铸态铁素体球墨铸铁硬度的提高方法

铸态高强度高韧性球墨铸铁生产技术李永红刘思明（安徽神剑科技股份有限公司安徽合肥 230022）摘要本文以铸态QT600-10材质生产技术为例，简要介绍了铸态高强度高韧性球墨铸铁件控制要点：在铸态通过控制影响力学性能的微观组织因素，满足球墨铸铁件高强度和高韧性的要求。

关键词铸态高强度高韧性；铸态QT600-10；合金化；铸态高强度高韧性球墨铸铁件，在满足特殊性能要求的基础上，减少了热处理环节，节约了中间运输成本，缩短了供货周期，是企业在制造过程中，努力追求的方向，特别是当前市场竞争激烈日趋白热化的环境下，可以有效减低企业生产成本，提高产品竞争力。

现结合本企业，在多年生产铸态高强度高韧性球墨铸铁件方面积累的经验，以QT600-10材质为例介绍其控制方法。

1 引言包括球墨铸铁在内的铸造合金的性能是由其含有一定成分的显微组织所决定的，要获得所需的性能，可以通过控制其显微组织，并使该组织中含有一定数量的合金强化元素。

通常强度与塑性之间始终存在矛盾，而随着对合金强化基体组织认识的加深，对于金属材料性能特殊要求的不断提高，要求球墨铸铁强度达到600MP以上，同时要求其具有很好的强韧性延伸率10%以上，通过热处理很难同时保证强度与韧性要求，通过控制影响显微组织的因素（化学成分，合金化，熔炼质量，球化孕育处理、壁厚条件、冷却速度等），可以满足铸态高强度，高韧性要求，现简单介绍其控制方法：2 化学成分的选择2.1 碳碳促进镁的吸收，改善球化、提高石墨球的圆整度；提高铁液的流动性，减少铸件的疏松缺陷和缩凹倾向；能够促进石墨化，减小白口倾向。

但是，过高的碳又容易产生石墨漂浮，使铸件综合性能降低。

因此将碳控制为3.5%~3.7%。

2.2硅促进石墨化元素，在球墨铸铁生产中由于硅的孕育作用，使珠光体和铁素体的比例改变：Si控制在2.0%~2.5%有利于珠光体组织的生成，而为了在保证强度达到600MP的基础上，延伸率达到10%，必须适当提高孕育效果，保证一定比例的铁素体组织，将硅控制在2.5%~2.8%。

收稿日期：2018-12-01修定日期：2019-05-16作者简介：任红涛（1982.04-），男，河北保定人，毕业于太原理工大学，主要从事灰铸铁、球墨铸铁铁液处理工艺的研究工作。

铸态铁素体球墨铸铁硬度的提高方法任红涛（一汽铸造有限公司铸造一厂，吉林长春130011）摘要：在熔炼方式改变导致铁素体球墨铸铁基体硬度降低的情况下，对影响其硬度的几个因素进行了分析，并围绕这些影响因素进行了大量试验研究，得出以下结论：（1）对于双联熔炼、多品种混流作业的生产方式，调整w （C ）量会使部分铸件发生缩松缺陷的风险增加，因此通过固溶强化及降C 增Mn 来改善铸件硬度的方法不可行；（2）中频炉熔炼铁液时增加适量的P ，使w （P ）量达到0.035%左右，可以有效提高球墨铸铁的基体硬度，也是解决中频炉熔炼条件下铁素体球墨铸铁硬度不达标问题的一种切实可行的方法。

