灰鑄鐵加工難點分析

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為解決某公司灰口鑄鐵件的機加工難題，採用光學顯微鏡、掃描電鏡、布氏硬度、顯微維氏硬度和光譜分析等方法對鑄件和鑄件的成分和性能進行了分析。 結果表明，26#生鐵S、P含量偏高，22#生鐵Si含量偏低，化學成分不符合標準。 鑄件碳當量為4.36%，屬於高碳當量鑄件。 Si與C之比為0.46，偏低。 鑄件中Si、Mn含量低，除Cr含量高，足以產生激冷現像外，鑄件中含有V元素的較多。 鑄件的顯微組織為鐵素體、珠光體、石墨和碳化物。 部分碳化物含有Cr、V等微合金元素，顯微硬度超過1 100 HV，是造成加工困難的主要原因。 因此，要提高加工能力，首先V和Cr的含量不能超標。 其次，Si的含量應增加，應優先選擇在孕育中添加。 對於要求較高的鑄件，可以通過石墨化退火分解碳化物。

薄壁灰口鑄鐵件的白角是鑄件中常見的缺陷[1-4]。 一般來說，小鑄件壁薄，用濕砂鑄造。 雖然鐵水的化學成分合格，但由於鑄件壁厚和鑄件導熱係數的影響，同一鑄件的厚薄部分。 內部和外部都可能得到不同的組織。 尤其是鑄件的邊角容易產生白口，造成加工困難，產生所謂的“硬料”。 灰鑄鐵的“料硬”部位大部分出現在毛坯部位。 如：棱角、凹槽、凸面、曲面等。材料硬度與白口傾向有很大關係。 針對某公司鑄件實際生產中存在的機加工難點問題，進行了系統研究，分析了“硬料”產生的原因，並提出了相應的解決方案。

1 實驗材料與方法

現場抽取了鑄鐵22#、26#和機鑄件0#。 分別進行線切割取樣，並進行光學組織和掃描組織的觀察。 鑄鐵和鑄件上的化學品
成分測試，排除微量元素對鑄件加工性能的影響。 對鑄件進行取樣，在蔡司光學顯微鏡和掃描顯微鏡下進行金相觀察，使用HBS-3000數字布氏硬度計和HTM-1000TM顯微硬度計進行硬度檢測。 生鐵及鑄件的化學成分見表1。

C	Si	Mn	P	S	W	Te	Bi	Cr	V	Ce	B	Mo
0 3.73＃	1.75	0.17	0.15	0.12	≤0.01	<0.000	5	<0.000	5	0.11	0.027	0.01	0.004	4	≤0.01
22 4.08＃	1.86	0.055	0.07	0.02	≤0.01	<0.000	5	<0.000	5	≤0.010	≤0.010	0.01	0.002	2	≤0.01
26 3.38＃	2.51	0.17	0.45	0.095	≤0.01	<0.000	5	<0.000	5	0.023	0.044	0.01	0.008	9	≤0.01

2.1 化學成分分析

當灰口鑄鐵中的碳以碳化物形式存在時，會增加白化傾向，使機加工變得困難，造成所謂的“硬質材料”問題。 因此，灰口鑄鐵應盡量減少白化傾向，使碳以石墨的形式存在。 各種元素對石墨化過程有不同的影響，有些加速石
著墨，有些會減緩石墨化。 一般來說，能減弱鐵與碳原子間的結合力，增加鐵原子自擴散能力的元素大多能促進鑄鐵的石墨化； 否則會阻礙鑄鐵的石墨化，即增加白口傾向。 . 用於測試鑄鐵
生鐵的質量和微量元素對鑄件發白的影響的消除。 對原材料和鑄件的五種元素和常見的增白元素進行了測試。 每個樣品都測試了 13 種元素。 共檢測了39批生鐵和鑄件。 化學成分見表1。

中國鑄鐵生鐵標準（GB/T 718-2005）[5]，標準中22#生鐵的Si含量為2.00%～2.40%，26#生鐵的Si含量為2.40%～ 2.80%。 根據表2，某公司生鐵22#和26#試驗表明，22#生鐵的Si含量為1.86，不符合標準下限。
符合標準，錳含量也低。 26#生鐵P、S含量過高，P含量達到5級，S含量超標，並含有一定量的Cr。 鑄件0#的試驗成分錶明，只有Cr含量達到了白化傾向，其他微量元素的含量還沒有達到引起白化的最低含量，影響可以忽略不計。 對比《鑄件手冊》[6]中五種元素的選取，可以看出本次研究的鑄件碳含量較高，Si含量較低，Mn含量較低.

2.2 硬度測試

在HBS-3000數顯布氏硬度計上，測試為1875N，壓頭直徑為2.5mm，5次測試的硬度見表2。在數顯顯微硬度計上，光學照片中的白色區域被標記為顯微硬度。 結果如表3所示。 因此，雖然基體的平均宏觀硬度很低，但只有布氏硬度約為145 HB，其局部區域的硬度很高，達到維氏硬度約1 000 HV . 凹坑越小，硬度越高。 據文獻記載，磷共晶硬度為500~700 HV，萊氏體≤800 HV，碳化物> 900 HV。

因此，硬度分析結果表明，白色區域為硬而脆的滲碳體碳化物，基本排除了磷共晶，這是硬質材料的主要原因。 為了準確確定這種碳化物的成分，需要進行能譜分析。

2.3 能譜分析

光學白區的局部放大如圖2和圖3所示，其特點是基體中凹孔的分佈和共晶特性。 因此，該區域的能量分析表明，該區域凹陷部分所含元素為Fe、P、C元素，故判斷為Fe3(C,P)，P元素儲存
隔離。 凹陷部分的P元素較高，不是共晶產物，而是最終凝固收縮形成的孔洞。 圖4 能譜分析結果表明，白色區域除Fe、P、C元素外，還含有Cr和V，形成合金碳化物，越來越硬。
採取切割。

