1．問題的由來
考察機械制造的動態可知，機械——尤其是行走機械，其研發重點內容之一是提高金屬強度以減輕自重和提高使用壽命。灰鑄鐵件生產較易、價格低廉且耐磨、抗壓性好，故迄今仍占各類鑄件重量的首位（約占50~55%）。至于在汽車制造業，灰鑄鐵也是重量居第一位的鑄造合金。
灰鑄鐵之所以仍具有競爭力，在于克服其固有的最大弱點——強度相對較低導致工件較重這方面不斷地取得進展的緣故。例如,有的高強度灰鑄鐵轎車缸體自重己降至40公斤以下，最薄斷面壁厚不及3毫米。
如果孤立地僅就金屬強度而言，要提高灰鑄鐵強度并非難事，因為只要降低灰鑄鐵的碳硅量，即可減少所形成的片狀石墨（相對于金屬而言，石墨的硬度和強度可以視為零），同時加入合金元素強化基體，就能達到這一目的。
但是，碳量（碳當量）的降低將加劇兩大質量問題，一是石墨形態的惡化，二是鑄件易于產生縮松缺陷。可見，為生產高強度灰鑄鐵件需要解決好這些突出矛盾，而這將涉及一系列理論和實踐方面的問題。
2．影響灰鐵性能的因素
先前的一致認識是：灰鐵材質性能取決于它的化學成份及冷卻速率。對于給定形狀、重量和壁厚的鑄件，如果鑄型介質和澆注溫度不變，冷卻速率也是不變的，因而影響到金屬性能的將主要是化學成份，對于灰鑄鐵來說，基本成份中的錳、磷、硫三元素對性能的影響較小且可供調控和實際變化的范圍又很窄，顯然，決定灰鐵材質性能的最重要因素是碳和硅的含量（合金元素影響作為另類問題對待），如果找出該兩元素含量（還可以將兩元素合二為一地用碳當量代表）與表征灰鐵材質性能的強度和硬度之間的數學關系，這不僅給試驗研究帶來便捷同時也將對生產者具有實用價值。此外，還有一個問題一直引起人們的關注——內燃發動機，它的大部分工件是灰鐵件，其主要部件如缸體不僅加工量大、工序繁多，且多用專用設備和刀具，而專用刀具都是單件制作，因此，即使在歐美國家，在發動機廠生產費用中，刀具損耗的費用占居第一。按傳統觀點，灰鐵的硬度與強度呈直線正比關系，可否在一定范圍內生產出強度提高而硬度不變或稍許上升的灰鐵？！
循著這一思路，鑄鐵學者派特生進行系統性充分試驗，并對大量數據加以處理[1]，得出灰鐵硬度和強度與共晶度（或稱碳飽和度，為便于運算與建立簡明的數學公式，將鑄鐵共晶點的碳當量4.26換稱共晶度為1）之間的數值關系。這一成果得到各國業界的廣泛認同，其硬度與強度間關系的計算原則，已納入國標GB9439-88《灰鑄鐵件》之內。
借助于該研究結果（公式），可以定量地、明確無誤地反映所生產的鑄鐵及其工藝技術的優劣。任何灰鐵生產車間可將所生產鐵水的碳飽和度按公式得出它的“計算硬度”和“計算強度”，以之與所澆注試棒得到的“實測硬度”，和“實測強度”兩兩對比，分別得出“相對硬度”和“相對強度”，再將“相對強度”比“相對硬度”，所得值稱為“正常度”（或稱“質量指標”）。如果正常度等于1表示該車間的“熔鑄狀態”處于正常合理；若大于1則為優良，反映該車間在給定的鑄鐵成份下獲得較高的強度與較低的硬度；如果小于1顯然說明生產狀態不佳，因為若要提高材質強度勢必要靠降低碳飽和度（碳硅含量）的辦法來達到，這必將對金屬組織及鑄件缺陷不利。
更為有意義的是，根據對眾多鑄鐵車間的考核統計，發現有的車間正常度可達1.2，而另一些車間則低至0.8。換句話說，同一成份的灰鐵，狀態最好的車間，其金屬性能較狀態最差的車間要高出1/2，或者說后者低于前者1/3。
透過這一事實還表明灰鐵的材質性能不僅取決于它的化學成份和冷卻速率，必然還有其他更深層次原因在發揮著明顯的作用。它們被統稱為“冶金因素”。研試表明，冶金因素是一系列狀態內涵和工藝技術的泛稱，它包括原材料、爐料組成、熔化爐、爐襯材料、熔化工藝操作、溫度控制、鐵水中氣體與微量元素的量、爐前處理、澆注溫度等。
現舉兩實例以證實冶金因素的影響：一家鑄造工廠為降低成本在中頻爐熔化時不用生鐵，改用廢鋼增碳（高度石墨化的滲增劑）工藝后，鑄鐵性能全面提升。采用含少量合金元素的復合孕育劑，所得鑄鐵的性能優于等量合金單獨加入鐵水的結果。