关键词：球墨铸铁；铁素体；硬度中图分类号：TG255文献标识码：B文章编号：1003-8345（2019）03-0009-05阅韵陨：10.3969/j.issn.1003-8345.2019.03.003Method to Elevate Hardness of As-cast Ferrite Nodular IronREN Hong-tao（No.1Foundry ，FAW Foundry Co.,Ltd.，Changchun130011，China ）Abstract ：Under the condition that the matrix hardness of ferrite nodular iron was reduced due to the change of meltingmode ，several factors affecting its hardness was analyzed ，and a lot of experimental studies were carried out around thesefactors ，following conclusion were obtained ：（1）For duplex smelting ，multi-species mixed-flow production ，adjusting the contentof w （C ）would increase the rwask of shrinkage defects in some castings ，therefore ，it was not feasible to improve the hardness of castings by means of solid solution strengthening and decreasing C to increase Mn.（2）When melting cast iron melt in medium frequency furnace ，by adding appropriate amount of P to elevate the P content to about 0.035%，it was possible to elevate effectively the matrix harness of the nodular iron ，it was also a feasible method to solve the problem that the hardness of ferrite nodular iron was not up to standard under the condition of medium frequency furnace smelting.Key words ：nodular iron ；ferrite ；hardness（2）采用平衡砂芯结构及有效的排气系统，空腔环形砂芯的排气通道畅通，且砂芯强度高，制作方便，有效防止了铸件的气孔缺陷，且下芯定位准确，砂芯能够自动平衡，有效防止了铸件壁厚偏差缺陷，同时缩短了芯头长度。

球墨铸铁热处理方法之探讨陆卫倩：（上海电机学院机械工程学院，上海200240）中国铸造装备与技术4／2010 高级工程师，原任上海机床厂有限公司磨床研究所高级工程师，现任上海电机学院副教授，主要从事零件失效分析和金属材料热处理本文详细介绍了球墨铸铁件的各种热处理工艺，并简单介绍了纳米技术在球墨铸铁件表面处理中的应用。

从文献资料来看，经纳米技术表面处理后的球墨铸铁件具有良好的自润性、良好的耐磨性、良好的耐蚀性，因此是一种非常有前途的表面处理。

众所周知：热处理是一项改进金属材料品质的方法，借助热处理可以改变或影响铸铁的组织及性质，同时还可获得更高的强度、硬度和耐磨性等。

铸铁热处理的种类繁多，但基本上可分成两大类：第一类是组织构造不会由热处理而发生变化或者也不应该发生改变的，第二类则是基本的组织结构发生变化者。

第一种热处理主要是用于消除内应力，热处理后组织、强度及其它力学性质等没有因热处理而发生明显变化。

第二种热处理能使基体组织发生明显的变化，这种热处理大致分为五类：①退火：其目的主要在于分解碳化物，降低铸铁的硬度，提高加工性能；②正火：其目的主要用于改进铸铁组织、获得均匀分布的力学性能；③淬火：其目的主要是为了获得比较高的硬度和表面耐磨性；④表面硬化处理：其目的主要是获得表面硬化层，同时得到较高的表面耐磨性；⑤析出硬化处理：其目的主要是为获得更高强度。

铸铁种类繁多，有灰口铸铁、白口铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁等等，它们的组织结构也各不相同。

一般根据凝固过程中的析出物———共晶石墨或共晶碳化物来分类:基体内主要含片状石墨者称之为灰铸铁，主要含碳化物者称之为白口铸铁。

事实上白口铸铁由于具有很高的硬度与脆性用途较少；而灰铸铁的性质主要是由共晶石墨的形状与大小而定，这些析出的石墨无法经由热处理予以改进，因此具有非常低的强度及硬度。

但若铁液添加镁及稀土金属能使石墨在凝固过程中以球状析出成为球墨铸铁，那么情况就有所不同。

随着我国经济的飞速发展以及国外高端铸件的引入和吸收，各领域出现的高性能、高效率、高可靠性的设备对铸件的质量要求日益提高。

低温冲击球墨铸铁材料由于在低温下具备较高的冲击韧度，在风电、高铁等领域得到了广泛的应用。

近年来该领域不断发展，行业内外对铸件的质量要求逐渐达成一致，致力于发展-40℃甚至-50℃条件下的高韧性球墨铸铁，铸件的质量优劣对设备的安全、质量、寿命有着决定性的影响。

我公司是河南柴油机重工有限责任公司与上海711研究所合资组建的专业铸铁制造公司，一直秉承把提高产品的品质与质量放在首位的原则，把质量的稳定性与一致性作为管理的重中之重。

