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铜在铸铁生产中的作用及影响

在铁-铜系统中,铜在很大浓度范围内,可以和铁液互相溶解组成液态固溶体。1477℃时,铜在γ-Fe中的溶解度为8%,温度下降,溶解度甚至还有所增加,如温度1094℃时,溶解度可达8.5%。温度在650℃以下时,溶解度接近定值,大约在0.35%左右。室温下,铜在铁中的溶解度很小。无论是液态还是固态,铜量超过各温度下的溶解度时都会形成富铜相。铜在熔融铸铁中的溶解度大约3-5%之间,铸铁中的锰、铝、镍等元素增加铜的溶解度,而镁则减少铜的溶解度。有了镁,铜超过2%,即有含铜97%的黄色富铜相析出。铜含量增加至3.8%时,该富铜相数量大增。

铜对铸铁共晶转变温度的影响不大

铜属于微弱的石墨化元素,可以稍微降低白口倾向。铜降低共析转变温度,大约每增加1%的铜,共析温度下降6-10℃,即起稳定奥氏体的作用。铜还可以增加珠光体的数量,细化共晶团,使铸铁在正火时更容易得到珠光体组织。因此,铜在共析转变中有促进奥氏体生成珠光体,阻碍石墨化的作用。铜还可以强化铁素体,提高它的强度。铜含量在2.0%以下时,对球化率、球数、球径大小没有显著的影响,可以保证球化率达到90%以上。铜含量超过2%时,则影响球化效果,球化率急剧降低,球数急剧减少。当铜含量达到2.5%时,出现团块状石墨和黄色富铜相。富铜相的熔点比铁水温度低,石墨析出后,富铜相可能将石墨的一部分包围住,从而使石墨从球状逐渐转向团块状。

铜的反球化作用与其他元素有关

例如含钛0.04%的镁球墨铸铁,倘若含铜0.94%级出现团块状石墨,加入0.02-0.03%的铈则可抵消铜的这种反球化作用。    铜对球化效果的影响与铸件的大小厚薄有关,壁厚300mm以上的铸件加入铜3-4%可以消除铸件心部的团块状石墨。应该指出,铜的这种作用只有和稀土元素一起加入时才有效。铜促进球墨铸铁生成珠光体,其能力比镍大10倍,但只有锡的1/10。试验中大约加入铜0.5%即可使φ25mm的球墨铸铁试棒中的珠光体量达到90%;加入1.5%的铜,珠光体含量接近100%;而超过1.5%时反而会出现铁素体。铜的这种良好作用可使人们不通过热处理即可获得铸态珠光体球墨铸铁。

铜对灰铸铁的性能影响

当铜的加入量在0.5%以下时,会增加抗拉强度、屈服强度,并使弹性模量上升,但并不呈线性关系。灰铸铁含铜大约0.8%时,强度最高,随着含铜量的增加,灰铸铁的冲击韧性降低。    铜通过促进珠光体的生成和强化金属基体影响球墨铸铁的机械性能。加入少量的铜(0.5%以下)珠光体含量急剧增加,抗拉强度、屈服强度和硬度也急剧提高而延伸率急剧下降。加入量超过0.5%,基体已经全部为珠光体,但强度、硬度继续上升,延伸率不再下降。这是因为铜使金属基体得到强化的缘故。铜有细化石墨球的作用,可提高含铜球墨铸铁的疲劳强度。室温下铜在铸铁中的固溶度为0.35%,加入0.5%以上的铜改变了奥氏体和共析转变过程中碳原子的扩散速度,促进形成珠光体并细化珠光体。在铸件冷却时,特别是时效时,铜从固溶体中沉淀出来,强化了基体,显著提高了珠光体的显微硬度。增加铜含量可以增加铸件的耐磨性,进行去应力退火处理时,铜不仅不会降低硬度,还会增加HB10度左右。  

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