提高灰铸铁硬度和强度的有效措施

提高灰铸铁硬度和强度的有效措施

一、如何掌握砂型铸造灰铁的硬度

砂型铸造灰铸铁的硬度主要是由化学成分、冷却速度和孕育处理决定的。

同样的成分冷却的快，硬度就高，冷却的慢，硬度就低。如果为了提高硬度，用风冷或者水冷的方法往往容易裂纹，所以要谨慎使用快冷的方法。

用化学成分调整硬度是最常用的方法。通常主要是通过调整C的含量调整硬度，调整范围通常是2.9---3.5% 其次是Si，通常的范围是1.5----2.4% 这两种元素含量越高，硬度越低，含量越低，硬度越高。第三是Mn，通常范围是0.6---1.3% 含量越高，硬度越高，含量越低，硬度越低。硫和磷是有害元素，一般不用来调整硬度。这是灰铸铁的五大元素。之外的，还有Cr、Mo ，作用和Mn相似。Cu对硬度影响比较小，主要是促进石墨化，稳定珠光体，增加灰铸铁的强度和韧性，还有很多的元素，不过常用的成分就是这些了。

第三种调整硬度的方法就是灰铸铁的孕育处理了，这是最常用的方法，通常在出炉后的铁水中缓缓加入孕育剂（最常用的75Si-Fe），孕育处理之后的灰铸铁，硬度会趋于均匀，改善了机械加工的性能，也增加了灰铸铁的强度。

提高灰铸铁250硬度的几种方法如下：

1、炉料配比炉料配比

用生铁+废钢+回炉料+增碳剂的方法，利用增碳剂里的氮改变石墨的形态和长度来提高灰铁铸件的硬度。

2、控制化学成分

(1)许多熔炼公司认为硫元素有害，硫在铁液中的含量越低越好，其实也不是这样，在灰铁铸件中应考虑“硅碳化”和“锰硫比”。即Mn=1.71S+(0.2~0.5)。HT250化学成分表：

（2）低合金化，加一两种合金元素，加入时，应考虑碳元素的含量,不要盲目追求硬度。

3、铁液过热

对于灰铁铸件，在一定范围内提高铁液温度能使石墨细化，基体组织致密，铸铁的抗拉强度和布氏硬度有所提高。铁液过热温度控制在1500-1530℃，过热时间控制在10min之内为好。

4、孕育剂和孕育方式

灰铸铁的孕育处理是通常在出炉后的铁水中缓缓加入孕育剂（最常用的75Si-Fe），孕育处理之后的灰铸铁，硬度会趋于均匀，改善了机械加工的性能，也增加了灰铸铁的强度。灰铁铸件的硬度的标准HB170-240之间。

二、加入锡以提高灰铸铁的硬度

锡可以提高灰铸铁的硬度，含量不要超过0.1%，我厂机床件含量为0.08%。

锡易于聚集在石墨-奥氏体界面上，阻止碳向石墨扩散，使碳固溶于奥氏体，从而促进形成珠光体。铸铁中加入锡元素，有促成珠光体的作用，而在细化珠光体方面实际上没有作用。铬、铜和镍的作用不强，需加入较大的量才能明显地细化珠光体。锰促成珠光体的作用中等，但其用量往往因为要保持合适的Mn/S比而受到制约。钒和钼的促硬能力最强，加入较小的量就有可观的增强作用。

三、用热处理方式灰铸铁250提高硬度

为了提高灰口铸铁的表面硬度和耐磨性，可对其进行表面处理，即火焰表面淬火，高、中频表面淬火。其加热温度在850～950℃，考虑到其导热性差，因此加热速度不宜太快，否则会产生熔化和淬火裂纹缺陷，高频淬火要求铸铁正火后基体组织主要为珠光体，冷却采用喷水或喷聚乙烯醇水溶液，回火温度在200～400℃范围内，硬度在40～50HRC，可确保表面的硬度和耐磨性。

