2.3　微量元素

球墨铸铁开发应用以来，人们陆续发现一些微量元素（千分之几到万分之几）对铸件组织和性能产生显著影响。这些元素中，有的能够改变基体金属组织，改善球状石墨形态、防止石墨畸变、增加石墨球数，有助于提高和改变球墨铸铁力学性能。在不同情况下，也有干扰石墨球化的能力。这些元素多是表面活性元素，与球化元素（镁、铈）有较强亲和力，形成化合物后，能削弱球化元素的作用，使石墨晶体不能按形成球状石墨的模式生长而产生畸形石墨。微量元素的作用，常与其在铁水中的质量分数有关，其含量在一定范围内时，可能发挥有益作用。超过界限含量则有害无益。

下面简要介绍几种微量元素的作用。

2.3.1　锡

锡是促进珠光体生成的元素。在球墨铸铁凝固过程中，锡偏析于球状石墨和基体金属相邻的界面上，形成锡的富集层。这个稳定的高锡表层，能够有效地抑制碳在奥氏体中向球状石墨表面扩散，因此能够减缓或抑制铁素体析出，促进珠光体形成。

有文献指出，在球墨铸铁中加入质量分数为0.06%Sn，并配合加入少量稀土元素，可使基体中的珠光体量明显增加。

锡稳定珠光体的能力很强，远超过铜稳定珠光体的能力。但是发现，锡和铜复合加入时，铜显著促进锡发挥其作用。锡和铜同时加入铁水，球墨铸铁基体中铁素体体积分数列于表2-4。

锡显著增加基体中珠光体体积分数，提高铸件抗拉强度，也能改善材料的冲击韧度。对镁球墨铸铁力学性能和基体组织的影响与锑类似。图2-14显示锡质量分数对镁球墨铸铁抗拉强度的影响。

制取珠光体球墨铸铁加入微量锡是有益的。在厚大断面球墨铸铁件中锡也能强化石墨球周围基体金属，从而防止球状石墨蜕化为块状石墨。但是锡也是干扰石墨球化的元素，当其质量分数超过0.07%，就会使石墨形状恶化，出现蠕虫石墨、块状石墨，使材料冲击韧度下降和脆-韧性转变温度升高。S.I.Karsay曾提出防止块状石墨的合适加锡量。表2-5列出ω（Si）=2.0%～2.5%厚断面球墨铸铁件推荐的加锡量。除严格限制其加入量外还需采用稀土硅铁镁球化剂进行球化处理，利用稀土元素中和锡的有害作用。锡在奥氏体中的溶解度极限很低，超过极限溶解量的锡将偏析与晶界，形成脆性相FeSn2，显著增加球墨铸铁脆性。当铸件含锡量达到0.15%，脆化现象就十分显著了。

锡的熔点231.91℃，沸点2690℃。沸点远超过原铁水的过热温度。因此锡可在出铁时直接加入包中，获得较高的吸收率。

2.3.2　锑

含锑球墨铸铁开发应用比较早。特别是在铁水中加入锑生产厚壁铸件（如汽车曲轴）应用研究较为深入，技术上也比较成熟，应用效果很好。

锑富集在球状石墨周围的奥氏体内，能降低共晶转变过冷度，阻止奥氏体中的碳向石墨扩散，抑制铁素体析出，促进珠光体形成。含锑球墨铸铁的共晶转变温度下降到540～700℃，珠光体组织得到细化。加锑并经过合适孕育处理的球墨铸铁中球状石墨变得非常圆整，石墨球数增加。例如200mm厚断面球墨铸铁件中加入0.005%Sb,球数比不加锑时增加1倍。铁中含锑量超过0.003%即可使珠光体含量增加。但是生产珠光体球墨铸铁时，加锑量则需增加到0.006%～0.010%。

锑不但增加珠光含量，还能使厚断面铸件中石墨球数增加，形态趋于圆整。但是过量加入锑会干扰石墨球化，产生碎块石墨，影响球墨铸铁力学性能。在厚大断面的铸件中加入适量的金属锑和稀土元素能有效消减碎块石墨，防止产生其他畸形石墨。用纯镁球化剂进行球化处理时，铁水含锑量不应超过0.03%。如果和稀土同时加入（残余稀土量0.01%～0.03%），可适当提高含锑量。稀土加入量以铸件中铈的质量分数达到0.003%为准。

在薄壁或金属模铸造球墨铸铁件时，加锑既能稳定珠光体，也能提高碳化物生成倾向。铸件的快冷部分可能出现白口层。因此需要控制残留镁量，采用瞬时孕育处理。已产生白口的铸件，需进行高温石墨化处理。

锑的熔化温度为630.5℃，沸点1440℃。因此加锑时需要控制铁水温度，超过沸点将会使锑气化而增加损耗。锑与孕育剂同时加入时吸收率较高。

2.3.3　铅

铅强烈干扰石墨球化。镁球墨铸铁含铅量超过0.008%即可使石墨发生严重畸变。

厚断面铸件中加入微量（<0.007%）铅，同时加入稀土元素（0.005%Ce）可以消除少量铅（<0.01%Pb）的有害作用，并能有效防止碎块石墨出现。

铅对球状石墨的影响机制尚不十分清楚。有文献指出：铅降低奥氏体导热能力，避免铁水凝固过程中因球状石墨周围的奥氏体层遭到破坏而产生碎块石墨。

2.3.4　铋

铋是表面活性元素。有干扰石墨球化的作用。不含稀土元素的镁球墨铸铁含铋量超过0.006%时，石墨发生畸变。

铈能抑制铋的有害作用。含有稀土元素的球墨铸铁中，铋允许含量增加到0.02%左右。适量稀土和微量铋同时存在于厚断面铸件，可以显著减少碎块石墨，在薄壁件中显著增加石墨球数。球状石墨的数量比不含铋时提高数倍。由于球数增加，基体金属中铁素体体积分数相应增加，并减少可能出现的碳化物。近些年有些铸造厂采用铋+75硅铁作为孕育剂对球墨铸铁进行孕育处理。在薄壁铸件上显示了优良的孕育效果。