提高鑄鋁模中圈性能和壽命的工藝試驗

韓金華

（江蘇航運職業技術學院智能制造與信息學院，江蘇南通 226010）

電機鑄鋁模中圈通常使用灰鑄鐵材料，其含碳量一般在2.7%～3.6%、含硅量在1.0%～2.2%、含錳量在0.4%～1.2%、含硫量小于0.15%、含磷量小于0.3%范圍內[1]。

灰鑄鐵組織相當于在鋼的基體上分布著片狀石墨，從而使它具有與鋼不一樣的特殊優良性能，如優良的鑄造性能、與鋁不粘結、良好的散熱性和切削加工性等[2]，因此，在電機鑄鋁模中圈制造中得到了廣泛的應用。但灰鑄鐵由于片狀石墨組織的存在，割裂了基體的連續性，相當于在鋼的基體上分布了許多細小裂紋，使其力學性能下降，特別是由于熱疲勞引起的使用壽命明顯下降[3]。

為了提高灰鑄鐵中圈的性能和使用壽命，我們對灰鑄鐵中圈鐵液進行孕育處理和灰鑄鐵中圈鑄件熱處理，并對其組織進行了分析和性能試驗。

1 灰鑄鐵中圈鐵液孕育處理試驗

1.1 試驗條件

1.1.1 試驗材料：1380℃灰鑄鐵鐵液；

1.1.2 孕育劑：含硅量75%的硅鐵塊；

1.1.3 孕育劑加入量：鐵液總重量的0.4%。

1.2 試驗工藝

在1380℃灰鑄鐵鐵液中加入占鐵液總重量0.4%的孕育劑（含硅量75%的硅鐵塊）進行孕育處理。

1.3 試驗原理

增加灰鑄鐵鐵液結晶時的原始晶核數量，細化晶粒組織，提高力學性能。

1.4 試驗內容

加孕育劑孕育處理后的鐵液澆鑄成中圈鑄件試樣，普通灰鑄鐵鐵液也澆鑄成中圈鑄件試樣，并對它們分別進行金相組織試驗、力學性能試驗和生產試驗。

1.5 試驗結果

經過孕育處理的灰鑄鐵（也稱孕育鑄鐵）中圈與未經孕育處理的普通灰鑄鐵中圈，它們的金相組織、性能和使用壽命見表1。

表1 普通灰鑄鐵中圈與孕育鑄鐵中圈的金相組織、性能和使用壽命

試驗結果顯示：灰鑄鐵中圈鐵液孕育處理后，材料基體組織（珠光體組織）變細，片狀石墨細化且分布更均勻，硬度有所提高，使用壽命延長。孕育處理對提高中圈性能和壽命具有一定作用。

2 灰鑄鐵中圈石墨化退火試驗

灰鑄鐵中圈結構較復雜，有些鑄件的表層和某些薄壁處，由于澆注后冷卻速度較快，經常出現白口組織，使鑄件硬度增大，脆性提高，影響后續切削加工和中圈的使用性能。因此，消除鑄件的白口組織，將不合格的白口鑄鐵件轉化為合格的灰口鑄鐵件，具有重大的經濟意義和生產價值。

將白口鑄鐵轉化為灰口鑄鐵，生產上一般采用石墨化退火工藝。

鑄鐵石墨化的過程是一個原子擴散的過程，不僅需要碳原子的擴散集聚，而且還需要鐵原子在碳的集聚處擴散轉移。石墨化的溫度愈低，原子擴散愈困難，因而愈不易石墨化。由此可見，鑄鐵石墨化退火是一個高溫長時間退火的過程。

生產中常規使用的石墨化退火工藝參數為：加熱溫度850℃～900℃，保溫2～4 小時，然后隨爐緩冷至500℃～400℃后出爐空冷。

由于常規石墨化退火工藝效果不理想，退火后大多數鑄件硬度仍然很高，仍不符合生產要求，甚至有人懷疑石墨化退火工藝的有效性。為此，我們從提高加熱溫度、延長保溫時間兩方面著手，對帶有白口的中圈鑄件進行了多次石墨化退火試驗，獲取了一定的退火工藝參數，取得了較好的生產效果。