热处理操作要点如下：

灰口铸铁的淬火与回火，其组织的变化与钢基本上相同，但因铸件的原始组织和铸件中的石墨分布状况和粗细的不同，这些因素对热处理有明显的影响，故它的加热、保温与冷却不同于钢的热处理。

（1）加热铸铁的淬火加热温度应在830~900℃，当其基体组织为铁素体时，应取上限，而基体组织为珠光体时，应取下限。

（2）保温保温时间亦应根据基体组织而定，当原始组织为珠光体时，其保温时间需要充分保证工件各部分加热到指定温度即可。如果原始组织是珠光体+铁素体或为铁素体时，保温时间就必须保证石墨溶解到奥氏体中去，使其达到饱和程度。故应根据基体的不同，其保温时间应为0.5~3h。但保温时间再长不会增加奥氏体中的溶碳量，也不能改善淬火的效果，故没有必要再延长保温时间。

（3）冷却为了使铸件在淬火时能够获得马氏体组织，而又保证工件不至淬裂或产生过大的变形，应该选择适合的淬火介质。由于铸铁中的石墨存在（特别是粗片状石墨），容易造成应力集中而造成淬火裂纹，故铸铁一般都采用油作淬火介质，这里应当说明的是：铸件淬火后的绝对硬度值一般不超过HB500，只有在极少数的情况下，即在良好的原始组织与含有适当的合金元素时才可能达到

HB600。淬火件的回火应在淬火后立即进行，而回火温度应根据工件的具体要求而定。一般的低温（250℃以下）回火，其主要目的是消除淬火应力，减低脆性；高温回火（500~600℃），是为了得到以索氏体为基体的组织。大约从200℃开始，提高回火温度，会逐渐降低硬度、强度，而提高塑性。灰口铸铁的等温淬火，现在也获得了广泛应用，其操作方法与钢的等温淬火相似。

●四、稳定灰铸铁的硬度（HT250）的措施

1、灰铸铁硬度随着日常生产，上下偏差肯定有的，有时可能偏差是两位数，这根生铁和回炉料的遗传性有关，一般偏差出现在换一批生铁后或者长时间做同一型号铸件后换做其他型号时，这就需要经验积累，在下一次换生铁或不同型号铸件时对碳当量进行调整，以防止硬度有明显偏差

2、日常保持硬度稳定主要控制好炉前成分、孕育剂的加入量、浇注温度

主要影响抗拉强度的是组成组织，珠光体含量越多，抗拉强度越高，硬度随着珠光体、碳化物、磷共晶、马氏体、贝氏体的数量增加而增加。正常铸件可以通过提高珠光体数量和珠光体片层厚度来提高强度和硬度，如果允许也可采用热处理的方法。

●五、提高灰铁铸件抗拉强度的措施

为了提高灰铸铁的抗拉强度,应采用较低的碳当量,灰铸铁中的碳含量大多为2.6%～3.6%,硅的含量为1.2%～33.0%, 根据铸件壁厚情况尽量取下限,适当的提高锰的含量,一般灰铸铁锰含量为0.4%～1.2%,在铸件不出现白口的情况下尽量取上限. 另外还可以采取合金化办法提高铸件的抗拉强度,适当的加入微量合金如：铬、

钼、锡等元素也可明显的提高灰铸铁的抗拉强度, 同时要配合做好铁水的孕育处理.

