共晶石墨钢是本团队兼顾了淬火钢的强韧性、耐磨性与球铁的自润滑性、吸音减震性能而发展出的一种“结构赋能材料”，其本质是“在连续铸造的强冷却条件下，在狭窄的伪共晶区获得全断面 100%共晶石墨、100%球化率的球铁型材，经等温淬火而制备的超细密 Fe/G 复合材料”。共晶石墨钢在具备传统钢质结构材料所要求的力学性能之外，还被赋予如下性能和微观组织优势：依赖石墨的固体润滑作用，使摩擦副零件表面具有了自润滑性能；恰当直径的石墨球使材料有效吸收声波和震动，提高热导率，降低温升；弥散分布的石墨球分散了服役受力后石墨/基体界面上的弹性应变和应力集中，抑制了疲劳裂纹的萌生；石墨球外围的包覆层集纳了铁水中的杂质元素和化合物颗粒，净化了基体金属组织的晶界；石墨球及其包覆层的存在，引致材料使役中出现“热力耦合效应”，形成球形温度场，使石墨球外围一层基体组织力致退火，消弭位错增殖从而延长零件的疲劳寿命；合金化提高了材料的防锈能力。总之，共晶石墨钢给原本以力学性能为主的钢铁结构材料又赋予了物理性能、化学性能和工程适用性能，所制作的摩擦副零件如轴承、齿轮和直线导轨，可以长期服役在 200℃以下、无润滑油脂或润滑不良、要求静音、无油脂蒸发污染等严苛环境条件下。

• 专利名称：无
• 专利类型：发明专利
• 专利权人：无
• 专利号：无
• 有效期限：无

1.石墨的润滑功能

共晶石墨钢基体中镶嵌的石墨球，是使共晶石墨钢具有自润滑、低噪音等等一系列性能的关键要素。石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构（见图 1）。在石墨晶体中，同层的碳原子间距为1.4 2 Ǻ，每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六连连形的环，伸展成片层结构，属于原子晶体。而层与层之间相隔 3.40 Ǻ，距离较大，是以范德华力结合起来的，属于分子晶体。原子晶体和分子晶体的内聚力差距很大，据计算，层与层间碳原子的结合 力要比同一层内碳原子间的结合力小1 0 0多倍。故在受到外力作用时，石墨层面 容 易 发 生 解 理，而同层原子间不易分离，所以石墨永远呈现“片状结构”。石墨片之间的摩擦系数，低至 0.05，石墨的开始氧化温度为 325℃，成为最稳定可靠最常用的固体润滑剂。在滑动轴承中，早就利用石墨的润滑性能，采用镶嵌石墨圆柱的方法，制造出自润滑轴承，如图 2 所示。

2.共晶石墨钢中石墨形态的特点

本团队所发明的共晶石墨钢[1]，其石墨形态克服了普通 ADI 材料中的不足，具有如下特点：

1）石墨为 100%的共晶石墨球。铁水的碳当量处在狭窄的共晶成分范围内，冷却时不与相图上的液相线相交，故无初生的石墨或奥氏体晶粒产生，只有在温度降到窄小的伪共晶区后才同时结晶出石墨球和奥氏体枝晶。这种材料中的石墨球的直径，在 15～25μm 之间，平均为 20 微米。需要强调，直径＜10μm 的石墨球在随后的球化退火和等温淬火过程中，因曲率半径太小，碳原子容易溶入铁素体，失去了石墨的应有作用。所以，平均直径 20μm 的石墨球，是最佳尺寸。

2）球化率 100%。由于冷却速度快，过冷度大，石墨的密排六方晶体的棱边上，结晶潜热大于{1000}基面上的结晶潜热，导致基面快速生长，最后得到圆球形石墨[2]。

3）石墨球在小尺度范围内弥散分布。与石墨球同时生长的奥氏体枝晶，扰乱了铁水在微区内的流动，从而也阻挡了石墨球的成串漂浮，使之弥散分布。

4）在随后的球化退火和等温淬火过程中，极个别石墨块棱角处的碳原子最先溶解进铁素体，使石墨球的圆整度进一步提高，球化率达到 100%。

由于以上原因，共晶石墨钢的石墨形态与普通 ADI 有了重大区别，如图 3 所示。图中（a）为 100%共晶石墨球，球径 15～25μm，而(b)为普通 ADI 的石墨形态，其中包含了较大的石墨球或石墨块，相应地，石墨球数量也要少。定量金相测定表明，共晶石墨钢中的石墨球密度为 300—700 个/mm2，而工业生产的普通 ADI 的石墨球密度为 200 个/mm2 以下。

3.共晶石墨钢中石墨球的吸音减震功能

石墨具有吸音减震功能，其强弱与总表面积大小相关。共晶石墨钢中石墨球，体积小，球数多，与基体间的交界面积，约是普通 ADI 的 20 倍以上，对声波和震动的传播形成了强大的阻尼，吸音减震功能较强。

4.共晶石墨钢中的石墨形态所引致的其它性能

细小弥散的石墨球也提高了材料的导热能力，热导率比钢提高近一倍，加之因自润滑性能而省却了使用润滑油脂，散热条件良好，用其所制的零部件的温升较低。低温升的有益效果除了能保持传动机构原始装配精度之外，对军事装置来说，红外辐射较小，隐身性增加。设备在严寒环境下使用，灵活性不受影响。因为使用润滑脂的传动机构，在低温下受润滑脂粘稠度增加的影响，转速和加速度转矩会显著降低。裸露在摩擦面上的石墨坑的深度平均为 10μm，石墨坑的面积约占总摩擦面积的 15%左右，正好形成了减少摩擦力的最佳表面织构形态[3],进一步产生了减摩效果。共晶石墨钢的比强度高于调质钢和铝镁合金，有助于设备的轻量化。

5.共晶石墨钢微观组织的优越性

与细小的石墨球相对应，共晶石墨钢的基体组织也比普通 ADI 组织更细密，但仍与普通 ADI 一样，是由含硅量较高的细针状和薄片状铁素体以及高碳奥氏体组成，细小的高碳奥氏体有些分布在铁素体针片之间，有些镶嵌在铁素体针之内的亚晶界上[4]。

6.共晶石墨钢中石墨球外围的包覆层及其净化基体晶界的作用

与普通球铁和 ADI 不同，共晶石墨钢中的石墨球外围，有一个较厚的壳，称作“包覆层”，其断口如图 4 的电镜扫描照片所示。

本项目产品已应用于液压、工程机械、铁路车辆、机床、内燃机、压缩机等众多行业。2014年以来，进一步开发出了超细密的等温淬火球铁材料(ADI)，此材料自润滑、吸音减震、导热快、温升低，并能在受力后诱发相变硬化和磨损体积自动补偿，兼顾了弹性持久疲劳寿命和耐磨性等性能，故已作为制造工业机器人精密减速器关键零件的理想材料，也已开始用来制造自润滑、静音、低温升、高精密滚动轴承，市场应用广阔。