一、前言

　　在球墨铸铁生产中，高的碳当量容易在厚大断面铸件里产生石墨漂浮缺陷（图1【1】）。也有很多人认为高的碳当量能产生更多的石墨膨胀，可以减少球墨铸铁的缩孔、缩松等收缩缺陷。但到底如何去选用球墨铸铁的碳当量，在国内还无比较一致的认识

　　我摘录了近两年杂志上发表的生产球墨铸铁所使用的碳当量（见表1）。它可以分为两类，一是具体铸件的实际成分，二是某个具体企业的工艺规定。可以说，很多企业对碳当量基本没有控制，有的企业工艺规定碳的质量分数可在0.4%内波动。同样做球墨铸铁风电大铸件的企业，最低的碳当量仅4.19%，中间的在4.3%-4.5%，最高的到了4.9%，相差甚远。

除了对如何选择碳当量不十分注意外，从表1发表文章的企业看，还没有做到针对每一种铸件确定一个自己的合适成分，而只根据所生产球墨铸铁牌号来确定成分，也就是说，还没有充分考虑铸件壁厚的影响。

与表1相仿，表2是国外生产球墨铸铁的一些数据。其中第1到第13项取自“铸造实用手册”【2】，第14项是德国一年生产几十万吨汽车铸件企业的工艺规定范围（每个件还有自己的成分）。从表2看出，国外使用的碳当量都远比国内低，而且碳硅量可调整的范围较小。

我国**部铸造手册发表在1979年，随后全国铸造学会组织了一、二、三版【4】铸造手册铸铁卷的编写，他们推荐的碳硅量汇总在表3内。

表1 国内球墨铸铁碳当量举例（质量分数，%）

1979年的铸造手册还对各行业的铸件推荐了化学成分（见表4）。

美国铸造协会以及德国铸造百科全书【5】【6】在30年前就给出了一个他们认为**球墨铸铁碳和硅量的选择图（见图2）。从图可以看出，他们认为**的碳当量范围在3.9%-4.55%，硅含量在2.0%-2.7%。取中间**值碳含量应在3.65%，硅在2.3%左右，即碳当量在4.42%。认为碳当量超过3.55%就易产生石墨漂浮缺陷，硅低于2.0%铸件就易产生白口，高于2.7%就会出现脆化。

图2 球墨铸铁碳硅量的**范围[4][6]

表2 国外的球墨铸铁碳当量举例（质量分数，%）

表3 我国铸造手册推荐的碳硅量（质量分数，%）

　　二、碳当量对球墨铸铁性能的影响

在球化处理得当时，铁液中的碳将结晶成球状石墨。它确保了金属基体的连续性，从而球墨铸铁的力学性能都比其他类铸铁要好。正因为球状石墨的存在，球墨铸铁的力学性能很大程度上就只取决于球墨铸铁的基体和石墨的圆整度，这样有关碳当量对球墨铸铁性能的研究很少。这抑或是凯发登录在球墨铸铁生产中不太重视碳当量选择的原因之一。图3汇总了碳量对球墨铸铁力学性能的影响【5】。碳量高了,就是铸件中石墨体积增加，从而必定会降低球墨铸铁的抗拉强度和屈服强度，如果球墨不圆整则它的影响会更明显。过去认为硅量高了会降低球墨铸铁的韧性，但硅固溶强化铁素体球铁的发现打破了这个框框【7】，图4、图5表明了硅量对抗拉强度和伸长率的影响。这种类型的球墨铸铁和传统的混合基体球墨铸铁有很大的不同，而且至今的研究都规定它的碳当量不能超过4.3%。图6是碳量对球铁弹性模量的影响，提高碳量降低了他们的性能。

表4 1979年推荐的化学成分范围（质量分数，%）

从球墨铸铁的铸造性能看，高的碳当量比较有利。在碳当量4.5%-4.7%时，球墨铸铁具有**的流动性[3]。在一定的过热度下，这当然和球墨铸铁的共晶点位置有关，不管如何，

这在过去难以获得高温铁液时就这一点就显得十分重要。图7和图8分别展示了碳当量与缩孔和缩松的关系。两图表明，在一定条件下提高碳当量有利于减少收缩缺陷。

　　三、球墨铸铁的凝固与共晶点的碳当量

要探讨如何选用合适的碳当量，就必须充分了解球墨铸铁的凝固特征和共晶点的位置。

1. 铸铁的主要成分是铁和碳，是一种共晶合金。按稳定系凝固时，它的共晶点含碳量是4.26%；按亚稳定系凝固时，共晶点的含碳量是4.3%。

实际上，球墨铸铁和其他铸铁一样，除了碳、硅元素外，还有锰、磷、硫、铜、镁等其他元素。他们的存在会影响到铁碳状态图的形式，如图9所示，固相线和共晶点位置都有移动。

过去对硅、磷等元素在铸铁中的作用研究比较多（见表5【8】），但对镁元素影响作用至今仍缺乏定量研究。文献【4】认为，在基础化学成分相同的情况下，球墨铸铁的固相线温度要比灰铸铁的低20-30℃。

