球墨铸铁QT800-6 正火处理工艺研究

张扬扬，孙有平，周学浩，付静，申其芳

(广西科技大学机械工程学院，广西柳州545006)

摘要：利用光学显微镜、硬度试验机、拉伸试验机以及箱式电阻炉设备，研究了不同正火处理工艺对球墨铸铁QT800-6 力学性能的影响。结果表明：正火工艺处理后，球铁基体组织中的铁素体向珠光体转变后组织为少量铁素体基体+珠光体+球状石墨。大多数的铁素体转变为珠光体，珠光体数量在基体组织中大大增加，正火温度860℃保温1 h 风冷获得的球墨铸铁具有良好的综合力学性能。

关键词：球墨铸铁；正火；显微组织；力学性能

据最新资料表明现代球墨铸铁是美国国际镍公司(INCO) 青年科研人员麦里斯(K.D.Mills)于1943 年4 月12 日首先研究成功的[1]。1948 年6 月14 日在纽约Jamestown 可锻铸铁公司浇注了一批铸件从此拉开了球墨铸铁工业生产的序幕^[1]。球墨铸铁具有良好的耐震、耐磨、工艺性能，比普通灰口铸铁有较高的强度、较好韧性和塑性^[2]。已经在矿山选矿、机械制造、石油化工、交通运输、农机以及汽车等行业得到广泛应用。

关于球墨铸铁热处理工艺的研究， 刘海明等人^[3]进行了等温淬火球墨铸铁表面热处理工艺的研究，研究表明对(等温淬火球墨铸铁)ADI 采用二步法表面热处理可以得到较厚的淬硬层以及均匀的淬火组织。刘金海等人^[4]研究了球墨铸铁微观组织与拉伸行为的相关性得出球墨铸铁的真实应力-真实应变关系指数函数变化规律中的材料常数随球化率的增加而增大，随铁素体含量的提高而降低。赖毅翔等人^[5]研究了通过合理的正火处理破碎铁素体试样的强度、硬度上升，冲击韧度和伸长率降低获得了较好的综合力学性能。随着研究的推进相信球墨铸铁有更好的力学性能。

本文研究的目的是球墨铸铁性能在正火处理工艺后的影响， 对不同的正火处理工艺后进行显微组织和力学性能检测， 分析正火处理工艺参数对试样显微组织和力学性能的影响。

1 试验材料及方法

球墨铸铁的化学成分见表1。球墨铸铁正火工艺为830、860、890、920、950 ℃， 保温时间都为1 h，每个温度采用空冷和风冷两种方式。风冷是工件出炉后用900 W 功率的吹风机的冷风来冷却。金相试样采用4%硝酸酒精溶液腐蚀。

采用DMI3000M 光学金相显微镜对显微组织进行观察与分析；采用CMT5105 拉伸试验机进行力学性能检测； 加热采用SX2-8-10 型箱式电阻炉。

2 试验结果分析与讨论

2.1 显微组织

图1 为球墨铸铁QT800-6 铸态组织以及经过正火工艺830、860、890、920、950 ℃保温1 h 后分别进行空冷和风冷后的显微组织。由图1(a)可以看出，铁素体围绕着球状石墨，形成牛眼状铁素体，其基组织为：牛眼状铁素体(白色)＋珠光体(黑色)＋球状石墨。图1(b)为球墨铸铁在830 ℃下进行正火处理的组织。从图可以看出，正火处理后，铁素体不再呈牛眼状包围在球状石墨周围，而是分散在组织中。与图1(a)的铸态组织相比，珠光体含量明显增多，石墨球化率较高， 其组织为铁素体＋珠光体＋球状石墨。图1(c)为球墨铸铁在830 ℃下正火，保温1 h，风冷后的组织金相图。由图1(c)~(f)可知，随着保温温度的逐渐增加，珠光体含量逐渐增多，当温度到达860 ℃时，铁素体呈破碎状分散在球状石墨周围，石墨的球化率仍较高。图1(e)为球墨铸铁在860 ℃下风冷正火后的金相组织。从图中看出铁素体(黑色)的含量比图1(d)空冷组织中的含量有所减少，且均匀分布在球状石墨周围。球化率相比图1(d)更高。随着保温温度的继续增加，铁素体的含量逐渐减少，珠光体组织的量逐渐增多， 这说明风冷能促使更多的铁素体转化珠光体。

