【摘要】针对铸造厂生产灰铸铁件时，铸铁组织中出现的各类典型不良石墨形态进行金相分析，对各类不良石墨形态分布的形成原因和影响因素进行深入探讨，提出解决灰铸铁组织中不良石墨形态问题的方法及途径。
　　灰铸铁的金相组织主要由片状石墨、金属基体和晶间共晶物组成，灰铸铁的金相组织对其力学性能及加工性能有着重要影响。生产优质的灰铸铁件，不仅需要获得细化的珠光体基体，而且要求铸件的石墨形态主要为均匀分布的无方向性片状石墨（即A型石墨）。但在实际生产过程中，许多铸造厂却由于各种原因造成铸件组织中存在较多其他类型的石墨形态。本文主要针对某铸造厂生产的灰铸铁件金相检验过程中出现的各种典型不良石墨形态进行判定和分析，探讨各类典型不良石墨形态的形成条件，提出解决灰铸铁组织中不良石墨形态问题的方法及途径。
　　一、灰铸铁组织中不良石墨形态
　?。保抑翁姆掷?br /> 　　《灰铸铁金相》GB/T7216—2009把灰铸铁的石墨形态分为6种，即A型（均匀分布无方向性片状石墨）、B型（片状和点状石墨聚集成菊花状）、C型（初生的粗大直片状石墨）、D型（细小卷曲的片状石墨在枝晶间无方向性分布），E型（片状石墨在枝晶二次分枝间呈方向性分布）及F型（初生的星状与蜘蛛状石墨）。以上石墨形态特征为灰铸铁的基本石墨形态，在实际金相分析中，铸件组织中往往出现两种或两种以上类型石墨形态混合分布。
　　在灰铸铁检验中，A型石墨是要求获得的理想石墨形态，其他常见的类型主要有B型、D型、E型及块状石墨。F型石墨为过共晶成分快速冷却形成的石墨形态（如活塞环零件中），由于普通灰铸铁为亚共晶成分，所以一般不会看到此类石墨。C型石墨同样为过共晶成分形成的石墨形态（缓冷条件下），理论上普通灰铸铁不会出现C型石墨，但是在实际金相检验中，经?；峥吹酱执罂樽捶植嫉氖死嗫樽词饕谴勇现械拇执蟪跎糯吹?。考虑到此类块状石墨不是铁液共晶转变过程新形成的石墨形态，一些企业把此类石墨表示为“块状”（非C型），这在一些相关文献有专门的描述。C型石墨的典型视场特征应为厚大而平直，不弯曲（可能有分叉，但非弯曲）。一些资料介绍，亚共晶铸铁在孕育时孕育量过大，造成局部硅元素过于富集时，可以使局部出现过共晶区域，会出现C型石墨。
　　2. 灰铸铁不良石墨形态的分类
　　灰铸铁不良石墨形态主要依据该石墨形态分布对铸件力学性能及加工性能的不利影响程度进行界定，需要说明的是，不良石墨形态不仅指石墨的类型，还要考虑石墨的长度，即使铸件组织中全部是A型石墨，如果石长过长（如超过50～100㎜，100×）也视为不良石墨形态，因为石长过长同样也会严重影响铸铁的力学性能。
　　常见的不良石墨形态分布从特征上分为三大类：一是D型、E型石墨较多或主要分布；二是 B型、粗大石墨、块状石墨较多或主要分布；三是石长过长或粗大的A型石墨分布。一般灰铸铁金相验收中如果A型石墨在整个视场占主要位置，可以允许少量的B型分布。在某些企业中，允许存在少量D型石墨，但是E型石墨作为方向性的枝晶片状不允许存在，即使在个别视场存在极少量的也不允许超过10%。
　　图1、图2为均匀无方向性A型石墨。

