铸铁国际标准的最新进展

原创 王泽华 铸造工程 今天

介绍了国际标准化组织的铸铁技术标准体系以及最新制定标准的背景及其主要内容和新修订标准的主要修订内容及说明，包括最新制定的ISO945-4：2019《铸铁金相组织第 4部分：球墨铸铁球化率评定方法》的主要技术内容和新修订的ISO945-1《铸铁显微组织第 1部分：目视法石墨分类》、ISO1083《球墨铸铁分类》和ISO185《灰铸铁分类》、ISO17804 《奥铁体球墨铸铁分类》等。

标准是产品生产、质量控制和检验的基本依据，积极地参与铸铁国际标准的制定，与各国铸造专家共同探讨国际标准中的技术条款，是有效地组织生产、把控产品质量和开展国际贸易的基础。

1 铸铁国际标准体系

国际标准化组织/铸铁及生铁技术委员会(ISO/TC25)已颁布的国际标准11项、技术报告6项，正在修订的标准2项、技术报告1项，具体见表1。

表1 铸铁系列国际标准汇总

根据标准的完善程度，国际标准分2类：一类是正式标准，如ISO1083 《球墨铸铁分类》，这类标准相对比较完善和成熟，已被ISO成员国广泛采纳应用;另一类是技术报告(technicalreport)，如ISO/TR945-2《铸铁显微组织第 2部分：图像法石墨分类》。技术报告的有些技术条款还不完善，存在较大争议，或只有少数ISO成员国采用或部分条款被ISO成员国采用。因此，严格地说，ISO技术报告还不是国际标准。

虽然ISO技术报告还不完善，但ISO技术报告能反映铸造技术的发展动态，对促进铸造技术的发展有着重要的推进作用，它也可能是一种新技术、新规则，是形成标准的过渡性技术文件。ISO成员国可以以行业发展的需要，起草ISO技术报告，如获得ISO成员国共识，即可有望成为正式的国际标准。另一方面，可以从ISO技术报告中吸取国外同行的新思路，如从ISO/TR10809-2 《铸铁第 2部分：铸铁的焊接》中了解到铸铁材料焊接、连接方面的新技术;从ISO/TR15931 《铸铁和生铁命名规则》中了解到在欧盟牌号上的一些特殊符号：如JS/400-18LT/S、JS/400-18LT/U、JS/400-18LT/C，牌号最后的字母S、U、C分别代表单铸试块试样、附铸试块试样和铸件本体试样;如JS/400-18LT/D、JL/200/H、JMWF/360-12/W和JS/400-18LT/SD，牌号最后的字母D代表铸态、H代表热处理状态、W代表可焊性、SD表示单铸铸态试样。

ISO铸铁标准体系主要是根据石墨形态、基体组织和材料功能等分类，如ISO185《灰铸铁分类》、ISO1083《球 墨 铸 铁 分 类》 是 以 石 墨 形 态 分 类，ISO2891《奥氏体铸铁分类》是以基体组织分类，ISO21008 《抗磨铸铁分类》是以材料功能分类。ISO铸铁技术标准体系与我国铸铁技术标准体系类似。ISO/TC25 归口制定的9项ISO标准全部是通用基础性标准，这些标准对铸铁材料组织、性能做了规定，但较少涉及具体铸件技术要求，这一点与我国标准体系明显不同。

2 最新制订的铸铁国际标准

国际标准的制定过程非常严谨，从立项到发布需经历立预研阶段、提案阶段、准备阶段、委员会阶段、征询意见阶段、批准阶段和出版阶段，几乎每个阶段都需要相应的审查，一般需要3年时间。近5年，新制定的铸铁国际标准有ISO945-4：2019《铸铁金相组织第4部分：球墨铸铁球化率评定方法》，该标准由我国负责起草并于2019年5月颁布。该标准构建了球状石墨颗粒数学模型，确定了球化率计算公式，规定了目测法和图像法评定球墨铸铁球化率的方法，提供了评定球化率和石墨颗粒数的标准图。

(1)球状石墨颗粒数学模型

用圆整度表征石墨颗粒形态。圆整度是指石墨颗粒面积与石墨颗粒的最大佛雷德圆面积之比值，圆整度的计算见公式(1)：

ρ= A/A_m= 4A/π⋅l_m2        (1)

式(1)中，ρ为石墨颗粒圆整度;A为石墨颗粒面积;A_m为石墨颗粒佛雷德圆面积;l_m为石墨颗粒最大佛雷德直径。石墨颗粒及佛雷德圆示意图如图1所示。球形石墨颗粒圆整度临界值的确定是评定球化率的关键，标准规定圆整度≥0.6的石墨颗粒为球形石墨。

