变质处理提高灰铸铁机械性能

1.灰铸铁的组织和性能

灰铸铁的组织是由碳钢的基体加片状石墨组成。按基体组织不同，灰铸铁分为铁素体灰铸铁、铁素体-珠光体灰铸铁和珠光体灰铸铁三类。

灰铸铁的性能取决于基体的组织和石墨的形态。由于石墨的强度极低，因此可以把铸铁看成是布满裂纹和孔洞的钢。一方面，石墨的存在不仅破坏了金属基体的连续性，而且减少了金属基体承受载荷的有效截面，使实际应力大大增加；另一方面在石墨尖角处易造成应力集中使尖角处的应力远大于平均应力。所以，灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢。石墨片的数量越多、尺寸越大、分布越不均匀，对力学性能的影响就越大。但石墨的存在对灰铸铁的抗压强度影响不大，因为抗压强度主要取决于灰铸铁的基体组织，灰铸铁的抗压强度与钢相近。因此，灰铸铁“抗压不抗拉”。

片状石墨虽然降低了灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性，但它却使灰铸铁具有一系列优良性能，如良好的铸造性能，优良的切削加工性能，良好的耐磨性、减震性和低的缺口敏感性。

三种不同基体的灰铸铁中，铁素体灰铸铁的强度、硬度和耐磨性最低，但塑性较好；珠光体灰铸铁的强度、硬度、耐磨性较高，但塑性较差；铁素体-珠光体灰铸铁的性能介于以上两者之间。

2.灰铸铁的变质处理（孕育处理）

灰铸铁组织中因有片状石墨的存在，因而它的力学性能较低。为了改善灰铸铁的组织，提高其力学性能，可对灰铸铁进行变质处理。

灰铸铁的变质处理就是在浇注前向铁水中加入少量变质剂（硅铁或硅钙合金），改变铁水的结晶条件，以获得细小的珠光体基体和细小均匀分布的片状石墨组织。经变质处理后的灰铸铁称为变质铸铁或孕育铸铁。灰铸铁经变质处理后强度有较大的提高，塑性和韧性也得到改善，常用于要求力学性能较高、截面尺寸较大的铸件。

3.灰铸铁的牌号及用途

灰铸铁的牌号由“HT+数字”表示，其中HT代表“灰铁”二字，后面的数字表示其最小抗拉强度值。如HT250表示最小抗拉强度为250 MPa的灰铸铁。常用灰铸铁的牌号与用途如表3-23所示。

表3-23　常用灰铸铁的牌号与用途(www.xing528.com)

由于灰铸铁具有以上一系列性能特点，而且生产成本比钢低得多，因此被广泛地用来制作各种受力不大或以承受压应力为主和要求减震性好的机床床身与机架、结构复杂的壳体与箱体、承受摩擦的缸体与导轨等。灰铸铁是汽车制造工业中应用最多的一种铸铁。在汽车上多用于不镶缸套的整体缸体、缸盖等零件的制造，还可用以制造飞轮、飞轮壳、变速箱壳及盖、离合器壳及压板、进排气支管、制动鼓以及液压制动总泵和分泵的缸体。灰铸铁在汽车上的应用如表3-24所示。

表3-24　灰铸铁在汽车上的应用

4.灰铸铁的热处理

灰铸铁的热处理只能改变基体的组织，而不能改变石墨的形状、大小、数量和分布情况。所以，灰铸铁的热处理一般只用于消除铸件内应力和白口组织，稳定尺寸、提高工件表面硬度和耐磨性。

1）去应力退火

在热处理炉中，将铸件加热到500～600℃，保温一段时间后随炉缓冷至150～200℃以下出炉空冷，用以消除铸件在凝固过程中因冷却不均匀而产生的铸造应力，防止铸件在加工和使用过程中产生变形和裂纹。有时把铸件在露天场地放置数月甚至一年以上，使铸造应力得到松弛，这种方法称为自然时效。大型灰铸铁件常常用此法来消除铸造应力。

2）消除铸件白口的高温退火

铸件在冷却过程中由于表层及薄壁处冷却速度较快，出现白口组织，使铸件硬度和脆性增加，造成切削加工困难并影响正常使用。消除白口的高温退火工艺是：在热处理炉中，将铸件加热到800～950℃，保温1～3 h，然后随炉冷却到400～500℃出炉后空冷，使Fe3C分解为铁素体和石墨。

3）表面淬火

对于用灰铸铁制造的机床导轨表面和内燃机气缸套内壁等摩擦工作表面，需要有较高的硬度和耐磨性。可以采用表面淬火的方法来提高表面硬度，延长使用寿命。常用的方法有火焰加热表面淬火，高（中）频感应加热表面淬火和接触电阻加热表面淬火。