邊秀房  孫保安
　　（山東大學材料液態結構及其遺傳性教育部重點實驗室，濟南 250061）
　　摘要
　　原料生鐵中的組織、微量元素及缺陷都會存在遺傳性。本文從成分組織、微量元素含量及分布及缺陷方面綜合比較了本溪生鐵與其他兩種生鐵的差異，并研究了三種生鐵在不同溫度下及快速冷卻條件下的組織遺傳行為。發現在石墨形態、微量元素的含量及所含缺陷方面，本溪生鐵與其他兩種生鐵均明顯不同，從鑄鐵遺傳性的角度分析了本溪生鐵優越性的根本原因。初步探討了石墨在鑄鐵組織遺傳中的作用，發現鑄鐵的遺傳是極為復雜的現象，是由組織、微量元素及缺陷三個方面機制綜合作用的結果。
　　在實際生產中，人們發現由不同產地同牌號原料生鐵配制同牌號鑄鐵，即使在熔煉工藝完全相同的情況下，其組織和性能往往有很大差異，通常將這種現象稱為鑄鐵遺傳性。鑄鐵遺傳性的概念早在本世紀20年代就已由法國學者Levi提出[1]，此后國外許多學者都對這一現象進行了廣泛而深入的研究，并對其機理進行了探討[2-5]，認為鑄鐵的遺傳性和鑄鐵的液態結構密切相關。國內也對這一現象引起了廣泛重視，并開展了相關的研究[6,7]。現代研究表明，鑄鐵遺傳性反映在三個方面[8]：（1）結構信息（組織結構特征）保留（2）成分（微量元素及合金元素）遺傳效應（3）物性特征（溶液的物理性質及凝固時的缺陷等）保存。鑄鐵的遺傳性與生鐵中的氣體，夾雜物以及所含的微量元素密切相關。近年來，隨著鑄鐵工藝的成熟，生產中由生鐵的遺傳性引起的一些鑄件質量問題日漸突出[9,10]，研究鑄鐵的遺傳性規律，從原料生鐵本身提高最終鑄件的質量，挖掘現有材料的潛力，對提高我國鑄鐵件的質量，縮短與國外的差距具有重要意義。
　　在國內，本溪鑄造生鐵是生產鑄鐵件的優質原料，素有“人參鐵”美譽，尤其在生產球墨鑄鐵方面，具有其他生鐵不可比擬的優勢。在相同條件下，由本溪生鐵處理成的球鐵不僅金相組織好，而且由本溪生鐵可以直接生產鑄態鐵素體球鐵，不需要熱處理工序。對于本溪生鐵性能好的原因，過去一般認為其低磷低硫，雜質含量少，近來研究發現本溪生鐵中的主要微量元素含量遠比國內其他產地生鐵的低，處于國外高純生鐵含量的下限或低于下限[11].本文從組織、微量元素及鑄造缺陷（縮孔、縮松等）三個方面對本溪生鐵和其他產地的生鐵進行了研究和對比，并從鑄鐵遺傳性的角度綜合探討了本溪生鐵優越性的根本原因，進而探討鑄鐵遺傳性機制，為從原料生鐵本身提高鑄件的性能和質量提供必要的指導。
　　一、成分和組織
　　為了便于分析比較，我們選取本溪和其他兩個產地（A地、B地）的球鐵用生鐵（本溪和B地為Q10，A地為Q12）進行了對比。三種生鐵的常規元素的含量（質量分數）如表1
　　表1：三種生鐵的化學成分