图1 石墨颗粒及佛雷德圆示意图

(2)球化率计算

标准规定，球化率pnod为球形石墨颗粒(圆整度≥0.6)的面积除以所有形态石墨颗粒的面积，见公式(2)：

式(2)中，p_nod为球化率(取整数)，%;A_VI为Ⅵ型石墨颗粒的面积;A_V为Ⅴ型石墨颗粒的面积;A_all为所有石墨颗粒的面积;小于临界尺寸的石墨颗粒不计。

ISO 1083《球墨铸铁分类》、EN 1563 《球墨铸铁》、GB/T9441-2009《球墨铸铁金相检验》和JSIG5502《球墨铸铁》等标准规定了球化率为球墨铸铁中Ⅵ型石墨和Ⅴ型石墨颗粒所占总石墨颗粒的百分比。当采用目测法时，通常不可能清点球形石墨颗粒数，而是根据视觉直观地与标准图片进行对比评定，其评定结果不仅受到不同形态石墨颗粒数量的影响，还受到石墨颗粒大小的影响。大颗粒、小颗粒石墨对人们视觉的影响力是完全不同的。大颗粒石墨形态差，球化率评定结果就低;大颗粒石墨形态圆整，球化率评定结果就高。石墨颗粒大小对目测法评定球化率的影响如图2所示，用计数法评定球化率均为84%，但目测法评其球化率时，图2(b)应明显低于图2(a)。事实上，大颗粒石墨形态对球化率评定结果影响很大，大颗粒石墨的权重应该大于小颗粒石墨。因此，依据不同形态石墨颗粒的面积比评定球化率更为合理。

图2 石墨颗粒大小对目测法评定球化率的影响

(3)球化率评定参照图

按照球形石墨的定义和球化率计算公式，ISO 945-4标准提供了球化率为50%～95%的标准图，与GB/T9441-2009《球墨铸铁金相检验》和美国铸造协会(AFS)的《球墨铸铁球化率评级图》相比：a.扩大了视场，视场由ϕ0.7 mm 扩大到ϕ1.2 mm，图尺寸由原来的ϕ70 mm增大到ϕ120 mm;b.增加了矩形图，矩形图面积与ϕ120 mm图相等，球墨铸铁球化率评级图对比见表2。对于视场的选择，ISO 945-4 规定，随机选取视场数量不得少于5个，石墨颗粒数量不得少于500颗。增加评定视场数量，有利于提高评定结果的稳定性。

表2 球墨铸铁球化率评级图对比

(4)石墨颗粒数

在评定球墨铸铁单位面积的石墨颗粒数时，通常简称为“石墨颗粒数”。传统的所谓“石墨球数”实际上是“石墨颗粒数”，因为在评定“石墨球数”时，根本就没有区分球形石墨和非球形石墨。因此，在ISO 945-4:2109 标准的名词术语中，用“石墨颗粒数”(graphite particle count)取代了“石墨球数”(nodular count)。

球墨铸铁单位面积的石墨颗粒数与规定的最小石墨颗粒临界尺寸极限密切相关，规定的最小石墨颗粒尺寸越小，“石墨颗粒数”就越多，最小颗粒尺10 µm和5 µm对应的石墨颗粒数分别为200 颗/mm²和230 颗/mm²。一般规定的最小石墨颗粒尺寸为10 µm，特殊情况可以规定为5 µm，标准给出了最小石墨颗粒临界尺寸为10 µm和5 µm时对应的石墨颗粒数，ISO 945-4:2019参照图的“石墨颗粒数”见表3。可见，“石墨颗粒数”越多，最小石墨颗粒临界尺寸对“石墨颗粒数”的影响就越大。如标准中的图B.1(e)：最小颗粒尺寸10 µm时为200颗，最小颗粒尺寸为5 µm 时为230颗;如标准中的图B.1(k)：最小颗粒尺寸10 µm时为1000颗，对应的最小颗粒尺寸为5 µm时达2 188 颗。

表3 ISO 945-4: 2019 参照图的“石墨颗粒数”

3 最新修订的铸铁国际标准

ISO/TC25 委员会近几年对ISO945-1 《铸铁显微组织第1部分：目视法石墨分类》、ISO1083 《球墨铸铁分类》、ISO185 《灰铸铁分类》和ISO17804《奥铁体球墨铸铁分类》进行了修订，最新修订的ISO1083《球墨铸铁分类》和ISO945-1 《铸铁显微组织第1部分：目视法石墨分类》已分别于2018年和2019年发布，ISO185 《灰铸铁分类》和ISO17804 《奥铁体球墨铸铁分类》预计将于2020年和2021年发布。