再從另一方面看，近期鑄鐵學者都不遺余力地進行研試寄期改變或控制某些冶金因素以達到不主要依賴于降低碳飽和度與加入合金求得鑄鐵強度的提高（其回旋空間很大）。這從國內外期刊和各級學會發表的文章動態可明確地感知。 3．凝固與結晶和過冷度與過冷組織
眾所周知，液體金屬轉變為固體金屬時，只能也必然是以結晶形式凝固（完成）的，就物理學的原理而論，凝固和結晶是兩個不同范疇的概念。凝固指物質從液相變為固相，而結晶是說物質原子以一定形式排列構成晶體，它可以出現在液固相轉換之際，但也可在固相時發生轉變。
任何相圖（例如鐵—碳平衡圖）所表示的給定成份的合金都有一凝固結晶點，但這是在理論上金屬液在極其緩慢的冷速下構建的。而在現實生產中不論冷卻如何緩慢，實際的凝固結晶溫度都一定（必然）是低于理論溫度點的（“過冷現象”）。這一相差的溫度度數，被稱為“過冷度”。
產生過冷現象并出現過冷度的原因是因為存在結晶必須先有晶核且在其達到一定數量時才能形成結晶體這一自然規律。因此，液態金屬的實際凝固結晶溫度點必然將滯后于它的理論值。因此可以認為，“過冷”（過冷度）是金屬由液相至固相轉變時使“凝固”與“結晶”同時發生的“緩沖器”或“調節器”。
至于過冷度的大小取決于金屬產生晶核的能力和冷速的快慢。晶核的來源有二，一是金屬冷凝時自然產核的本質，稱為”自發晶核“，它與金屬成份有關，對鑄鐵來說，碳飽和度越高，石墨結晶的形核能力也越強。二是所謂的“非自發晶核”，包括鐵水中保有的石墨殘核以及晶體結構十分接近石墨的其他物質微觀質點以及孕育處理所引入的核心。
金屬液澆入鑄型后隨冷速的不同過冷度為之改變。顯然，澆注溫度增高，過冷度減小。鑄型介質導熱性愈佳和（或）比熱愈大，過冷度加大。鑄件壁厚越大，過冷度越小。 過冷度與灰鐵組織間的關系參見附錄。 4．灰鑄鐵強度的提高 4.1石墨的影響 nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">4.1.1石墨數量
前已提及，石墨的強度可以作為零對待，因此灰鐵的總（含）碳量愈高，石墨的量（體積）也愈大（全珠光體的化合碳為0.8%），強度的下降也愈明顯。
nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">4.1.2石墨形態（見附錄） 4.2基體的影響
nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">4.2.1珠光體數量與彌散度及珠光體的性質
正常的灰鑄鐵金相組織中只有珠光體（或允許有少量鐵素體存在），這是出于對強度和耐磨性方面的考慮。因為中等晶粒度的鐵素體硬度在HB80左右，拉力強度約250Mpa；而中等彌散度的純碳共析體（全珠光體）則分別為HB240和800Mpa左右。 珠光體的彌散度（片間距）對其硬度和強度的影響不亞于數量的效應（參見下表1），但這一點往往被人們所忽視。
珠光體是由碳化物（滲碳體）和鐵素體組成，而碳化物可以是碳化鐵（這是最基本的），但也可以是碳化鉻、碳化鉬、碳化釩„„等以及由它們構成的復合碳化物，復合碳化物的硬度
（強度）和穩定性高于單一碳化物，這是合金元素提高（鑄鐵）強度的原因之一。合金元素幾乎都可固溶于鐵素體并強化鐵素體，雖然其固溶量極限與強化程度各不相同。這是合金元素提高（鑄鐵）強度的另一效果。絕大多數合金元素提高珠光體的數量及其彌散度，這是它們提高（鑄鐵）強度的又一作用。對此有必要加以闡述。
根據鐵—碳平衡圖可知，珠光體是在鑄鐵冷卻降溫通過共析轉變溫度區間時以介穩定形式相變獲得的。反之，當以穩定形式發生相變則將得到鐵素體和石墨。
究竟哪些因素影響鑄鐵共析轉變按介穩定或按穩定平衡進行？
第一，當鑄鐵快速冷卻即迅速通過該溫度區間時，碳化物（滲碳體）將來不及分解從而得到珠光體組織。這也就是薄壁件和800℃以上高溫開箱落砂有利于珠光體生成的原因。
第二，有的元素擴大并抬高此溫度范圍因此將有利于相變按穩定平衡模式進行，例如硅。 鑄鐵學者德拉帕爾對此進行大量試驗歸納其數據得出如下公式（2）： A1.2=738+18×（Si %）1.75„（1） A1.1=738+5×（si %）2.0 „ (2)