我公司生产的齿轮箱体材料为EN GJS400-18LT，属于典型的薄壁球铁壳类铸件，其尺寸精度、重量、内部质量等要求非常高，在铸造工艺方面存在一定难度，铸态下达到-40℃冲击韧度更是难点中的难点。

1.铸件要求毛坯结构如图1所示，材质为EN GJS-400-18LT，重量260/280kg。

技术要求见表1。

图１毛坯结构表1 铸件技术要求2.影响因素低温环境下服役的球墨铸铁的韧性受生产过程中很多因素的影响，包括其化学成分、铸造工艺、熔炼、球化、孕育处理工艺及热处理制度等，这些因素决定了铸件最终的组织和力学性能。

（1）球墨铸铁组织对冲击韧度的影响实际生产应用中，在碳含量一定的情况下，球化率和石墨球数对冲击性能影响显著，其关系如图2、图3所示。

同时，圆整的石墨球可以改善球墨铸铁的冲击韧度，而石墨体积分数增加或石墨球数增多均可使脆性转变温度下降，并提高上限冲击吸收能量。

因此，在实际生产中必须严格控制球化处理和孕育工艺，要控制原材料（生铁、废钢、回炉料等）中的微量元素含量，特别是要限制反球化及干扰元素的含量。

图4 显示球墨铸铁的基体组织对其冲击性能有明显的影响。

由图4 可知，随着珠光体体积分数的增加，冲击性能降低，因此要保证低温高韧性球墨铸铁为全铁素体基体。

（2）球墨铸铁化学成分对冲击韧度的影响在工艺条件一定的情况下，球墨铸铁的化学成分对组织及会产生决定性的作用，从而决定其性能。

球墨铸铁的热处理分析及解决方法除了可锻铸铁球墨铸铁退火将渗碳体分解为团絮状石墨外，铸铁的热处理目的在于两方面：一是改变基体组织，改善铸铁性能，二是消除铸件应力。

值得注意的是：铸件的热处理不能改变铸件原来的石墨形态及分布，即原来是片状或球状的石墨热处理后仍为片状或球状，同时它的尺寸不会变化，分布状况不会变化。

一、球墨铸铁时效铸造过程中铸铁件由表及里冷却速度不一样，形成铸造内应力，若不消除，在切削加工及使用过程中它会使零件变形甚至开裂。

为释放应力常采用人工时效及自然时效两种办法。

将铸件加热到大约500~560℃保温一定时间，接着随炉冷取出铸件空冷，这种时效为人工时效；自然时效是将铸铁件存放在室外6~18个月，让应力自然释放，这种时效可将应力部分释放，但因用的时间长，效率低，已不太采用。

二、改善铸铁件整体性能为目的热处理为改善铸铁件整体性能常有消除白口退火，提高韧性的球墨铸铁退火，提高球墨铸铁强度的正火、淬火等。

(1).提高球墨铸铁强度的正火球墨铸铁正火的目的是将基体组织转换为细的珠光体组织。

工艺过程是将基体为铁素体及珠光体的球墨铸铁件重新加热到850-900℃温度，原铁素体及珠光体转换为奥氏体，并有部分球状石墨溶解于奥氏体，经保温后空冷奥氏体转变为细珠光体，因此铸件的强度提高。

(2).提高韧性的球墨铸铁退火球墨铸铁在铸造过程中此普通灰口铸铁的白口倾向大，内应力也较大，铸铁件很难得到纯粹的铁素体或珠光体基体，为提高铸铁件的延性或韧性，常将铸铁件重新加热到900-950℃并保温足够时间进行高温退火，再炉冷到600℃出炉变冷。

过程中基体中的渗碳体分解出石墨，自奥氏体中析出石墨，这些石墨集聚于原球状石墨周围，基体全转换为铁素体。

若铸态组织由(铁素体＋珠光体)基体，以及球状石墨组成，为提高韧性，只需将珠光体中渗碳体分解转换为铁素体及球状石墨，为此将铸铁件重新加热到700-760℃的共析温度上下经保温后炉冷至600℃出炉变冷。