至于共晶点的位置，在正常的镁含量时（质量分数0.03%-0.05%），文献【5】认为在4.6%-4.8%，文献【8】认为在4.6%-4.7%。

只有在确定球墨铸铁的共晶点位置的情况下，才能知道在生产时应用的是亚共晶、共晶、还是过共晶成分，对防止收缩缺陷有多大影响。

表5 合金元素对铁-石墨系状态图的影响

　　文献【9】在研究凝固机理时，认为球墨铸铁的共晶点在4.33%，因为试验表明，使用碳当量4.33%时铸件最致密，其次好的是接近4.33%的亚共晶球墨铸铁，最不好的是碳当量超过了4.33%的过共晶球墨铸铁。Sparkman[10]用热分析方法试验发现，当球墨铸铁的碳当量处在4.35%到4.6%时既不能测出奥氏体液相线（亚共晶），也不能测出石墨液相线（过共晶）。原因是球化处理后，残余镁阻碍了石墨球的析出。通过推算和试验，他建议球墨铸铁的碳当量应尽量靠近4.6%，但千万别超过4.6%，高了或太低都不利于防止铸造时的收缩缺陷。他帮助了两个企业，纠正了错误做法，取得了很好的效果。在设定20%的碳溶解在基体内，各种碳当量对防止收缩缺陷的效果见表6，即碳当量在4.55%-4.6%之间时效果**。他也提出，在同样碳当量时，可用降硅提碳的方法来增加防收缩缺陷的效果。看来Sparkman的结论和德国百科全书、美国铸造学会，即图2的结论是比较一致的。

表6 碳当量对防止收缩缺陷的效果（质量分数，%）

在国外，很多文献（包括Stephen Karsay）都把碳当量4.3%作为球墨铸铁的共晶点，从而建议使用稍高一点的碳当量（4.3%-4.5%）来生产球墨铸铁。

　　2、用热分析方法可以确定，球墨铸铁的凝固有四种模式：过共晶凝固；共晶凝固；亚共晶凝固(见图10)和过共晶-亚共晶凝固。

　　（1）过共晶凝固是碳当量超过共晶点碳当量的凝固。随着铁液温度下降至石墨液相线时，初生石墨从铁液中析出。由于密度的差异（石墨的密度约2.0克/厘米3，铁液的密度约7.0克/厘米3），根据斯托克斯定律，石墨会向上漂浮。其漂浮的速度与距离取决于浇注温度、冷却速度以及孕育情况（球径大易漂浮）。随着石墨的析出，铁液的体积也随之增大。在通常条件下，石墨膨胀会把铁液毫无阻碍地压回到冒口和浇道中，不会起补缩作用。如果想利用它的膨胀力，在浇注完毕后立即封死浇道，它的膨胀力会压向铸型型壁。由于在过共晶成分时，在石墨液相线到共晶凝固温度间没有奥氏体晶析出，取决于温度梯度，铸件外壁的厚度基本没有或很小，它完全挡不住石墨的膨胀力，此时，能否利用它的膨胀力来补缩就完全取决于铸型的刚度。通常的粘土砂型是不行的，铸件会涨大，反而引起收缩缺陷（见图11）。

　　当铁液温度进一步下降时，石墨将继续析出，铁液的含碳量逐渐沿着液相线下降直至达到共晶点和共晶温度时开始进行共晶凝固。

　　（2）亚共晶凝固是指球墨铸铁碳当量低于共晶点碳当量的凝固。铁液温度降到液相线时，首先结晶的是具有强度的奥氏体枝晶。随着温度进一步下降至共晶结晶温度，奥氏体枝晶有充裕的时间和空间生长壮大。铁液中的碳量则随着奥氏体的析出，沿着液相线达到共晶点。进行共晶结晶时，领先相石墨只在枝晶间的铁液中形核并长大，很难发生石墨漂浮。同时，铸件外壳的强度可以作为部分阻力和铸型一起来抵抗共晶石墨化膨胀，使其发挥自补缩作用。有企业就利用这一点，无冒口铸造风电大铸件。

　　（3）过共晶-亚共晶凝固是指原本是按过共晶凝固的铁液，由于冷却速度快，以及先析出相石墨漂浮使底下残余铁液中的含碳量局部低于共晶点的碳当量，从而又按亚共晶模式凝固的现象。这也是由热分析的测定而得到的。对于防止收缩缺陷来说，文献【10】认为这是一种最不好的凝固形式。

