边秀房  孙保安
　?。ㄉ蕉笱Р牧弦禾峁辜捌湟糯越逃恐氐闶笛槭?，济南 250061）
　　摘要
　　原料生铁中的组织、微量元素及缺陷都会存在遗传性。本文从成分组织、微量元素含量及分布及缺陷方面综合比较了本溪生铁与其他两种生铁的差异，并研究了三种生铁在不同温度下及快速冷却条件下的组织遗传行为。发现在石墨形态、微量元素的含量及所含缺陷方面，本溪生铁与其他两种生铁均明显不同，从铸铁遗传性的角度分析了本溪生铁优越性的根本原因。初步探讨了石墨在铸铁组织遗传中的作用，发现铸铁的遗传是极为复杂的现象，是由组织、微量元素及缺陷三个方面机制综合作用的结果。
　　在实际生产中，人们发现由不同产地同牌号原料生铁配制同牌号铸铁，即使在熔炼工艺完全相同的情况下，其组织和性能往往有很大差异，通常将这种现象称为铸铁遗传性。铸铁遗传性的概念早在本世纪20年代就已由法国学者Levi提出[1]，此后国外许多学者都对这一现象进行了广泛而深入的研究，并对其机理进行了探讨[2-5]，认为铸铁的遗传性和铸铁的液态结构密切相关。国内也对这一现象引起了广泛重视，并开展了相关的研究[6,7]。现代研究表明，铸铁遗传性反映在三个方面[8]：（1）结构信息（组织结构特征）保留（2）成分（微量元素及合金元素）遗传效应（3）物性特征（溶液的物理性质及凝固时的缺陷等）保存。铸铁的遗传性与生铁中的气体，夹杂物以及所含的微量元素密切相关。近年来，随着铸铁工艺的成熟，生产中由生铁的遗传性引起的一些铸件质量问题日渐突出[9,10]，研究铸铁的遗传性规律，从原料生铁本身提高最终铸件的质量，挖掘现有材料的潜力，对提高我国铸铁件的质量，缩短与国外的差距具有重要意义。
　　在国内，本溪铸造生铁是生产铸铁件的优质原料，素有“人参铁”美誉，尤其在生产球墨铸铁方面，具有其他生铁不可比拟的优势。在相同条件下，由本溪生铁处理成的球铁不仅金相组织好，而且由本溪生铁可以直接生产铸态铁素体球铁，不需要热处理工序。对于本溪生铁性能好的原因，过去一般认为其低磷低硫，杂质含量少，近来研究发现本溪生铁中的主要微量元素含量远比国内其他产地生铁的低，处于国外高纯生铁含量的下限或低于下限[11].本文从组织、微量元素及铸造缺陷（缩孔、缩松等）三个方面对本溪生铁和其他产地的生铁进行了研究和对比，并从铸铁遗传性的角度综合探讨了本溪生铁优越性的根本原因，进而探讨铸铁遗传性机制，为从原料生铁本身提高铸件的性能和质量提供必要的指导。
　　一、成分和组织
　　为了便于分析比较，我们选取本溪和其他两个产地（A地、B地）的球铁用生铁（本溪和B地为Q10，A地为Q12）进行了对比。三种生铁的常规元素的含量（质量分数）如表1
　　表1：三种生铁的化学成分

