高強度鑄鐵

高強度鑄鐵，是將灰口鑄鐵鐵水經球化處理後獲得，析出的石墨呈球狀。通過在澆鑄前往鐵液中加入一定量的球化劑和墨化劑，以促進呈球狀石墨結晶而獲得的。

高強度鑄鐵是近二十多年來發展起來的新型鑄鐵。

高強度鑄鐵就是球墨鑄鐵，其中石墨以球狀形式存在。球狀石墨的存在，大大地改善了鑄鐵的性能，這是因為：①球狀石墨的表面積量小(與片狀和團狀比較)，因此對基體的割裂也較小。②球狀石墨比起片狀、團狀石墨所造成的應力集中最小。同時球墨鑄鐵具有細密酌金屬基體組織，因此球鐵的性能比灰口鑄鐵和可鍛鑄鐵都好。 ^[2] 

它和鋼相比，除塑性、韌性稍低外，其他性能均接近，是兼有鋼和鑄鐵優點的優良材料，在機械工程上應用廣泛。高強度鑄鐵經熱處理後，可以製造汽車上的曲軸、連桿及主、從動減速齒輪等重要零件。 ^[1] 

強化灰口鑄鐵的研究很久以前就一直進行着，但直至最近幾年才確定其製造方法，並得到了普及。孕育方法是，配以50%以上的廢鋼，用化鐵爐、電爐等在1500～1550℃左右進行高温熔化，出鐵時添加0.1～0.3%的硅鈣或硅鐵等孕育劑。在鐵水中加入這些物質，其化學成分變化不大，而使機械性能提高。

珠光體基體上均勻分佈稍微粗短而彎曲的石墨是理想的組織，為得到這種石墨就要進行孕育處理。孕育鑄鐵的抗拉強度為30～40

，相當於JIS規定的五類和六類鑄鐵。由於抗彎試驗時撓度稍有提高，所以增加了一類高強度鑄鐵，被稱作孕育鑄鐵。

理想的成分是C 3.0～3.2%，S 11.4～11.8%，Mn 0.7～0.9%，P<0.15%。熔鍊時吸碳過多，C%過分增加時會使強度降低。因此，除孕育處理外，多配廢鋼量，在1500℃以上高温熔化也是這類鑄鐵獲得優良性能的原因。把生鐵或廢鑄鐵作為主要原料，即使配得上述成分，也不能獲得如此高強度的鑄鐵。

這種鑄鐵除具有高強度外，還有因壁厚差異而引起的各種性能變化少，具有優質鑄件的特點，厚壁處也緻密。作為機械用鑄件，在這方面應該是可靠的。但薄壁件有白口化傾向，故適用於較大的鑄件。

這種鑄鐵的製造技術主要由美國的O.Sma-liey、G.E.Meehan研究的，所以也稱作米哈奈特鑄鐵。日本也獨立地進行了研究，生產了可與其媲美的孕育鑄鐵。

球墨鑄鐵是在鐵水中添加Mg、Ca、Ce等金屬或合金，使鑄件中石墨成球狀的一種鑄鐵。一般使石墨球化的必要含量，Mg約0.04%以上，Ca約0.02%以上，Ce約0.02%以上。有剛也稱作nodular鑄鐵或ductiIe(韌性)鑄鐵。通常，加Mg的球墨鑄鐵用得較多。

生產球墨鑄鐵時，常以含有阻礙石墨球化元素(S、Ti、As等)低的球鐵用生鐵為主要原料，並在鐵水中添加球化劑(金屬或合金)，主要在澆包中添加球化劑。添加金屬用鎂時，用純Mg或Fe-Si-Mg合金(Mg%=5～20%)，用鈣時添加Ca-Si合金等，用鈰時添加鈰或鈰合金等。

由於石墨的球化，消除了灰口鑄鐵中片狀石墨使材質變脆的因素，穩定了基體鐵素體或珠光體能原有性能而成為高強度鑄鐵。

根據基體組織，通常，球墨鑄鐵可分為鐵素體型、珠光體型和滲碳體型三種。

球墨鑄鐵的機械性能很好，但在砂型澆注時，會產生若干較大的縮孔，而且也容易產生針孔狀缺陷。

球墨鑄鐵一般多用於自來水管、汽車零件、鍊鐵機械、軋輥和其他機械零部件。

在有片狀石墨的鑄鐵中，仍然有幾種強度高的品種。

貝氏體鑄鐵這種鑄鐵是使基體成為貝氏體組織。在普通高強度鑄鐵的成分中若添加Mo0.8～1.0%，Ni1～4%或Cu1～1.5%，使S曲線向右移，從而在鑄態時得到貝氏體組織。其抗拉強度45～65

