影響灰鑄鐵石墨形態(tài)成因分析

摘要：分析了影響灰鑄鐵石墨形態(tài)形成的各種要素及不良石墨形態(tài)的改善對(duì)策。片狀石墨的分布受到材料及鑄型條件、鐵水結(jié)晶過冷度、鐵水本身冶金質(zhì)量等各種因素的影響，會(huì)呈現(xiàn)出A TYPE、B TYPE、C TYPE、D TYPE等多種形態(tài)，而鑄鐵的石墨分布形態(tài)及尺寸則主要由石墨的形核數(shù)量及冶金質(zhì)量所決定。

關(guān)鍵詞：石墨 過冷度 非均質(zhì)核心 高溫靜置 孕育劑

0 引言

灰鑄鐵中石墨的分布形態(tài)及尺寸是決定灰鑄鐵導(dǎo)熱性、抗壁厚敏感性及抗熱疲勞等性能的重要因素，按傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，A TYPE石墨最好，B TYPE應(yīng)盡量避免，C TYPE及E TYPE石墨對(duì)基體有割裂作用不可以出現(xiàn)，D TYPE石墨目前看法仍不完全統(tǒng)一。現(xiàn)在很多出口灰鑄鐵件要求A Type石墨達(dá)到95%以上，但有些廠家不能做到這一點(diǎn)，本文對(duì)灰鑄鐵各種石墨形態(tài)形成原因作以分析，以供生產(chǎn)者借鑒參考。

1 影響A TYPE石墨形成的主要因素

1.1 鑄鐵結(jié)晶過冷度 過冷度直接受冷卻速度、化學(xué)成分、及形核能力的影響，但對(duì)造型線上大批量生產(chǎn)鑄件時(shí)，冷卻速度并不可以控制和管理。在鑄件壁厚不是很均勻時(shí)，對(duì)于鑄件上的邊角 薄小部位冷卻速度快，過冷度大，但如果鐵液冶金質(zhì)量及孕育良好，并不會(huì)出現(xiàn)過冷石墨，不過是石墨尺寸偏細(xì)小而已。

1.2 鐵液中的非均質(zhì)核心的影響 正常情況下沖天爐熔化的鐵液中的S含量可以達(dá)到0.06-0.15%左右，鐵液中的S和Mn、Ca等元素可以結(jié)合生成MnS、CaS等硫化物作為石墨形核的核心和以SiO₂為外殼的晶核。有的廠家用電爐熔化廢鋼加增碳劑的方法生產(chǎn)灰鑄鐵，鐵水中硫含量0.03%以下，在灰鐵中硫含量并非越低越好，這樣就非常不利于產(chǎn)生大量非均質(zhì)核心，從而容易造成石墨形態(tài)趨向于D型和B型，這種情況下在電爐中加入適量硫鐵將硫含量提高至0.07%左右即可。

有關(guān)研究表明，SiO₂晶體可以作為石墨結(jié)晶的外來晶核，在高于鐵液氧化皮形成溫度時(shí)，析出的SiO₂質(zhì)點(diǎn)不可能作為石墨核心，其原因在于鐵液尚未進(jìn)入凝固時(shí)期，SiO₂內(nèi)有效結(jié)晶表面或隨時(shí)間延長(zhǎng)而溶解，或變?yōu)槿墼ピ杏芰ΑＶ挥性谀唐陂g，SiO₂有一個(gè)晶質(zhì)表面，它既不成渣，也不溶解，從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，須具備以下三個(gè)條件：①應(yīng)合理加入含硅孕育劑②鐵液中應(yīng)有足夠的氧（20-30ppm），以便形成有效的SiO₂晶核。③加入孕育劑和凝固之間的時(shí)間間隔應(yīng)為最短，隨流孕育完全可以滿足這個(gè)要求。

1.3 高溫靜置的影響 在大批量生產(chǎn)線作業(yè)的工廠一旦某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，會(huì)導(dǎo)致整條線停產(chǎn)，這時(shí)尚在電爐中的鐵液在平衡溫度以上長(zhǎng)時(shí)間過熱后，鐵液中的自由氧及SiO₂與鐵液中的C發(fā)生（SiO₂+2C=[Si]+2CO（g）反應(yīng)，鐵液因CO揮發(fā)而貧氧。這樣的鐵液在澆注冷卻凝固時(shí)，可能形成極少數(shù)的SiO₂晶核，且其中一大部分很容易失去作用，成為一種缺少晶核的鐵液，這樣的鐵液石墨化率會(huì)很低下，很可能形成D型石墨和鐵素體基體[2]。若用孕育劑處理這樣的鐵液也不會(huì)有太好的效果，因?qū)τ谛纬勺銐虻腟iO₂有效晶核來說，還缺乏氧源。這就是為什么長(zhǎng)時(shí)間高溫靜置的鐵液石墨化能力差的原因。此時(shí)對(duì)這樣的鐵液重新加入部分生鐵廢鋼及回爐鐵等材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理即可。

