3、灰铸铁中石墨的分类分级及显微检测

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1、石墨类型 定义A片状石墨呈无方向均匀分布B片状及细小卷曲的片状石墨聚集成菊花状C初生的粗大直片状石墨只有粗大的直片状是C型石墨，余一般为A型细小卷曲的片状石墨在奥氏体枝晶间呈无方向性分布石墨细小无方向性，共晶团一般细小片状石墨在奥氏体枝晶的二次分枝间呈方向性分布只有在奥氏体枝晶的二次分枝间F初生的星状（或蜘蛛状）石墨呈方向性分布的石墨是E型石墨灰铸铁中石墨的分类分级与显微检测摘要 介绍国标GB/T7216-2009美标ASTMA-247 （2010）及国际标准IS0945T： 2008对灰铸铁中石墨的分类分级；分 析不同石墨形态的特点、成因及对性能的影响；对石墨的显微检测做了详细的说明。关键词

2、 灰铸铁；石墨形态；石墨尺寸；检测位置灰铸铁是指显微组织中石墨成片状的铸铁，由于灰铸铁具有生产工艺简单、成本低廉和良好的使用性能等 特点，所以在工业上得到广泛的应用。GB/T9439-2010灰铸铁件中根据与同炉同包次相近的冷却条件下，按 30mm 的单铸试棒的抗拉强度分级，规定了 HT100、HT150、HT200、HT225、HT250、HT275、HT300、HT350 八 个级别的灰铸铁牌号。各牌号中的数据为其单铸试棒具有的最低抗拉强度值（MPa）。灰铸铁凝固结晶缓冷后的 组织为：石墨+珠光体和铁素体（或全部珠光体），受化学成分、冷却条件等的影响，有时可出现磷共晶和碳化 物。在灰铸铁中

3、，基体组织对性能会有影响，但对强度等起决定性影响的是石墨的形态及其大小。1 国标美标及国际标准中灰铸铁的石墨形态分类（1）美国材料与试验学会标准ASTMA-247（2010）将铸铁（包括灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁）中出现的石墨分为7种类型，分别用罗马数字I到表示，而类（片状）石墨又分为A、 B、C、D、E五种分布形状。见表1。表1 美国ASTMA-247（2010）的石墨类型石墨类型IIIIIIIVV特征描述球状团庄团絮状蠕虫状星状开化状片状A B C D E F（2）国际标准IS0945-1： 2008将铸铁中石墨形态分为6种，分别用罗马数字I-表示，与美标分类不同， I类为片状、

4、II类星状、III类蠕虫状、W团絮状、V团状、类为球状，未列开花状石墨。I型（片状）石墨再分为 A、B、C、D、E 五种形状。（3）我国根据石墨形态特征和生产过程特点将铸铁分为球墨铸铁、灰铸铁、可锻铸铁及蠕墨铸铁四大类。 国标GB/T7216-2009灰铸铁金相检验将灰铸铁中石墨类型分为A、B、C、D、E、F共6种，其定义及说明见 表3。国标对灰铸铁中石墨类型的分类定义，除增加F型石墨外等同于美标及国际标准。F型石墨在美标和国际 标准中分别列为V型和II型。表3 灰铸铁石墨分布形状定义及说明说明石墨片弯曲或卷曲一颗菊花即是一个共晶团，共晶团一般粗大只有初生的星状石墨是F型石墨，余为A型2 灰铸

5、铁中各石墨形态的特征成因及对性能的影响图1 A型石墨（1）A型，又称片状石墨，其石墨成片状均匀分布、无方向性。A型石墨一般是共晶或接近共晶成分的铁 液在不大的过冷度条件下均匀形核长大而成。实际生产中采用砂模（潮模砂或树脂砂等）造型浇注的壁厚5mm 以上的铸件易生成A型石墨。一般成分控制为C3.1-3.4%、Si选择为1.82.3%之间，尤其重要的是S元素含 量应选择在0.06-0.12%之间，（传统错误观念认为S含量越低越好）；当铁水中S量不足时可选择增硫处理，以 增加石墨形核能力，促进A型石墨生成。片状石墨相对来说对金属基体的割裂作用小，铸件机械性能好，是生 产中希望获得的石墨形态。图1、图

6、2为A型石墨的显微图片和空间三维形态。图2 A型石墨的三维形态图4 B型石墨示意图（2）B型，乂称菊花状石墨，特征是片状和细小片状石墨聚集成菊花状分布。这种石墨出现在碳当量较高 且结晶核心较少的情况下，在结晶初期冷却速度较大，所以中心石墨片很小甚至出现类似D型石墨，外围为较 大的卷曲状石墨。生产中铁水经孕育处理而过冷，形成细小片状石墨与奥氏体晶核，随后共晶体逐渐长大，外 围石墨也变大；一颗菊花就是一个共晶体，所以B型石墨的共晶团粗大，对强度性能不利，故生产中控制出现 B型石墨。图3、图4为B型石墨典型显微图和示意图图3 B型石墨（3）C型，灰铸铁中的石墨按形成时期可分为两类，即初生石墨和共晶石