　　从表1看出，本溪生铁的Mn，S，P含量和其余两种生铁相差不多，本溪生铁的含S量甚至还略高于A地，说明Mn，S，P含量并不是造成本溪生铁优越性的根本原因。在成分上，三种生铁的显著区别是本溪生铁的含硅量明显比其余两种生铁偏低。
　　三种生铁的石墨形态比较，如图（1）所示：从金相图片可以看出，本溪生铁和另外两种生铁的石墨形态明显不同。A地和B地的生铁的石墨为C型石墨，由粗大的片状初生石墨和部分带尖角块状石墨及许多细小的片状石墨构成。而在本溪生铁中，石墨为F型，由许多蜘蛛状石墨与细小的片状石墨均匀混合而组成，几乎没有粗大的片状石墨存在。之所以会出现这种情况，我们认为这与本溪生铁的化学成分有关。从表1看出，本溪生铁的碳含量和Si含量比其余两种生铁明显偏低，尤其是Si含量仅为0.65，这样本溪生铁的碳当量CE约为4.23, 接近共晶点，铁液凝固时只有共晶石墨析出，至于石墨呈蜘蛛状，可能与本溪生铁的微量元素的含量有关。而A、B两地生铁的Si含量比较高，碳当量远远偏离铸铁共晶成分，因此在凝固时有粗大的片状初生石墨析出。硅含量偏低从而使成分接近共晶点，是本溪生铁与其余两种生铁的显著区别。
　　本溪生铁的基体组织和其他两种生铁的基体组织也有所不同。三种生铁的基体组织如图（2）所示，A、B两地生铁的基体均为珠光体和少量的铁素体组成，本溪生铁的基体为珠光体和莱氏体，这说明本溪生铁凝固时一部分铁液按稳定系结晶，而另一部分铁液按介稳定系结晶，碳同时以石墨和渗碳体的形式存在于凝固后的生铁中，而其余两种生铁在凝固时完全按稳定系结晶，得到完全的石墨。这种差异同样可由三种生铁的化学成分来解释。一般来说，碳和硅是影响铸铁的组织和性能的两个最主要的合金元素。碳是铸铁中产生石墨的基础，含碳量增加容易形成较多的石墨自发晶核，并能增加碳原子之间的结合能力，因此碳能促进石墨化。硅也是促进石墨化的元素，且作用比碳还大。从表1中看出，和A、B两地生铁相比，本溪生铁的碳和硅的含量均比较低，尤其是硅的含量，因此只能促进部分碳石墨化，铁液在凝固时按混合方式凝固，从而使基体中出现莱氏体和珠光体的混合组织。

 


 
图1、本溪生铁和A、B两地生铁的石墨形态对比；（a）本溪 （b）A地 （c）B地
 
 


图2 三种生铁的基体组织比较：（a）本溪 （b）A地（c）B地

　　综上所述，本溪生铁无论在石墨的形态上还是在基体组织上，与其他产地生铁都不同。为了研究铸铁的组织遗传性规律，我们对三种生铁在不同的温度条件下进行了重熔。图3为较低的温度下（1400℃左右）重熔后三种生铁的金相组织。对比图1和图3容易发现，重熔后本溪生铁的石墨仍然为F型，石墨呈星状和蜘蛛状，无粗大的片状石墨出现；而其余两种生铁中粗大的片状石墨及尖角块状石墨仍然存在，重熔前后生铁中的石墨形态存在相似性，说明在过热度不高的情况下，铸铁的组织具有遗传性。研究表明，在过热度不大的情况下，铸铁熔体处于微观不均匀的状态[12], 熔体各组元的微观成分不均匀，熔体部分的保持着原始炉料所固有的原子集团和组织[13]。为此，我们将本溪生铁和A铁在1400℃左右熔化后进行铜模淬冷，淬冷后的金相组织如图4所示。从图中看出，两种生铁在淬冷后的基体组织上都有石墨存在，但石墨的形态有所区别，本溪生铁中的石墨球比A铁中的石墨球细小，均匀，且A铁中还有片状石墨存在，这说明在1400℃左右熔化时，铸铁中的石墨并未完全溶解，在快速冷却过程中，铁液快淬形成基体，而未溶解的石墨便保留下来，镶嵌在基体中。本溪生铁中石墨呈蜘蛛状和星状，且分布比较均匀，过热度不高时这些石墨便部分溶解在铁液中，成为细小的石墨球，而A铁中的石墨为粗大的片状和尖角块状，在熔化时也部分溶解，甚至在铁液中仍然保持片状石墨的特征，在缓慢冷却时这些石墨的特征便保留下来，从而造成铸铁的组织遗传性。由此我们还可以得到本溪生铁球化性能好的根本原因。在球铁实际生产中，一般熔炼温度大约在1400℃左右，而此温度下生铁中的石墨并未完全溶解在铁液中，保留着熔化前石墨的特征，因此生铁中原始石墨形态将会对随后的球化处理有重要影响。本溪生铁中的石墨为蜘蛛状和星状，熔化后得到比较细小和均匀的石墨球存在于铁液中，因此在随后的球化处理易于处理成球状，而且凝固后得到的石墨球比较均匀，规整。而对一些含有粗大片状石墨的生铁，在熔化后仍然保留片状石墨的特征，因此在随后的球化过程中难于球化，需要采取更为严格的球化处理工艺。图5为三种生铁高温（1600℃）重熔后的金相组织，从图中可以看出，经过高温重熔后，三种生铁的石墨均为细小的点状，铸铁的组织遗传性消失，说明在此高温熔化时，石墨已基本溶解在铁液中，熔体处于比较均匀的状态。因此，在生产中提高熔炼温度，可以缩小不同产地生铁的遗传性差异，提高铸件质量的稳定性。

