灰鑄鐵的力學性能提升及熱處理研究

曹冬梅，李海東

（1.無錫市崇安區(qū)職工學校，江蘇 無錫 214005；2.連云港職業(yè)技術學院，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)生產中得到廣泛的應用，然而灰鑄鐵的化學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性能不一，嚴重制約了灰口鑄件的應用范圍，能最大限度提升灰口鑄鐵力學性能的重要前提是擴大灰口鑄鐵應用范圍。

本文主要研究灰口鑄鐵的力學性能，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性能的方法，最后對灰口鑄鐵的熱處理研究，進一步擴大灰口鑄鐵的應用范圍。

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，僅有少量的雜質存在，表現(xiàn)為較低的強度，使得金屬基體的強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，結果使得實際應力大大增加，同時，在石墨尖端處易造成應力集中，使基體尖端的應力遠大于平均應力，所以灰口鑄鐵的抗拉強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度只有150 MPa，而正火45 鋼的抗拉強度可以達到700 MPa 以上。特別是在灰口鑄鐵中石墨片的數量、尺寸、分布情況，對力學性能都有很大的影響，但灰口鑄鐵的抗壓強度比其抗拉強度高出3 倍左右，其抗壓強度可以和鋼相媲美。由于石墨存在而產生的嚴重應力集中，造成裂紋的早期發(fā)生，而基體抵抗裂紋擴展的能力又較差，因此導致脆性斷裂，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，因此隨著基體內珠光體數量增加，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 孕育處理后保持時間和共晶團數量關系

為了提高灰鑄鐵的力學性能，必須通過細化和減少石墨體，在實際的生產工藝中通常降低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，進行孕育處理。由于孕育處理向鐵水內引入了大量的、均勻分布的人工晶核，使石墨片及基體組織得到顯著細化，提高了鑄鐵的強度，同時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比基體的影響大，所以提高灰鑄鐵性能的關鍵是改善石墨的數量以及分布狀態(tài)，石墨片越細小、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性能作用不大，主要用來消除內應力，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應力退火和高溫石墨化退火兩種熱處理工藝進行研究。

3.1 消除內應力退火的灰口鑄鐵的熱處理分析

鑄件在凝固冷卻和發(fā)生組織轉變的過程中，必然會產生內應力而使鑄件翹曲，甚至開裂。在機械加工過程中，由于內應力的重新分布，可進一步引起鑄件變形。因此，鑄造后應進行消除內應力退火，對于形狀復雜及大型鑄件經粗加工后，也應進行消除內應力退火。

消除內應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 或更長時間（應根據鑄件大小，裝爐數量以及退火加熱溫度而定）。加熱溫度低于550 ℃時，組織不會發(fā)生變化，內應力可消除80%以上，當加熱溫度超過550 ℃時，部分滲碳體將發(fā)生分解和球化，使鑄鐵的強度和硬度下降，如圖4 所示為中小型機床鑄件的熱時效規(guī)范圖。

圖4 中小型機床鑄件的熱時效規(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，如果冷卻速度和化學成分選擇不當，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。因此必須進行高溫石墨化退火，使自由滲碳體在高溫加熱時分解為奧氏體+石墨，從而降低硬度，便于切削加工。

4 結 語

灰鑄鐵具有廣泛的應用范圍，但是由于力學性能限制使得其應用上存在一定的限制。本文基于灰口鑄鐵的力學性能提升為目的，通過對灰口鑄鐵的孕育處理，進一步說明了提高灰口鑄鐵力學性能的方法，之后又從熱時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，為擴大灰口鑄鐵的應用范圍，增強對材料的應用研究貢獻了一份力量。

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

［2］ 馬鵬飛，李美蘭.熱處理技術［M］.北京：化學工業(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燒堿腐蝕性能的影響［J］，鑄造技術，2013（4）：400-402.