2.1 試驗條件

2.1.1 試驗工件：普通灰鑄鐵中圈鑄件；

2.1.2 熱處理設備：臺車式電阻爐；

2.1.3 試驗方式：普通灰鑄鐵中圈鑄件裝箱密封入爐。

2.2 試驗工藝

將帶有白口組織的普通灰鑄鐵中圈鑄件進行高溫長時間石墨化退火，形成灰口鑄鐵件。

2.3 試驗原理

通過加熱白口組織鑄鐵件，使白口組織中的滲碳體分解成鐵素體和石墨，形成灰口組織鑄鐵件。

2.4 試驗內容

改變熱處理退火加熱溫度和保溫時間，使白口組織鑄鐵件變成灰口組織鑄鐵件，并對它們分別進行金相組織試驗和力學性能試驗。

2.5 試驗結果

中圈鑄鐵件石墨化退火工藝參數見表2，退火前后金相組織和力學性能見表3。

表2 中圈鑄鐵件石墨化退火工藝參數

表3 中圈鑄鐵件石墨化退火前后金相組織和力學性能

試驗結果表明：中圈鑄鐵件石墨化退火加熱溫度850℃～900℃時，保溫時間應為20～24 小時，遠長于2～4 小時常規保溫時間。而且加熱溫度愈高，保溫時間愈短。當加熱溫度升至950℃時，保溫時間縮短至15 小時。

3 灰鑄鐵中圈鑄件熱處理淬火試驗

3.1 試驗條件

3.1.1 試驗材料：普通灰鑄鐵中圈鑄件；

3.1.2 熱處理設備：箱式電阻爐；

3.1.3 淬火方式：油冷。

3.2 試驗工藝

將灰鑄鐵中圈鑄件試樣置入箱式電阻爐中，加熱到860℃，保溫1.5 小時后出爐，并整體浸入油中冷卻淬火。隨后進行180℃低溫回火。

3.3 試驗原理

使灰鑄鐵在固態下重新結晶，以細化晶粒，提高性能。

3.4 試驗內容

對熱處理后的灰鑄鐵中圈鑄件試樣對照未經熱處理的鑄態灰鑄鐵中圈鑄件試樣進行金相組織試驗、力學性能試驗和生產試驗。

3.5 試驗結果

經過熱處理的灰鑄鐵中圈鑄件與未經熱處理的灰鑄鐵中圈鑄件，它們的金相組織、性能和使用壽命見表4。

表4 灰鑄鐵普通熱處理前后的金相組織、性能和使用壽命

試驗結果說明：灰鑄鐵中圈普通熱處理淬火后其基體組織變細，由珠光體組織變成回火馬氏體組織，石墨的形狀（片狀）、數量、大小和分布基本未變，硬度明顯提高，使用壽命明顯延長。普通熱處理淬火對提高灰鑄鐵中圈性能和壽命作用明顯。

4 灰鑄鐵中圈激光熱處理試驗

4.1 試驗條件

4.1.1 試驗材料：普通灰鑄鐵中圈；

4.1.2 熱處理設備：激光器；

4.1.3 淬火方式：自然冷卻。

4.2 試驗工藝

對普通灰鑄鐵中圈試樣工作表面進行激光掃描，然后自然冷卻淬火。

4.3 試驗原理

使灰鑄鐵在固態下重新結晶，從而細化晶粒，提高性能。

4.4 試驗內容

激光熱處理后的灰鑄鐵中圈試樣對比未經熱處理的鑄態灰鑄鐵中圈試樣進行金相組織試驗、力學性能試驗和生產試驗。

4.5 試驗結果

經過激光熱處理的灰鑄鐵與未經熱處理的灰鑄鐵，它們的金相組織、力學性能和使用壽命見表5。

表5 灰鑄鐵激光熱處理前后的金相組織、性能和使用壽命

試驗結果證明：灰鑄鐵中圈工作表面激光熱處理淬火后，其基體組織更細，由珠光體組織變成細回火馬氏體組織，石墨的形狀（片狀）、數量、大小和分布基本未變，其表面硬度更高，使用壽命更長。激光熱處理淬火可顯著提高灰鑄鐵中圈的性能和壽命。

結束語

孕育處理可以有效提高灰鑄鐵中圈的性能和壽命；普通熱處理能明顯提高灰鑄鐵中圈的性能和壽命；激光熱處理淬火對提高灰鑄鐵中圈性能和壽命作用更顯著。