 
图3. 1400℃重熔后的组织比较（a） 本溪 （b）A地 （C）B地
 
 
 

 
图4. 在1400℃铜模淬冷后的金相组织比较（a）本溪 （b）A地
 
 


 
图5 高温（1600℃）重熔后三种生铁的金相组织比较 （a）本溪 （b）A地 （C）B地
 

　　二、微量元素的含量及分布
　　微量元素对铸铁的质量影响很大。对球铁的危害[14]，主要体现在以下两个方面，一是改变石墨形状，二是稳定碳化物和珠光体。改变石墨形状的元素有锡、锑、砷、铝、钛、铅等，稳定碳化物和珠光体的元素有锰、铬、钼、锡、砷、铜等，其结果球铁的韧性降低，含量高时生产铸态铁素体球铁极为困难或者根本不可能。三种生铁的主要微量元素的含量如表2所示，从表2可以看出，本溪生铁中主要微量元素的含量如钛、钒、铅、砷、锡等比其余两种生铁明显偏低。本溪生铁中铅、砷、锡等元素的含量更是比其余两地生铁小一个数量级。铅元素对球铁生产危害极大，铅含量即使低到十万分之几也使石墨不成球形，并使其性能下降。钛也是球铁中的主要危害元素，当生铁中不含其他干扰元素时，钛含量允许达到0.1％，当其他干扰元素存在时，钛含量即使是0.08％也会改变石墨形状。钛是强还原剂，由于钛的存在能把以化合状态存在的其他干扰元素置换出来，造成危害，因此对断面大的铸件危害更大。为衡量生铁中多种微量元素的综合作用，生产中常用∑T指标。∑T＝Pb＋Sn＋Sb＋As＋Ti＋V＋Cr＋Zn。三种生铁的∑T值列于表2，本溪生铁的∑T值仅为0.0315％，远远低于其余两种生铁（A地和B地分别为0.1351％，0.08647％）。一般认为，用于生产球铁的生铁∑T值应小于0.1％，因此用本溪生铁来生产球墨铸铁，微量元素的危害是非常小的。此外，球铁的基体组织和原料生铁中的锰、铜、铅和锑含量有密切的关系[11]。四种元素含量较高时, 很难得到铸态铁素体球铁。从表1和表2中可以看出，和其他两种生铁比较，本溪生铁中四种元素的含量都是最低的，因此比较易于得到铸态铁素体球铁。
　　在对三种生铁进行真空电弧熔炼时，我们发现在熔炼后的A铁和B铁的样品的上表面均出现了一些小铁豆。铁豆大小不一，且出现在两种生铁最后凝固的地方，如图6（a）和（b）所示，而本溪生铁在电弧熔炼后，上表面光滑，无铁豆出现。分析发现，在这些铁豆中石墨主要为点状的D型石墨，分布在初生奥氏体的枝晶间，如图7。D型石墨又称过冷石墨，是铁液过冷度较大的常出现的一种石墨形态。研究发现，当铁液的碳当量较低时或含有较多的能改变铁液过冷倾向的元素时（如Ti，V等），或在较快的冷却速度下凝固都会促进D型石墨的形成 [15]。由于铁豆出现在样品的最后凝固部位，冷速不可能很快，而在电弧熔炼的条件下，由于样品是从底部向上凝固，极易出现铁液的成分偏析现象。对铁豆进行电子探针线扫描分析发现，Ti元素主要聚集在初生奥氏体的枝晶间，说明在凝固过程中，Ti元素产生了成分偏析。因此，我们认为在A铁和B铁中出现的铁豆是由于Ti，V等微量元素的成分偏析，使最后凝固的铁液的过冷倾向增大造成的。而本溪生铁中无铁豆出现，可能是由于本溪生铁中的微量元素含量较少不易形成成分偏析的缘故。
 