　　從表1看出，本溪生鐵的Mn，S，P含量和其余兩種生鐵相差不多，本溪生鐵的含S量甚至還略高于A地，說明Mn，S，P含量并不是造成本溪生鐵優越性的根本原因。在成分上，三種生鐵的顯著區別是本溪生鐵的含硅量明顯比其余兩種生鐵偏低。
　　三種生鐵的石墨形態比較，如圖（1）所示：從金相圖片可以看出，本溪生鐵和另外兩種生鐵的石墨形態明顯不同。A地和B地的生鐵的石墨為C型石墨，由粗大的片狀初生石墨和部分帶尖角塊狀石墨及許多細小的片狀石墨構成。而在本溪生鐵中，石墨為F型，由許多蜘蛛狀石墨與細小的片狀石墨均勻混合而組成，幾乎沒有粗大的片狀石墨存在。之所以會出現這種情況，我們認為這與本溪生鐵的化學成分有關。從表1看出，本溪生鐵的碳含量和Si含量比其余兩種生鐵明顯偏低，尤其是Si含量僅為0.65，這樣本溪生鐵的碳當量CE約為4.23, 接近共晶點，鐵液凝固時只有共晶石墨析出，至于石墨呈蜘蛛狀，可能與本溪生鐵的微量元素的含量有關。而A、B兩地生鐵的Si含量比較高，碳當量遠遠偏離鑄鐵共晶成分，因此在凝固時有粗大的片狀初生石墨析出。硅含量偏低從而使成分接近共晶點，是本溪生鐵與其余兩種生鐵的顯著區別。
　　本溪生鐵的基體組織和其他兩種生鐵的基體組織也有所不同。三種生鐵的基體組織如圖（2）所示，A、B兩地生鐵的基體均為珠光體和少量的鐵素體組成，本溪生鐵的基體為珠光體和萊氏體，這說明本溪生鐵凝固時一部分鐵液按穩定系結晶，而另一部分鐵液按介穩定系結晶，碳同時以石墨和滲碳體的形式存在于凝固后的生鐵中，而其余兩種生鐵在凝固時完全按穩定系結晶，得到完全的石墨。這種差異同樣可由三種生鐵的化學成分來解釋。一般來說，碳和硅是影響鑄鐵的組織和性能的兩個最主要的合金元素。碳是鑄鐵中產生石墨的基礎，含碳量增加容易形成較多的石墨自發晶核，并能增加碳原子之間的結合能力，因此碳能促進石墨化。硅也是促進石墨化的元素，且作用比碳還大。從表1中看出，和A、B兩地生鐵相比，本溪生鐵的碳和硅的含量均比較低，尤其是硅的含量，因此只能促進部分碳石墨化，鐵液在凝固時按混合方式凝固，從而使基體中出現萊氏體和珠光體的混合組織。

 


 
圖1、本溪生鐵和A、B兩地生鐵的石墨形態對比；（a）本溪 （b）A地 （c）B地
 
 


圖2 三種生鐵的基體組織比較：（a）本溪 （b）A地（c）B地

　　綜上所述，本溪生鐵無論在石墨的形態上還是在基體組織上，與其他產地生鐵都不同。為了研究鑄鐵的組織遺傳性規律，我們對三種生鐵在不同的溫度條件下進行了重熔。圖3為較低的溫度下（1400℃左右）重熔后三種生鐵的金相組織。對比圖1和圖3容易發現，重熔后本溪生鐵的石墨仍然為F型，石墨呈星狀和蜘蛛狀，無粗大的片狀石墨出現；而其余兩種生鐵中粗大的片狀石墨及尖角塊狀石墨仍然存在，重熔前后生鐵中的石墨形態存在相似性，說明在過熱度不高的情況下，鑄鐵的組織具有遺傳性。研究表明，在過熱度不大的情況下，鑄鐵熔體處于微觀不均勻的狀態[12], 熔體各組元的微觀成分不均勻，熔體部分的保持著原始爐料所固有的原子集團和組織[13]。為此，我們將本溪生鐵和A鐵在1400℃左右熔化后進行銅模淬冷，淬冷后的金相組織如圖4所示。從圖中看出，兩種生鐵在淬冷后的基體組織上都有石墨存在，但石墨的形態有所區別，本溪生鐵中的石墨球比A鐵中的石墨球細小，均勻，且A鐵中還有片狀石墨存在，這說明在1400℃左右熔化時，鑄鐵中的石墨并未完全溶解，在快速冷卻過程中，鐵液快淬形成基體，而未溶解的石墨便保留下來，鑲嵌在基體中。本溪生鐵中石墨呈蜘蛛狀和星狀，且分布比較均勻，過熱度不高時這些石墨便部分溶解在鐵液中，成為細小的石墨球，而A鐵中的石墨為粗大的片狀和尖角塊狀，在熔化時也部分溶解，甚至在鐵液中仍然保持片狀石墨的特征，在緩慢冷卻時這些石墨的特征便保留下來，從而造成鑄鐵的組織遺傳性。由此我們還可以得到本溪生鐵球化性能好的根本原因。在球鐵實際生產中，一般熔煉溫度大約在1400℃左右，而此溫度下生鐵中的石墨并未完全溶解在鐵液中，保留著熔化前石墨的特征，因此生鐵中原始石墨形態將會對隨后的球化處理有重要影響。本溪生鐵中的石墨為蜘蛛狀和星狀，熔化后得到比較細小和均勻的石墨球存在于鐵液中，因此在隨后的球化處理易于處理成球狀，而且凝固后得到的石墨球比較均勻，規整。而對一些含有粗大片狀石墨的生鐵，在熔化后仍然保留片狀石墨的特征，因此在隨后的球化過程中難于球化，需要采取更為嚴格的球化處理工藝。圖5為三種生鐵高溫（1600℃）重熔后的金相組織，從圖中可以看出，經過高溫重熔后，三種生鐵的石墨均為細小的點狀，鑄鐵的組織遺傳性消失，說明在此高溫熔化時，石墨已基本溶解在鐵液中，熔體處于比較均勻的狀態。因此，在生產中提高熔煉溫度，可以縮小不同產地生鐵的遺傳性差異，提高鑄件質量的穩定性。

