高强度D型石墨铸铁化学成分对其力学性能的影响

程联斌

(山西省机电设计研究院有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

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。传统观点认为 D型石墨在铸铁中是一种有害的组织[1]，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石墨全珠光体铸件,并在理论上也对其作了一定的研究分析，并将其称为D型石墨铸铁[2-5]。近年来的大量研究表明：D型石墨铸铁比 A型石墨铸铁的强度更高(在实验室的条件下，D型石墨铸铁的强度甚至可以达到铁素体球铁的强度水平)、更致密 、尺寸稳定性更好、更耐热疲劳、机械加工的表面质量更高，并且许多 D型石墨铸铁已经得到应用。本文将分析D型石墨铸铁化学成分及其对力学性能的影响。

1 高强度D型石墨铸铁化学成分

1.1 碳和碳当量

普通A型石墨铸铁的抗拉强度值是随着含碳量的增加而降低，而D型石墨铸铁的抗拉强度变化则不同：在碳当量低于4.15% 时，随着含碳量的增加抗拉强度提高；碳当量超过4.15%时则是降低。经试验确定，D型石墨铸铁含碳量的最佳范围是3.3%～3.6%。

1.2 硅和碳硅比

硅能固溶于铁素体中，起固溶强化的作用。D型石墨铸铁中加入适量的硅有利于石墨的析出，形成稳定的D型石墨组织。但硅量太高，基体中的铁素体量增加，珠光体量减少，抗拉强度下降。实验表明：硅量应控制在1.8%～2.0% 之间。D型石墨铸铁的强度不仅与硅的加入量有关，而且还与Si/C比有很大的关系，最佳的Si/C比能获得最佳的抗拉强度，Si/C比最佳范围为0.58～0.62。

1.3 锰

锰是促进形成珠光体的元素，这对D型石墨铸铁尤为重要。D型石墨铸铁在析出初生奥氏体时，其周围会伴生出大量的铁素体，对强度影响比较大。所以，为获得较高的强度，必须有足够量的锰，但锰含量太高，则易产生偏析。经试验确定锰含量的最佳范围是0.9%～1.2%。表1为在其他化学成分不变的情况下，经过5次实验确定的Mn含量(质量分数)对D型石墨铸铁抗拉强度和硬度的影响。

表1 Mn含量(质量分数)对石墨铸铁抗拉强度和硬度的影响

1.4 钛

在砂型铸造条件下，铁水中加入适量的钛能够稳定获得D型石墨铸铁组织，但有关钛能形成D型石墨的机理现在还没有完全搞清楚。当钛含量增加，碳当量和碳硅比较高时，铸件的抗拉强度增加；当碳当量低于3.6%时，随钛含量的增加，铸件的抗拉强度反而下降。钛的加入增加了铸铁铁液的过冷倾向，使初生石墨大量分枝，增加了冷固过程中奥氏体的核心，细化初生奥氏体、细化组织。在国标GB7216-87《灰铸铁的金相组织》中将D型石墨称之为枝晶点状，但在高倍放大时，仍呈片状，只是片状更细小，长度仅为20 μm左右。这种细小的石墨对基体的切割作用要少得多，最大程度地发挥了基体组织的强化作用，从而提高了铸件的抗拉强度。实验证明砂型铸造含钛量0.2% 以上就可以稳定获得D型石墨组织。含钛量一般选在0.23%～0.33%，过多的钛对强度提高不大，反而产生 Ti C ,恶化铸造性能。

综上所述，要想获得高强度的D型石墨铸铁，需要综合考虑主要化学成分的影响。首先要有适量的钛、一定的碳当量、硅碳比和锰含量。钛的主要作用是形成D型石墨铸铁组织，在加上其他化学成分的综合作用，才能获得高的抗拉强度和性能。钛含量对灰铸铁抗拉强度和硬度的影响如表2所示。由表2可以看出，D型石墨组织对基体的性能影响很大，没有加钛的情况下，尽管其他化学成分基本一致，但由于石墨形态主要是A型，机械性能变化很大。

表2 钛含量对灰铸铁抗拉强度和硬度的影响

2 高强度D型石墨铸铁的性能特点

高强度D型石墨铸铁特点是强度高、硬度大、碳当量高，这是普通高强度灰铸铁所不具备的。普通高强度灰铸铁由于碳当量偏低，碳、硅含量低，铸造性能不好，铁水流动性不好，铸铁的冷却收缩比较大，容易产生很多铸造缺陷，复杂的铸件更容易产生这些缺陷。D型石墨铸铁由于具有更高的碳、硅含量，有效地克服了普通高强度灰铸铁的这些缺点，既有高的强度，又有好的铸造性能，使铸造一些复杂的高强度铸件成为可能。D型石墨铸铁的另一个特性是既具有高的硬度同时又具有优异的机加工性能，这是普通高强度铸铁所不具备的。一般的高强度灰铸铁在获得高的强度时，硬度也偏高，机加工性能不好。为此，我们做了两组各500件铸铁的机加工对比试验，试验产品为液压件铸铁。两组机加工样品的力学性能对照见表3。

机加工的切削速度为100 m/min，工件转速为450 r/min，切削深度为1.5 mm，进给量为0.3 mm/r，使用刀具为陶瓷刀片，两组铸件加工完成后刀具磨损基本相同，看不出明显的差距。经分析认为：D型石墨铸铁优异的加工性能与D型石墨铸铁的组织构成有很大的关系，其石墨更细小，组织更致密，硬度更均匀，从而改善了机加工的性能。

表3 两组加工样品的力学性能对照

3 结论

按照国家标准，灰铸铁不是按照强度分类就是按照硬度分类，而强度与硬度有正相关关系。既然 D型石墨灰铸铁的强度高于同硬度的 A型石墨灰铸铁，那么使用 D型石墨灰铸铁制造灰铸铁件应该更加可靠。有些设计者在铸件设计中对 D型石墨有一定的限制这是值得商榷的。目前还存在一些矛盾的现象，比如大多数人认为，出现 D型石墨必定伴随着铁素体增多，硬度下降；而我们的大量实验数据却与之相反，出现 D型石墨常常伴随着珠光体增多和硬度上升。因此笔者认为，亚共晶灰铸铁中的初生奥氏体在随后的冷却过程中转变成了铁素体，这些铁素体枝晶作为“骨架”网络，具有增强作用 ，这是 D型石墨灰铸铁具有高强度的原因。