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灰口鑄鐵

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灰口鑄鐵是鑄鐵中使用得最多的一種。灰口鑄鐵是在珠光體(或鐵素體)基體中分散有大量片狀石墨的鑄鐵。澆注時緩慢冷卻即可促使石墨化,便可得到灰口鑄鐵。因斷口常呈灰黑色而區別於白口鑄鐵。灰口鑄鐵一般劃為脆性材料,但仍有一.定的吸收外力變形功並表現有一定韌性的材料。其含碳量一般為2.8%~4.0%,因其澆注性能良好,被廣泛應用於結構較為複雜的鑄件,甚至用於澆注受壓力的容器(如造紙烘缸)。 [1] 
中文名
灰口鑄鐵
外文名
gray iron
化學成分
C、Si、Mn等
特    點
力學性能低、工藝性能好等
應    用
各種外形複雜的鑄件
學    科
冶金學

灰口鑄鐵簡述

普通灰口鑄鐵主要是碳以片狀石墨形式析出的鑄鐵。灰口鑄鐵應用很廣,在各類鑄鐵的總產量中,灰口鑄鐵約佔80%以上。
灰口鑄鐵的成分大致範圍為:2.5%~4.0%C,1.0%~3.0%Si,0.25%~1.0%Mn,0.05%~0.50%P,0.02%~0.20%S。具有上述成分範圍的液體鐵水,在進行緩慢冷卻凝固時,將發生石墨化,析出片狀石墨。其斷口的外貌呈暗灰色,故稱為灰口鑄鐵。
普通灰口鑄鐵的組織是由片狀石墨和鋼的基體兩部分組成的。在光學顯微鏡下觀察,石墨呈不連續的片狀,或直或彎。其基體則可分為鐵素體、鐵素體+珠光體、珠光體三種。經孕育處理的灰口鑄鐵(HT250、HT300、HT350),由於在結晶時,石墨晶核數目增多,石墨片變細,故其顯微組織是在細珠光體基體上分佈着細小片狀石墨。 [2] 
灰口鑄鐵的應用主要根據抗拉強度來決定,用於各種外形複雜的鑄件。選擇鑄鐵牌號時必須考慮鑄件的壁厚和相應的強度值。例如,某鑄件的壁厚40mm,要求抗拉強度值為200MPa,此時,應選HT250,而不是HT200。 [2] 

灰口鑄鐵孕育處理

改善灰口鑄鐵機械性能的關鍵,是改善鑄鐵中石墨片的形狀、數量、大小和分佈。石墨片越少、越細、越均勻,則鑄鐵的機械性能越高。生產中採用孕育處理來改善鑄鐵的性能。孕育處理就是在澆注前向鐵水中加入少量的孕育劑(如硅鐵)進行孕育處理,使鐵水在凝固過程中產生大量的人工晶核,以促進石墨的形核和結晶,從而獲得細珠光體基體上分佈着少量細小、均勻的石墨片組織。經孕育處理後的鑄鐵稱為孕育鑄鐵或變質鑄鐵,其強度、塑性和韌性較普通灰口鑄鐵高,因此常用作氣缸、曲軸、凸輪軸等較重要的零件。 [3] 

灰口鑄鐵熱處理

鑄鐵中的基體組織是決定其力學性能的重要因素。鑄鐵可通過合金化和熱處理的辦法強化基體,進一步提高鑄鐵的力學性能,這一點在球墨鑄鐵中尤為重要。但熱處理並不能改變灰口鑄鐵中石墨的形態及分佈狀態,所以利用熱處理來提高灰口鑄鐵性能的效果並不大,通常只進行退火或表面淬火處理。
(1)去應力退火。鑄件在冷卻過程中由於各部分的收縮和組織轉變速度的不同,使鑄件內部產生不同程度的內應力,可能導致鑄件翹曲和裂紋。為保證尺寸穩定性,防止變形開裂,對一些形狀複雜的鑄件,如機牀牀身、氣缸等,往往進行去應力退火。其規範一般為:加熱温度500~550℃,保温一定時間後,爐冷到150~220℃出爐空冷。
(2)高温退火。鑄件冷卻時,由於表層及截面較薄處因冷卻速度快而易形成白口組織,硬度高難以切削加工。為使自由滲碳體分解,降低硬度,改善切削加工性,需將鑄件加熱至850~950℃,保温2~5h後,隨爐冷至600℃,出爐空冷,最終組織為鐵素體或鐵素體+珠光體基灰鑄鐵。
(3)表面淬火。某些大型鑄件的工作表面需要有較高的硬度和耐磨性,如機牀導軌的表面及內燃機汽缸套的內壁等,在機加工後可用快速加熱的方法對鑄鐵表面進行淬火處理。 [3] 

灰口鑄鐵特點

灰口鑄鐵的性能與普通碳鋼相比,具有如下特點。
(1)力學性能低。灰口鑄鐵的抗拉強度比較低,這種現象同灰口鑄鐵的組織特徵分不開的,由於石墨的力學性能很低,因此,灰口鑄鐵的顯微組織實際上相當於佈滿孔洞或裂紋的鋼。在拉伸時,由於片狀石墨對鋼基體的分割作用和所引起的應力集中效應,故其抗拉強度值遠低於鋼。
(2)耐磨性與消震性優。由於鑄鐵中的石墨有利於潤滑及儲油,故耐磨性好。同樣,由於石墨的存在,灰口鑄鐵的消震性優於鋼。
(3)工藝性能好。由於灰口鑄鐵含碳量高,接近於共晶成分,故熔點比鋼低,因而鑄造流動性好。另外,由於石墨使切削加工時易於形成斷屑,故灰口鑄鐵的可切削加工性優於鋼。 [2] 

灰口鑄鐵牌號

灰口鑄鐵以其力學性能來表示的牌號以“HT”起首,其後以三位數字來表示,其中“HT”表示灰口鑄鐵,數字為其最低抗拉強度值,例如HT200,表示以φ30mm單個鑄出的試棒測出的抗拉強度值大於200MPa(但小於300MPa)。
依照GB 5675-85,灰口鑄鐵共分為HTl00、HTl50、HT200、HT250、HT300、HT350六個牌號。其中,HTl00為鐵素體灰口鑄鐵,HTl50為珠光體-鐵素體灰口鑄鐵,HT200和HT250為珠光體灰口鑄鐵,HT300和HT350為孕育鑄鐵 [2] 
參考資料
  • 1.    崔克清.安全工程大辭典:化學工業出版社,1995年:128
  • 2.    張琳,王仙萌主編;惠媛媛副主編.航空工程材料及應用:國防工業出版社,2013.09
  • 3.    谷莉,徐宏彤編著.金屬材料及熱處理:中國水利水電出版社,2011.12