　　3. 典型不良石墨形态分布
　　（1）Ⅰ类 D型、E型主要分布的枝晶石墨，如图3～图6所示。

　?。?）Ⅱ类 B型、粗大及块状石墨，如图7～图10所示。

（3）Ⅲ类 石长过长或粗的A型石墨，如图11、图12所示。

　　4.不良石墨形态机理及影响因素
　?。?）影响机理 共晶结晶时石墨生长方式的不同，造成灰铸铁石墨分布形状的差异，石墨的分布特征主要由一次结晶过程决定，而二次结晶过程析出的石墨一般均在原有石墨基础上成长，不会改变其特征。造成共晶结晶时石墨生长方式不同的根本原因在于铸造工艺，其主要影响因素包含铁液温度、原材料、化学成分、孕育工艺和冷却条件等。
　　（2）D型、E型石墨的形成及影响因素 D型石墨（见图3）是在石墨成核条件较差，冷却速度大、造成过冷时形成，因而保留初生奥氏体的形态，石墨细小而分支发达，也称为“过冷石墨”。E型石墨（见图4、图5）也是一种过冷石墨，它是比A型石墨短小的片状石墨，容易在碳当量较低（亚共晶程度大）、奥氏体枝晶多而发达的铸铁中形成。由于枝晶间共晶液数量少，析出的共晶石墨只好沿枝晶方向分布，故有明确的方向性，E型石墨经常与D型石墨伴生。 在实际金相检验过程中，D型、E型石墨是最常见不良石墨形态。在灰铸铁生产过程中，导致铸件产生D型、E型石墨的主要影响因素包括化学成分、孕育工艺、冷却条件及熔炼条件。
　?。?）B型石墨、块状、粗大石墨的形成及影响因素 B型石墨又成为菊花状石墨（见图7、图8、图10），其心部是点状（或短片状），外部由卷曲片状石墨包围，此类石墨常在碳、硅含量较高，冷却速度较大的近共晶或过共晶铸件中形成。开始时过冷度大，成核条件差，先析出D型石墨，后期放出凝固潜热，过冷减少而析出A型石墨。B型石墨为均匀无方向性菊花状石墨，由于其石墨呈簇状分布，容易造成基体上集中的弱点，造成铸件强度比A型有所降低?？樽词话闳衔巧仍牧系拇执笫橹跋煸斐傻?。粗大石墨（见图12）是由于铁液在孕育过程中孕育不均匀，造成铸件在凝固形核过程中局部石墨较多析出造成。
　?。?）石墨长度过长的形成因素 石墨的大小与共晶团尺寸有直接关系，在灰铸铁孕育过程中，因为孕育量不足或孕育衰退，造成铁液石墨晶核数减少，就容易出现石墨长度过长的情况（见图11）。另外，石墨长度也与冷却速度有关，铸件尺寸大且壁厚的部位石墨要比其他部位长度要长。
　　二、铸造工艺对灰铸铁不良石墨形态的影响
　?。保牧系挠跋?br /> 　　原材料影响主要是生铁遗传性影响。生铁对铸件石墨形态影响，一是粗大石墨组织遗传影响，二是微量元素影响（如铅的含量）。新生铁（特别是高碳量新生铁）本身含有粗大的石墨片(如图13所示)，虽然经过重熔，但石墨的熔点在2000℃以上，在重熔过程中石墨不能完全熔化，在结晶中变成了石墨结晶的核心，使石墨变得粗大。

　　2.化学成分的影响
　　化学成分对石墨形态的影响主要是碳和硅含量。由于亚共晶倾向过大的成分有增加过冷石墨的形成倾向。尤其对于缸体、传动箱等薄壁零件，如果碳当量偏低（如碳当量低于3.7%），就很容易在铸件主要壁厚部位产生较多D型、E石墨，或者与A型石墨的混合分布。另外，S含量对灰铸铁孕育效果有一定影响，对于电炉熔炼，如果wS＜0.06%，孕育效果会很差，产生不良石墨形态。碳当量过高的铸件也会增加B型石墨及粗大石墨的形成倾向。
　　3.孕育工艺
　　对石墨形态影响最大的因素是孕育工艺。孕育工艺包含三个方面：
　?。?）孕育剂的类型选择 75SiFe是最常用的孕育剂，其特点就是价格相对便宜，但孕育衰退较快，造成铸件石墨形态不稳定，容易出现过冷石墨。为了满足高牌号、高质量要求铸件对石墨形态的稳定性要求，需要采用含钙、钡等微量元素的复合孕育剂，有利于A型石墨的形成。
　?。?）粒度的选择 孕育剂粒度对孕育效果影响很大，在生产实践中，发现某个批次铸件出现严重的D型、E型石墨等问题，经检查问题出在孕育剂粒度上，工艺要求3～6㎜，实际小于3㎜的粉末占到40%。
　?。?）孕育方法的选择 常用的孕育方法是在包底加入孕育剂，铁液冲入法孕育，但是经?；岱⑾职谑Ｓ嗵菏?，加入的孕育剂与渣子粘在一起，出铁后部分孕育剂浮在铁液表面，没有熔化掉，这样就会造成孕育量不足的问题，产生不良石墨形态。
　　4. 铁液温度和冷却条件的影响
　　在一定工艺范围内提高铁液的过热温度（1480～1500℃），将有利于石墨的细化，有利于提高铁液的纯净度。但是铁液在高温（1520℃以上）长时间保温则会降低铁液形核能力，造成石墨形态恶化，产生不良石墨形态（D型、E型石墨）。
　　在铸件凝固过程中，冷却条件决定于铸件壁厚，铸件厚壁部位冷却速度与薄壁处有较大差异。同一个铸件，壁厚相差较大的部位其石墨形态也会有差异。在实际金相检验过程中，发现铸件壁厚30～40㎜处石墨形态全部为A型石墨，而在法兰10㎜厚部位检验石墨形态主要为E型石墨的情况。在此要说明两个问题：一是检验铸件本体必须明确检验位置，不要随意取样；二是要探讨解决减少铸件不同壁厚处金相差异的工艺问题。
　　三、不良石墨形态的改进试验及结果
　　改进不良石墨石墨形态是在对铸件不良石墨形态金相分析的基础上，针对生产过程中存在的问题进行改进，主要是与技术部门配合，从原材料控制和熔炼工艺方面着手进行工艺改进试验。
　　１．工艺改进措施
　?。?）针对铸件本体厚大部位石墨长度偏长的问题，在冲天炉与感应电炉双联熔炼过程中，使用固定碳含量高的铸造焦，保证冲天炉出炉温度1460～1500℃（改进前冲天炉出炉温度1420～1440℃），改进后铸件石墨偏长和石墨出大的问题得到彻底解决。
　　（2）为了减少生铁组织对石墨形态的不利影响，在冲天炉配料中将生铁的加入比例从35%～45%，降低到20%～30%，同时大幅度提高废钢加入比例。
　?。?）化学成分方面主要是控制碳硅含量，主要从两方面进行：一是提高化验室对化学成分检验的准确性，炉前增加热分析仪和碳硫仪设备，保证碳硅含量分析的准确性，避免出现实际碳含量过低情况；二是控制孕育前铁液硅含量，以保证铁液孕育量。
　?。?）孕育方面，一是严格控制炉前孕育剂的粒度，硅铁碎末要求必须过筛，对Si、Al含量定期抽检；二是在炉前出铁槽增加随流孕育斗（如图14所示），保证孕育硅铁均匀流入铁液中，避免孕育剂与渣子粘附浮在铁液表面情况；三是使用含钡、钙等元素复合孕育剂，以减少孕育衰退，增加铁液中晶核数量，提高孕育效果。

