灰铸铁加工难点分析

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为解决某公司灰铸铁件的机加工难题，采用金相显微镜、扫描电镜、布氏硬度、显微维氏硬度和光谱分析等手段对铸件和铸件的成分和性能进行了分析。 结果表明，26#生铁S、P含量偏高，22#生铁Si含量偏低，化学成分不符合标准。 铸件碳当量为4.36%，属于高碳当量铸件。 Si与C之比为0.46，偏低。 铸件中Si、Mn含量低，除Cr含量高，足以产生激冷现象外，铸件中含V元素较多。 铸件的显微组织为铁素体、珠光体、石墨和碳化物。 部分碳化物含有Cr、V等微合金元素，显微硬度超过1 100 HV，是造成加工困难的主要原因。 因此，要提高加工能力，首先V和Cr的含量不能超标。 其次，Si的含量应增加，应优先选择在孕育中加入。 对于要求较高的铸件，可以通过石墨化退火分解碳化物。

薄壁灰口铸铁件的白角是铸件中常见的缺陷[1-4]。 通常，小型铸件壁薄，并用湿砂铸造。 虽然铁水的化学成分合格，但由于铸件壁厚和铸件导热系数的影响，同一铸件的厚薄部分。 内部和外部都可能得到不同的组织。 尤其是铸件的边角容易产生白口，造成加工困难，产生所谓的“硬料”。 灰铸铁的“料硬”部位大部分出现在毛坯部位。 如：棱角、凹槽、凸面、曲面等。材料硬度与白口倾向有很大关系。 本文针对某公司铸件实际生产中存在的难加工问题，进行了系统研究，分析了“硬料”产生的原因，并提出了相应的解决方案。

1 实验材料与方法

现场抽取了铸铁22#、26#和机铸件0#。 分别进行线切割取样，并进行光学组织和扫描组织的观察。 铸铁和铸件上的化学品
成分测试，排除微量元素对铸件加工性能的影响。 对铸件进行取样，在蔡司光学显微镜和扫描显微镜下进行金相观察，使用HBS-3000数字布氏硬度计和HTM-1000TM显微硬度计进行硬度测试。 生铁及铸件的化学成分见表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 化学成分分析

当灰口铸铁中的碳以碳化物形式存在时，会增加白化倾向，使机加工变得困难，造成所谓的“硬质材料”问题。 因此，灰口铸铁应尽量减少白化倾向，使碳以石墨的形式存在。 各种元素对石墨化过程的影响不同，有些加速石
着墨，有些会减缓石墨化。 一般来说，能减弱铁与碳原子间结合力，增加铁原子自扩散能力的元素，大多能促进铸铁的石墨化； 否则会阻碍铸铁的石墨化，即增加白口倾向。 . 用于测试铸铁
生铁的质量和微量元素对铸件发白的影响的消除。 对原材料和铸件的五种元素和常见的增白元素进行了测试。 每个样品都测试了 13 种元素。 共检测了39批生铁和铸件。 化学成分见表1。

中国铸铁生铁标准（GB/T 718-2005）[5]，标准中22#生铁的Si含量为2.00%～2.40%，26#生铁的Si含量为2.40%～ 2.80%。 根据表2，某公司生铁22#和26#试验表明，22#生铁Si含量为1.86，不符合标准下限。
符合标准，锰含量也低。 26#生铁P、S含量过高，P含量达到5级，S含量超标，并含有一定量的Cr。 铸件0#的试验成分表明，只有Cr含量达到了白化趋势，其他微量元素的含量还没有达到引起白化的最低含量，影响可以忽略不计。 对比《铸件手册》[6]中五种元素的选取，可以看出本次研究的铸件碳含量较高，Si含量较低，Mn含量较低.

2.2 硬度测试

在HBS-3000数显布氏硬度计上，测试为1875N，压头直径为2.5mm，5次测试的硬度见表2。在数显显微硬度计上，光学照片中的白色区域被标记为显微硬度。 结果如表3所示。 因此，虽然基体的平均宏观硬度很低，但只有布氏硬度在145HB左右，其局部区域的硬度很高，达到维氏硬度约1 000 HV . 凹坑越小，硬度越高。 据文献记载，磷共晶硬度为500~700 HV，莱氏体≤800 HV，碳化物> 900 HV。

因此，硬度分析结果表明，白色区域为硬而脆的渗碳体碳化物，基本排除了磷共晶，这是硬质材料的主要原因。 为了准确确定这种碳化物的成分，需要进行能谱分析。

2.3 能谱分析

光学白区的局部放大如图2和图3所示，其特点是基体中凹孔的分布和共晶特性。 因此，该区域能量分析表明，该区域凹陷部分所含元素为Fe、P、C元素，故判断为Fe3(C,P)，储存P元素
隔离。 凹陷部分的P元素较高，不是共晶产物，而是最终凝固收缩形成的孔洞。 图4 能谱分析结果表明，白色区域除Fe、P、C元素外，还含有Cr和V，形成合金碳化物，越来越硬。
采取切割。

