球墨鑄鐵QT800-6 正火處理工藝研究

張揚(yáng)揚(yáng)，孫有平，周學(xué)浩，付靜，申其芳

(廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西柳州545006)

摘要：利用光學(xué)顯微鏡、硬度試驗(yàn)機(jī)、拉伸試驗(yàn)機(jī)以及箱式電阻爐設(shè)備，研究了不同正火處理工藝對(duì)球墨鑄鐵QT800-6 力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：正火工藝處理后，球鐵基體組織中的鐵素體向珠光體轉(zhuǎn)變后組織為少量鐵素體基體+珠光體+球狀石墨。大多數(shù)的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，珠光體數(shù)量在基體組織中大大增加，正火溫度860℃保溫1 h 風(fēng)冷獲得的球墨鑄鐵具有良好的綜合力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵；正火；顯微組織；力學(xué)性能

據(jù)最新資料表明現(xiàn)代球墨鑄鐵是美國國際鎳公司(INCO) 青年科研人員麥里斯(K.D.Mills)于1943 年4 月12 日首先研究成功的[1]。1948 年6 月14 日在紐約Jamestown 可鍛鑄鐵公司澆注了一批鑄件從此拉開了球墨鑄鐵工業(yè)生產(chǎn)的序幕^[1]。球墨鑄鐵具有良好的耐震、耐磨、工藝性能，比普通灰口鑄鐵有較高的強(qiáng)度、較好韌性和塑性^[2]。已經(jīng)在礦山選礦、機(jī)械制造、石油化工、交通運(yùn)輸、農(nóng)機(jī)以及汽車等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)于球墨鑄鐵熱處理工藝的研究， 劉海明等人^[3]進(jìn)行了等溫淬火球墨鑄鐵表面熱處理工藝的研究，研究表明對(duì)(等溫淬火球墨鑄鐵)ADI 采用二步法表面熱處理可以得到較厚的淬硬層以及均勻的淬火組織。劉金海等人^[4]研究了球墨鑄鐵微觀組織與拉伸行為的相關(guān)性得出球墨鑄鐵的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變關(guān)系指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律中的材料常數(shù)隨球化率的增加而增大，隨鐵素體含量的提高而降低。賴毅翔等人^[5]研究了通過合理的正火處理破碎鐵素體試樣的強(qiáng)度、硬度上升，沖擊韌度和伸長率降低獲得了較好的綜合力學(xué)性能。隨著研究的推進(jìn)相信球墨鑄鐵有更好的力學(xué)性能。

本文研究的目的是球墨鑄鐵性能在正火處理工藝后的影響， 對(duì)不同的正火處理工藝后進(jìn)行顯微組織和力學(xué)性能檢測， 分析正火處理工藝參數(shù)對(duì)試樣顯微組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

球墨鑄鐵的化學(xué)成分見表1。球墨鑄鐵正火工藝為830、860、890、920、950 ℃， 保溫時(shí)間都為1 h，每個(gè)溫度采用空冷和風(fēng)冷兩種方式。風(fēng)冷是工件出爐后用900 W 功率的吹風(fēng)機(jī)的冷風(fēng)來冷卻。金相試樣采用4%硝酸酒精溶液腐蝕。

采用DMI3000M 光學(xué)金相顯微鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察與分析；采用CMT5105 拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能檢測； 加熱采用SX2-8-10 型箱式電阻爐。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 顯微組織

圖1 為球墨鑄鐵QT800-6 鑄態(tài)組織以及經(jīng)過正火工藝830、860、890、920、950 ℃保溫1 h 后分別進(jìn)行空冷和風(fēng)冷后的顯微組織。由圖1(a)可以看出，鐵素體圍繞著球狀石墨，形成牛眼狀鐵素體，其基組織為：牛眼狀鐵素體(白色)＋珠光體(黑色)＋球狀石墨。圖1(b)為球墨鑄鐵在830 ℃下進(jìn)行正火處理的組織。從圖可以看出，正火處理后，鐵素體不再呈牛眼狀包圍在球狀石墨周圍，而是分散在組織中。與圖1(a)的鑄態(tài)組織相比，珠光體含量明顯增多，石墨球化率較高， 其組織為鐵素體＋珠光體＋球狀石墨。圖1(c)為球墨鑄鐵在830 ℃下正火，保溫1 h，風(fēng)冷后的組織金相圖。由圖1(c)~(f)可知，隨著保溫溫度的逐漸增加，珠光體含量逐漸增多，當(dāng)溫度到達(dá)860 ℃時(shí)，鐵素體呈破碎狀分散在球狀石墨周圍，石墨的球化率仍較高。圖1(e)為球墨鑄鐵在860 ℃下風(fēng)冷正火后的金相組織。從圖中看出鐵素體(黑色)的含量比圖1(d)空冷組織中的含量有所減少，且均勻分布在球狀石墨周圍。球化率相比圖1(d)更高。隨著保溫溫度的繼續(xù)增加，鐵素體的含量逐漸減少，珠光體組織的量逐漸增多， 這說明風(fēng)冷能促使更多的鐵素體轉(zhuǎn)化珠光體。

對(duì)于同一保溫時(shí)間不同保溫溫度的試樣， 當(dāng)保溫時(shí)間為1 h 時(shí)，隨著溫度從830 ℃上升至950 ℃，基體中破碎鐵素體含量呈較為明顯的下降趨勢(shì)，說明保溫溫度對(duì)鐵素體的含量有較大影響。陳正德^[6]研究表明通過改變加熱溫度及冷卻速度可以調(diào)整基體的含碳量。

