高強度D型石墨鑄鐵化學(xué)成分對其力學(xué)性能的影響

程聯(lián)斌

(山西省機電設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

灰鑄鐵中的D型石墨又稱為過冷石墨，被認為是一種枝晶點狀石墨，在日本被稱為共晶石墨。傳統(tǒng)觀點認為 D型石墨在鑄鐵中是一種有害的組織[1]，會降低鑄鐵的強度，從而在產(chǎn)品的技術(shù)條件中不允許出現(xiàn)，當(dāng)然更不接受大部分或全部為D型石墨的鑄件。隨著科學(xué)的發(fā)展和人們認識的不斷深入，不少學(xué)者的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)石墨全珠光體鑄件,并在理論上也對其作了一定的研究分析，并將其稱為D型石墨鑄鐵[2-5]。近年來的大量研究表明：D型石墨鑄鐵比 A型石墨鑄鐵的強度更高(在實驗室的條件下，D型石墨鑄鐵的強度甚至可以達到鐵素體球鐵的強度水平)、更致密 、尺寸穩(wěn)定性更好、更耐熱疲勞、機械加工的表面質(zhì)量更高，并且許多 D型石墨鑄鐵已經(jīng)得到應(yīng)用。本文將分析D型石墨鑄鐵化學(xué)成分及其對力學(xué)性能的影響。

1 高強度D型石墨鑄鐵化學(xué)成分

1.1 碳和碳當(dāng)量

普通A型石墨鑄鐵的抗拉強度值是隨著含碳量的增加而降低，而D型石墨鑄鐵的抗拉強度變化則不同：在碳當(dāng)量低于4.15% 時，隨著含碳量的增加抗拉強度提高；碳當(dāng)量超過4.15%時則是降低。經(jīng)試驗確定，D型石墨鑄鐵含碳量的最佳范圍是3.3%～3.6%。

1.2 硅和碳硅比

硅能固溶于鐵素體中，起固溶強化的作用。D型石墨鑄鐵中加入適量的硅有利于石墨的析出，形成穩(wěn)定的D型石墨組織。但硅量太高，基體中的鐵素體量增加，珠光體量減少，抗拉強度下降。實驗表明：硅量應(yīng)控制在1.8%～2.0% 之間。D型石墨鑄鐵的強度不僅與硅的加入量有關(guān)，而且還與Si/C比有很大的關(guān)系，最佳的Si/C比能獲得最佳的抗拉強度，Si/C比最佳范圍為0.58～0.62。

1.3 錳

錳是促進形成珠光體的元素，這對D型石墨鑄鐵尤為重要。D型石墨鑄鐵在析出初生奧氏體時，其周圍會伴生出大量的鐵素體，對強度影響比較大。所以，為獲得較高的強度，必須有足夠量的錳，但錳含量太高，則易產(chǎn)生偏析。經(jīng)試驗確定錳含量的最佳范圍是0.9%～1.2%。表1為在其他化學(xué)成分不變的情況下，經(jīng)過5次實驗確定的Mn含量(質(zhì)量分數(shù))對D型石墨鑄鐵抗拉強度和硬度的影響。

表1 Mn含量(質(zhì)量分數(shù))對石墨鑄鐵抗拉強度和硬度的影響

1.4 鈦

在砂型鑄造條件下，鐵水中加入適量的鈦能夠穩(wěn)定獲得D型石墨鑄鐵組織，但有關(guān)鈦能形成D型石墨的機理現(xiàn)在還沒有完全搞清楚。當(dāng)鈦含量增加，碳當(dāng)量和碳硅比較高時，鑄件的抗拉強度增加；當(dāng)碳當(dāng)量低于3.6%時，隨鈦含量的增加，鑄件的抗拉強度反而下降。鈦的加入增加了鑄鐵鐵液的過冷傾向，使初生石墨大量分枝，增加了冷固過程中奧氏體的核心，細化初生奧氏體、細化組織。在國標(biāo)GB7216-87《灰鑄鐵的金相組織》中將D型石墨稱之為枝晶點狀，但在高倍放大時，仍呈片狀，只是片狀更細小，長度僅為20 μm左右。這種細小的石墨對基體的切割作用要少得多，最大程度地發(fā)揮了基體組織的強化作用，從而提高了鑄件的抗拉強度。實驗證明砂型鑄造含鈦量0.2% 以上就可以穩(wěn)定獲得D型石墨組織。含鈦量一般選在0.23%～0.33%，過多的鈦對強度提高不大，反而產(chǎn)生 Ti C ,惡化鑄造性能。