 
圖3. 1400℃重熔后的組織比較（a） 本溪 （b）A地 （C）B地
 
 
 

 
圖4. 在1400℃銅模淬冷后的金相組織比較（a）本溪 （b）A地
 
 


 
圖5 高溫（1600℃）重熔后三種生鐵的金相組織比較 （a）本溪 （b）A地 （C）B地
 

　　二、微量元素的含量及分布
　　微量元素對鑄鐵的質量影響很大。對球鐵的危害[14]，主要體現在以下兩個方面，一是改變石墨形狀，二是穩定碳化物和珠光體。改變石墨形狀的元素有錫、銻、砷、鋁、鈦、鉛等，穩定碳化物和珠光體的元素有錳、鉻、鉬、錫、砷、銅等，其結果球鐵的韌性降低，含量高時生產鑄態鐵素體球鐵極為困難或者根本不可能。三種生鐵的主要微量元素的含量如表2所示，從表2可以看出，本溪生鐵中主要微量元素的含量如鈦、釩、鉛、砷、錫等比其余兩種生鐵明顯偏低。本溪生鐵中鉛、砷、錫等元素的含量更是比其余兩地生鐵小一個數量級。鉛元素對球鐵生產危害極大，鉛含量即使低到十萬分之幾也使石墨不成球形，并使其性能下降。鈦也是球鐵中的主要危害元素，當生鐵中不含其他干擾元素時，鈦含量允許達到0.1％，當其他干擾元素存在時，鈦含量即使是0.08％也會改變石墨形狀。鈦是強還原劑，由于鈦的存在能把以化合狀態存在的其他干擾元素置換出來，造成危害，因此對斷面大的鑄件危害更大。為衡量生鐵中多種微量元素的綜合作用，生產中常用∑T指標。∑T＝Pb＋Sn＋Sb＋As＋Ti＋V＋Cr＋Zn。三種生鐵的∑T值列于表2，本溪生鐵的∑T值僅為0.0315％，遠遠低于其余兩種生鐵（A地和B地分別為0.1351％，0.08647％）。一般認為，用于生產球鐵的生鐵∑T值應小于0.1％，因此用本溪生鐵來生產球墨鑄鐵，微量元素的危害是非常小的。此外，球鐵的基體組織和原料生鐵中的錳、銅、鉛和銻含量有密切的關系[11]。四種元素含量較高時, 很難得到鑄態鐵素體球鐵。從表1和表2中可以看出，和其他兩種生鐵比較，本溪生鐵中四種元素的含量都是最低的，因此比較易于得到鑄態鐵素體球鐵。
　　在對三種生鐵進行真空電弧熔煉時，我們發現在熔煉后的A鐵和B鐵的樣品的上表面均出現了一些小鐵豆。鐵豆大小不一，且出現在兩種生鐵最后凝固的地方，如圖6（a）和（b）所示，而本溪生鐵在電弧熔煉后，上表面光滑，無鐵豆出現。分析發現，在這些鐵豆中石墨主要為點狀的D型石墨，分布在初生奧氏體的枝晶間，如圖7。D型石墨又稱過冷石墨，是鐵液過冷度較大的常出現的一種石墨形態。研究發現，當鐵液的碳當量較低時或含有較多的能改變鐵液過冷傾向的元素時（如Ti，V等），或在較快的冷卻速度下凝固都會促進D型石墨的形成 [15]。由于鐵豆出現在樣品的最后凝固部位，冷速不可能很快，而在電弧熔煉的條件下，由于樣品是從底部向上凝固，極易出現鐵液的成分偏析現象。對鐵豆進行電子探針線掃描分析發現，Ti元素主要聚集在初生奧氏體的枝晶間，說明在凝固過程中，Ti元素產生了成分偏析。因此，我們認為在A鐵和B鐵中出現的鐵豆是由于Ti，V等微量元素的成分偏析，使最后凝固的鐵液的過冷傾向增大造成的。而本溪生鐵中無鐵豆出現，可能是由于本溪生鐵中的微量元素含量較少不易形成成分偏析的緣故。
 
