱于锰。含镍球墨铸铁铸态组织可能出现马氏体和针状铁素体组织。观察φ30mm含镍球墨铸铁试棒铸态组织可以看到，当镍的质量分数低于5%时，基体组织均为铁素体+珠光体（碳量超过2.5%时，石墨析出量增加）。镍和碳的含量增加到一定程度，出现马氏体。如果再提高含镍量，则出现奥氏体。可以根据这样的结果，适当调整不同壁厚铸件的化学成分，制取铸态马氏体球墨铸铁件。

镍常与钼或铬一起加入。镍与钼复合应用，可以获得细密坚韧的淬火组织，而且经过等温处理可以产生强韧性很高的等温淬火基体。镍与铬也常复合应用于球墨铸铁件，这种铸件组织经过热处理也可以充分强韧化，满足铸件高抗磨能力、高强度、高韧性要求。

我国镍资源并不十分丰富。生产一般珠光体球墨铸铁件时，也应尽量利用与镍有相似作用的铜来代替。

2.2.3　硅

前面已经介绍过硅作为常存元素在球墨铸铁凝固和固态相变过程中促进石墨化和铁素体生成的作用。硅还可作为主加合金元素用于耐热和耐蚀球墨铸铁。当球墨铸铁含硅量达到4%，基体成为相变温度较高的单一铁素体组织，并使铸件表面产生保护性钝化膜，能抵抗外界介质侵入铸件。高硅耐蚀球墨铸铁硅含量达到14%，除形成保护膜外，还能提高基体阳极电位，显著改善材料抗电化学腐蚀能力。

2.2.4　钼

钼的凝固分配系数0.35%，凝固时部分溶入奥氏体。钼既降低稳定共晶转变温度也降低亚稳定共晶转变温度，属于弱碳化物形成元素。

钼不促进也不干扰石墨球化。

钼缩小γ相区，提高Ar3点，降低Ar1点。延长奥氏体转变孕育期，强烈推迟奥氏体向珠光体转变，减少奥氏体转变临界冷却速度，因而可以提高球墨铸铁的淬透性，扩大球墨铸铁件淬火硬化范围。

在球墨铸铁中单独加入少量钼（例如0.1%～0.3%）有助于铁素体形成，使石墨周围铁素体晕圈厚度增加。对珠光体的形成没有显著影响。图2-10显示钼对球墨铸铁件中不同壁厚处基体组织的影响。由于钼减缓奥氏体向珠光体转变程度大于向铁素体转变程度，因此在厚大球墨铸铁件中单独加钼时，能提高珠光体体积分数。钼与珠光体稳定元素铜、镍一起加入可以获得较好效果。

图中数字表示测得的布氏硬度值马氏体　贝氏体　珠光体+铁素体

在共析转变过程中钼阻碍碳原子扩散，降低扩散速度。因而固溶于奥氏体的钼降低共析转变速度。使珠光体的形成相应减缓。但对铁素体生成的影响相对较小。在ω（Mo）较低时，会增加铁素体体积分数（主要表现在牛眼状铁素体量增加），珠光体量相对减少。钼增加共析过冷度能有效促进共析组织细化，提高球墨铸铁的力学性能。图2-11显示在铸态铁素体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁中添加钼对材料抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、布氏硬度的影响。由图可见，钼在提高球墨铸铁强度方面效果比较明显，但是断后伸长率则下降。在提高强度方面，钼比锰、铜的作用更有效。

但当钼与促进珠光体形成元素铜、镍等元素同时加入球墨铸铁时，由于原子扩散很缓慢，使奥氏体向珠光体转变开始时间延长，开始转变温度降低。在这种情况下，奥氏体向珠光体转变的时间和温度范围都将显著增加，即使在较低冷速下，也能避免珠光体的生成。