2.4 组织分析

光学照片为用4%硝酸酒精腐蚀制成的铸件的金相组织，如图5所示。其中a、b、c、d为铸件的芯部结构，e、f、 g 和 h 是铸件的边缘结构。 a、b、c、d 和 e、f、g、h 对应 50、100、200 和 1,000 倍的组织照片。 扫描的组织照片如图6所示，箭头指向对应光学组织照片中的白色区域，即碳化物。 白色块状区域为碳化物，薄片为石墨，灰色区域为珠光体。 可以看出金相组织为铁素体+珠光体+石墨+碳化物，点状组织。 边缘的发白显然比心的发白严重。 与GB/T7216-2009相比，可以看出[7]，心脏组织是初始
生的星形石墨F型长约150μm，宽约5μm。 这是由高碳铁水在较大过冷条件下形成的。 边缘层结构为细小的卷曲石墨，聚集在B型石墨的菊花状分布中。 长约100μm，宽约3μm。 确定碳化物的数量
心脏组织中碳化物含量约为5%，达到3级。边缘组织中碳化物含量约为10%，达到4级。当碳以石墨形式存在时，石墨可用于加工时润滑，切削容易。 当碳以碳化物（Fe3C）形式存在时，由于Fe3C渗碳体硬而脆，加工困难，特别是当它含有其他合金元素（如Cr）时，合金渗碳体（（Fe，M）3C）这种化合物是越来越难切削，在加工过程中会出现所谓的“硬材料”问题[8]。 因此，在灰铸铁件的铸造过程中，要减少碳的用量，避免碳化物的出现，必要时采取一些措施促进碳的石墨化。

3 分析与讨论

影响铸件机械加工性能的主要因素是铸铁的化学成分和凝固冷却速度。 铸铁化学成分中的碳含量和硅含量是两个最重要的控制因素。 铸件的冷却速度主要取决于铸件的壁厚。 当铸铁中碳和硅的含量一定时，铸件壁越薄，铸铁发白的趋势越大。 当铸件壁厚不变时，铸铁中碳和硅的总含量越大，铸铁的石墨化程度越彻底。

本次研究的铸件碳当量为4.36%，为高碳当量铸件； Si/C比为0.46，较低。 增加碳当量使石墨薄片变厚，数量增加，强度和硬度降低。 增加Si/C可以降低白口倾向。

在灰铸铁的生产中，还需要考虑过热的影响和孕育的影响。 在一定范围内提高铁水温度，可使石墨细化，基体组织更细，抗拉强度增加，硬度降低。 需要综合考虑炉料成分、冶炼设备、化学成分的能量因素。 孕育处理是在铁水进入铸型腔之前，向铁水中加入孕育剂，改变铁水的冶金状态，增加非自发核就是石墨的细化。 从而改善铸铁的组织和性能。 常见的孕育剂包括硅铁、硅钙和石墨。 结合我们的产品和生产成本，推荐使用硅铁（75%硅，添加量约为铁水重量的0.4%）。 二、钡硅铁和锶硅铁。 硅铁接种速效，1.5分钟内达到峰值，8~10分钟后下降至非孕状态，可降低过冷度和白口倾向，增加共晶团簇数量，形成A型石墨，提高断面的均匀性，增加阻力。 抗拉强度为10-20MPa。 缺点：耐腐性差。 如果不采用后期孕育工艺，壁厚差异大和浇注时间长的情况并不理想。

钡硅铁比硅铁具有更强的增加共晶团簇数量和提高断面均匀度的能力。 抗衰退能力强，接种效果可保持20分钟。 适用于各种牌号的灰口铸铁件，特别适用于大型厚壁件和浇注时间长的生产条件。

锶硅铁具有比硅铁高30%～50%的白度降低能力，比硅铁具有更好的断面均匀性和抗衰变能力。 同时不增加共晶团簇数，易溶解，熔渣少。 薄壁零件，尤其是需要收缩和泄漏且具有高共晶团簇的零件是不需要的。

本研究中铸件的 Mn 含量较低。 锰本身是一种阻碍石墨化的元素，但锰可以抵消硫的强烈增白作用。 因此，在抵消硫作用的限度内，锰实际上起到了促进石墨化的作用。 实践证明，增加锰含量不仅可以增加和细化珠光体，而且适当放松对硫的控制也无害。 因此，建议适当增加Mn含量。

4结论

本研究铸件加工困难的主要原因是渗碳体碳化物的出现，尤其是含Cr、V等元素合金的渗碳体碳化物是造成加工困难的主要原因。 为了改善这个问题，第一个想法是减少或消除组织中的碳化物。 改变铸件成分和调整生产工艺是有效的途径。 结合本研究铸件的具体生产情况，提出以下生产建议：

• (1)要增加硅含量，首选浇注前加孕育剂。 对于硅铁（75%硅），根据浇注时间和现场效果，也可使用钡硅铁和锶硅铁。 建议使用复合孕育剂（Si-Ba 和 RE-Si）。
• (2)增加铸件中的锰含量，抵消硫的强烈白口效应。
• (3)提高生铁质量。 26#生铁P、S含量过高。
• (4)降低铸件中的Cr含量。 铸件中高含量的Cr（>0.1）已经可以产生白化效果。 Cr能显着增加硬度并损害机械加工性能。

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