提高鑄鋁模中圈性能和壽命的工藝試驗

韓金華

（江蘇航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造與信息學(xué)院，江蘇南通 226010）

電機鑄鋁模中圈通常使用灰鑄鐵材料，其含碳量一般在2.7%～3.6%、含硅量在1.0%～2.2%、含錳量在0.4%～1.2%、含硫量小于0.15%、含磷量小于0.3%范圍內(nèi)[1]。

灰鑄鐵組織相當(dāng)于在鋼的基體上分布著片狀石墨，從而使它具有與鋼不一樣的特殊優(yōu)良性能，如優(yōu)良的鑄造性能、與鋁不粘結(jié)、良好的散熱性和切削加工性等[2]，因此，在電機鑄鋁模中圈制造中得到了廣泛的應(yīng)用。但灰鑄鐵由于片狀石墨組織的存在，割裂了基體的連續(xù)性，相當(dāng)于在鋼的基體上分布了許多細(xì)小裂紋，使其力學(xué)性能下降，特別是由于熱疲勞引起的使用壽命明顯下降[3]。

為了提高灰鑄鐵中圈的性能和使用壽命，我們對灰鑄鐵中圈鐵液進(jìn)行孕育處理和灰鑄鐵中圈鑄件熱處理，并對其組織進(jìn)行了分析和性能試驗。

1 灰鑄鐵中圈鐵液孕育處理試驗

1.1 試驗條件

1.1.1 試驗材料：1380℃灰鑄鐵鐵液；

1.1.2 孕育劑：含硅量75%的硅鐵塊；

1.1.3 孕育劑加入量：鐵液總重量的0.4%。

1.2 試驗工藝

在1380℃灰鑄鐵鐵液中加入占鐵液總重量0.4%的孕育劑（含硅量75%的硅鐵塊）進(jìn)行孕育處理。

1.3 試驗原理

增加灰鑄鐵鐵液結(jié)晶時的原始晶核數(shù)量，細(xì)化晶粒組織，提高力學(xué)性能。

1.4 試驗內(nèi)容

加孕育劑孕育處理后的鐵液澆鑄成中圈鑄件試樣，普通灰鑄鐵鐵液也澆鑄成中圈鑄件試樣，并對它們分別進(jìn)行金相組織試驗、力學(xué)性能試驗和生產(chǎn)試驗。

1.5 試驗結(jié)果

經(jīng)過孕育處理的灰鑄鐵（也稱孕育鑄鐵）中圈與未經(jīng)孕育處理的普通灰鑄鐵中圈，它們的金相組織、性能和使用壽命見表1。

表1 普通灰鑄鐵中圈與孕育鑄鐵中圈的金相組織、性能和使用壽命

試驗結(jié)果顯示：灰鑄鐵中圈鐵液孕育處理后，材料基體組織（珠光體組織）變細(xì)，片狀石墨細(xì)化且分布更均勻，硬度有所提高，使用壽命延長。孕育處理對提高中圈性能和壽命具有一定作用。

2 灰鑄鐵中圈石墨化退火試驗

灰鑄鐵中圈結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，有些鑄件的表層和某些薄壁處，由于澆注后冷卻速度較快，經(jīng)常出現(xiàn)白口組織，使鑄件硬度增大，脆性提高，影響后續(xù)切削加工和中圈的使用性能。因此，消除鑄件的白口組織，將不合格的白口鑄鐵件轉(zhuǎn)化為合格的灰口鑄鐵件，具有重大的經(jīng)濟意義和生產(chǎn)價值。

將白口鑄鐵轉(zhuǎn)化為灰口鑄鐵，生產(chǎn)上一般采用石墨化退火工藝。

鑄鐵石墨化的過程是一個原子擴散的過程，不僅需要碳原子的擴散集聚，而且還需要鐵原子在碳的集聚處擴散轉(zhuǎn)移。石墨化的溫度愈低，原子擴散愈困難，因而愈不易石墨化。由此可見，鑄鐵石墨化退火是一個高溫長時間退火的過程。

生產(chǎn)中常規(guī)使用的石墨化退火工藝參數(shù)為：加熱溫度850℃～900℃，保溫2～4 小時，然后隨爐緩冷至500℃～400℃后出爐空冷。

由于常規(guī)石墨化退火工藝效果不理想，退火后大多數(shù)鑄件硬度仍然很高，仍不符合生產(chǎn)要求，甚至有人懷疑石墨化退火工藝的有效性。為此，我們從提高加熱溫度、延長保溫時間兩方面著手，對帶有白口的中圈鑄件進(jìn)行了多次石墨化退火試驗，獲取了一定的退火工藝參數(shù)，取得了較好的生產(chǎn)效果。