綜上所述，要想獲得高強度的D型石墨鑄鐵，需要綜合考慮主要化學(xué)成分的影響。首先要有適量的鈦、一定的碳當(dāng)量、硅碳比和錳含量。鈦的主要作用是形成D型石墨鑄鐵組織，在加上其他化學(xué)成分的綜合作用，才能獲得高的抗拉強度和性能。鈦含量對灰鑄鐵抗拉強度和硬度的影響如表2所示。由表2可以看出，D型石墨組織對基體的性能影響很大，沒有加鈦的情況下，盡管其他化學(xué)成分基本一致，但由于石墨形態(tài)主要是A型，機械性能變化很大。

表2 鈦含量對灰鑄鐵抗拉強度和硬度的影響

2 高強度D型石墨鑄鐵的性能特點

高強度D型石墨鑄鐵特點是強度高、硬度大、碳當(dāng)量高，這是普通高強度灰鑄鐵所不具備的。普通高強度灰鑄鐵由于碳當(dāng)量偏低，碳、硅含量低，鑄造性能不好，鐵水流動性不好，鑄鐵的冷卻收縮比較大，容易產(chǎn)生很多鑄造缺陷，復(fù)雜的鑄件更容易產(chǎn)生這些缺陷。D型石墨鑄鐵由于具有更高的碳、硅含量，有效地克服了普通高強度灰鑄鐵的這些缺點，既有高的強度，又有好的鑄造性能，使鑄造一些復(fù)雜的高強度鑄件成為可能。D型石墨鑄鐵的另一個特性是既具有高的硬度同時又具有優(yōu)異的機加工性能，這是普通高強度鑄鐵所不具備的。一般的高強度灰鑄鐵在獲得高的強度時，硬度也偏高，機加工性能不好。為此，我們做了兩組各500件鑄鐵的機加工對比試驗，試驗產(chǎn)品為液壓件鑄鐵。兩組機加工樣品的力學(xué)性能對照見表3。

機加工的切削速度為100 m/min，工件轉(zhuǎn)速為450 r/min，切削深度為1.5 mm，進給量為0.3 mm/r，使用刀具為陶瓷刀片，兩組鑄件加工完成后刀具磨損基本相同，看不出明顯的差距。經(jīng)分析認為：D型石墨鑄鐵優(yōu)異的加工性能與D型石墨鑄鐵的組織構(gòu)成有很大的關(guān)系，其石墨更細小，組織更致密，硬度更均勻，從而改善了機加工的性能。

表3 兩組加工樣品的力學(xué)性能對照

3 結(jié)論

按照國家標(biāo)準(zhǔn)，灰鑄鐵不是按照強度分類就是按照硬度分類，而強度與硬度有正相關(guān)關(guān)系。既然 D型石墨灰鑄鐵的強度高于同硬度的 A型石墨灰鑄鐵，那么使用 D型石墨灰鑄鐵制造灰鑄鐵件應(yīng)該更加可靠。有些設(shè)計者在鑄件設(shè)計中對 D型石墨有一定的限制這是值得商榷的。目前還存在一些矛盾的現(xiàn)象，比如大多數(shù)人認為，出現(xiàn) D型石墨必定伴隨著鐵素體增多，硬度下降；而我們的大量實驗數(shù)據(jù)卻與之相反，出現(xiàn) D型石墨常常伴隨著珠光體增多和硬度上升。因此筆者認為，亞共晶灰鑄鐵中的初生奧氏體在隨后的冷卻過程中轉(zhuǎn)變成了鐵素體，這些鐵素體枝晶作為“骨架”網(wǎng)絡(luò)，具有增強作用 ，這是 D型石墨灰鑄鐵具有高強度的原因。