灰鑄鐵的力學(xué)性能提升及熱處理研究

曹冬梅，李海東

（1.無錫市崇安區(qū)職工學(xué)校，江蘇 無錫 214005；2.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 連云港 222006）

0 引 言

灰鑄鐵通常是具有片狀石墨的鑄鐵，它的斷口呈現(xiàn)灰色，它的化學(xué)成分一般為ωC=2.7%～3.6%，ωSi=1.4%～2.7%，ωMn=0.5%～1.2%，ωS＜0.15%，ωP＜0.30%，灰鑄鐵具有良好的鑄造性能，成本較低，在缺口敏感性、減振性和耐磨等方面都有優(yōu)良的性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，然而灰鑄鐵的化學(xué)組成中含有較高的碳和硅，所以表現(xiàn)出較大的石墨化性能，其鑄態(tài)組織由金屬基體和片狀石墨組成，使得灰口鑄鐵的力學(xué)性能不一，嚴(yán)重制約了灰口鑄件的應(yīng)用范圍，能最大限度提升灰口鑄鐵力學(xué)性能的重要前提是擴(kuò)大灰口鑄鐵應(yīng)用范圍。

本文主要研究灰口鑄鐵的力學(xué)性能，首先從灰口鑄鐵的組織和基本性能出發(fā)，然后從其孕育過程中尋找提升灰口鑄鐵的力學(xué)性能的方法，最后對灰口鑄鐵的熱處理研究，進(jìn)一步擴(kuò)大灰口鑄鐵的應(yīng)用范圍。

1 灰口鑄鐵的金相組織及性能

灰口鑄鐵的金相組織由金屬基體和片狀石墨組成，主要的金屬基體形式有珠光體、鐵素體及珠光體加鐵素體3 種，石墨體可以按照不同的數(shù)量、大小、形狀分布于基體中。石墨在灰鑄鐵中的碳以游離的狀態(tài)存在，它與天然石墨沒有什么差別，僅有少量的雜質(zhì)存在，表現(xiàn)為較低的強(qiáng)度，使得金屬基體的強(qiáng)度在很大程度上不能充分地得到發(fā)揮，因此，灰口鑄鐵可以看成是有大量微小裂紋或者孔洞的碳鋼［1］。

灰鑄鐵中的石墨破壞了基體的連續(xù)性，在一定程度上減少了金屬基體承載的有效面積，結(jié)果使得實(shí)際應(yīng)力大大增加，同時(shí)，在石墨尖端處易造成應(yīng)力集中，使基體尖端的應(yīng)力遠(yuǎn)大于平均應(yīng)力，所以灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和彈性模量均比鋼低得多，例如珠光體和鐵素體混合基體的灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度只有150 MPa，而正火45 鋼的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到700 MPa 以上。特別是在灰口鑄鐵中石墨片的數(shù)量、尺寸、分布情況，對力學(xué)性能都有很大的影響，但灰口鑄鐵的抗壓強(qiáng)度比其抗拉強(qiáng)度高出3 倍左右，其抗壓強(qiáng)度可以和鋼相媲美。由于石墨存在而產(chǎn)生的嚴(yán)重應(yīng)力集中，造成裂紋的早期發(fā)生，而基體抵抗裂紋擴(kuò)展的能力又較差，因此導(dǎo)致脆性斷裂，故灰鑄鐵的塑性和韌性幾乎表現(xiàn)不出來。

通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，灰鑄鐵的硬度決定于基體，這是由于硬度的測定方法是用鋼球壓在試塊上，鋼球的尺寸相對于石墨裂縫而言是非常巨大的，所以外力主要承受在基體上，因此隨著基體內(nèi)珠光體數(shù)量增加，分散度變大，硬度在一定程度上得到提高，如圖1 所示為珠光體灰鑄鐵的顯微金相組織。

圖1 珠光體灰鑄鐵的金相組織

2 灰鑄鐵的孕育處理

圖3 孕育處理后保持時(shí)間和共晶團(tuán)數(shù)量關(guān)系

為了提高灰鑄鐵的力學(xué)性能，必須通過細(xì)化和減少石墨體，在實(shí)際的生產(chǎn)工藝中通常降低C、Si 元素的含量，并采取灰口鑄鐵的孕育處理。孕育處理是指在鑄鐵澆注之前向鐵水中加人少量孕育劑，進(jìn)行孕育處理。由于孕育處理向鐵水內(nèi)引入了大量的、均勻分布的人工晶核，使石墨片及基體組織得到顯著細(xì)化，提高了鑄鐵的強(qiáng)度，同時(shí)還可以避免鑄件邊緣及薄斷面處出現(xiàn)白口組織，提高斷面組織的均勻性，如圖2 所示。由于灰鑄鐵中石墨片對鑄鐵性能影響遠(yuǎn)比基體的影響大，所以提高灰鑄鐵性能的關(guān)鍵是改善石墨的數(shù)量以及分布狀態(tài)，石墨片越細(xì)小、分布越均勻，鑄鐵的性能就越好。

