硫对灰铸铁力学性能影响，决定于多种因素的复合作用，而且这些因素又与铸铁的实际成分和凝固过程中的诸多参数密切相关。因此，充分发挥其正面作用、消解其有害影响，是非常复杂的问题。近百年来，各国铸造行业的同仁，对于硫在灰铸铁中的作用，做了大量的研究工作，使我们对其逐步有所认知，但是，迄今为止，这方面还有广阔的空间有待进一步探索。
长时期以来，大家特别关注灰铸铁中锰和硫的协同作用，其原因是：锰是灰铸铁中常规的五元素之一，而且含量不低，仅次于碳和硅;锰与硫的亲和力强于铁，可以使铁液中的FeS还原，从而抑制FeS的负面作用;MnS是铸铁中石墨晶核中的重要组分;而且锰又是资源丰富、价格低廉的合金元素。
1929年在伦敦召开的第三届国际铸造学会上，英国铸铁研究学会(BCIRA)就发表了以《铸铁中的锰》为题的技术报告，提出控制Mn:S=1.71，以避免铸铁中形成FeS。
1、锰和硫的协同作用
灰铸铁中，锰与硫除化合形成MnS和多种复合化合物外，二者之间还有很复杂的互补、增益作用，我们应该不断深化这方面的认知。
(1)从抑制形成FeS的观点控制铸铁中硫、锰的含量
锰在灰铸铁中的一项重要作用，是抑制FeS的形成。锰的原子量为54.93，硫的原子量为32.06，二者的比值为1.71。早期，只考虑二者之间的化合关系，当灰铸铁中锰含量与硫含量的比(以下简称Mn/S比)为1.71时，即认为其处于锰硫平衡状态。含量高于平衡状态的锰，称为“超量锰”， 锰含量低于平衡状态时，则属于“硫超量”。
按此推论，灰铸铁中，1.71倍于硫含量的锰，是抑制硫的负面作用所必需的，超量锰就可以起稳定珠光体、提高灰铸铁强度的作用。实际上，按Mn/S比和超量锰的数值控制锰、硫含量的做法，在不同生产条件下应用，效果往往大相径庭。
关于锰和硫在灰铸铁中的协同作用，英国铸铁研究协会(BCIRA)在上世纪60年代就进行过比较系统的研究，美国铸造学会(AFS)也组织过有关的调查和研究。早期，大家的共同看法是：灰铸铁中的超量锰以0.2~0.3%为宜。但是，由于在不同条件下验证的结果往往差异相当大，因此，BCIRA和AFS在这方面只作了大致如下的表述：“由于各个铸造厂的熔炼方式、铸铁中的硫含量、其他合金元素的含量都不太一致，所以各厂超量锰的最佳值不尽相同，无法推荐广泛适用的超量锰数值。各铸造厂应该根据其具体熔炼条件，通过试验，确定其最合适的锰含量。具体的做法是：以0.2%为超量锰的起点，在一较长的时间内逐步改变锰含量进行试验，如每一阶段(约一个月)增加0.1%的锰，然后对铸铁性能的测试数据作综合分析，从而求得适合其作业条件和产品要求的锰含量。”按Mn/S比和超量锰控制灰铸铁中的硫、锰含量，一致性是不能令人满意的，现在看来，一个重要的原因是没有考虑到最后残留在铁液中的自由硫的作用。
(2)按硫化锰在铸铁中的溶解度控制铸铁中硫、锰的含量
硫、锰含量(质量百分数)的乘积(%Mn×%S)是计算MnS生成自由能的平衡常数。不同温度下，铁液中硫和锰的含量与硫化锰析出的大致关系参见图1。
图1 不同温度下MnS的溶解度与硫、锰含量的关系
图1中，在各曲线的左下方，硫和锰都溶于铁液中;曲线的右上方，硫和锰脱溶，化合形成MnS。由图1中的曲线可见，在略高于共晶转变温度的1200℃，%Mn×%S的乘积大致在0.03～0.04之间。这一数值是非常重要的，可用以优化灰铸铁的强度，也可以由锰含量来控制共晶转变时铁液中的自由硫含量。如果铁液中含有的自由硫很少，共晶转变时石墨很易于分枝，其形态类似于D型石墨。存在于固-液界面处的自由硫量增多，就会抑制石墨的快速方枝，形成比较粗而长的A型石墨。但是，自由硫含量太高，又会导致产生另一类的畸形石墨。英国A.Alderson在研究试验[4]中发现：灰铸铁中硫含量很高(0.176%)、锰含量很低(0.18%)时，组织中出现细长而曲折的石墨，称之为“spiky graphite”，见图2。低碳当量的灰铸铁中，如果硫含量很高、而锰含量又很低，组织中胞状晶间还可能出现碳化物和FeS。
图2 高硫、低锰灰铸铁中细长而曲折的石墨
不同温度下自铁液中析出的MnS，其形态、大小和分布状况不尽相同，对铸铁性能的影响也就不一样。硫和锰的协同作用，对灰铸铁的过冷度、组织中的共晶团数、珠光体数量都有不可忽视的影响。这些，就不可能不在这里一一细说了。美国R.B.Gundlach，基于热力学的计算求得：灰铸铁在共晶温度(1160℃左右)下，平衡常数(%Mn×%S的乘积)大致等于0.03。1973年，美国Ohio州凯私西储大学的J.F.Wallace等，从优选硫含量的角度，用多种不同硫含量的灰铸铁进行了大量的试验[5]。从他们报告中发表的数据可以得知：在硫、锰含量(质量百分数)的乘积(%Mn×%S)为0.03左右时，出现抗拉强度的最高值，如图3所示。