式中，A1.2為共折轉變的啟始（上限）溫度，A1.1為終了（下限）溫度。其間為兩相區。 這就是硅高不利于鑄鐵獲得珠光體基體而且粗化珠光體的緣故。
絕大多數的合金元素——例如銅和鎳，雖然屬弱石墨化元素，但因隨其含量的升高，既收縮共析轉變溫度區間同時壓低該溫度范圍，因而不但促使相變按介穩定方式進行以形成珠光體，同時還加大珠光體的彌散度，因為隨著溫度的降低原子擴散活力減弱之故。鎳的加入量一般為0.3~0.7%。銅在0.4~0.8%左右（超出1.2%溶解度極限后將有游離銅出現，導致強度下降）。鉻和錳性質近似，易引起“白口”故錳不超過0.7%，而鉻不可超過0.4%。釩的類似作用更強，僅在生產某些耐磨件時應用，加入量一般不超過0.1%。鈦通常也很少運用，加入上限為0.1%。錫只有穩定珠光體的作用，故僅在鑄件厚壁或需考核珠光體數量的指定部位（例如缸體的缸筒）達不到時推薦采用，其加入量通常在0.05%左右。銻的作用與錫相同而且更強烈，提高材質脆性對斷屑有利，但它加大復雜鑄件產生裂紋的傾向，加入量不宜超過0.02%。錫和銻對消除過冷鐵素體作用明顯。鉬是最優異的合金元素，但價格昂貴，故通常不選用。
通過以上分析可見，生產高強度灰鐵件時加入合金雖然是必要措施之一，但通常實際可供運用的元素只有銅、鉻和錫，而且可變動的含量范圍都很窄。有必要指出的是，任何合金元素都不同程度地降低鐵水流動性且加大收縮傾向，亦即對鑄件工藝性不利。
第三，石墨形態對共析轉變具有顯著的影響。共析轉變是固相發生，此時不易產生石墨晶核，故相變將以穩定或者介穩定模式進行必然與這時己有的石墨（因為它們是共析轉變時的石墨化核心）數量有關，不言而喻，數量愈多相變愈有利于按穩定平衡進行。這就解釋了為何A型石墨有利于生成珠光體基體；而D、E型石墨必然伴生“過冷”鐵素體，因為過冷石墨的特征就是大量密布的細小片狀和點狀石墨，因而縮短了碳原子擴散至石墨聚合的距離。換言之，如果說過冷度大是“因”，則共晶結晶（凝固）形成過冷石墨是“果”；而對共析結晶（固相轉變）來說，如果有了過冷石墨這個“因”，就極有可能（如無其他相反因素）導致產生過冷鐵素體這個“果”。
4.3孕育劑的作用
孕育劑增加石墨晶核，因此降低過冷度，促進A型石墨生長同時也增加珠光體數量，故對提高鑄鐵強度有利。
4.4共晶團的影響
雖然國標BG7216——87《灰鑄鐵金相》載有共晶團的圖譜及其檢測與分級，但遺憾的是，極少有灰鐵鑄造車向將其納入日常生產的考核內容，無疑這對生產者深層次地綜合了解和提高鑄件質量帶來缺失。看來這可能是由于對共晶團數量（大小）在一定程度也反映某些灰鑄鐵材質和灰鑄鐵件質量的功能了解不足的緣故。
nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">4.4.1共晶團數與強度的關系：僅就此而言，鑄鐵的強度隨共晶團數的增加而升高。
nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">4.4.2共晶團數與石墨長度的關系：從立體觀念看，每一生長完成的石墨結構都被界定（限制）在該共晶團之內，可見，石墨的大小取決于共晶團的尺寸。金相視場上所見的是所切取試樣無數石墨花瓣的平面形態，由于數量龐大且尺寸懸殊，因此人們只能對照圖譜給石墨長度評級，因此不可能準確。而共晶團是可計數的。
nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">4.4.3 由共晶團可以聯系到過冷度。
nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">4.4.4共晶團數可以反映孕育處理是否適度。
nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">4.4.5共晶團數在一定程度上也能反映鑄鐵的切削性。
nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">4.4.6共晶團數可以表示鑄鐵的縮松傾向。