 
 

　　圖6 三種生鐵在真空電弧熔煉后的樣品上表面圖片對比 （a）A鐵 （b）B鐵 (c) 本溪

圖7電弧熔煉后鐵豆的組織（a）A鐵 （b）B鐵

　　圖8. 電弧熔煉鐵豆的電子探針線掃描分析
　　為了研究微量元素在本溪生鐵中的分布，我們對鈦、鉻、砷三種典型的微量元素進行了電子探針線掃描分析。如圖6所示，其中（a）為三種元素在蜘蛛狀石墨附近的分布，（b）為三種元素在細片狀石墨附近的分布；從圖中可以看出，三種元素的強度曲線無論在蜘蛛狀石墨還是在片狀石墨上在石墨上強度掃描曲線都有最低峰出現，說明在本溪生鐵中，三種元素含量較少，主要存在于基體中，而且在基體中分布比較均勻，幾乎沒有微觀偏析存在。
 

　　圖6 三種微量元素在本溪生鐵中的電子探針線掃描分析（a）在蜘蛛狀石墨附近（b）在細小的片狀石墨附近
　　對比上述實驗結果，我們可以看出，當微量元素含量較少時，會在鐵液中分布更均勻，不容易出現成分偏析現象，而當微量元素的含量超過某一限度時，將會導致鐵液中成分偏析嚴重，從而導致凝固時石墨形態的變化。而微量元素的不同將會導致三種生鐵凝固時表現出不同的行為，造成鑄鐵的遺傳性。在實際生產中，由于本溪生鐵的微量元素含量較少，易于生產對成分要求比較嚴格的鐵素體球鐵，而且不容易形成成分偏析現象，生產質量穩定，因此比其他產地生鐵表現出極大的優越性。
　　表2 三種生鐵的微量元素比較：

　　三、缺陷方面
　　研究發現，鑄鐵中的一些缺陷如白口、熱裂與收縮傾向、氣孔等都具有遺傳性，并對后續鑄件的性能產生影響[4]。實際生產中，在相同的工藝條件下，由本溪生鐵能得到合格的鑄件，而換用地方生鐵后，鑄件的某些部位往往出現縮松缺陷，這與鑄鐵的缺陷遺傳有關。為此，我們對原料生鐵的本身的缺陷（縮孔、縮松等）進行了分析。圖6為三種生鐵塊的橫斷面比較。可以看出，本溪生鐵橫斷面致密，無縮松，在其上部存在一個大的縮孔，而其余兩種生鐵橫斷面上沒有縮孔存在，在其上分布著許多小的縮松。在B鐵邊緣還有許多皮下氣孔存在。這說明本溪鐵液在凝固時凝固溫度范圍較窄，傾向于逐層凝固方式，而另外兩種生鐵凝固時凝固溫度范圍較窄，傾向于糊狀凝固方式。這種凝固方式的不同會對后續鑄件的質量有重要影響，逐層凝固時，鐵液的流動性好，鑄件容易得到補縮，且氣體、夾雜等容易排出，最后得到比較致密的鑄件。而糊狀凝固時，縮松易形成，鐵液的流動性差，氣體、夾雜不容易排出。因此，在實際生產中，本溪生鐵容易得到致密，縮松少的鑄件，尤其適于生產要求比較嚴格的致密鑄件。鐵液的凝固時趨向于逐層凝固，這也是本溪生鐵比其他產地生鐵優越的另一重要原因。
 
 
 
圖8 三種生鐵的橫斷面比較（a） 本溪 （b）A地 （c）B地

　　結論：
　　綜上可以看出，在組織、微量元素及本身缺陷方面，本溪生鐵與其他兩種生鐵明顯不同。本溪生鐵中石墨呈蜘蛛狀和星狀，無粗大的片狀石墨存在，微量元素含量低及生鐵組織致密，無縮松存在，而其余兩中生鐵石墨為粗大的片狀，微量元素含量高，在鐵液中極易造成偏析，且生鐵本身有大量的縮松存在，這些都導致了本溪生鐵在生產鑄鐵件尤其是球鐵時的極大的優越性。從中也可以看出，衡量一種生鐵的品質，不應該只從一個方面單獨評價（如石墨形態、微量元素的含量等），而應該從組織、微量元素以及缺陷三個方面綜合衡量。原料生鐵中的組織、成分以及缺陷都會在一定的工藝條件下產生遺傳現象，所以鑄鐵遺傳是一個極為復雜的現象，并不是一種機制（如石墨形態在組織中的遺傳）在起作用，往往是多種機制在綜合作用的結果。