影响灰铸铁石墨形态成因分析

剧冬青　周秀凤

摘要：分析了影响灰铸铁石墨形态形成的各种要素及不良石墨形态的改善对策。片状石墨的分布受到材料及铸型条件、铁水结晶过冷度、铁水本身冶金质量等各种因素的影响，会呈现出A TYPE、B TYPE、C TYPE、D TYPE等多种形态，而铸铁的石墨分布形态及尺寸则主要由石墨的形核数量及冶金质量所决定。

关键词：石墨 过冷度 非均质核心 高温静置 孕育剂

0 引言

灰铸铁中石墨的分布形态及尺寸是决定灰铸铁导热性、抗壁厚敏感性及抗热疲劳等性能的重要因素，按传统的观点，A TYPE石墨最好，B TYPE应尽量避免，C TYPE及E TYPE石墨对基体有割裂作用不可以出现，D TYPE石墨目前看法仍不完全统一。现在很多出口灰铸铁件要求A Type石墨达到95%以上，但有些厂家不能做到这一点，本文对灰铸铁各种石墨形态形成原因作以分析，以供生产者借鉴参考。

1 影响A TYPE石墨形成的主要因素

1.1 铸铁结晶过冷度 过冷度直接受冷却速度、化学成分、及形核能力的影响，但对造型线上大批量生产铸件时，冷却速度并不可以控制和管理。在铸件壁厚不是很均匀时，对于铸件上的边角 薄小部位冷却速度快，过冷度大，但如果铁液冶金质量及孕育良好，并不会出现过冷石墨，不过是石墨尺寸偏细小而已。

1.2 铁液中的非均质核心的影响 正常情况下冲天炉熔化的铁液中的S含量可以达到0.06-0.15%左右，铁液中的S和Mn、Ca等元素可以结合生成MnS、CaS等硫化物作为石墨形核的核心和以SiO₂为外壳的晶核。有的厂家用电炉熔化废钢加增碳剂的方法生产灰铸铁，铁水中硫含量0.03%以下，在灰铁中硫含量并非越低越好，这样就非常不利于产生大量非均质核心，从而容易造成石墨形态趋向于D型和B型，这种情况下在电炉中加入适量硫铁将硫含量提高至0.07%左右即可。

有关研究表明，SiO₂晶体可以作为石墨结晶的外来晶核，在高于铁液氧化皮形成温度时，析出的SiO₂质点不可能作为石墨核心，其原因在于铁液尚未进入凝固时期，SiO₂内有效结晶表面或随时间延长而溶解，或变为熔渣而失去孕育能力。只有在凝固期间，SiO₂有一个晶质表面，它既不成渣，也不溶解，从而起到石墨核心的作用[1]。要使析出的SiO₂起到石墨核心的作用，须具备以下三个条件：①应合理加入含硅孕育剂②铁液中应有足够的氧（20-30ppm），以便形成有效的SiO₂晶核。③加入孕育剂和凝固之间的时间间隔应为最短，随流孕育完全可以满足这个要求。

1.3 高温静置的影响 在大批量生产线作业的工厂一旦某一节点出现问题，会导致整条线停产，这时尚在电炉中的铁液在平衡温度以上长时间过热后，铁液中的自由氧及SiO₂与铁液中的C发生（SiO₂+2C=[Si]+2CO（g）反应，铁液因CO挥发而贫氧。这样的铁液在浇注冷却凝固时，可能形成极少数的SiO₂晶核，且其中一大部分很容易失去作用，成为一种缺少晶核的铁液，这样的铁液石墨化率会很低下，很可能形成D型石墨和铁素体基体[2]。若用孕育剂处理这样的铁液也不会有太好的效果，因对于形成足够的SiO₂有效晶核来说，还缺乏氧源。这就是为什么长时间高温静置的铁液石墨化能力差的原因。此时对这样的铁液重新加入部分生铁废钢及回炉铁等材料进行调质处理即可。

