球墨鑄鐵QT800-6 正火處理工藝研究
張揚揚，孫有平，周學浩，付靜，申其芳
(廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州545006)
摘要：利用光學顯微鏡、硬度試驗機、拉伸試驗機以及箱式電阻爐設備，研究了不同正火處理工藝對球墨鑄鐵QT800-6 力學性能的影響。結果表明：正火工藝處理后，球鐵基體組織中的鐵素體向珠光體轉變后組織為少量鐵素體基體+珠光體+球狀石墨。大多數的鐵素體轉變為珠光體，珠光體數量在基體組織中大大增加，正火溫度860℃保溫1 h 風冷獲得的球墨鑄鐵具有良好的綜合力學性能。
關鍵詞：球墨鑄鐵；正火；顯微組織；力學性能
據最新資料表明現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生產的序幕[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度、較好韌性和塑性[2]。已經在礦山選礦、機械制造、石油化工、交通運輸、農機以及汽車等行業得到廣泛應用。
關于球墨鑄鐵熱處理工藝的研究， 劉海明等人[3]進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(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性得出球墨鑄鐵的真實應力-真實應變關系指數函數變化規律中的材料常數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性能。隨著研究的推進相信球墨鑄鐵有更好的力學性能。
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， 對不同的正火處理工藝后進行顯微組織和力學性能檢測， 分析正火處理工藝參數對試樣顯微組織和力學性能的影響。
1 試驗材料及方法
球墨鑄鐵的化學成分見表1。球墨鑄鐵正火工藝為830、860、890、920、950 ℃， 保溫時間都為1 h，每個溫度采用空冷和風冷兩種方式。風冷是工件出爐后用900 W 功率的吹風機的冷風來冷卻。金相試樣采用4%硝酸酒精溶液腐蝕。
采用DMI3000M 光學金相顯微鏡對顯微組織進行觀察與分析；采用CMT5105 拉伸試驗機進行力學性能檢測； 加熱采用SX2-8-10 型箱式電阻爐。
2 試驗結果分析與討論
2.1 顯微組織
圖1 為球墨鑄鐵QT800-6 鑄態組織以及經過正火工藝830、860、890、920、950 ℃保溫1 h 后分別進行空冷和風冷后的顯微組織。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，當溫度到達860 ℃時，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， 這說明風冷能促使更多的鐵素體轉化珠光體。
對于同一保溫時間不同保溫溫度的試樣， 當保溫時間為1 h 時，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，說明保溫溫度對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整基體的含碳量。
球墨鑄鐵QT800-6 顯微硬度如圖2 所示。經過熱處理的鑄態球墨鑄鐵QT800-6 硬度值比未熱處理的鑄態球墨鑄鐵QT800-6 試樣硬度值高30.68 HRC，有較大的提升，說明對球墨鑄鐵進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。硬度值的升高是因為正火溫度越高，球墨鑄鐵基體組織中的鐵素體向珠光體轉變， 從而使得珠光體含量增高。楊海峰等人[7]研究認為隨著溫度的升高，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，等溫保持時形成了較多的珠光體。而920 ℃之后，溫度的升高，對珠光體含量的影響不大，說明在920 ℃時，基體中鐵素體已經基本轉化完成，溫度再升高對基體組織的影響不大，所以硬度值變化不大；同時可以看出，相同正火溫度的風冷試樣的硬度值比空冷試樣的硬度值高。這可以說明，在此溫度范圍內冷卻速度對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 力學性能
由圖3 可知，隨著溫度升高，抗拉強度先升高，后下降， 在860 ℃抗拉強度達到最大值， 由于在860 ℃正火時金相組織的球化率較高， 而球化率越高力學性能越好。風冷與空冷試樣的抗拉強度相近， 說明冷卻速度對球墨鑄鐵抗拉強度沒有影響。過了860 ℃后抗拉強度迅速下降， 跟球化率有關外，通過陳正德[6]研究發現硅、錳和磷等元素在共晶團內和邊界上的偏析也會對熱處理后球墨鑄鐵的力學性能造成很大影響。
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]。風冷試樣與空冷試樣對比，圖4 中總體上風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，提高冷卻速度對伸長率的影響不明顯。而組織中的鐵素體向珠光體轉變的速度變快， 基體組織中的鐵素體含量減少。周惦武等人[8]研究認為C 和Si 含量以及原鐵液含S 量也會對鑄態球鐵伸長率產生影響。
3 結論
（1） 正火熱處理通過影響基體中珠光體和鐵素體的含量進而影響球鐵的力學性能。
（2） 正火保溫溫度對基體中破碎鐵素體的含量有重要影響。在三相共存區內，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，風冷獲得的球墨鑄鐵試樣具有較好的綜合力學性能。
參考文獻：
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[8] 周惦武， 賴海萍， 胡艷軍， 等. 工藝因素對鑄態高韌性球鐵伸長率的影響[J]. 現代鑄鐵， 2004(01): 13-16.