为了提高灰铸铁的抗拉强度,应采用较低的碳当量,灰铸铁中的碳含量大多为2.6%～3.6%,硅的含量为1.2%～33.0%,根据铸件壁厚情况尽量取下限,适当的提高锰的含量,一般灰铸铁锰含量为0.4%～1.2%,在铸件不出现白口的情况下尽量取上限.另外还可以采取合金化办法提高铸件的抗拉强度,适当的加入微量合金如：铬、钼、锡等元素也可明显的提高灰铸铁的抗拉强度,同时要配合做好铁水的孕育处理

六、稳定灰铸铁中的珠光体组织的措施

在铸件生产中,加入到灰铸铁中的合金元素根据其功能可分为四大类:石墨化元素、碳化物形成元素、稳定珠光体元素及细化珠光体元素。元素碳(C)、硅(Si)、铝(Al)、钛(Ti)、铜(Cu)、和镍(Ni)在铸铁凝固时能促使石墨的形成,被认为是石墨化元素。但这些元素的作用大小并不相同,Cu的石墨化能力只有Si的0 .0 5 % ,Ni和Cu具有石墨化及细化珠光体的双重功能,而细化珠光体的功能是主要的,因此被认为是稳定珠光体的元素。由于锡(Sn)、锑(Sb)、锰(Mn)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)、和铌(Nb)能延缓石墨的析出和增加形成渗碳体倾向,而被划分为碳化物形成元素。其中一些元素如钼(Mo) ,也具有双重作用,因为它还能细化珠光体:当钼含量<0 .8%时,是细化珠光体元素;当其含量>0 .8%时,是碳化物形成元素。人们在熔融灰铸铁中,有意识地加入一些合金元素,来促进珠光体的形成、细化珠光体组织和提高它的稳定性。由铁素体和碳化物薄片交替排列的细珠光体层状组织能增加铸铁的硬度和强度。

●七、控制灰铸铁渗碳体的措施

渗碳体的分子式为Fe3C ，它是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。它的含碳量为6.69%；熔点为1227℃左右；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性；其硬度很高（相当于HB800），而塑性和冲击韧性几乎等于零，脆性极大。渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在显微镜下呈黑色。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。同时Fe3C又是一种介（亚）稳定相，在一定条件下会发生分解：Fe3C→3Fe+C，所分解出的单质碳为石墨。

●八、灰铸铁铺石墨冷铁加工面出现气泡防治措施

在使用石墨冷铁前，对石墨冷铁进行保温处理可防止气孔。

石墨冷铁块，其主要使用原理为石墨冷铁材料具有比重轻，耐火度高，导热系数大等优点。因此用石墨冷铁作激冷剂代替金属材料冷铁，能较好地解决铸钢、铸铜、铸铝等铸件的疏松、缩孔问题。并能有效地解决铸件因使用金属冷铁产生的白口、气孔等铸造缺陷。在铸件需要激冷的热节部位安放成型的石墨冷铁，能使铸件金相组织为细片状珠光体达95%以上，共晶团数可达450—550cm，铸件硬度可提高20—50HB，可提高铸件表面的光洁度和耐磨性。使用石墨冷铁时可以在冷铁上涂刷石墨涂料或滑石粉涂料，使用次数比金属冷铁长5——10倍。

●九、硼合金铸铁的优缺点

硼铸铁一般是指往灰铸铁中加入0.03-0.08%的硼,可在金相组织中得到不同数量的含硼渗碳体或莱氏体组织的铸铁。含硼渗碳体显微硬度在HV960-1280之间，随硼含量的增加，显微硬度增加。用硼铸铁制成的气缸套比高磷铸铁的使用寿命提高50-70%。近年来，已扩大应用到机床床身等耐磨零件上。

硼铸铁所以有较好的耐磨性,就是因为它有着和普通铸铁不同的特殊的金相组织.特别是硼的加入,在组织中出现了新的硬质相--含硼碳化物.这种含硼碳化物的结构如何,一般认为是Fe23(CB)6,Fe3(CB)也有人认为是Fe-Fe2B-Fe3(CB)的三元共晶组织,还有的人认为当含有一定量的钒、钨、钼等元素时，还有形成(FeX)3(CB)6和(FeX)23(CB)6等结构。

