灰铸铁的力学性能提升及热处理研究

曹冬梅，李海东

（1.无锡市崇安区职工学校，江苏 无锡 214005；2.连云港职业技术学院，江苏 连云港 222006）

0 引 言

灰铸铁通常是具有片状石墨的铸铁，它的断口呈现灰色，它的化学成分一般为ωC=2.7%～3.6%，ωSi=1.4%～2.7%，ωMn=0.5%～1.2%，ωS＜0.15%，ωP＜0.30%，灰铸铁具有良好的铸造性能，成本较低，在缺口敏感性、减振性和耐磨等方面都有优良的性能，在工业生产中得到广泛的应用，然而灰铸铁的化学组成中含有较高的碳和硅，所以表现出较大的石墨化性能，其铸态组织由金属基体和片状石墨组成，使得灰口铸铁的力学性能不一，严重制约了灰口铸件的应用范围，能最大限度提升灰口铸铁力学性能的重要前提是扩大灰口铸铁应用范围。

本文主要研究灰口铸铁的力学性能，首先从灰口铸铁的组织和基本性能出发，然后从其孕育过程中寻找提升灰口铸铁的力学性能的方法，最后对灰口铸铁的热处理研究，进一步扩大灰口铸铁的应用范围。

1 灰口铸铁的金相组织及性能

灰口铸铁的金相组织由金属基体和片状石墨组成，主要的金属基体形式有珠光体、铁素体及珠光体加铁素体3 种，石墨体可以按照不同的数量、大小、形状分布于基体中。石墨在灰铸铁中的碳以游离的状态存在，它与天然石墨没有什么差别，仅有少量的杂质存在，表现为较低的强度，使得金属基体的强度在很大程度上不能充分地得到发挥，因此，灰口铸铁可以看成是有大量微小裂纹或者孔洞的碳钢［1］。

灰铸铁中的石墨破坏了基体的连续性，在一定程度上减少了金属基体承载的有效面积，结果使得实际应力大大增加，同时，在石墨尖端处易造成应力集中，使基体尖端的应力远大于平均应力，所以灰口铸铁的抗拉强度和弹性模量均比钢低得多，例如珠光体和铁素体混合基体的灰口铸铁的抗拉强度只有150 MPa，而正火45 钢的抗拉强度可以达到700 MPa 以上。特别是在灰口铸铁中石墨片的数量、尺寸、分布情况，对力学性能都有很大的影响，但灰口铸铁的抗压强度比其抗拉强度高出3 倍左右，其抗压强度可以和钢相媲美。由于石墨存在而产生的严重应力集中，造成裂纹的早期发生，而基体抵抗裂纹扩展的能力又较差，因此导致脆性断裂，故灰铸铁的塑性和韧性几乎表现不出来。

通过上述研究可以发现，灰铸铁的硬度决定于基体，这是由于硬度的测定方法是用钢球压在试块上，钢球的尺寸相对于石墨裂缝而言是非常巨大的，所以外力主要承受在基体上，因此随着基体内珠光体数量增加，分散度变大，硬度在一定程度上得到提高，如图1 所示为珠光体灰铸铁的显微金相组织。

图1 珠光体灰铸铁的金相组织

2 灰铸铁的孕育处理

图3 孕育处理后保持时间和共晶团数量关系

为了提高灰铸铁的力学性能，必须通过细化和减少石墨体，在实际的生产工艺中通常降低C、Si 元素的含量，并采取灰口铸铁的孕育处理。孕育处理是指在铸铁浇注之前向铁水中加人少量孕育剂，进行孕育处理。由于孕育处理向铁水内引入了大量的、均匀分布的人工晶核，使石墨片及基体组织得到显著细化，提高了铸铁的强度，同时还可以避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的均匀性，如图2 所示。由于灰铸铁中石墨片对铸铁性能影响远比基体的影响大，所以提高灰铸铁性能的关键是改善石墨的数量以及分布状态，石墨片越细小、分布越均匀，铸铁的性能就越好。

近年来随着孕育处理的方法的改善，最常用的方法就是在出铁槽将一定粒度的孕育剂加入，这种方法很容易实现操作，但是较容易发生衰退现象，如图3 所示，为此，近年来发展了很多瞬时孕育方法，在最大限度上发挥了孕育的作用。

3 灰口铸铁的热处理分析

灰铸铁的热处理不能改变石墨的形状和分布，只能改变其基体组织，因此热处理对于提高灰铸铁力学性能作用不大，主要用来消除内应力，改善切削加工性能，提高表面硬度和耐磨性等，常用的热处理工艺有很多，这里主要针对消除内应力退火和高温石墨化退火两种热处理工艺进行研究。

3.1 消除内应力退火的灰口铸铁的热处理分析

铸件在凝固冷却和发生组织转变的过程中，必然会产生内应力而使铸件翘曲，甚至开裂。在机械加工过程中，由于内应力的重新分布，可进一步引起铸件变形。因此，铸造后应进行消除内应力退火，对于形状复杂及大型铸件经粗加工后，也应进行消除内应力退火。

消除内应力退火一般在室温或低温（200～300 ℃）下装炉，以60～120 ℃/h 的速度缓慢加热到500～550 ℃保温3～5 h 或更长时间（应根据铸件大小，装炉数量以及退火加热温度而定）。加热温度低于550 ℃时，组织不会发生变化，内应力可消除80%以上，当加热温度超过550 ℃时，部分渗碳体将发生分解和球化，使铸铁的强度和硬度下降，如图4 所示为中小型机床铸件的热时效规范图。

图4 中小型机床铸件的热时效规范图

3.2 石墨化退火的灰口铸铁的热处理分析

灰铸铁石墨化退火的目的是为了改善加工性能，降低硬度。根据铸铁的原始组织和所要获得的基体组织的不同，又可分为低温石墨化退火和高温石墨化退火两种工艺。低温石墨化退火的目的是使共析渗碳体球化和分解析出石墨，降低灰铸铁的硬度。如灰铸铁的原始组织为珠光体+石墨，经低温石墨化退火后组织为珠光体+铁素体+石墨。高温石墨化退火灰铸铁在铸造时，如果冷却速度和化学成分选择不当，铸件中会保留较多的自由渗碳体，使铸件性能硬而脆，无法切削加工。因此必须进行高温石墨化退火，使自由渗碳体在高温加热时分解为奥氏体+石墨，从而降低硬度，便于切削加工。

4 结 语

灰铸铁具有广泛的应用范围，但是由于力学性能限制使得其应用上存在一定的限制。本文基于灰口铸铁的力学性能提升为目的，通过对灰口铸铁的孕育处理，进一步说明了提高灰口铸铁力学性能的方法，之后又从热时效和灰铸铁石墨化退火两种手段上分析灰口铸铁的热处理工艺，为扩大灰口铸铁的应用范围，增强对材料的应用研究贡献了一份力量。

1］ 蔡启舟，吴树森.铸造合金原理及熔炼［M］.北京：化学工业出版社，2010：26-38.

［2］ 马鹏飞，李美兰.热处理技术［M］.北京：化学工业出版社，2008：177-180.

［3］ 李茗，张毅，宋博宇，等.镍对合金铸铁组织及耐高温烧碱腐蚀性能的影响［J］，铸造技术，2013（4）：400-402.