推迟珠光体转变开始时间和转变温度还使转变所形成的共析组织趋于细密。能有效地提高珠光体球墨铸铁的力学性能。

含钼的球墨铸铁经过正火和回火，屈服强度的提高非常显著。但是断后伸长率下降较多。钼和镍同时存在时，可以改变这种情况。

铁素体球墨铸铁件在400～600℃之间缓慢冷却，或较长时间保温都会出现回火脆性，韧-脆性转变温度升高到远高于室温，室温及低温冲击韧性显著下降。这种现象在铁素体球墨铸铁退火过程中表现得更为突出。为了减轻回火脆性的影响，在铸件中添加0.15%～0.25%Mo是有效技术措施。

2.2.5　铬

铬与铁无限互相溶解。凝固时大部分铬偏析于液相。铬缩小奥氏体相区。

铬质量分数对球墨铸铁共晶转变温度的影响如图1-22（c）所示。稳定共晶转变温度随铬含量增加而降低，亚稳共晶转变温度则随铬含量增加而提高。铬与碳的亲和力很强，远大于铬与铁的亲和力。铬在一般球墨铸铁中主要形成（FeCr）3C、（FeCr）7C3等稳定的铬碳化合物，以断续网状富集于共晶团边界。由于铬的碳化物结构稳定，必须通过高温热处理才能使其分解。

铬提高共析转变温度。1%Cr可提高约10～15℃。因而铬能有效促使珠光体生成。但需要考虑的是生成珠光体的同时如何避免碳化物析出。铬和镍以1∶1.5或1∶2的比例同时加入铸件时，可以消减碳化物生成倾向。

质量分数为ω（C）=2.9%～3.14%、ω（Si）=2.9%～3.13%、ω（Mn）=0.5%球墨铸铁中含铬量对力学性能的影响如图2-12所示。

○铸态；△正火

当铁水含铬较高时，厚壁铸件中偏析于晶间残余熔液中的铬质量分数甚至可能高达10%以上，使共晶团之间产生晶间碳化物。这些碳化物还易于与磷共晶结合。对铸件力学性能特别是抗冲击能力造成很大伤害。

为避免铬对球墨铸铁力学性能的不良影响，应限制铸件中铬的质量分数。一般非合金球墨铸铁件中铬的质量分数不应超过0.15%，厚壁铸件不宜超过0.05%。高韧性球墨铸铁件应低于0.02%。为了控制铸件组织和性能，铬可以与石墨化元素同时加入。生产需含有高硬度碳化物的耐磨球墨铸铁件时，铬的含量可以根据需要提高。

2.2.6　钒

钒质量分数对球墨铸铁共晶转变温度的影响示于图1-22（d）。含钒量超过0.6%时，两条临界转变温度差小于14℃。图1-22（d）表明，达到0.8%以后，亚稳共晶转变温度高于稳定共晶转变温度。在这种情况下已难于避免共晶碳化物出现。

钒与碳亲和力很强，生成VC、V2C、V4C3等稳定化合物。这些化合物呈块状分布于基体中。含钒超过0.3%，在厚度25mm试样中即会出现含钒的共晶碳化物，其体积分数随钒的质量分数增加而增大。

球墨铸铁加入少量钒（<0.5%）对球状石墨的生长没有显著影响。

钒质量分数低于0.5%时，抗拉强度及屈服强度均随着含钒量的增加而提高。每增加0.1%V，抗拉强度就增加35MPa，屈服强度增加25MPa，但断后延伸率有所下降。冲击韧度也随含钒量增加而显著下降。脆-韧转变温则随含钒量增加而提高。钒加入量超过0.5%时，珠光体含量的增加非常显著。适合用于厚大断面的球墨铸铁件。

图2-13显示钒质量分数对铸态和经过940℃×2h+730℃×11h退火处理球墨铸铁力学性能的影响。试样成分为：ω（C）=3.44%～3.5%，ω（Si）=2.01%～2.13%，ω（Mn）=0.04%，ω（P）=0.014%。

○退火；●铸态