硼铸铁在全相组织上的明显特点是在珠光体基体上分布着断续网状的含硼碳化物和磷共晶的复合组织.其量约6-l2%.基体是细片状珠光体，石墨呈A型均匀分布。

含硼碳化物的显微硬度(HV1000以上)比磷共晶的(HV700-800)更高.这种含硼碳化物在铸铁中常以小块状或条状均匀分布于基体上,而基体是硬度比它低得很多的珠光体.经过初步磨损后,硬度较低的珠光体基体由于磨损而略微凹陷,而成为第二摩擦面.硬度很高的硼碳化物硬质相就突出在基体上形成第一摩擦面.基体上凹陷的部分储满着润滑油,再加上石墨的自润和储油作用,就形成了硼铸铁所特有的耐磨结构,极大地提高了它的耐磨性.硼铸铁的耐磨性是随着含硼碳化物的增加而提高,而含硼碳化物又随含硼量的增多而增加.

十、灰铸铁件冷裂现象的原因及预防措施

它的原因薄壳零件落砂时被震裂，并违反操作规程；采用水爆清砂时，热

应力较大，当应力超过铸铁件某部分的抗拉强度时，应生冷裂。防止方法：对易裂的薄壳零件，清理时应挑出，另行清理，并认真执行合理的操作规程；根据沧州同和（灰口）铸铁件结构和性能特点，选用合理的清理方式和清理工具；严格执行水爆工艺；在运输和清理过程中，尽量减轻碰撞。

●十一、影响灰铸铁流动性的元素

合金的流动性：是指熔融金属的流动能力。影响合金的流动性的因素：1、合金的种类：不同种类的合金，具有不同的螺旋线长度，即具有不同的流动性。其中灰铸铁的流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次之，而铸钢的流动性最差。2、化学成分和结晶特征：纯金属和共晶成分的合金，凝固是由铸件壁表面向中心逐渐推进，凝固后的表面比较光滑，对未凝固液体的流动阻力较小，所以流动性好。在一定凝固温度范围内结晶的亚共晶合金，凝固时铸件内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝固温度范围越宽，则枝状晶越发达，对金属流动的阻力越大，金属的流动性就越差。

●十二、灰铸铁中铝含量高的危害

灰铸铁中铝含量高了的危害：机械性能降低，硬度降低，耐热性能降低，高温下的机械性能降幅。

●十三、铜在铸铁中的作用

铜也是灰铸铁中最常用的合金元素之一。尽管单独加入Cu也能提高灰铸铁分析仪器的强度，但其作用没有Cr明显。大多情况下，Cu常和合金元素Cr一

起作用。为此,在Cr含量为0.20%~0.25%的情况下，合适的Cu含量。试验时,碳当量控制在3.95%~4.05%,Cr含量控制在0.20%~0.25%,采用60%的SiBa和40%的75SiFe两种孕育剂复合孕育,孕育剂的总加入量为4%。

当铜Cu含量小于0.4%时,随着铁水分析仪含Cu量的增加,抗拉强度显著增加。当含Cu量达到0.4%时,这种增加的趋势明显缓和。而当含Cr量超过0.5%后,进一步增加铁水的含Cu量,抗拉强度变化很小。此外,铁水中含Cu量的变化对白口宽度几乎没有影响。

铜合金分析仪器Cu加入到铁水中主要产生两方面的作用。一方面Cu也是一种稳定珠光体的元素,因此Cu的加入,可起到增加和稳定基体中的珠光体组织的作用;另一方面,Cu又是一种促进石墨化的元素,可抵消Cr元素的增大白口的不利影响,有利于保证铁水的铸造工艺性能。

铜是钢铁和铝等合金中的重要添加元素。少量铜（0.2～0.5%）加入低合金结构用钢中，可以提高钢的强度及耐大气和海洋腐蚀性能。在耐蚀铸铁和不锈钢中加入铜，可以进一步提高它们的耐蚀性。含铜30%左右的高镍合金是著名的高强度耐蚀"蒙乃尔合金"，在核工业中广泛使用。