1.4 孕育剂的影响 在铁液质量稳定的前提下，孕育剂的加入方式有包内加入和包嘴随流孕育两种方式。包内加入的方式一般在做球墨铸铁时使用，因为经球化的铁水白口倾向比较大，同时球化铁水最好在7分钟内浇注完毕，否则易发生球化及孕育衰退现象；在做灰铁时以包嘴随流孕育的方式效果应为最佳，孕育剂粒度0.3-0.5mm，使用量仅在0.1-0.15%之间，加入时间与凝固时间的时间间隔为最短，这样还完全可以避免孕育衰退的发生。

2 D TYPE石墨成因分析

过冷石墨的形态特征是在奥氏体枝晶间分布着大量细小而无一定方向性的近似点状石墨。首先由于铁水缺乏形核因子或孕育效果的影响、或铸件本身壁薄同时浇注后冷却速度非常快，造成结晶过冷度变大，这样的情况下都可能导致铸件形成D型石墨。具有D TYPE石墨组织的铸件在清理机中清理时容易发生破损和掉角现象。所以正常情况下这种石墨组织应尽可能避免。目前部分空调器压缩机用气缸铸件本身就要求金相组织以D型石墨为主，所以在铸造方法上有的采用金属型提高冷却速度，同时加入0.05-0.07%的Ti 进一步加大结晶过冷度，从而促进D型石墨的形成。

3 B TYPE石墨成因分析

据有关资料介绍，B型石墨就相当于D+A的组合。首先由于受铁水质量或孕育效果的影响（在前文中已明确）在铸件的内部最起初先形成了分枝多而且密的D型石墨，随着结晶过程的进行，在共晶转变中释放出结晶潜热向周围散出，导致结晶过冷度降低，故外层石墨生长速率延缓，石墨片又逐渐长成了片状，而且沿着热流的方向长成了辐射状[3]。再进一步向外发展时，由于热流已不再有明显的辐射方向性，故外围又长成了蜷曲的片状A TYPE石墨。对要求A TYPE石墨比较严格的铸件，在铁水冶金质量及孕育处理方面必须严格管理和控制，尽量避免D TYPE石墨的形成，也即可避免B TYPE 的发生。

4 C TYPE石墨成因分析

生产中铸件出现CTYPE石墨一般有两种情形，一是生铁遗传性因素引起形成C型石墨，电炉本身过热温度低，生铁中的粗大石墨不能完全熔化，但在冲天炉过热带中过热温度可以达到1700℃，生铁中的粗大石墨基本可以熔化，所以一般用冲天炉熔化的铁水形成粗大石墨的几率较低。用电炉生产灰铸铁时所使用的生铁牌号控制在18-22#铸造生铁较为恰当；另一种情形就是目前很多厂家大批量使用废钢加增碳剂用电炉直接熔化生产灰铸铁，在浇注过程中电炉中储存的铁水中的碳不可避免有部分被烧损，为了不使初晶温度进一步提高，作业者随时向电炉中补加部分增碳剂，如果这部分增碳剂未能完全熔解即被倒出进行浇注，这样将有部分增碳剂进入铸件型腔随其余铁水一起结晶凝固，这部分石墨就相当于过共晶成分铁液先析出的初生石墨一样，其余游离碳进一步附着并长大，从而形成粗大的C 型石墨。在生产中控制好补加增碳剂的熔解或着在时间允许的条件下采取其它调质措施即可解决此问题。

5 结语

5.1 A TYPE石墨的形成必要条件：硫化物等非均质核心及有效的SiO₂为外壳的晶核，铁水中饱和平衡的含氧量及有效的孕育处理。

5.2 B TYPE石墨即D+A的组合，加强铁液质量及孕育管理，避免D型石墨生成，B 型石墨也会随之减少。

5.3 C TYPE石墨在铁液质量管理不好的状态下在亚共晶成分铁液中也会出现，必须加强熔化原材料生铁及未完全熔化石墨增碳剂的管理，避免粗大石墨生成。

参考文献：

[1]张伯明.铸造手册[M].第一卷 铸铁.北京: 机械工业出版社.2004.

[2]李隆盛.铸造合金及熔炼[M].北京:机械工业出版社.1989.

[3]柳百成，黄天佑主编.中国材料工程大典.材料铸造成形工程[M].化学工业出版社.2006.