图3 灰铸铁的抗拉强度与%Mn×%S乘积的关系
美国Wisconsin大学的C.R. loper等也对锰、硫在灰铸铁中的作用进行过研究工作，由分析他们发表的试验数据[6]，也可以得知，抗拉强度最高的铸铁，硫、锰含量(质量百分数)的乘积(%Mn×%S)都在0.04附近。看来，由平衡常数(%Mn×%S)控制灰铸铁中的硫、锰含量，也是一项十分可取的方式。
4、美国铸造协会(AFS)最近的研究课题
有鉴于灰铸铁中锰和硫对力学性能有很重要的影响，其作用的机制却很复杂，而我们目前的认知又非常有限，美国铸造学会(AFS)于2012年启动了一项新的研究课题——“锰和硫对铸铁性能的影响(Influence of Mn and S on the Properties of Cast Iron)”。这项课题的主旨是：根据热力学的原理，分析、研究灰铸铁中硫和锰的关系，确定铁液共晶凝固时其中所含自由硫的作用。
课题的目标主要有4项：
认识硫、锰含量与不同截面厚度铸铁件强度之间的关系;
进一步认识硫、锰含量与石墨组织的关系;
研究如何通过平衡硫、锰含量以提高厚截面灰铸铁件的强度，从而，在生产高牌号灰铸铁件时，尽可能地不用或少用其它合金元素;
力求对硫在铸铁生核和共晶凝固过程中的多种作用有更好的认识。
这一研究课题已于2014年结束，并安排在2014年召开的美国铸造协会年会上发表研究报告。报告共方三部分：第一部分是“历史的回顾”，重点是对相关的文献资料进行分析和讨论;第二部分是“试验过程的安排”;第三部分是“对试验结果的分析”。应该包含力学性能、白口深度、硬度、化学分析方面的数据，热分析曲线以及显微组织等方面详情。但是，在2014年年会的论文集(AFS Transactions 2014)中只见到第一部分和第二部分[7、8]，虽然第二部分中提到试验结果的分析见第三部分，而且在参考文献中提到第三部分在论文集中的编号为“14-158”，但是在论文集中找不到这篇很关键的报告。看来，很可能是在论文集即将付印时发现需要进一步补充、修改，临时撤下去了。
半年以后，在美国AFS出版的杂志“International Journal of Metalcasting”2015年第二期见到了该研究报告的第三部分[9]，报告中的基本观点仍然在于按硫化锰的溶解度控制灰铸铁中硫和锰的含量，同时也注意到自由硫的负面影响，以下是几点主要的分析意见：
1)如果灰铸铁中的硫含量和锰含量配合适当，其抗拉强度可提高40～70 MPa;
2)灰铸铁发生共晶转变时，如硫、锰含量质量百分数的乘积(%S×%Mn)在0.03左右，则MnS在铁液中的溶解度达到极限，参见图2。按此值平衡灰铸铁中的硫、锰含量，灰铸铁的抗拉强度最高，%S×%Mn的乘积超过这一限值，抗拉强度降低;
3)在控制%S×%Mn的乘积为0.03左右的条件下，还应该注意自由硫对灰铸铁的性能的负面影响。
如果铸铁中锰含量很低，而硫含量很高，即使%S×%Mn的乘积为0.03%左右，由于铁液中存在的自由硫多，其负面作用是多方面的。灰铸铁抗拉强度与布氏硬度的比值随硫含量的提高而降低。这一比值的降低，表明铸铁中的石墨结构改变、强度降低。灰铸铁中硫含量在0.08%以上，无论锰含量如何，铸件的壁厚如何，组织中都可能出现细长而曲折的石墨。如灰铸铁中锰含量低于0.3%、硫含量在0.10%以上，组织中可能出现胞状晶间碳化物。在这种情况下，提高锰含量、或降低硫含量都可以抑制这种碳化物的析出。
由以上简要介绍的概况可见，硫和锰是灰铸铁中的重要组成元素，用感应电炉熔炼时，应特别关注铁液中的硫含量，必须使之保持在0.06～0.08%之间。如配料中没有引入硫的组分，一般可加入适量的FeS使之增硫。同时，将%S×%Mn的乘积控制在0.03～0.06之间，最好通过试验求得适用与具体生产推荐的最佳值。感应电炉中加入FeS的量很小，硫含量往往不易准确控制。数年前，日本有人提出，应该在为生产高档灰铸铁件而提供的高纯生铁中，特意配加一定的硫含量，以便于铸造厂的质量控制。
虽然在这方面已经进行了大量的研究工作，但是，迄今为止，如何控制硫和锰的含量才能更好地利用灰铸铁潜在的功能?仍然有待进一步深入的探索。
此外，孕育剂所含有的Ca、Ba、Al、Zr等元素在灰铸铁中与硫作用及其对灰铸铁性能的影响，迄今为止所作的研究工作也还很少。