3.1 ISO 945-1 《铸铁显微组织第 1部分：目视法石墨分类》

ISO945-1 《铸铁显微组织第 1部分：目视法石墨分类》是铸铁分类的基础标准，该标准用示意图的方式规定了铸铁石墨的6种形态，是铸铁石墨形态评定的基础。2019版《铸铁显微组织第 1部分：目视法石墨分类》主要进行了以下修改：

(1)修改了石墨颗粒尺寸分级参照图，由原来的ϕ70 mm 改为ϕ120 mm，这样更加清晰直观，便于对照评级。

(2)修改了石墨颗粒尺寸的分级评定标准，石墨颗粒大小分级的尺寸没有改变，但修改了评定方法，将原来的“3～7级石墨颗粒大小是基于较大颗粒石墨的平均尺寸”改为“根据石墨颗粒最大尺寸评定石墨颗粒大小等级”，可以跨级别评定石墨颗粒大小等级。

(3)补充了石墨颗粒大小评级说明。石墨颗粒大小等级评定是依据金相二维图像，由于剖面的随机性，二维图像的最大尺寸总是小于等于实际三维颗粒的最大尺寸。因此，允许有比评定等级相应尺寸要小的石墨颗粒。

3.2 ISO 1083 《球墨铸铁分类》

球墨铸铁是常用的工程材料之一，且越来越多地应用到重大设备的关键零部件。随着其应用范围的日趋广泛和质量要求的提高，标准也作了较大的修改。

(1)增加了固溶强化铁素体牌号。固溶强化铁素体球墨铸铁应用越来越多，在标准7.3中增加了3个固溶强化铁素体球墨铸铁牌号，相对应国内牌号分别为JS/450-18、JS/500-14和JS/600-10。

(2)增加了对平行试块(side-by-side cast sample)的要求。单铸试块与实际铸件有较大的差异，附铸试块代表所附的铸件。平行试块可以代表同一批主要壁厚相近的铸件，当需要测定力学性能时，平行试块应该在最后一个铸型中浇注。

(3)在附录F中明确了测定球化率的3种方法：①目测评估符合ISO945-1 标准示意的Ⅵ 形石墨颗粒和 Ⅴ 形石墨颗粒的比例; ②与标准图谱对比; ③用图像分析软件测定Ⅵ形石墨颗粒和Ⅴ形石墨颗粒的面积百分数。

由于ISO945-1标准中示意的Ⅵ形石墨和Ⅴ形石墨与实际石墨颗粒存在较大的差异，第一种方法难以把握。图像分析软件测定的结果很大程度上取决于软件设计的合理性，可靠的软件必须以标准图谱为基础。

(4)在标准附录G中删除了球墨铸铁的断裂韧性K_1c值。ISO标准引用的数据来自于不同的研究报告，不同来源得到的断裂韧性K_1c值差异很大，缺乏可靠性，所以在修订标准时删除了球墨铸铁的断裂韧性K_1c值。

(5)在标准附录H中增加了Y形试块和附铸试块的取样位置。由于试样的取样位置对测试结果有明显的影响，同一试块取样位置不同时，其检验结果会有明显差异，所以在修订标准时规定了试样的取样位置，Y形试块的取样步骤如图3所示。

图3 Y形试块的取样步骤

(6)标准增加了常用标准的球墨铸铁牌号对照表。考虑到国际交流的需要，在附录I中增加了国际标准(ISO 1083)与欧盟标准(EN 1563)、中国标准(GB/T 1348)和美国材料学会标准(ASTM A536)、美国机动车工程师学会标准(SAE J434)的球墨铸铁牌号对照表。

3.3 ISO 185 《灰铸铁分类》

ISO 185 《灰铸铁分类》于2015年开始修订，2019年发布，除对标准文本格式修改外，对部分内容也进行了修改完善。

(1)补充了名词术语。增加了对单铸试块、平行试块和附铸试块等名词的解释，其中对平行试块的解释是指沿铸件平行放置且与铸件共用浇注系统浇注的试块，并规定平行试块用于检测力学性能时，应在最后一型浇铸。

(2)对应牌号的灰铸铁拉伸强度增加了强度上限，如JL 200的拉伸强度为200～300 MPa。对附铸试块强度作了微调，如40～80 mm厚度、牌号JL/200和JL/275的抗拉强度分别由原标准的150 MPa和205 MPa调整为155 MPa和210 MPa。删除了原标准JL/HBW195 牌号的4～5 mm 的硬度值。将相应壁厚铸件的“预期拉伸强度值”一栏改到附录C。

(3)标准明确了1000 kg以上、厚度50 mm以上的铸件，优先采用附铸试块。

(4)修改了试块尺寸规定。原标准规定单铸试块是ϕ30 mm的圆棒，新标准规定试块尺寸除ϕ30 mm 的圆棒外，可以根据铸件壁厚进行调整，单铸试块和平行试块的尺寸可为ϕ15～75 mm。