7、墨。C型石墨是初生石墨，它是 过共晶成分（CE24.26%）的铁液在凝固过程中按Fe-C相图的CD线直接从液相中析出的石墨，是一种匀晶 转变产物，在共晶转变前铁液中自由生长的石墨。其显著特征是厚大而平直、不弯曲（其中可能会开叉，有时 可能在平直的初生石墨的端部发现石墨弯曲细小，这部分石墨是初生石墨在共晶结晶阶段石墨延续生长的结 果）。由于铁液在析出单相初生石墨后也要发生共晶转变，因此C型石墨必然与共晶石墨共同存在。C型石墨由 于粗大，使铸件性能严重下降，切削加工时出现麻点而影响表面质量。所以在生产中是尽力避免的。但C型石 墨可增加材料的导热性，所以在生产钢锭模时往往希望得到C型石墨。图5、图6

8、为C型石墨的实际图片和示 意图。图7为过共晶白口铁中的初生一次渗碳体（长板状），目的是与初生一次C型石墨相比较白色长条为一次 渗碳体。图5 C型石墨n图6 C型石墨示意图图7过共晶白口铸铁组织（4）D型，其特征为细小卷曲的片状石墨在奥氏体枝晶间呈无方向性分布。它是亚共晶成分CEW4.26%） 的铁液在较大的过冷度下先析出树枝状奥氏体初晶，剩余的液相发生共晶转变而生成的。实际生产中当铸件快 速冷却时（如薄壁件），铁水有很大过冷度，但由于硅含量较高，使其免于出现白口。因为有奥氏体枝晶先结晶 析出，表明铁水成分为亚共晶，大多数情况确实如此。但共晶成分的铁水也会出现D型石墨，这是因为冷速过 大时铁液过

9、冷度增大，共晶转变线下移，Fe-C相图中的液相线向右下方延伸，原共晶点也向右下方移动，原共 晶成分变化为亚共晶成分，从而出现奥氏体初晶和D型石墨。同A型石墨一样D型石墨也是共晶石墨，它生长 在先析出的奥氏体及其二次分枝间，其共晶团很细、石墨片短小。先析出的一次奥氏体在随后的相变中转变为 珠光体+铁素体（或全部珠光体）。D型石墨的铸件往往含有较多的铁素体，由于密集的片状石墨之间的距离很 近，所以共晶奥氏体在随后的共析转变时析出的碳很容易聚集到小片状石墨上，共析渗碳体难以形成，结果在 D型石墨处往往是铁素体而不是珠光体。D型石墨铸件由于存在奥氏体树枝晶、石墨片细小，故具有较高的强度， 所以在高牌号

10、铸件HT250、HT300等生产中常常选择低的碳当量来保证获得部分D型石墨，从而提高强度。图8 是D型石墨显微图片。图8 D型石墨（5）E型，旧称枝晶片状。它发生在含碳量较低的亚共晶成分的铸件中，铁液凝固时，先析出树枝状奥氏 体初晶，余下的铁液发生共晶转变，一部分转变为D型或A型（细小片状共晶体为D型，当石墨片较大时即为 A型），另一部分在奥氏体二次分枝间成方向性排列即为E型。E型石墨是亚共晶铁液在比形成D型石墨为小的 过冷度下形成，所以石墨片较D型长。实际生产中在形成D型石墨的铸件上冷却速度较慢的部位往往出现E型 石墨。E型石墨使铸件性能呈方向性，生产中应加以控制。图9为E型石墨的金相图片，

11、图10为亚共晶白口铁 金相组织，其中的黑色部分为原奥氏体树枝晶，后转变为珠光体；图11为亚共晶铸铁中的奥氏体枝晶的三维形 态。图10亚共晶白口共晶铁金相组织图11亚共晶铸铁中的奥氏体枝晶二维形貌(6) F型，又称星状石墨。同C型石墨一样，F型也是初生石墨，是过共晶成分的铁液在很大的过冷度下 形成的(C型石墨是小的过冷度下形成的)。它出现在高碳薄壁铸件中。由于过共晶成分，所以铁液冷却时析出 初生石墨，又由于冷却太快，初生相不易长大，而是分叉生长成星状，然后剩余液相发生共晶转变，一般生成 A型。F型石墨在通常铸件中很难见到，在活塞环等高碳铸件上常出现；加合金硼的铸件上常会出现。3灰铸铁中石墨长度分

12、级石墨长度的大小同样影响着铸件的强度等性能，一般认为石墨越小越好。国家标准GB/T7216-2009与国际 标准IS0945-1： 2008对石墨长度的分级描述完全一致，将石墨长度分为8个级别。具体见表4。美国材料与试 验学会标准ASTMA-247 (2010)也将石墨长度分为8个级别，但具体界定与国标和国际标准不同，1级最长为W 1.28mm、2级为W0.64mm，以后每下一个级别石墨长度减半，8级最小为0.01 mm。表4国标和国际标准石墨长度分级级别在lOOx下观察石墨长度(mm)石墨实际长度(mm)1121.5-30.5-133-60.25-0.546-120.12-0.25512-2