对于同一保温时间不同保温温度的试样， 当保温时间为1 h 时，随着温度从830 ℃上升至950 ℃，基体中破碎铁素体含量呈较为明显的下降趋势，说明保温温度对铁素体的含量有较大影响。陈正德^[6]研究表明通过改变加热温度及冷却速度可以调整基体的含碳量。

球墨铸铁QT800-6 显微硬度如图2 所示。经过热处理的铸态球墨铸铁QT800-6 硬度值比未热处理的铸态球墨铸铁QT800-6 试样硬度值高30.68 HRC，有较大的提升，说明对球墨铸铁进行正火处理可以提高其硬度。随着正火温度的升高，球墨铸铁的硬度也随着升高， 但在920 ℃之后的涨幅很小。硬度值的升高是因为正火温度越高，球墨铸铁基体组织中的铁素体向珠光体转变， 从而使得珠光体含量增高。杨海峰等人^[7]研究认为随着温度的升高，铸件硬度也随之增大， 由于温度的升高溶入奥氏体中的碳含量增高，等温保持时形成了较多的珠光体。而920 ℃之后，温度的升高，对珠光体含量的影响不大，说明在920 ℃时，基体中铁素体已经基本转化完成，温度再升高对基体组织的影响不大，所以硬度值变化不大；同时可以看出，相同正火温度的风冷试样的硬度值比空冷试样的硬度值高。这可以说明，在此温度范围内冷却速度对球墨铸铁基体组织中珠光体的含量有影响，冷却速度越快，珠光体含量越高，硬度越高。

2.2 力学性能

由图3 可知，随着温度升高，抗拉强度先升高，后下降， 在860 ℃抗拉强度达到最大值， 由于在860 ℃正火时金相组织的球化率较高， 而球化率越高力学性能越好。风冷与空冷试样的抗拉强度相近， 说明冷却速度对球墨铸铁抗拉强度没有影响。过了860 ℃后抗拉强度迅速下降， 跟球化率有关外，通过陈正德^[6]研究发现硅、锰和磷等元素在共晶团内和边界上的偏析也会对热处理后球墨铸铁的力学性能造成很大影响。

由图4 可知，在830 ℃正火处理的试样伸长率最大，830 ℃以后球铁的伸长率明显下降，这跟组织中破碎铁素体是分不开的^[6]。风冷试样与空冷试样对比，图4 中总体上风冷试样的伸长率要比空冷试样的伸长率相差不大， 说明了相同的正火温度下，提高冷却速度对伸长率的影响不明显。而组织中的铁素体向珠光体转变的速度变快， 基体组织中的铁素体含量减少。周惦武等人^[8]研究认为C 和Si 含量以及原铁液含S 量也会对铸态球铁伸长率产生影响。

3 结论

（1） 正火热处理通过影响基体中珠光体和铁素体的含量进而影响球铁的力学性能。

（2） 正火保温温度对基体中破碎铁素体的含量有重要影响。在三相共存区内，随着保温温度升高，正火后基体中破碎铁素体的含量减少。

（3）正火温度860 ℃，保温1 h，风冷获得的球墨铸铁试样具有较好的综合力学性能。

参考文献：

[1] 房贵如， 王云昭. 现代球墨铸铁的诞生、应用及技术发展趋势──20 世纪材料科学最重大的技术进展之一[J]. 现代铸铁， 2000(01): 3-11.

[2] 刘欣， 徐英杰. 球墨铸铁热处理工艺的分析与研究[J]. 科协论坛(下半月)， 2011(08): 46-47.

[3] 刘海明， 祖方遒， 余瑾， 等. 等温淬火球墨铸铁表面热处理工艺的研究[J]. 铸造， 2006，55(02): 128-131.

[4] 刘金海， 李国禄， 郝晓燕， 等. 球墨铸铁微观组织与拉伸行为的相关性[J]. 铸造技术， 2009， 30(03): 329-332.

[5] 赖毅翔， 周秉文， 刘恒乐， 等. 正火处理对破碎铁素体球墨铸铁组织和性能的影响[J]. 铸造， 2013，62(07): 607-611.

[6] 陈正德. 正火工艺对球墨铸铁性能的影响[J]. 金属热处理， 1981(09): 33-37.

[7] 杨海峰， 周威佳， 赵洪运， 等. 一种球墨铸铁等温正火工艺[J].金属热处理， 2015(07): 142-145.

[8] 周惦武， 赖海萍， 胡艳军， 等. 工艺因素对铸态高韧性球铁伸长率的影响[J]. 现代铸铁， 2004(01): 13-16.