球铁提高硬度的方法
嘿，咱今儿就来聊聊球铁提高硬度这档子事儿！你说这球铁啊，就
像咱过日子，得有点硬度才能撑得起场面不是？那怎么让它变硬呢？
咱可以从热处理下手呀！就好比人要锻炼才能更强壮，球铁经过热
处理这一遭，也能变得硬气起来。

像什么退火啦、正火啦，都是不错
的办法。

退火能让球铁的组织结构更均匀，就像给它做了一次全身按摩，让它舒展开来，变得更坚韧；正火呢，则像给它打了一针鸡血，
让它精神抖擞，硬度蹭蹭往上涨。

还有啊，添加合金元素也是个妙招呢！这就好比给球铁吃了大力丸，让它瞬间有了力量。

加入一些铬、钼之类的合金元素，那球铁的硬度
可就不一般啦。

你想想，本来普普通通的球铁，一下子就变得厉害起来，多神奇呀！
再说说冷却速度吧。

这就好比跑步的时候冲刺，速度越快，冲劲就
越大。

冷却速度快了，球铁的硬度自然也就高了。

就像一阵风，快速
地吹过，让球铁迅速定型，硬邦邦的。

另外呢，咱还得注意球铁的原材料呀。

就跟做饭一样，食材好，做
出来的菜才香。

好的原材料，那可是球铁硬度的基础保障呢！要是原
材料不行，那后面再怎么努力也白搭呀，这道理咱都懂吧？
咱可别小看了这些方法，每一个都有它的妙处呢！你想想，如果球
铁硬度不够，那能派上大用场吗？肯定不行呀！就像盖房子，根基不
牢，那房子能结实吗？所以呀，咱得好好琢磨琢磨这些提高球铁硬度的方法，让球铁变得硬气起来，为我们的生活和工作出把力！你说是不是这个理儿？咱可不能小瞧了这小小的球铁，它的硬度提升了，能发挥的作用可大了去了呢！那咱还等啥，赶紧行动起来，让球铁变得更硬更强吧！。

球墨铸铁表面强度提高的方法
球墨铸铁是一种高强度、高韧性的铸铁材料，广泛用于机械制造、汽车零部件、建筑工程等领域。

然而，在应用过程中，球墨铸铁表面容易产生疲劳裂纹和磨损，从而影响其使用寿命和性能。

为了解决这一问题，以下是球墨铸铁表面强度提高的方法：
1. 热处理：通过热处理改善球墨铸铁的结构和性能，提高其表
面硬度和强度。

常用的热处理方法包括正火、淬火、回火等。

2. 表面处理：采用表面处理方法可以提高球墨铸铁表面的硬度
和耐磨性，常见的表面处理方法包括喷涂、电镀、喷砂等。

3. 添加合金元素：通过添加一定量的合金元素，如钼、铬、钛等，可以提高球墨铸铁的硬度和强度，从而增加其表面的耐磨性和抗冲击性。

4. 加工工艺：采用适当的加工工艺，如磨削、抛光等，可以改
善球墨铸铁表面的光洁度和粗糙度，从而提高其表面的强度和耐磨性。

综上所述，球墨铸铁表面强度提高的方法有很多种，具体选择哪种方法需要根据具体情况进行综合考虑，以达到最佳效果。

- 1 -。

此类铸件因断面厚大冷却缓慢，金属液体凝固时间长，铸件内部很容易产生缩松。

生产铁素体球墨铸铁时，为了获得较高的抗拉强度、屈服强度和延伸率，以往均要进行铁素体化热处理，热处理温度是根据铸态组织中是否存在游离渗碳体或珠光体，而采用900-95(TC的高温热处理。

但生产成本高，工艺复杂，生产周期长，给生产组织以及交货期带来非常大的困难，这就要求必须在铸态下获得铁素体基体。

因此生产这种材料的难点主要有以下几方面：a.铸件要进行指定区域的射线探伤，如何解决铸件的内部缩松；b.如何保证在铸态下获得铁素体基体90%以上；c.如何使材料有足够的抗拉强度和屈服强度；d.如何获得足够的延伸率(>18%),在合金化处理后，获得规定的延伸率；1)C、Si、CE的选择由于球状石墨对基体的削弱作用很小，故球墨铸铁中石墨数量的多少，对力学性能的影响不显著，当含碳量在3.2%~3.8%范围内变化时，对力学性能无明显的影响。