13、50.06-0.12625-500.03-0.06750-1000.015-0.0381000.0154石墨形态和长度的金相显微检测GB/T7216-2009灰铸铁金相检验和GB/T9439-2010灰铸铁件是指导灰铸铁生产和检验的纲领性文件， 国标对金相检验做了详细明确的规定。我们根据实际经验解读如下。4.1金相检测位置的确定老国标GB/T7216-87灰铸铁金相规定金相试样选定为距抗拉试棒断口 10mm处或试棒底部切除10mm后 作金相检测，特殊情况可在铸件上取样。2009年国家发行了灰铸铁金相检验的新标准，即GB/T7216-2009灰 铸铁金相检验。新国标提出金相试样为在与铸件同时浇注

14、、同炉热处理的试块或铸件上截取。2010年发行了 GB/T9439-2010灰铸铁件，该标准进一步明确规定对铸件金相检测的取样位置由供需双方商定，铸件金相的 检测应在铸件表面1.5mm以下处取样。可以理解为当同炉试块与本体金相一致时可用它替代本体解剖样品，首 选的金相样品应是铸件本体，且在铸件本体上指定位置的表面1.5mm以下处取样。实际生产中铸件不同的位置 以及同一位置上距表面不同的点，其金相相差较大，尤其是厚大件相差更多；而最表面可能存在铸造缺陷等原 因，不宜作金相试样。所以，根据铸件的使用要求和铸造工艺特点，选定铸件中有代表性位置来考量铸件的金 相组织是合理的，也是供需双方应共同遵守的统

15、一检测准则。新国标取消了以抗拉试棒断口 10mm处作金相检测 的硬性要求，只提出在同炉试块或铸件上取样这一比较泛泛的规定，应该是在制定新标准时已充分考虑到以抗 拉试棒金相来评价铸件金相的不妥之处。而特别增加以铸件表面1.5mm以下地方作为铸件金相检测点是新国标 的最大变化点。我们长期的检测实践是在确定铸件检测位置后，对不同壁厚的铸件金相检测点作如下安排： 壁厚10mm以下的铸件，金相检测一般为整个断面；壁厚10-20mm铸件以距表面5mm处为主，余部参考；壁厚20-30mm的铸件以4mm处为主；壁厚30-40mm的以3mm处为主； 大于40mm的以2mm处为主检测位置。4.2石墨形态的检测在选

16、定金相检测点后，截取金相试样，试样大小10X15mm为宜，经磨制抛光后观测，先通观察整个试样， 按大多数视场石墨形态评定，确定石墨类型。同一试样中有不同形态的石墨时应观测估计每种石墨的百分含量, 在检测报告中注明。如A (85%) +D (15%)。金相检测时石墨形态的定性最为重要和困难，尤其是对C型石墨的 定性更需特别注意。4.2.1 C型石墨与粗大石墨的区别在厚大铸件中往往出现石墨片既粗且长，可能被误判为C型石墨。它是由于铸件凝固时间长，石墨生长缓 慢的结果，但属共晶A型石墨。与C型石墨相比粗大石墨发生弯曲，而C型石墨是“直板状”显著特征是平和 直。4.2.2 C型石墨与块状石墨的区别铸件

17、中往往会看到所谓的块状石墨，2009年前老国标一直将它定义为C型石墨，这一不恰当的定义影响着 一代又一代铸造工作者和金相工作者对C型石墨的认识。其实灰铸铁中并不存在块状石墨，它的本质为A型石 墨；产生块状的原因是由于金相切面截到A型石墨的核心或石墨片的分叉点或较平行方向切到石墨片所致。块 状石墨也不是由于生铁的组织遗传和未溶化的增碳剂，因为在几乎相同的熔炼温度下，我们在球墨铸铁中从未图12被误判为含有大量C型石墨的金相4.3石墨大小的评定国标规定通观整个试样，选择有代表性的视场，按其中最长三根石墨长度的平均值评定级别。国际标准中 对有不同形态的石墨还需分别评定石墨长度，结果表示为：如90%IA

18、4+10%ID7, I表示片状石墨。美国标准对石 墨长度的评定也以大多数视场为准，但以所选视场中最长一根石墨的长度评定，有两种或以上石墨也需分别评 定石长级别。如90%WA4+10%WD7。表示石墨类型为片状，A4表示石墨形态为A型，石墨长度4级。5结束语灰铸铁中的石墨特征决定了材料的性能；准确理解和正确检测石墨形态和长度等指标，有利于指导生产和 改进产品质量；在商贸活动中维护企业经济利益。参考文献1 孙国雄.灰铸铁中C型石墨的鉴别及金相标准的探讨现代铸铁2008/4, P99-1022 子澍.灰铸铁中石墨形态分级及特点铸造设备与工艺2009年，第5期P53-543 解明国等.消失模铸造灰铸铁中石墨形态的研究合肥工业大学学报(自然科学板)2011/9P1313-1316