綜上可知，每一級別的灰鑄鐵各有其相對應的共晶團數（大小）的適當范圍，檢驗某些重要鑄件的指定部位——如缸體缸筒的共晶團數對了解其質量將是有裨益的。
4.5試棒（指試樣鑄坯）和試樣（指試棒機加后）的影響
nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">4.5.1試棒（或試棒鑄塊）的取得：根據國標GB9439-88《灰鑄鐵件》，可以是用與澆注鑄件的同一爐（包）鐵水澆成的直徑30毫米長約250毫米的單鑄試棒或根據供需雙方的協商在鑄件上帶出附鑄試棒或澆出連體鑄塊再切取。對于單鑄試棒無需討論，但對附體試棒和連體鑄坯有必要予以論及。
按國標圖樣規范，附鑄試棒直徑可以是30毫米也可以是50毫米，而連體鑄塊為一給定尺寸。換句話說共給出三種方式供選擇。 鑒于灰鑄鐵的“斷面敏感性”極強，生產高強度灰鑄鐵件要保證附鑄試棒或連體鑄坯性能達標，是一件不可忽視的問題。建議生產者以采取澆鑄直徑30毫米試棒為宜。同時，應將位置選擇在遠離澆冒口的鑄件薄斷面處。
對于某些特殊鑄件，用戶可能要求從鑄件本體切取拉力試樣，在這樣的情況下，通常因受具體鑄件的制約，大都不可能獲得標準尺寸的試樣，亦即只能作出非標試樣，此時應力求試樣加工后的直徑最大限度地接近于所切得鑄坯的壁厚。
還要提及的是，如果客戶要求考核金相組織，則不論哪種方式取得的拉力試樣，均可以之作為金相試驗供檢查之用。不能同意在鑄件任一部位切取試樣，因為沒有代表性。當然，對于某些特殊件，如缸體指定檢查缸筒的金相組織，則是合理的應予接受的要求。 nth="12" day="30" islunardate="False" isrocdate="False" w:st="on">4.5.2試樣的車削及加工后的狀態
由于灰鑄鐵金屬“缺口敏感性”極強，故車削后的試樣必須用細砂紙精拋光至國標規定的粗糙度3.2級以上，試驗前必須精確測量記錄各相關尺寸并細心地檢查其外觀狀態，任何微觀的鑄造缺陷如：砂眼、氣孔、渣孔、縮松等瑕疵以及刀痕，都將導致拉力強度試驗值明顯下落。 5．縮松
熱脹冷縮是絕大多數物質固有的普遍規律。因此，收縮缺陷—尤其是縮松就成為鑄件缺陷中最難以解決的問題。
灰鐵中有自由碳—石墨的存在應該說對緩解收縮現象有利，這是由于石墨的密度（比重）是2.0，鐵素體和珠光體都接近7.5的緣故，因而在鑄鐵凝固時石墨析出使鑄件的收縮得到補償（石墨碳量越高，補償能力也越強），不過強度下降，在生產高強度鑄鐵時這一矛盾更突出。 為降低高強度灰鑄鐵件產生縮松的傾向，大致有以下一些措施可根據鑄鐵級別和具體鑄件同時顧及可能引起其他鑄造缺陷而適當采用。 5.1就鐵水成份而言，國內外均傾向于盡可能地少調低碳飽和度（碳當量），即使要降也力求采取高碳低硅，因為起膨脹作用的是碳，而且低硅對強度有利。
5.2將磷控制在0.06%以下，因磷加劇縮松。
5.3盡可能降低合金元素加入量。研試并調動“冶金因素”以提高鑄鐵的性能是方向性的啟迪。
5.4適中的澆注溫度有利于減輕縮松傾向。但溫度過低將惡化石墨、產生“白口”、降低鐵水充型能力（流動性）和導致氣孔（灰鐵件極易產生氣孔，特別是包覆砂芯的殼體件，如缸體）。
5.5過度孕育將加劇縮松，孕育后凝固過程進一步縮短并滯后，亦即鐵水在鑄型中保持液態的時間延長。大量試驗研究表明，灰鐵的最大容許孕育量為0.3%，何況過量孕育無累加效應。
5.6鑄型剛度愈高鑄件產生縮松的程度愈低，因為低硬度砂型在石墨化膨脹時發生位移使型腔增大從而導致膨脹產生的補償作用失效的緣故。但高剛度鑄型的起模性差、透氣性下降和易引起砂膨脹缺陷（起皮與鼠尾）。
5.7“糊狀凝固”的鑄造合金較難依靠補縮冒口得以解決，而均衡凝固過程即鑄件不同壁厚部位凝固終了時間若能趨于接近則可消減縮松的產生，如分散內澆口并將其設于薄壁處和加置“熱平衡冒口”都是有益的工藝措施。因此，利用計算機通過模擬溫度場使澆注系統設計更趨科學化和合理化顯得更加重要。至于在某些鑄件的特殊熱節點處加放冷鐵或刷碲粉涂料有時也是不得己的措施。