，衝擊值為灰口鑄鐵的3～4倍，硬度為HB300左右，也可切削加工，也有耐磨性。·

氰氮化鈣處理鑄鐵 用氮氣把氰氮化鈣噴射到鐵水中，使石墨成A型而提高強度的鑄鐵，可看作是孕育鑄鐵的同類型鑄鐵。

S-H鑄鐵把鐵水在含有TiO的熔渣中進行處理，使石墨完全成D形(共晶石墨)的鑄鐵，其氣密性好，抗拉強度為26～30

左右，組織十分緊密，具有良好的耐磨性。這是由於它常常含有0.1%以上的Ti，同時這種Ti的大部分作為TiC的微粒散佈在組織中，而提高了耐磨性。S-H鑄鐵還具有耐水壓及耐氣壓的性能。 ^[3] 

適當選擇孕育劑，不僅可以改變石墨的粗細和分佈，而且可以改變石墨的形狀。向液態鑄鐵中加入少量的鎂(或鈰)，就可以使石墨從液體中或奧氏體中以球狀形式析出。故鎂(或鈰)又叫做球化劑。

鎂和鈰都使石墨各向成長速度均等，得到球狀石墨，但是鎂和鈰都有促進白口作用，故同時應加入硅促進石墨化。

我國高強度鑄鐵生產，無論在球化劑的使用或處理方法上，都具有獨特的風格。從1964年開始，我國工人階級利用自己豐富的稀土資源作球化劑，為球鐵生產開闢了一條廣闊的道路。我國使用的球化劑有稀土一鎂和純稀土兩種類型。

稀土作為球化劑，不僅能使石墨球化，還可以淨化鐵水，消除疏鬆，夾渣和強化金屬基體。因此，使用稀土作球化劑所得石墨球狀雖不如鎂球鐵那麼圓整、規則，但性能仍然很好。 ^[2] 

球狀石墨的存在氣對鑄鐵基體的割裂作用太大減弱，這時，如果改變鑄鐵的基體組織，就會使鑄鐵的機械性能大大提高。因此，對高強度鑄鐵製件，根據使用條件和性能要求，進行不同的熱處理，具有重大意義。下面介紹幾種常見球墨鑄鐵的熱處理方法。

退火使組織中的滲碳體分解成鐵素體和石墨。根據原始組織狀態的不同9退火規範也不同，可分為低温石墨化退火和高温石墨化退火。

對於鑄態組織中沒有白口組織(即共晶滲碳體和二次滲碳體)，或者組織中滲碳體量小於2～3%，絕大多數為珠光體和鐵素體組織。為了得到鐵素體為基體的高強度鑄鐵，只需進行低温石墨化退火。如右圖所示，低温石墨化退火主要是讓珠光體中的滲碳體分解成鐵素體+石墨。低温石墨化退火最佳的温度選擇是在

與

之間。越接近

温度，石墨化速度越快；退火時間越短。

原始組織中自由滲碳體量較高,則必須進行高温石墨化退火來消除滲碳體，高温石墨化温度一般採用900~960℃，原始組織滲碳體數量較少，宜選用下限，滲碳體數量較高，宜選擇上限。保温時間，也是依據自由滲碳缽量的多少來規定，滲碳體量多，保温時間應長些，以保證滲碳體有充分的時間進行分解。保温後的冷卻，可以隨爐緩冷，也可以冷至

。之間保温一段時間。但無論採用那種冷卻方法，都應保證第二階段石墨化的進行。

高強度鑄鐵的加熱速度，根據鑄件的複雜程度和裝爐量而定。複雜件升温要慢些，或採用在600~650℃時保温1～2小時，待工件熱透後再升温到規定温度。保温時間應根據原始組織狀況和厚度而定，滲碳體量多，保温時間長，滲碳體量少，可根據厚度確定，平均每25毫米保温1小時。冷卻一般隨爐冷，冷至600℃出爐空冷，避免發生自脆性。

高強度鑄鐵正火的主要目的，是為了提高基體組織中珠光體的數量，從而提高球鐵的強度和耐磨性。QT60-2是以珠光體為基體的高強度鑄鐵，它是利用奧氏體在較快的冷卻時，第二階段石墨化來不及進行、奧氏體直接轉變為珠光體的規律得到的。一般是把工件加熱到880~920℃，保温1～3小時，使組織奧氏體化，隨後空冷得到珠光體組織，經過這樣處理後的球墨鑄鐵，拉伸強度為70~90