十四、灰铸铁中硫含量高时出现硬质点的预防措施

出现硬质点的主要原因是铁水温度偏低。

1、温度低导致有夹杂，这些夹杂有可能导致加工不动。

2、二次孕育的合金没有完全融化，残留导致有硬质点。

解决办法只有一个：提高铁水温度。如果是使用冲天炉，提升温度有困难，可以考虑不进行二次孕育的办法处理（但是浇注速度要快，要在发生球化衰退以

前将铸件浇注完毕。

十五、灰铸铁中硫的作用

过去，由于我国的灰铸铁和球墨铸铁大部分利用冲天炉熔炼，铁液的增硫比较严重，导致原铁液的含硫量较高，使得铸铁的铸造性能、力学性能降低，球化效果不好，所以，在人们的记忆中，硫是灰铸铁中的有害元素之一,在铸铁熔炼过程中硫的含量越低越好。其主要理由是,硫在灰铸铁中增加了铁液的粘度,降低了铁液的流动性,易使灰铸铁件产生热裂、冷隔和白口等铸造缺陷。碳硫分析仪在球墨铸铁生产过程中,硫增加了稀土镁硅铁合金的加入量,易使球墨铸铁件产生球化不良,球化衰退。

随着电炉熔炼工艺的发展，可以容易获得含硫量低的铁液，这对处理球墨铸铁非常有利。但是，有些工厂在灰铸铁生产中发现，电炉灰铸铁的材质性能还不如冲天炉好。

在灰铸铁生产中发现，硫量控制在一定范围内，随着硫量的增加，片状石墨长度变短，石墨形态变得弯曲，而且石墨的头部变得钝化，并细化共晶团，提高强度。因此，硫不能被简单的被认为是一个有害元素。

为什么硫在一定范围内，促进石墨化，改善石墨形态？硫在铁水中的溶解度很低，对Fe-C系平衡相图的影响不是很大。但硫降低碳在铁水中的溶解度，理应是一个促进石墨化的元素，实际上它对石墨化的影响比较复杂。硫对铸铁的凝固呈现双重作用，一方面，硫与Mn、Sr、Ba等元素形成硫化物，为共晶石墨的成核提供基底，增加共晶团数量；另一方面，硫作为表面活性元素，富集在结晶前沿，会抑制共晶团的生长，增加结晶过冷度，白口倾向增大。硫可溶于液态铸

铁中，碳硫分析仪但不溶于凝固的奥氏体和共晶团中，所以适当的硫（0.04－0.10％S）富集于共晶团的边界而干涉原子的扩散，从而限制共晶团的生长，使石墨分枝减少，导致生成厚而短的片状石墨。当硫含量较低（<0.03％）时，结晶前沿硫阻挡层的限制较弱，同时，缺乏硫化物石墨晶核，降低孕育效果，则易于生成大个共晶团的D型石墨和菊花状石墨。当铁液中的含硫量增加到0.04－0.10％时，铸铁的孕育效果增强，同时铁水的表面张力б降低，铁水与石墨的湿润角度减小，使得更多的硫化物基底成为石墨核心，共晶团数增加，A型石墨取代了D 型石墨。当铸铁的硫量超过0.11%，石墨由片状又逐渐返回到丛状D型石墨。这是由于当含硫量较高时，硫对铸铁结晶生长的抑制作用加强，使结晶的过冷度加大，造成有利于过冷石墨生长条件，甚至产生白口组织。

经过大量生产和试验发现，将含硫量控制在0.06-0.10%范围内，可以增强孕育效果，改善石墨形态，对提高灰铸铁强度是有利的，碳硫分析仪同时，又能改善铸铁的机加工性能。对于电炉熔炼灰铸铁，经常遇到含硫量低的情况，必须采取增硫措施，才能获得优质灰铸铁件。