(5)标准明确了铸件的热处理状态，除非特殊要求，铸件不应进行热处理。

(6)修改了附录表A.1，扩大了铁素体/珠光体混合基体灰铸铁牌号，由原来的只有JL/150扩大到JL/225，甚至JL/250。补充了弯曲疲劳强度、拉压疲劳强度和扭转疲劳强度数据，删除了原标准中的断裂韧性K_1c值。

(7)在灰铸铁牌号对照表中，增加了中国标准(GB/T 9439)牌号与国际标准(ISO 185)与欧盟标准(EN 1561)、美国材料学会标准(ASTM A48M)、日本标准(JIS G5501)、美国机动车工程师学会标准(SAE J431)牌号对照表。

3.4 ISO 17804 《奥铁体球墨铸铁分类》(等温淬火球墨铸铁)

ISO17804《奥铁体球墨铸铁分类》于2017年开始修订，目前已进入FDIS阶段。除对标准文本格式修改外，对部分内容也进行了修改完善。

(1)补充了名词术语。增加了奥铁体、铸造试块、单铸试块、附铸试块、平行试块和检验单位量等名词解释，其中将奥铁体解释为一种通过热处理获得的、主要由针状铁素体和高碳奥氏体组成的铸铁显微组织。

(2)对规定牌号所对应的标准试块形式进行了补充和完善。ISO 17804《奥铁体球墨铸铁分类》标准中表1中的牌号的力学性能由测定单铸试快、平行试快和附铸试块加工的试样获得，试块的厚度为25 mm或直径为25 mm，用砂型或导热性能与砂型相当的铸型浇铸。

(3)对实物取样也作了明确规定。因为铸件部位对力学性能有明显影响，所以实物取样位置应由制造商和用户商量确定，且不能有缺陷。

(4)显微组织的修改。石墨颗粒形态由原来的“主要以Ⅵ形和Ⅴ形石墨”改为“主要以Ⅵ形石墨”。基体组织增加了生产JS/800-10和JS/800-10/RT的不完全奥氏体化热处理可能出现的先共析铁素体混合组织。

(5)补充了对检验批次量的规定。检验批次铸件重量(数量)建立在稳定的铸造和热处理生产条件上，也可以根据具体生产条件确定检验批次，如：

①同包铁液浇注的不超过2 000 kg铸件为一个检验批次;②超过200 kg的铸件单独为一个检验批次;③大规模连续浇注生产时最多不能超过2 h为一个批次;④同一包球化处理的铁液浇注不到2 000 kg铸件时也是一个检验批次。

(6)修改了附录G中给出的奥铁体球墨铸铁的其他力学性能和物理性能，增加了“拉压疲劳强度σ_-1p”、“脉动疲劳强度σ₀”、“扭转疲劳强度τ_-1”，原标准中“2×10⁶周次测定的旋转弯曲疲劳强度值”更换为“10⁷周次测定的无缺口旋转(或平面)弯曲疲劳强度σ_-1和有缺口旋转弯曲疲劳强度σ_K-1”。明确表G.1的测试环境是室温。

(7)完善了球化率评定方法，并明确了图像法评定球化率的参照标准ISO 945-4 及其球化率计算方法; 增加了Y形试块和附铸试块的取样位置，与ISO 1083一致。

(8)在奥铁体球墨铸铁牌号对照表中，增加了中国标准(GB/T 24733)牌号与国际标准(ISO 17804)与欧盟标准(EN 1564)、美国材料学会标准(ASTM A897/M-16)、日本标准(JIS G5503)、美国机动车工程师学会标准(SAE J2477)牌号对照表。

4 结论

铸铁是一种传统而常用的工程材料，ISO/TC 25委员会负责铸铁标准的制定和修订，每年定期召开一次全会，商讨标准的研究和制、修订计划。ISO/TC 25委员会下设有标准工作委员会，具体负责标准的制修订工作。

近40年来，我国铸造技术发展迅速，颁布了一系列铸铁技术标准，但主要标准或主要内容还是引用国际先进标准，因为我国铸造基础技术的研究与发达国家还有一定差距。随着冶金技术、铸造技术的不断发展以及市场对铸件要求的不断提高，标准需要不断更新和完善。首先我们要加强国际交流，关注国际铸铁技术的发展，紧跟国外先进的技术标准;作为铸造大国，我们要不断创新铸造技术，制定先进的铸造技术标准，引领国际铸造技术的发展，使我国由铸造大国转变成为真正的铸造强国。

文章编辑：柳建国

微信编辑：蔡文娟

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