1.4 孕育劑的影響 在鐵液質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，孕育劑的加入方式有包內(nèi)加入和包嘴隨流孕育兩種方式。包內(nèi)加入的方式一般在做球墨鑄鐵時(shí)使用，因?yàn)榻?jīng)球化的鐵水白口傾向比較大，同時(shí)球化鐵水最好在7分鐘內(nèi)澆注完畢，否則易發(fā)生球化及孕育衰退現(xiàn)象；在做灰鐵時(shí)以包嘴隨流孕育的方式效果應(yīng)為最佳，孕育劑粒度0.3-0.5mm，使用量?jī)H在0.1-0.15%之間，加入時(shí)間與凝固時(shí)間的時(shí)間間隔為最短，這樣還完全可以避免孕育衰退的發(fā)生。

2 D TYPE石墨成因分析

過冷石墨的形態(tài)特征是在奧氏體枝晶間分布著大量細(xì)小而無一定方向性的近似點(diǎn)狀石墨。首先由于鐵水缺乏形核因子或孕育效果的影響、或鑄件本身壁薄同時(shí)澆注后冷卻速度非常快，造成結(jié)晶過冷度變大，這樣的情況下都可能導(dǎo)致鑄件形成D型石墨。具有D TYPE石墨組織的鑄件在清理機(jī)中清理時(shí)容易發(fā)生破損和掉角現(xiàn)象。所以正常情況下這種石墨組織應(yīng)盡可能避免。目前部分空調(diào)器壓縮機(jī)用氣缸鑄件本身就要求金相組織以D型石墨為主，所以在鑄造方法上有的采用金屬型提高冷卻速度，同時(shí)加入0.05-0.07%的Ti 進(jìn)一步加大結(jié)晶過冷度，從而促進(jìn)D型石墨的形成。

3 B TYPE石墨成因分析

據(jù)有關(guān)資料介紹，B型石墨就相當(dāng)于D+A的組合。首先由于受鐵水質(zhì)量或孕育效果的影響（在前文中已明確）在鑄件的內(nèi)部最起初先形成了分枝多而且密的D型石墨，隨著結(jié)晶過程的進(jìn)行，在共晶轉(zhuǎn)變中釋放出結(jié)晶潛熱向周圍散出，導(dǎo)致結(jié)晶過冷度降低，故外層石墨生長(zhǎng)速率延緩，石墨片又逐漸長(zhǎng)成了片狀，而且沿著熱流的方向長(zhǎng)成了輻射狀[3]。再進(jìn)一步向外發(fā)展時(shí)，由于熱流已不再有明顯的輻射方向性，故外圍又長(zhǎng)成了蜷曲的片狀A(yù) TYPE石墨。對(duì)要求A TYPE石墨比較嚴(yán)格的鑄件，在鐵水冶金質(zhì)量及孕育處理方面必須嚴(yán)格管理和控制，盡量避免D TYPE石墨的形成，也即可避免B TYPE 的發(fā)生。

4 C TYPE石墨成因分析

生產(chǎn)中鑄件出現(xiàn)CTYPE石墨一般有兩種情形，一是生鐵遺傳性因素引起形成C型石墨，電爐本身過熱溫度低，生鐵中的粗大石墨不能完全熔化，但在沖天爐過熱帶中過熱溫度可以達(dá)到1700℃，生鐵中的粗大石墨基本可以熔化，所以一般用沖天爐熔化的鐵水形成粗大石墨的幾率較低。用電爐生產(chǎn)灰鑄鐵時(shí)所使用的生鐵牌號(hào)控制在18-22#鑄造生鐵較為恰當(dāng)；另一種情形就是目前很多廠家大批量使用廢鋼加增碳劑用電爐直接熔化生產(chǎn)灰鑄鐵，在澆注過程中電爐中儲(chǔ)存的鐵水中的碳不可避免有部分被燒損，為了不使初晶溫度進(jìn)一步提高，作業(yè)者隨時(shí)向電爐中補(bǔ)加部分增碳劑，如果這部分增碳劑未能完全熔解即被倒出進(jìn)行澆注，這樣將有部分增碳劑進(jìn)入鑄件型腔隨其余鐵水一起結(jié)晶凝固，這部分石墨就相當(dāng)于過共晶成分鐵液先析出的初生石墨一樣，其余游離碳進(jìn)一步附著并長(zhǎng)大，從而形成粗大的C 型石墨。在生產(chǎn)中控制好補(bǔ)加增碳劑的熔解或著在時(shí)間允許的條件下采取其它調(diào)質(zhì)措施即可解決此問題。

5 結(jié)語

5.1 A TYPE石墨的形成必要條件：硫化物等非均質(zhì)核心及有效的SiO₂為外殼的晶核，鐵水中飽和平衡的含氧量及有效的孕育處理。

5.2 B TYPE石墨即D+A的組合，加強(qiáng)鐵液質(zhì)量及孕育管理，避免D型石墨生成，B 型石墨也會(huì)隨之減少。

5.3 C TYPE石墨在鐵液質(zhì)量管理不好的狀態(tài)下在亞共晶成分鐵液中也會(huì)出現(xiàn)，必須加強(qiáng)熔化原材料生鐵及未完全熔化石墨增碳劑的管理，避免粗大石墨生成。

參考文獻(xiàn)：

[1]張伯明.鑄造手冊(cè)[M].第一卷 鑄鐵.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社.2004.

[2]李隆盛.鑄造合金及熔煉[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1989.

[3]柳百成，黃天佑主編.中國(guó)材料工程大典.材料鑄造成形工程[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2006.