2.1 試驗條件

2.1.1 試驗工件：普通灰鑄鐵中圈鑄件；

2.1.2 熱處理設(shè)備：臺車式電阻爐；

2.1.3 試驗方式：普通灰鑄鐵中圈鑄件裝箱密封入爐。

2.2 試驗工藝

將帶有白口組織的普通灰鑄鐵中圈鑄件進(jìn)行高溫長時間石墨化退火，形成灰口鑄鐵件。

2.3 試驗原理

通過加熱白口組織鑄鐵件，使白口組織中的滲碳體分解成鐵素體和石墨，形成灰口組織鑄鐵件。

2.4 試驗內(nèi)容

改變熱處理退火加熱溫度和保溫時間，使白口組織鑄鐵件變成灰口組織鑄鐵件，并對它們分別進(jìn)行金相組織試驗和力學(xué)性能試驗。

2.5 試驗結(jié)果

中圈鑄鐵件石墨化退火工藝參數(shù)見表2，退火前后金相組織和力學(xué)性能見表3。

表2 中圈鑄鐵件石墨化退火工藝參數(shù)

表3 中圈鑄鐵件石墨化退火前后金相組織和力學(xué)性能

試驗結(jié)果表明：中圈鑄鐵件石墨化退火加熱溫度850℃～900℃時，保溫時間應(yīng)為20～24 小時，遠(yuǎn)長于2～4 小時常規(guī)保溫時間。而且加熱溫度愈高，保溫時間愈短。當(dāng)加熱溫度升至950℃時，保溫時間縮短至15 小時。

3 灰鑄鐵中圈鑄件熱處理淬火試驗

3.1 試驗條件

3.1.1 試驗材料：普通灰鑄鐵中圈鑄件；

3.1.2 熱處理設(shè)備：箱式電阻爐；

3.1.3 淬火方式：油冷。

3.2 試驗工藝

將灰鑄鐵中圈鑄件試樣置入箱式電阻爐中，加熱到860℃，保溫1.5 小時后出爐，并整體浸入油中冷卻淬火。隨后進(jìn)行180℃低溫回火。

3.3 試驗原理

使灰鑄鐵在固態(tài)下重新結(jié)晶，以細(xì)化晶粒，提高性能。

3.4 試驗內(nèi)容

對熱處理后的灰鑄鐵中圈鑄件試樣對照未經(jīng)熱處理的鑄態(tài)灰鑄鐵中圈鑄件試樣進(jìn)行金相組織試驗、力學(xué)性能試驗和生產(chǎn)試驗。

3.5 試驗結(jié)果

經(jīng)過熱處理的灰鑄鐵中圈鑄件與未經(jīng)熱處理的灰鑄鐵中圈鑄件，它們的金相組織、性能和使用壽命見表4。

表4 灰鑄鐵普通熱處理前后的金相組織、性能和使用壽命

試驗結(jié)果說明：灰鑄鐵中圈普通熱處理淬火后其基體組織變細(xì)，由珠光體組織變成回火馬氏體組織，石墨的形狀（片狀）、數(shù)量、大小和分布基本未變，硬度明顯提高，使用壽命明顯延長。普通熱處理淬火對提高灰鑄鐵中圈性能和壽命作用明顯。

4 灰鑄鐵中圈激光熱處理試驗

4.1 試驗條件

4.1.1 試驗材料：普通灰鑄鐵中圈；

4.1.2 熱處理設(shè)備：激光器；

4.1.3 淬火方式：自然冷卻。

4.2 試驗工藝

對普通灰鑄鐵中圈試樣工作表面進(jìn)行激光掃描，然后自然冷卻淬火。

4.3 試驗原理

使灰鑄鐵在固態(tài)下重新結(jié)晶，從而細(xì)化晶粒，提高性能。

4.4 試驗內(nèi)容

激光熱處理后的灰鑄鐵中圈試樣對比未經(jīng)熱處理的鑄態(tài)灰鑄鐵中圈試樣進(jìn)行金相組織試驗、力學(xué)性能試驗和生產(chǎn)試驗。

4.5 試驗結(jié)果

經(jīng)過激光熱處理的灰鑄鐵與未經(jīng)熱處理的灰鑄鐵，它們的金相組織、力學(xué)性能和使用壽命見表5。

表5 灰鑄鐵激光熱處理前后的金相組織、性能和使用壽命

試驗結(jié)果證明：灰鑄鐵中圈工作表面激光熱處理淬火后，其基體組織更細(xì)，由珠光體組織變成細(xì)回火馬氏體組織，石墨的形狀（片狀）、數(shù)量、大小和分布基本未變，其表面硬度更高，使用壽命更長。激光熱處理淬火可顯著提高灰鑄鐵中圈的性能和壽命。

結(jié)束語

孕育處理可以有效提高灰鑄鐵中圈的性能和壽命；普通熱處理能明顯提高灰鑄鐵中圈的性能和壽命；激光熱處理淬火對提高灰鑄鐵中圈性能和壽命作用更顯著。