　　2. 改进试验的结果
　　通过改进试验，与改进前的铸件检验结果相比，铸件的石墨形态有了明显的改善，图15、图16为某缸体铸件轴承座处改进前后石墨形态分布对比。
　　改进后铸件石墨形态与改进前相比主要表现在以下几个方面：
　?。?）铸件组织中大块状石墨基本消除。
　?。?） 铸件本体组织石墨形态为A型石墨，D型、E型石墨基本消除。
　　（3）铸件本体石墨长度级别稳定达到4～5级。

　　四、灰铸铁石墨形态检验和判定方法探讨
　　１．检验方法
　　依据《灰铸铁金相》GB/T7216—2009要求检验石墨形态，应注意以下内容：一是制备试样过程中，应注意石墨夹杂不被剥落或变形，试样表面要光洁，不允许有抛光时的条纹；二是检验时先通观整个受检面，然后按大多数视场所示图像，对照图谱进行评定。
　　2.金相试样制取过程中注意的问题
　　抛光效果好的试样要求看到的石墨呈漂亮的银灰色，轮廓清晰。如果试样抛光不好，在石墨的表面往往会粘附一些黑色粘附物，这些粘附物不但粘在石墨上，也粘在石墨周围，使看到石墨变大，这样容易造成不良石墨假象，如石墨粗大等。
　　3.金相样品取样
　　对于单铸试棒样品，一般选择拉伸断裂后的端面检验金相组织；对于铸件本体取样，一定要明确取样位置，即在工艺指定的位置取样检验；不允许直接取冒口作为金相检验对象。
　　4.判定方法
　　石墨形态的判定需要一定的金相检验经验，才能作出客观准确的判断。对于某个受检样品，在检验时，需要通观整个视场，对主要石墨形态分布及石长作出判定。为了做到有效指导生产的作用，在生产实践中，石墨形态判定时参考以下内容，如果一种石墨形态在整个观察面上占据主要地位（≥90%），可以认定该形态为单一的石墨形态。如：样品整个受检面视场A型石墨占到90%以上，极少量的E型、D型石墨（不多于两个视场，且未连成片）判定时一般不再标注。
　　五、结语
　　本文针对实际金相检验过程中出现的各类主要不良石墨形态进行了金相分析，并对各类石墨形态的形成机理及影响因素进行了分析，探讨如何在生产中获得均匀无方向性的A型石墨。试验证明：稳定的原材料质量、高温熔炼，以及合理的孕育工艺，是保证灰铸铁组织良好金相组织的基本条件。