所以过程中确定碳硅含量时，主要考虑保证铸造性能，将碳当量选择在共晶成分左右。

具有共晶成分的铁液的流动性能最好，形成集中缩孔的倾向大，铸件组织的致密度高。

但碳当量过高时，容易产生石墨漂浮的同时，一定程度上对球化有影响，主要表现在要求的残余Mg量高。

使铸铁中夹杂物的数量增多，降低铸铁性能。

硅球墨铸铁中使铁素体增加的作用比灰铸铁大，所以硅含量的高低，直接影响球墨铸铁基体中的铁素体量。

硅在球墨铸铁中对性能的影响很大，主要表现在硅对基体的固溶强化作用的同时，硅能细化石墨，提高石墨球的圆整度。

所以球铁中的硅含量的提高，很大程度上提高强度指标，降低韧性。

球墨铸铁经过球化处理过的铁液有较大的结晶过冷和形成白口倾向，硅能够减少这种倾向。

但是硅量控制过高，大断面球铁中促使碎块状石墨的生成，降低铸件的力学性能。

资料显示，球墨铸铁中硅以孕育的方式加入，一定程度上提高性能。

根据上述分析，从改善铸造性能的角度出发，铁水的碳当量选在共晶点附近最好，此时铁水的流动性最好，集中缩孔倾向较大，易于补缩等。

提高灰铸铁怎样提高硬度和强度？这些方法来解决！如何掌握砂型铸造灰铁的硬度砂型铸造灰铸铁的硬度主要是由化学成分、冷却速度和孕育处理决定的。

同样的成分冷却的快，硬度就高，冷却的慢，硬度就低。

如果为了提高硬度，用风冷或者水冷的方法往往容易裂纹，所以要谨慎使用快冷的方法。

用化学成分调整硬度是最常用的方法。

通常主要是通过调整C的含量调整硬度，调整范围通常是2.9---3.5% 其次是Si，通常的范围是1.5----2.4% 这两种元素含量越高，硬度越低，含量越低，硬度越高。

第三是Mn，通常范围是0.6---1.3% 含量越高，硬度越高，含量越低，硬度越低。

硫和磷是有害元素，一般不用来调整硬度。

这是灰铸铁的五大元素。

之外的，还有Cr、Mo ，作用和Mn相似。

Cu对硬度影响比较小，主要是促进石墨化，稳定珠光体，增加灰铸铁的强度和韧性，还有很多的元素，不过常用的成分就是这些了。

第三种调整硬度的方法就是灰铸铁的孕育处理了，这是最常用的方法，通常在出炉后的铁水中缓缓加入孕育剂（最常用的75Si-Fe），孕育处理之后的灰铸铁，硬度会趋于均匀，改善了机械加工的性能，也增加了灰铸铁的强度。

一、提高灰铸铁250硬度的几种方法1、炉料配比炉料配比用生铁+废钢+回炉料+增碳剂的方法，利用增碳剂里的氮改变石墨的形态和长度来提高灰铁铸件的硬度。

2、控制化学成分(1)许多熔炼公司认为硫元素有害，硫在铁液中的含量越低越好，其实也不是这样，在灰铁铸件中应考虑“硅碳化”和“锰硫比”。

即Mn=1.71S+(0.2~0.5)。

HT250化学成分表：碳 3~3.3%；磷≤0.12；硅1.65~2.05；锰0.7~1.1钛≤0.05；硫≤0.12（2）低合金化，加一两种合金元素，加入时，应考虑碳元素的含量,不要盲目追求硬度。