，延伸率為1.5～4%。

高強度鑄鐵加熱到

以上，基體組織轉變為奧氏體，隨後保温，伴隨着石墨的溶解，提高了奧氏體的含碳量，以後以適當的速度冷卻，可提高珠光體量。

如果加熱温度過高或保温時間過長，會造成奧氏體晶粒長大和石墨的不斷溶解，奧氏體含碳量不斷增加，當奧氏體含碳量超過0.8%，冷卻後可能出現二次滲碳體。

正火時，對珠光體量的控制，主要是控制冷卻速度。增加冷卻速度，可以顯著的增加珠光體量。因此，正火時，除了採用空冷外，還採用風冷和霧水冷卻方法，其目的都在於提高珠光體量。

正火時，由於冷卻速度較大，內應力較大，因此正火後需經一次消除應力回火，一般加熱到550~600℃，保温3～4小時，然後空冷。也可冷至500~600℃即停止吹風或霧冷，讓它緩慢冷卻．減少工件的內應力。

一些工廠採用低温正火工藝，正火温度比較低，一般在820~860℃之間。比較起來，低温正火的機械性能較高温正火的好。特別是塑性和衝擊韌性。

經金相分析，發現雖然它們的基體組織都是由珠光體+少量鐵素體組成，但鐵素體的形態不同。高温正火的鐵素體是以牛眼狀或塊狀形式存在，而低温正火的鐵索體以分散的碎塊狀或放射狀的形式存在。實踐經驗指出，鐵素體數量超過40%，往往不呈碎塊狀。

一般正火後強度、硬度和衝擊韌性還是不很高，還滿足不了一些性能要求更高的零件的需要，可以採用一些較複雜的熱處理方法來解決，如淬火回火的方法或等温淬火盼方法，進一步提高高強度鑄鐵的強度、硬度和耐磨性。

高強度鑄鐵淬火時，基體組織的轉變與鋼是相同的。把高強度鑄鐵從奧氏體區快速冷卻(在水或油中冷卻)，可以得到馬氏體基體組織。不過，由於鑄鐵中存在着石墨，加熱奧氏體化時，奧氏體含碳量隨着加熱温度升高而增加(前面説過與加熱温度和保温時間有關)，因此，隨後淬火得到馬氏體的含碳量也相應提高。淬火温度的升高，奧氏體的含碳量提高，相應地提高了奧氏體的穩定性，降低了馬氏體點，增加淬火組織中殘餘奧氏體量，不僅降低淬火件的硬度，同時使零件尺寸不穩定。此外，奧氏體化温度過高，還會引起奧氏體晶粒長大，淬火後得到祖針狀馬氏體，降低了機械性能，同時極易造成開裂。淬火温度偏低，基體組織轉交未完成，仍保留部分鐵素體，則降低了硬度值。鑄鐵正常的淬火温度選擇，一般為850~900℃，在這温度區間，基體組織全部奧氏體化。高強度鑄鐵淬火加熱温度、保温時間，和它的原始組織有關。原始組織以鐵素體為基體的，應選擇較高的加熱温度和較長的保温時間。

由於鑄鐵導熱性較差，組織不均勻，因此鑄鐵的加熱速度應慢些，保温時{j匐應比鋼件長些，一般比碳素鋼件長0.5～1倍。

鑄鐵對淬火介質不敏感，水冷與油冷的硬度值基本一樣。為了減少變形開裂現象，一般採用輕柴油，10#、20#錠子油或水一鹽一鹼的組合液。

鑄鐵淬火後，必須經過回火，以適當的降低硬度，提高綜合機械性能，消除應力，穩定尺寸。

低温回火的目的主要是為了消除應力，適當提高韌性，但基本保持淬火後的高硬度、高耐磨性。

對於用球鐵製連桿等一類要求具有綜合機械性能的零件，採用調質處理(淬火+高温回火)，回火後得到的組織為回火索氏體+石墨。

調質處理雖然性能較優，但工藝段複雜。所以，除了對性能要求高的曲舶、連桿之類採用調製處理外，其他零件一般採用正火處理即可。

等温淬火，是把高強度鑄鐵加熱到

以上，使基體組織轉變為均一的奧氏體組織。然後迅速冷卻至貝氏體轉變區某一温度等温，讓奧氏體轉變為下貝氏體組織，使球鐵零件得到最佳的綜合機械性能。

高強度鑄鐵的等温處理，不但具有良好的綜合機械性能，同時可以減少變形，它廣泛的應用於高強度鑄鐵製的軸承、凸輪軸、齒輪等一類要求高強度、高硬度、高耐磨性，又承受一定衝擊負荷零件的處理。但是，等温處理受到零件尺寸的限制，對於大尺寸零件，尚無法實現。 ^[2]