熱處理淬火材料之灰鑄鐵

灰鑄鐵是價格最便宜、應用最廣泛的一種熱處理淬火材料鑄鐵，在各類鑄鐵的總產量中，灰鑄鐵占80%以上。成分與組織灰鑄鐵的成分大致范圍為：2.5%-4.0% C、1.0%-3。0%Si、0.25%-1．0%Mn、0.02%-0.20%S、0.05%-0.05%P。具有上述成分范圍的液體鐵水在進行緩慢冷卻凝固時，將發生石墨化，析出片狀石墨。其斷口的外貌呈淺煙灰色，所以稱為灰鑄鐵。普通灰鑄鐵的組織是由片狀石墨和鋼的基體兩部分組成的，其片狀石墨形態或直或彎且不連續，熱處理淬火材料灰鑄鐵的基體根據石墨化進程不同可以是鐵素體，鐵素體十珠光體或珠光體三種。性能與普通鋼材相比，熱處理淬火材料灰鑄鐵具有如下性能特征：①力學性能低：抗拉強度和塑性韌性都遠遠低于鋼，這是由灰鑄鐵的組織特征決定的。灰鑄鐵中片狀低性能石墨實際上就相當于布滿于材料內的孔洞或裂紋，在受載時其對鋼基體有很強的分割和應力集中效應，而且破壞了基體的連續性，這是熱處理淬火材料灰鑄鐵抗拉強度很差，塑性和韌性幾乎為零的根本原因。但灰鑄鐵在受壓時石墨片破壞基體連續性的影響則大為減輕，其抗壓強度是抗拉強度的2.5-4倍，并且大量石墨的割裂作用，使鑄鐵對缺口不敏感，所以常用灰鑄鐵制造機床床身、底座等耐壓零部件。②工藝性能好：由于灰鑄鐵的含碳量接近于共晶成分，故熔點比較低，流動性良好，分散縮孔少，因此適宜于鑄造結構復雜或薄壁鑄件。另外，石墨的潤滑效應有利于材料的切削加工。③優異的耐磨性和消震性：鑄鐵中的石墨因其層狀結構而有潤滑作用，而當低強度的石墨磨損后留下的空隙有利于儲油，從而使熱處理淬火材料灰鑄鐵的耐磨性好；石墨對震動的傳遞起削弱作用，使灰鑄鐵有很好的消震性能。牌號牌號中“HT”表示“灰鐵”二字的漢語拼音大寫字首，“HT"后的數字表示鑄鐵的最低抗拉強度值。如HT200表示最低抗拉強度為200MPa的灰鑄鐵。孕育處理HT250、HT300、HT350屬于較高強度的孕育鑄鐵（也稱變質鑄鐵），需經孕育處理（即結晶時向鐵水中加入孕育形核劑）獲得。鑄鐵變質劑或孕育劑一般為硅鐵合金或硅鈣合金小顆粒或粉，當加入鑄鐵液內后立即形成S102的固體小質點，熱處理淬火材料鑄鐵中的碳以這些小質點為核心形成細小的片狀石墨。由于結晶時石墨晶核數目增多，石墨片尺寸變小，更為均勻地分布在基體中。鑄鐵經孕育處理后其顯微組織是在細珠光體基體上分布著細片狀石墨，不僅強度有較大提高，而且塑性和韌性也有所改善，常用來制造力學性能要求較高、截面尺寸變化較大的鑄件。熱處理灰鑄鐵的熱處理只能改變其基體組織，不能改變石墨的形態和分布，即熱處理不能顯著改善熱處理淬火材料灰鑄鐵的力學性能。熱處理主要用來消除鑄件的內應力，穩定尺寸，消除白口組織和提高鑄鐵的表面性能。①去應力退火：鑄件在鑄造冷卻過程中，由于各部位冷卻速度不同，容易產生內應力，可能導致鑄件翹曲和裂紋。為了保證尺寸穩定性，防止變形，因此為保證尺寸穩定和防止變形開裂，對一些形狀復雜的鑄件如機床床身，柴油機汽缸等，常常要進行去應力退火（又稱人工時效）。工藝規范一般為：隨爐緩慢加熱至500-550℃，保溫一段時間后，隨爐緩冷至150-200℃出爐空冷。②消除鑄件白口、降低硬度退火：灰鑄鐵件表層及一些薄截面處，在冷凝過程中冷卻速度較快，容易產生白口組織，使鑄件的硬度和脆性增加，造成切削加工困難，需進行退火處理。退火一般在共析溫度以上進行（850-900℃保溫2-5h），使滲碳體分解成石墨，然后隨爐緩冷至400-500℃，再出爐空冷，所以又稱高溫退火。③表面淬火：為了提高某些鑄件如機床導軌、缸體內壁等的表面硬度，可進行表面淬火。常用的方法有高（中）頻感應加熱表面淬火介質，還可采用火焰加熱，激光加熱，等離子加熱和電接觸加熱等新型表面淬火方法。本文參考《金屬工藝基礎與實踐》一書。