近年來隨著孕育處理的方法的改善，最常用的方法就是在出鐵槽將一定粒度的孕育劑加入，這種方法很容易實(shí)現(xiàn)操作，但是較容易發(fā)生衰退現(xiàn)象，如圖3 所示，為此，近年來發(fā)展了很多瞬時(shí)孕育方法，在最大限度上發(fā)揮了孕育的作用。

3 灰口鑄鐵的熱處理分析

灰鑄鐵的熱處理不能改變石墨的形狀和分布，只能改變其基體組織，因此熱處理對于提高灰鑄鐵力學(xué)性能作用不大，主要用來消除內(nèi)應(yīng)力，改善切削加工性能，提高表面硬度和耐磨性等，常用的熱處理工藝有很多，這里主要針對消除內(nèi)應(yīng)力退火和高溫石墨化退火兩種熱處理工藝進(jìn)行研究。

3.1 消除內(nèi)應(yīng)力退火的灰口鑄鐵的熱處理分析

鑄件在凝固冷卻和發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的過程中，必然會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而使鑄件翹曲，甚至開裂。在機(jī)械加工過程中，由于內(nèi)應(yīng)力的重新分布，可進(jìn)一步引起鑄件變形。因此，鑄造后應(yīng)進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力退火，對于形狀復(fù)雜及大型鑄件經(jīng)粗加工后，也應(yīng)進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力退火。

消除內(nèi)應(yīng)力退火一般在室溫或低溫（200～300 ℃）下裝爐，以60～120 ℃/h 的速度緩慢加熱到500～550 ℃保溫3～5 h 或更長時(shí)間（應(yīng)根據(jù)鑄件大小，裝爐數(shù)量以及退火加熱溫度而定）。加熱溫度低于550 ℃時(shí)，組織不會發(fā)生變化，內(nèi)應(yīng)力可消除80%以上，當(dāng)加熱溫度超過550 ℃時(shí)，部分滲碳體將發(fā)生分解和球化，使鑄鐵的強(qiáng)度和硬度下降，如圖4 所示為中小型機(jī)床鑄件的熱時(shí)效規(guī)范圖。

圖4 中小型機(jī)床鑄件的熱時(shí)效規(guī)范圖

3.2 石墨化退火的灰口鑄鐵的熱處理分析

灰鑄鐵石墨化退火的目的是為了改善加工性能，降低硬度。根據(jù)鑄鐵的原始組織和所要獲得的基體組織的不同，又可分為低溫石墨化退火和高溫石墨化退火兩種工藝。低溫石墨化退火的目的是使共析滲碳體球化和分解析出石墨，降低灰鑄鐵的硬度。如灰鑄鐵的原始組織為珠光體+石墨，經(jīng)低溫石墨化退火后組織為珠光體+鐵素體+石墨。高溫石墨化退火灰鑄鐵在鑄造時(shí)，如果冷卻速度和化學(xué)成分選擇不當(dāng)，鑄件中會保留較多的自由滲碳體，使鑄件性能硬而脆，無法切削加工。因此必須進(jìn)行高溫石墨化退火，使自由滲碳體在高溫加熱時(shí)分解為奧氏體+石墨，從而降低硬度，便于切削加工。

4 結(jié) 語

灰鑄鐵具有廣泛的應(yīng)用范圍，但是由于力學(xué)性能限制使得其應(yīng)用上存在一定的限制。本文基于灰口鑄鐵的力學(xué)性能提升為目的，通過對灰口鑄鐵的孕育處理，進(jìn)一步說明了提高灰口鑄鐵力學(xué)性能的方法，之后又從熱時(shí)效和灰鑄鐵石墨化退火兩種手段上分析灰口鑄鐵的熱處理工藝，為擴(kuò)大灰口鑄鐵的應(yīng)用范圍，增強(qiáng)對材料的應(yīng)用研究貢獻(xiàn)了一份力量。

1］ 蔡啟舟，吳樹森.鑄造合金原理及熔煉［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：26-38.

［2］ 馬鵬飛，李美蘭.熱處理技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：177-180.

［3］ 李茗，張毅，宋博宇，等.鎳對合金鑄鐵組織及耐高溫?zé)龎A腐蝕性能的影響［J］，鑄造技術(shù)，2013（4）：400-402.