 
 

　　图6 三种生铁在真空电弧熔炼后的样品上表面图片对比 （a）A铁 （b）B铁 (c) 本溪

图7电弧熔炼后铁豆的组织（a）A铁 （b）B铁

　　图8. 电弧熔炼铁豆的电子探针线扫描分析
　　为了研究微量元素在本溪生铁中的分布，我们对钛、铬、砷三种典型的微量元素进行了电子探针线扫描分析。如图6所示，其中（a）为三种元素在蜘蛛状石墨附近的分布，（b）为三种元素在细片状石墨附近的分布；从图中可以看出，三种元素的强度曲线无论在蜘蛛状石墨还是在片状石墨上在石墨上强度扫描曲线都有最低峰出现，说明在本溪生铁中，三种元素含量较少，主要存在于基体中，而且在基体中分布比较均匀，几乎没有微观偏析存在。
 

　　图6 三种微量元素在本溪生铁中的电子探针线扫描分析（a）在蜘蛛状石墨附近（b）在细小的片状石墨附近
　　对比上述实验结果，我们可以看出，当微量元素含量较少时，会在铁液中分布更均匀，不容易出现成分偏析现象，而当微量元素的含量超过某一限度时，将会导致铁液中成分偏析严重，从而导致凝固时石墨形态的变化。而微量元素的不同将会导致三种生铁凝固时表现出不同的行为，造成铸铁的遗传性。在实际生产中，由于本溪生铁的微量元素含量较少，易于生产对成分要求比较严格的铁素体球铁，而且不容易形成成分偏析现象，生产质量稳定，因此比其他产地生铁表现出极大的优越性。
　　表2 三种生铁的微量元素比较：

　　三、缺陷方面
　　研究发现，铸铁中的一些缺陷如白口、热裂与收缩倾向、气孔等都具有遗传性，并对后续铸件的性能产生影响[4]。实际生产中，在相同的工艺条件下，由本溪生铁能得到合格的铸件，而换用地方生铁后，铸件的某些部位往往出现缩松缺陷，这与铸铁的缺陷遗传有关。为此，我们对原料生铁的本身的缺陷（缩孔、缩松等）进行了分析。图6为三种生铁块的横断面比较?？梢钥闯?，本溪生铁横断面致密，无缩松，在其上部存在一个大的缩孔，而其余两种生铁横断面上没有缩孔存在，在其上分布着许多小的缩松。在B铁边缘还有许多皮下气孔存在。这说明本溪铁液在凝固时凝固温度范围较窄，倾向于逐层凝固方式，而另外两种生铁凝固时凝固温度范围较窄，倾向于糊状凝固方式。这种凝固方式的不同会对后续铸件的质量有重要影响，逐层凝固时，铁液的流动性好，铸件容易得到补缩，且气体、夹杂等容易排出，最后得到比较致密的铸件。而糊状凝固时，缩松易形成，铁液的流动性差，气体、夹杂不容易排出。因此，在实际生产中，本溪生铁容易得到致密，缩松少的铸件，尤其适于生产要求比较严格的致密铸件。铁液的凝固时趋向于逐层凝固，这也是本溪生铁比其他产地生铁优越的另一重要原因。
 
 
 
图8 三种生铁的横断面比较（a） 本溪 （b）A地 （c）B地

　　结论：
　　综上可以看出，在组织、微量元素及本身缺陷方面，本溪生铁与其他两种生铁明显不同。本溪生铁中石墨呈蜘蛛状和星状，无粗大的片状石墨存在，微量元素含量低及生铁组织致密，无缩松存在，而其余两中生铁石墨为粗大的片状，微量元素含量高，在铁液中极易造成偏析，且生铁本身有大量的缩松存在，这些都导致了本溪生铁在生产铸铁件尤其是球铁时的极大的优越性。从中也可以看出，衡量一种生铁的品质，不应该只从一个方面单独评价（如石墨形态、微量元素的含量等），而应该从组织、微量元素以及缺陷三个方面综合衡量。原料生铁中的组织、成分以及缺陷都会在一定的工艺条件下产生遗传现象，所以铸铁遗传是一个极为复杂的现象，并不是一种机制（如石墨形态在组织中的遗传）在起作用，往往是多种机制在综合作用的结果。