球墨鑄鐵QT800-6 顯微硬度如圖2 所示。經(jīng)過熱處理的鑄態(tài)球墨鑄鐵QT800-6 硬度值比未熱處理的鑄態(tài)球墨鑄鐵QT800-6 試樣硬度值高30.68 HRC，有較大的提升，說明對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行正火處理可以提高其硬度。隨著正火溫度的升高，球墨鑄鐵的硬度也隨著升高， 但在920 ℃之后的漲幅很小。硬度值的升高是因?yàn)檎饻囟仍礁?，球墨鑄鐵基體組織中的鐵素體向珠光體轉(zhuǎn)變， 從而使得珠光體含量增高。楊海峰等人^[7]研究認(rèn)為隨著溫度的升高，鑄件硬度也隨之增大， 由于溫度的升高溶入奧氏體中的碳含量增高，等溫保持時(shí)形成了較多的珠光體。而920 ℃之后，溫度的升高，對(duì)珠光體含量的影響不大，說明在920 ℃時(shí)，基體中鐵素體已經(jīng)基本轉(zhuǎn)化完成，溫度再升高對(duì)基體組織的影響不大，所以硬度值變化不大；同時(shí)可以看出，相同正火溫度的風(fēng)冷試樣的硬度值比空冷試樣的硬度值高。這可以說明，在此溫度范圍內(nèi)冷卻速度對(duì)球墨鑄鐵基體組織中珠光體的含量有影響，冷卻速度越快，珠光體含量越高，硬度越高。

2.2 力學(xué)性能

由圖3 可知，隨著溫度升高，抗拉強(qiáng)度先升高，后下降， 在860 ℃抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值， 由于在860 ℃正火時(shí)金相組織的球化率較高， 而球化率越高力學(xué)性能越好。風(fēng)冷與空冷試樣的抗拉強(qiáng)度相近， 說明冷卻速度對(duì)球墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度沒有影響。過了860 ℃后抗拉強(qiáng)度迅速下降， 跟球化率有關(guān)外，通過陳正德^[6]研究發(fā)現(xiàn)硅、錳和磷等元素在共晶團(tuán)內(nèi)和邊界上的偏析也會(huì)對(duì)熱處理后球墨鑄鐵的力學(xué)性能造成很大影響。

由圖4 可知，在830 ℃正火處理的試樣伸長率最大，830 ℃以后球鐵的伸長率明顯下降，這跟組織中破碎鐵素體是分不開的^[6]。風(fēng)冷試樣與空冷試樣對(duì)比，圖4 中總體上風(fēng)冷試樣的伸長率要比空冷試樣的伸長率相差不大， 說明了相同的正火溫度下，提高冷卻速度對(duì)伸長率的影響不明顯。而組織中的鐵素體向珠光體轉(zhuǎn)變的速度變快， 基體組織中的鐵素體含量減少。周惦武等人^[8]研究認(rèn)為C 和Si 含量以及原鐵液含S 量也會(huì)對(duì)鑄態(tài)球鐵伸長率產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

（1） 正火熱處理通過影響基體中珠光體和鐵素體的含量進(jìn)而影響球鐵的力學(xué)性能。

（2） 正火保溫溫度對(duì)基體中破碎鐵素體的含量有重要影響。在三相共存區(qū)內(nèi)，隨著保溫溫度升高，正火后基體中破碎鐵素體的含量減少。

（3）正火溫度860 ℃，保溫1 h，風(fēng)冷獲得的球墨鑄鐵試樣具有較好的綜合力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 房貴如， 王云昭. 現(xiàn)代球墨鑄鐵的誕生、應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)──20 世紀(jì)材料科學(xué)最重大的技術(shù)進(jìn)展之一[J]. 現(xiàn)代鑄鐵， 2000(01): 3-11.

[2] 劉欣， 徐英杰. 球墨鑄鐵熱處理工藝的分析與研究[J]. 科協(xié)論壇(下半月)， 2011(08): 46-47.

[3] 劉海明， 祖方遒， 余瑾， 等. 等溫淬火球墨鑄鐵表面熱處理工藝的研究[J]. 鑄造， 2006，55(02): 128-131.

[4] 劉金海， 李國祿， 郝曉燕， 等. 球墨鑄鐵微觀組織與拉伸行為的相關(guān)性[J]. 鑄造技術(shù)， 2009， 30(03): 329-332.

[5] 賴毅翔， 周秉文， 劉恒樂， 等. 正火處理對(duì)破碎鐵素體球墨鑄鐵組織和性能的影響[J]. 鑄造， 2013，62(07): 607-611.

[6] 陳正德. 正火工藝對(duì)球墨鑄鐵性能的影響[J]. 金屬熱處理， 1981(09): 33-37.

[7] 楊海峰， 周威佳， 趙洪運(yùn)， 等. 一種球墨鑄鐵等溫正火工藝[J].金屬熱處理， 2015(07): 142-145.

[8] 周惦武， 賴海萍， 胡艷軍， 等. 工藝因素對(duì)鑄態(tài)高韌性球鐵伸長率的影響[J]. 現(xiàn)代鑄鐵， 2004(01): 13-16.