3、铁液过热对于灰铁铸件，在一定范围内提高铁液温度能使石墨细化，基体组织致密，铸铁的抗拉强度和布氏硬度有所提高。

铁液过热温度控制在1500-1530℃，过热时间控制在10min之内为好。

铸铁铸态组织基础知识铸铁是一种常见的金属材料，具有优异的机械性能和耐磨性。

铸铁的组织结构对其性能具有重要影响，铸态组织是铸铁最基本的组织形态之一。

本文将介绍铸铁铸态组织的基础知识。

铸态组织是指铸铁在凝固过程中形成的组织结构。

铸态组织主要由铁素体、珠光体和渗碳体组成。

铁素体是铸铁中最主要的组织相，具有良好的塑性和韧性。

珠光体是铸铁中的第二相，呈球状或胞状分布在铁素体中，能够提高铸铁的硬度和强度。

渗碳体是铸铁中的第三相，主要由碳化物组成，能够提高铸铁的耐磨性和硬度。

铁素体的形成是铸态组织形成的基础。

在铸铁凝固过程中，当温度降低到铁素体形核温度以下时，铁素体开始形成。

铁素体的晶粒生长速度较快，且晶粒较大，因此铸铁的铸态组织中常常存在较粗的铁素体晶粒。

珠光体的形成是在铁素体晶粒内部或晶界上形成的。

在铸铁凝固过程中，当温度进一步降低到珠光体形核温度以下时，珠光体开始形成。

珠光体的形成需要一定的过冷度，因此铸铁的铸态组织中常常存在过冷铁素体。

过冷铁素体是指在晶界或晶内形成的较细小的铁素体晶粒，其形成是由于凝固过程中的过冷现象导致的。

渗碳体的形成是在铁素体中形成的。

在铸铁凝固过程中，当温度进一步降低到渗碳体形核温度以下时，渗碳体开始形成。

渗碳体主要由碳化物组成，其中常见的有Fe3C碳化物。

渗碳体的形成能够提高铸铁的硬度和耐磨性。

铸态组织的性能与组织形态有密切关系。

铸态组织中的铁素体能够提高铸铁的塑性和韧性，而珠光体和渗碳体则能够提高铸铁的硬度和强度。

不同的铸态组织形态对铸铁的性能有不同的影响。

例如，过多的渗碳体会导致铸铁脆性增加，而过多的珠光体会导致铸铁的塑性降低。

为了得到理想的铸态组织，可以通过控制铸铁的凝固速度和凝固方式来调控铸态组织的形成。

凝固速度的增加可以促进珠光体和渗碳体的形成，从而提高铸铁的硬度和强度；凝固方式的改变可以改变铸态组织的形貌，如通过定向凝固可以得到具有纤维状铸态组织的铸铁。

铸态组织是铸铁最基本的组织形态之一，其由铁素体、珠光体和渗碳体组成。

球墨铸铁洛氏硬度跟牌号有关，一般常见的球墨铸铁洛氏硬度为130~220HB。

具体数据如下表：shuQT-H330: HBS 280~360QT-H300: HBS 245~335QT-H265: HBS 225~305QT-H230: HBS 190~270QT-H200: HBS 170~230QT-H185: 1HBS 60~210QT-H155: HBS 130~180QT-H150::HBS 130~180球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。

洛氏硬度HRB是采用100Kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。

例如：软钢、有色金属、退火钢、铸铁等。

一般常见的球墨铸铁洛氏硬为130~220HB。

洛氏硬度（HR）测试，当被测样品过小或者布氏硬度（HB）大于450时，就改用洛氏硬度计量。

试验方法是用一个顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为 1.5875mm/3.175mm/ 6.35mm/12.7mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。

最常用的三种标尺为A、B、C，即HRA、HRB、HRC，要根据实验材料硬度的不同，选用不同硬度范围的标尺来表示：HRA是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度较高的材料。

例如：钢材薄板、硬质合金。

HRB 是采用100Kg载荷和直径1.5875mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。

例如：软钢、有色金属、退火钢等。

HRC 是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度较高的材料。

例如：淬火钢、铸铁等。

区别和换算：钢材的硬度：金属硬度(Hardness）的代号为H。

常规表示有布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）硬度等，其中以HB及HRC较为常用。