　　（4）共晶凝固就是球墨铸铁化学成分在共晶点时的凝固。此时既没有过共晶凝固时的石墨先析出，也没有亚共晶时的奥氏体枝晶析出，也即凝固时不会有液相线碰到。共晶铁液在冷却到共晶温度时，石墨在和其有一定晶格关系的核心（各种氧化物或硫化物）上析出并长大，石墨球析出引起周围铁液贫碳从而帮助了奥氏体析出，并在石墨周围形成一层奥氏体壳（称为共晶团）（见图12）。此后石墨和奥氏体外壳一起长大或有新的共晶团诞生，直至全部凝固结束。

图12 球墨铸铁共晶转变过程示意图

a)凝固初期 b)中期 c)凝固完毕

　　从上述分析可以得到，碳当量不同，凝固形式不同，但最终都要经过共晶凝固的阶段。对于粘土砂型，从利用石墨化膨胀防止收缩缺陷看，主要是利用共晶石墨的膨胀。所以，不管球墨铸铁的共晶点在何处，可利用的膨胀量基本是一样的。例如，共晶点在4.6%，使用的硅量都是2.4%，则能转变为共晶石墨的数量是：

4.6－（2.4÷3）－[2.1－(2.4÷3)]－{[4.6－（2.4÷3）]×20%}

＝3.8－1.3－0.76＝2.424%。

　　（其中，2.1%是铁碳状态图的E点奥氏体的碳当量；20%是指含溶在铁液中存在的、只能在热处理才能变成石墨的碳量。）

这对于过共晶、亚共晶的成分都一样。过共晶成分只是多了一些初生石墨而已。诚然，当使用铁模造型或使用其他高刚度铸型那就要另外考虑了。碳转变为石墨时，体积会增大2-3倍，其膨胀力可至0.5-1.0MPa,此时已凝固铸件部分的强度和铸型的刚度对铸件是否产生收缩缺陷显得十分重要。

在同样的碳当量时，可以通过提碳降硅来增加共晶石墨数量，但这往往受到铸件性能的限制，有效利用范围很小。

图13是热分析方法得到的铸件冷却与收缩、膨胀的关系，图中红线是冷却曲线，黑线是收缩膨胀曲线。在凝固的整个时间段内有初始收缩和末端收缩，中间是膨胀。用系数K可以表示产生缩松的倾向：K=t膨胀/( t膨胀+t末端收缩)。K值越高，缩松倾向越小。这在另一方面也表明，铸件的收缩缺陷主要和铸铁共晶凝固期的行为有关。

　　四、球墨铸铁碳当量的选择

应该说，球墨铸铁碳当量的确定是个复杂的问题。上面的讨论中还没有提到浇注温度、孕育技术和铸件结构的影响。许多企业在实践中也体会到提高碳当量没有什么好处，从而在向低处控制。

在文章结束时，向大家推荐国外普遍应用的数据。表7是Stepfen Karsay根据不同铸件壁厚，在1990年重新修改后的推荐【1】。表内所列成分都是铸件的最终成分，也即表内的硅量包括了孕育所带进的硅量。使用这个表的数据时还必须注意，铸件壁厚在6毫米以下时，一定要有随流孕育以防止铸件棱角处出现白口。在铸件壁厚大于12ｍｍ时，又要求珠光体基体，则应该使用合金元素铜或锡。

图13 铸铁凝固时的收缩与膨胀【12】

表7 铸态球墨铸铁推荐使用的碳当量（质量分数，%）

表8 不出现石墨漂浮时铁液碳当量和温度壁厚的关系

表9 德国技术印度生产球墨铸铁大厚件的成分（质量分数，%）

从表7可以看出，作者推荐铸件**壁厚在12毫米时，因冷却速度大，都使用过共晶成分；在铸件壁厚大于12毫米时都使用亚共晶成分。

文献【5】根据温度的作用，推荐了一个不出现石墨漂浮的碳当量选择方法（见表8）。随着浇注温度的提高、壁厚的增加，要应用较低的碳当量。

表9是加拿大钛公司德国分公司为印度生产球墨铸铁大件所推荐的化学成分，也供大件在讨论和选用碳当量时参考【11】。

表9表明，国外仅根据壁厚来选择球墨铸铁的碳当量，在生产不同牌号的铸件时，采用控制合金元素的含量来调整，这样非常有利于原材料的选择和熔炼质量的控制和生产组织。

有很多因素会影响碳当量的选择。尤其是铸件结构不同，采用的碳当量也应该不同，所以每个企业都应做细致的技术工作和推行精细管理。介绍或汇总上述这些信息，主要是想引起大家的注意，采用过高的碳当量对生产球墨铸铁并没有多大的好处。

参考文献

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10. David Sparkman. Offsetting Schrikage in Ductile Iron---What Thermal Analysis Shows. Nov.2006

11. P.M.Cabanne. Production of Heavy and Thick Ductile Iron Castings[J].

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12. D.M.Stefanescu. Thermal Analysis—Theory and Application in Metal Casting[J].

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作者：中国农业机械化科学研究院原副院长　张伯明