D型石墨灰铸铁的认识

张兆云，徐春杰，牛宏建

(西安理工大学铸铁研究所，陕西西安710048)

摘  要：分析采用金属型和连续铸造方法获得D型石墨灰铸铁的形成条件及D型石墨灰铸铁所具有的组织性能特点。认为D型石墨灰铸铁具有工程应用价值。进而对灰铸铁件材质技术要求的制订原则，提出建议。

关键词：D型石墨；灰铸铁；材质要求；

灰铸铁中的D型石墨又称为过冷石墨，被认为是一种枝晶点状石墨，在日本被称为共晶石墨。显然，前者的命名依据主要是其形成条件，后者的依据是其在光学显微镜下所显示的形貌特征。传统观点认为D型石墨在铸铁中是一种有害的组织，会降低铸铁的强度，从而在产品的技术条件中不允许出现，当然更不接受大部分或全部为D型石墨的铸件。随着科学的发展和人们认识的不断深入，不少学者的研究已经发现大部分或全部为D型石墨的铸铁其强度性能高于A型石墨全珠光体铸件，并在理论上也作了一定的研究分析，并将其称为“D型石墨铸铁”。当然，这种称谓并不规范，因为铸铁牌号表示方法(GB/T 5216-85)中是依据铸铁的石墨形状，将铸铁分为灰铁、球铁、蠕铁等，D型石墨仅是灰铁中石墨分布形态的一种。因此，将其称为D型石墨灰铸铁更为准确。

1　D型石墨的形成条件

D型石墨是1次结晶时在较大的过冷条件下形成的，同时又取决于铁液的化学成分。也就是说铁液的碳当量较低或加入某些能改变铁液物化性能的合金元素，或在较快的冷却速度下凝固都会促进D型石墨的形成。这是因为剩余的铁液只能在发达的初生奥氏体枝晶间快速共晶凝固的结果。

工业生产中，铁液有成分偏析和冷却速度的不均匀性，在铸件中往往有多种石墨形态共存的现象。在金属型和连续铸造条件下，由于冷却较快，过冷度较大，初生奥氏体枝晶极为发达，石墨形态以D型为主或全D型。

2　D型石墨灰铸铁的力学性能特征

传统观点认为：灰铸铁的理想组织是均布的、尺寸较分和性能，见表1。

3　D型石墨灰铸铁具有较高力学性能的分析

从表1看出，采用金属型和水平连续铸造方法获得的D型石墨分布的灰铁的碳当量一般较高，抗拉强度明显高于砂铸条件下的A型石墨珠光体基体的灰铸铁，这明显与传统观点相悖。传统观点一般认为影响灰铸铁力学性能的因素主要是石墨的分布形态、大小，共晶团的数量，基体组织形态，以及强化基体的合金元素等。然而，近来部分学者认为除上述影响因素以外，初生奥氏体枝晶对灰铸铁的性能亦有显著影响。在枝晶内部不存在石墨，铁素体枝晶构成连续的“骨架”宛如复合材料中的强化相，可以提高灰铁组织的综合力学性能。因此，初生奥氏体枝晶的数量愈多，铸铁的强度就会愈高。甚至采用金属型方法生产的D型石墨灰铁件的抗拉强度超过部分铁素体球铁的抗拉强度。

大部分或全部成为D型石墨时强度又很高。有关文献认为“由于2者强化机理不同，当A型石墨与少量D型石墨共存时两者的强化机制均得不到充分发挥而使强度降低”。通常上述情况的存在条件是碳当量低，又未经过充分孕育处理，铁液的形核能力较差，此时铸铁中共晶团数量较少，冷却速度不是很快，A型石墨的尺寸也较大。由于铁液的成分偏析，凝固时间较长，最后凝固的少量铁液的过冷度较大，出现少量D型石墨。其强度较低的根本原因是A型石墨片粗大，共晶团数目较少。相反，若将此铁液进行充分孕育，石墨全部变为较均匀、尺寸中等或较小的A型，共晶团数量增多，强度就会显著提高。

4　对制定灰铁件技术要求中关于材质方面的建议

4.1　一些企业对灰铁件材质的技术要求现状

目前，一些企业在有关标准的框架下，结合自己产品的使用性能制定技术要求。但是，相当一部分企业把作为参考的指标与验收指标均作为验收依据，对铸件的化学成分、金相组织、力学性能同时都规定了严格的范围，这往往给生产铸件的厂家带来了很大的技术难度。有些厂家甚至拿砂型铸件的组织特点来要求金属型铸件或水平连铸铸铁型材。于是无端地把一些性能优良的铸件或先进的生产工艺拒之门外。

4.2　关于灰铁件材质技术要求的建议

(1)对于一般只使用强度性能的结构零件，铸件的使用厂家在设计图纸上按照GB9439的要求标明铸铁的牌号即可；

(2)对于强度和硬度同时要求的零件，除要求强度牌号外，按照GB9439附录中的规定要求硬度牌号；

(3)对于有耐磨、耐热、耐蚀、耐寒等特殊使用性能要求的，可以按照相关标准要求化学元素的量或限制某些对该性能不利元素的量；当石墨形态和基体组织对这些特殊性能产生明显影响时，才要求石墨形态和基体组织。