2.4 組織分析

光學照片為用4%硝酸酒精腐蝕製成的鑄件的金相組織，如圖5所示。其中a、b、c、d為鑄件的芯部結構，e、f、 g 和 h 是鑄件的邊緣結構。 a、b、c、d 和 e、f、g、h 對應 50、100、200 和 1,000 倍的組織照片。 掃描的組織照片如圖6所示，箭頭指向對應的光學組織照片中的白色區域，即碳化物。 白色塊狀區域為碳化物，薄片為石墨，灰色區域為珠光體。 可以看出金相組織為鐵素體+珠光體+石墨+碳化物，點狀組織。 邊緣的發白顯然比心的發白嚴重。 與GB/T7216-2009相比，可以看出[7]，心臟組織是初始
生的星形石墨F型長約150μm，寬約5μm。 這是由高碳鐵水在較大過冷條件下形成的。 邊緣層結構是細小的捲曲石墨聚集在B型石墨的菊花狀分佈中。 長約100μm，寬約3μm。 確定碳化物的數量
心臟組織中碳化物含量約為5%，達到3級。邊緣組織中碳化物含量約為10%，達到4級。當碳以石墨形式存在時，石墨可用於加工時潤滑，切削容易。 當碳以碳化物（Fe3C）形式存在時，由於Fe3C滲碳體硬而脆，加工困難，特別是當它含有其他合金元素（如Cr）時，合金滲碳體（（Fe，M）3C）這種化合物是越來越難切削，在加工過程中會出現所謂的“硬材料”問題[8]。 因此，在灰鑄鐵件的鑄造過程中，要減少碳的用量，避免碳化物的出現，必要時採取一些措施促進碳的石墨化。

3 分析與討論

影響鑄件機械加工性能的主要因素是鑄鐵的化學成分和凝固冷卻速度。 鑄鐵化學成分中的碳含量和矽含量是兩個最重要的控制因素。 鑄件的冷卻速度主要取決於鑄件的壁厚。 當鑄鐵中碳和矽的含量一定時，鑄件壁越薄，鑄鐵發白的趨勢越大。 當鑄件壁厚不變時，鑄鐵中碳和矽的總含量越大，鑄鐵的石墨化程度越徹底。

本次研究的鑄件碳當量為4.36%，為高碳當量鑄件； Si/C比為0.46，這是低的。 增加碳當量使石墨薄片變厚，數量增加，強度和硬度降低。 增加Si/C可以降低白口傾向。

在灰鑄鐵的生產中，還需要考慮過熱的影響和孕育的影響。 在一定範圍內提高鐵水溫度，可使石墨細化，基體組織更細，抗拉強度增加，硬度降低。 需要綜合考慮爐料成分、冶煉設備、化學成分的能量因素。 孕育處理是在鐵水進入鑄型腔之前，向鐵水中加入孕育劑，改變鐵水的冶金狀態，增加非自發核就是石墨的細化。 從而改善鑄鐵的組織和性能。 常見的孕育劑包括矽鐵、矽鈣和石墨。 結合我們的產品和生產成本，推薦使用矽鐵（75%矽，添加量約為鐵水重量的0.4%）。 二、鋇矽鐵和鍶矽鐵。 矽鐵接種速效，1.5分鐘內達到峰值，8~10分鐘後下降至非孕狀態，可降低過冷度和白口傾向，增加共晶團簇數量，形成A型石墨，提高斷面的均勻性，增加阻力。 抗拉強度為10-20MPa。 缺點：耐腐性差。 如果不採用後期孕育工藝，壁厚差異大和澆注時間長的情況並不理想。

鋇矽鐵比矽鐵具有更強的增加共晶團簇數量和提高斷面均勻度的能力。 抗衰能力強，接種效果可保持20分鐘。 適用於各種牌號的灰口鑄鐵件，特別適用於大型厚壁件和澆注時間長的生產條件。

鍶矽鐵具有比矽鐵高30%～50%的白度降低能力，比矽鐵具有更好的斷面均勻性和抗衰變能力。 同時不增加共晶團簇數，易溶解，熔渣少。 薄壁零件，尤其是需要收縮和洩漏且具有高共晶團簇的零件是不需要的。

本研究中鑄件的 Mn 含量較低。 錳本身是阻礙石墨化的元素，但錳可以抵消硫的強烈增白作用。 因此，在抵消硫作用的限度內，錳實際上起到了促進石墨化的作用。 實踐證明，增加錳含量不僅可以增加和細化珠光體，而且適當放鬆對硫的控制也無害。 因此，建議適當增加Mn含量。

4結論

本研究鑄件機加工困難的主要原因是滲碳體碳化物的出現，尤其是含Cr、V等元素合金的滲碳體碳化物是造成機加工困難的主要原因。 為了改善這個問題，第一個想法是減少或消除組織中的碳化物。 改變鑄件成分和調整生產工藝是有效的途徑。 結合本研究鑄件的具體生產情況，提出以下生產建議：

• (1)要增加矽含量，首選澆注前加孕育劑。 對於矽鐵（75%矽），根據澆注時間和現場效果，也可使用鋇矽鐵和鍶矽鐵。 建議使用複合孕育劑（Si-Ba 和 RE-Si）。
• (2)增加鑄件中的錳含量，抵消硫的強烈白口效應。
• (3)提高生鐵質量。 26#生鐵P、S含量過高。
• (4)降低鑄件中的Cr含量。 鑄件中高含量的Cr（>0.1）已經可以產生白化效果。 Cr能顯著增加硬度並損害機械加工性能。

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