铸铁的改性：强化工艺及热处理

铸铁因抗拉强度低、塑性和韧性差、无法进行锻压、焊接性能差等原因，使其应用受到限制，所以，采用各种强化工艺来提高铸铁的性能，具有十分重要的意义。

（一）铸铁强化的基本途径

如前所述，灰铸铁的性能主要取决于石墨的形状、大小、分布以及基体组织的类型，所以铸铁的强化也主要从这两条基本途径入手。

1.改变石墨的形状、大小和分布

（1）孕育处理

又称变质处理，是在低碳、低硅的铁液中冲入孕育剂（硅铁或硅钙合金）进行孕育处理，然后进行浇注。由于增加了孕育剂作为石墨的结晶核心，石墨化作用大大提高，使石墨呈细小均匀分布，并获得珠光体基体，铸铁件的厚薄部分都能获得较均匀一致的组织和性能，从而制得孕育铸铁（属于高强度普通灰铸铁，牌号有HT300、HT350等）。

（2）石墨化退火

白口铸铁中的渗碳体是一种不稳定的组织，在高温下保持相当长的时间后会分解成铁和团絮状石墨，所获得的铸铁称为可锻铸铁。由于团絮状石墨对基体的割裂作用大大减轻，故可锻铸铁具有较高的抗拉强度和相当高的塑性和韧性，但仍不能用于锻造。

（3）球化处理

球化处理的目的是生产球墨铸铁（简称球铁），其生产方法是在碳的质量分数足够高，而含硫、磷量低的灰铸铁铁液中加入球化剂（国内通常采用稀土镁合金）使石墨球化。因球化剂会阻碍石墨化过程，故球化处理的同时还需进行孕育处理，以防止产生白口组织。由于球铁中的石墨呈球状，对基体的割裂作用较小，应力集中现象相对较少，故其力学性能远远超过灰铸铁，优于可锻铸铁，且某些性能（如疲劳强度、屈服强度）接近于钢，又可通过热处理改善基体的性能，所以可以用球铁来取代钢，制造许多过去使用钢制造的重要零件，如柴油机曲轴、连杆、齿轮等。这不仅可以节约大量钢材，而且减小了机械加工工作量，从而降低了产品成本。此外，由于球铁保持了灰铸铁的许多优良性能，故其发展前景十分广阔。

2.改变基体组织

改变铸铁基体组织的方法主要有：①调整影响铸铁石墨化过程的因素，如前述的孕育处理；②提高冷却速度，如金属型铸件的抗拉强度比砂型铸件约高25%；③热处理。

（二）铸铁的热处理改性

由于铸铁的力学性能在很大程度上取决于石墨的形状、大小和分布，而热处理对已经分布在基体上的石墨不产生明显的影响，所以铸铁热处理强化的效果远不如钢。只有使石墨的形状得到改善（例如从片状改变为球状），提高基体强度的利用率，铸铁的热处理才会显示出强化效果。铸铁的某些热处理工艺是用于减小内应力和消除白口组织的，在此一并予以介绍。

1.铸铁的整体热处理改性

（1）去应力退火

又称人工时效。凡形状复杂或壁厚不均匀的铸件，受冷却不均匀与组织转变的影响，会产生较大的内应力。在机械加工后，由于内应力重新分布，铸件会缓慢地微量变形，丧失其应有的精度。所以，这样的铸件应采用去应力退火以消除内应力。

（2）软化处理

铸铁件由于碳、硅含量低，或凝固时冷却速度过快，往往容易在其表层或薄壁处产生硬而脆的白口组织，致使机械加工十分困难。为了消除白口组织，降低硬度，改善切削加工性，需进行所谓的“软化处理”，即将铸件加热至800～950℃，保温后随炉冷却至400～500℃，然后在空气中冷却。

2.铸铁的整体热处理强化

（1）正火及去应力退火

球墨铸铁件铸后常采用正火及去应力退火处理。正火的目的是获得以珠光体为基体的球墨铸铁，以提高其强度和硬度。由于正火的冷却速度较快，故正火后还需要进行550～600℃的去应力退火，以消除内应力。(www.xing528.com)

（2）淬火及回火

铸铁淬火及回火后的基体组织与碳钢相同，主要用于提高可锻铸铁和球墨铸铁的强度及耐磨性。如球墨铸铁件经淬火后550℃回火可获得良好的力学性能：Rm＝784MPa，A=4%，硬度为28HRC。

3.铸铁的表面热处理强化

（1）表面淬火

可用于提高大型铸铁件（如机床床身的导轨）的耐磨性。感应加热表面淬火在生产中应用较多。如机床导轨需淬硬至50HRC，淬硬层深1.1～2.5mm，可采用高频感应加热淬火；若淬硬层深度为3～4mm，则采用中频感应加热淬火。

（2）化学表面热处理

可用于提高铸铁件，特别是球墨铸铁件表面的耐磨性、抗氧化性和耐蚀性。常用的方法有液体氮碳共渗、渗铝、渗硼和渗硫等。

4.铸铁的其他表面强化方法

（1）滚压

有人认为铸铁不能采用冷变形的方法来强化，其实也不尽然。如对球墨铸铁曲轴圆角进行滚压强化，能压平工件表面的粗糙凸峰，降低表面粗糙度值，同时产生很高的残余压应力，使曲轴的疲劳强度提高70%以上。

（2）金属镀层

如镀钼可以显著提高发动机球墨铸铁缸体的耐磨性。其他如金属喷涂、金属碳化物覆层和非金属覆层等表面覆层强化方法均可应用于铸铁。

（3）表面合金化

如铸铁阀座、柴油机阀片等铸铁件经镀铬后进行激光表面合金化处理，表面硬度可达到60HRC，深度达到0.76mm，从而利用廉价材料获得了高性能的合金表面层。

（三）铸铁的合金化强化

为了使铸铁件获得耐磨、耐热、耐腐蚀等特殊性能，可向铸铁中加入一定量的合金元素制成合金铸铁。

（1）耐磨铸铁

向孕育铸铁中加入质量分数为0.4%～0.6%的磷，或根据需要同时加入铜、钛等元素，制成高磷耐磨铸铁，可提高耐磨性一倍以上，是制造机床导轨的好材料。

（2）耐热铸铁

向铸铁中加入铝、硅、铬等合金元素，能使铸件表面生成致密的氧化膜，保护内层不被氧化和提高稳定性。由于这种铸铁在高温下具有抗氧化、不起皮的能力，故称为耐热铸铁，常用于制造炉门、炉栅等耐热件。

合金铸铁与合金钢比较，熔炼简单，成本低廉，基本上能满足特殊性能的要求，但其力学性能较差，脆性较大。