了解铸铁中的石墨

作为一种历史悠久、应用广泛的工程材料，铸铁的性能很大程度上取决于其内部的石墨形态。石墨在铸铁中就像一把双刃剑。它不仅赋予铸铁独特的性能，还对铸铁的性能产生复杂的影响。

什么是铸铁中的石墨？

石墨 是铸铁中作为独立相存在的碳的同素异形体。铸铁是含碳量大于 2.11%（一般为 2.5-4.0%）的铁碳合金。在凝固过程中，碳元素会以石墨的形式析出。铸铁中石墨的形态、大小和分布对铸铁的性能起着决定性作用。

铸铁中的石墨概述

石墨的基本特性

石墨具有典型的层状晶体结构，各层之间存在微弱的范德华力。这种结构赋予了石墨许多独特的特性。其质地柔软，莫氏硬度仅为 1-2，有一种光滑感。石墨具有良好的导电性和导热性，其导电性低于一般金属材料。但在非金属材料中，它是一种优良的导体。此外，石墨的化学性质稳定。常温下不易与其他物质发生化学反应，具有良好的耐腐蚀性。

铸铁中石墨的重要性

石墨在铸铁中起着关键作用。从机械性能的角度来看，石墨的存在类似于在金属基体中形成大量微小的 "裂纹源"。这会降低铸铁的强度和韧性。不过，石墨也赋予铸铁一些特殊性能。例如，石墨的润滑作用使铸铁具有良好的抗摩擦性和耐磨性。这对滑动轴承和机床导轨等零件的制造具有重要意义。石墨的导热性能有助于铸铁在加热过程中均匀散热，提高其热稳定性。此外，石墨的存在还能使铸铁获得良好的铸造性能。如降低铁液的表面张力，提高其流动性。这有利于 铸造 形状复杂的部件。

铸铁中的不同石墨类型

球墨铸铁（球状石墨铸铁）

球墨铸铁和球墨铸铁指的是同一种材料。两者并无本质区别，只是名称不同而已。

球形石墨的形成机理

在铁液中添加球化剂（如镁、稀土等）和接种剂是关键。球化剂能降低铁液中碳的表面张力，使石墨呈球形生长。接种剂增加了石墨成核的数量，使石墨球细化和均匀化。并在合适的温度下将铁液凝固成球形石墨。

球墨铸铁的特性

机械性能优异，抗拉强度超过 400MPa-1000MPa，远超灰铸铁。伸长率约为 2%-20%，韧性、延展性好，能承受冲击和变形，可部分替代铸钢。耐磨性极佳，疲劳强度高，耐久性好。

球墨铸铁的微观结构

由均匀分布在金属基体（铁素体、波来石或混合结构）中的球形石墨组成。铁素体基体具有良好的韧性和塑性。珠光体基体具有较高的强度和硬度。均匀分布的小石墨球可以提高材料的整体性能。

生铁与铸铁

与灰铸铁相比，机械性能大大提高。灰铸铁的片状石墨严重切割基体，导致强度和韧性较低。球墨铸铁的球状石墨对基体的切削很小。虽然球墨铸铁需要更精确的球化控制和孕育处理，但它具有良好的流动性和填充性。它可以满足复杂铸件的生产。在应用中，可以使用对强度和韧性要求不高的普通铸铁，如机床床身。Sg 铁用于制造汽车、机械、航空航天等领域的关键部件。

灰铸铁

灰铸铁的微观结构

鳞片石墨由鳞片石墨和金属基体（铁素体、波来石或混合结构）组成，鳞片石墨会削弱基体的连续性，导致机械性能低下。

灰铸铁中的石墨片

其形状不规则，呈片状或条状。其大小、数量和分布都会影响性能。大的石墨片会降低强度和韧性，而细小且分布均匀的石墨片则能提高性能。 石墨片 灰口铸铁具有良好的减震性能。它适用于制造机床床身、发动机缸体和其他需要减震的部件。

铸铁中的石墨鳞片尺寸

按长度和厚度测量，长度为几十到几百微米，厚度为几微米到几十微米。尺寸受铸造工艺和化学成分的影响。高碳当量和缓慢的冷却速度可使石墨片变大，添加合金元素（如硅和锰）可使石墨片细化。

压实石墨铸铁

蠕虫状石墨的形成机理

必须严格控制铁液的成分和处理过程。加入适量的蛭石（镁、稀土和其他元素的复合物），用接种法制备。蛭石能使石墨长成蛭石状，末端光滑。作用介于接种剂和不处理之间，在适当的凝固条件下形成蛭石状石墨。

压实石墨铸铁的性能

性能介于球墨铸铁和灰铸铁之间。抗拉强度 300MPa-500MPa，高于灰铸铁。韧性和延展性优于灰铸铁，但略低于球墨铸铁。良好的导热性，接近于 灰铸铁耐磨、耐热疲劳，可在高温、交变负荷下工作。

压实石墨铸铁的微观结构

由均匀分布在金属基体（铁素体、珠光体或混合结构）中的蠕虫状石墨组成。压实石墨的尺寸、数量和分布会影响材料的性能，并合理地控制细压实石墨铸铁的可用性。

铸铁微观结构分析

分析方法

研究铸铁微观结构的方法有很多种。通常使用金相显微镜。在对铸铁样品进行抛光和腐蚀后，可以观察到石墨的形态、大小、分布和金属基体结构特征。扫描电子显微镜（SEM）具有更高的分辨率，可以观察到石墨和基体之间的界面等精细结构。电子探针显微分析（EPMA）可以定量分析铸铁中的元素，确定不同相的化学成分。您还可以使用 X 射线衍射 (XRD) 分析各相的晶体结构。

微观结构与性能之间的关系

铸铁的微观结构直接决定了其性能。石墨的形态、尺寸和分布对机械性能有很大影响。球状石墨对基体裂纹的影响最小，强度和韧性较高。灰铸铁中的片状石墨会降低强度和韧性，但具有良好的减震性。压实石墨使蠕墨铸铁介于两者之间。金属基体的结构也很重要，铁素体基体铸铁的韧性很好。而珠光体基体的强度和硬度都很高。通过调整 铸造 通过工艺和化学成分来控制微观结构，可以获得满足不同性能要求的铸铁材料。

结论

铸铁中的石墨有多种形态，不同形态的石墨赋予铸铁不同的性能。通过各种分析方法研究铸铁的微观结构，可以明确微观结构与性能之间的关系。未来，随着材料科学技术的发展，对铸铁中石墨的研究将更加深入。并有望开发出性能更好、应用更广的铸铁材料。