摘要：本文主要对于低膨胀铸铁的铸造工艺与热处理工艺进行分析，再分析低膨胀铸铁的铸造工艺研究的基础上，最后通过不同热处理方案对比、动态热处理实验寻找合适的热处理工艺，并对热处理工艺进行合理解释和优化。
关键词：低膨胀铸铁；铸造工艺；热处理工艺
1 概念
低膨胀铸铁是一种铸造材料，其铸造工艺性能的好坏是评价该材料工艺性能的重要指标。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量。
金属热处理是机械制造的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工作的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用功能。其特点是改善工件的内在质量。铸态条件下的工件由于冷却速度、凝固顺序等方面的影响，在内部组织上容易存在一些铸造缺陷，利用合适的热处理工艺能够有效的改善铸态组织，提高材料的综合性能。同时采用有效的热处理手段能够在一定程度上降低低膨胀铸铁材料的线膨胀系数，这对于增加该材料的使用精度、降低生产成本有着重要的作用。
2低膨胀铸铁的铸造工艺研究
铸造材料的铸造工艺性能主要包括以下几个方面：1）流动性。铸铁的流动性是铸铁铁液充填铸型的能力。流动性的评估主要是基于对阶梯状试样3mm阶梯位置的充填能力而进行的；2）线收缩率。铁液凝固成铸件之后，在继续冷却的过程中会产生尺寸的收缩，铸件长度方向上收缩的数量与其原来尺寸比值的百分数称为线收缩率；3）缩孔缩松倾向。浇入铸型中的液态金属或者合金在随后的冷却和凝固过程中，若其由液态收缩和凝固收缩引起的容积缩减而得不到补充，会在铸件最后凝固的部位形成空洞；4）壁厚敏感性。对于不同壁厚的铸件之间性能差异越小，表明该种材料的对于壁厚不敏感，可以适用的壁厚范围更广泛。
设计的阶梯型试样，阶梯高度分别为3mm、5mm、10mm、20mm、30mm、40mm，长度为100mm。使用粘土砂造型的阶梯形试样进行了实际浇注，铸件的实测成分为C 2.1%、Si 1.0、Ni 32%。阶梯形试样中厚度为3mm的最薄台阶也能够很好的充满，并且无明显的宏观缺陷。表明彦合金具有良好的充型性能，即铸造合金所应具备的铸造成形性。经过阶梯铸件横向尺寸测量。与设计的尺寸相差无几，表明该材料的横向收缩性能良好，加之良好的充型性能，可以满足复杂型腔的浇注。但是可观察到少许缩松缩孔现象的存在，其他部位末观察判明显的宏观缺陷。在铸件的凝固过程中，因液态收缩和凝固收缩，在局部的热节处（或最终凝固的部位）易出现缩孔或缩松，而该处的收缩缺陷不难通过适当的补缩措施加以消除。
为把握低膨胀铸铁性能对壁厚的敏感性，本研究在各台阶的中间位置取样进行了线膨胀系数的测量以及各壁厚表面的硬度测试，由此可见，壁厚增大冷却速度变低，线膨胀系数就越大。不同壁厚的硬度测试结果表明，随着壁厚的增加，硬度会逐渐降低。
冷却速度对于低膨胀铸铁的组织形态、力学性能、膨胀性能和缩松缩孔均有影响。冷却速度越大，奥氏体枝晶越发达，石墨也铸件成弥散、细小状分布；而硬度随之增加、线膨胀系数减小，而缩松缩孔多发生在冷却速度较慢的位置。
壁厚减小引起的冷却速度增加导致奥氏体枝晶发达的同时，会使石墨和共晶团组织变得细小，导致晶界强度增加。因此随着壁厚的减小，硬度增加。奥氏体树枝晶在低膨胀铸铁中如同支架一般，其形貌特点直接影响到低膨胀铸铁的力学性能。而对于壁厚与线膨胀系数的关系，日本学者旗手稔等认为在373K时低膨胀铸铁各组织膨胀系数与材料的线膨胀存在以下经验公式：
αat373k=VG﹒αG+(1-VG)﹒αM (1)
式中VG是石墨的体积率，αG是石墨的平均线膨胀系数，c是基体的线膨胀系数，也就是奥氏体的平均线膨胀系数。因VG>αG，故石墨所占的比例越低（相对来说奥氏体的含量就高），铸件的线膨胀系数就越小。当试样的壁厚越小，石墨不易析出，含量越低，线膨胀系数越小，这与公式所显示的方向是完全一致的。
3热处理对低膨胀铸铁膨胀性能的影响
本研究分别采用以下三组不同方案，对铸态试样进行了热处理。1）加热至1100℃水淬；2）加热至1100℃保温1h后随炉冷却；3）加热至1100℃保温10小时后随炉冷却。热处理后试样的线膨胀系数的测量结果如表1所示。
线膨胀系数 α100(10-6) α200(10-6)
热处理方案 A B C A B C
Ni28 4.3770 5.4675 4.3563 7.5776 8.0976 7.6854
Ni34 2.6574 3.4567 2.6543 3.8456 4.6788 3.8253
Ni39 5.8976 6.1456 5.4563 5.9088 6.4536 5.5468
表1不同热处理方案的线膨胀系数
不同的Ni含量下，方案A和方案C都能较大幅度地降低膨胀系数，而方案B对膨胀系数则影响不大。方案A能够大幅度降低线膨胀系数的原因是：高温的快速冷却导致组织内部应力骤然增加。线膨胀系数测量过程中，随着温度的增加，内应力低消了一部分的膨胀应力，宏观显示上就为线膨胀系数的降低。采用动态热处理观察的方法研究热处理工艺对低膨胀铸铁组织性能的改变。在进行方案C(加热至1100℃保温10h后随炉冷却)的时候，每隔2h进行一次取样，立即进行水冷，以观察高温热处理状态下其组织状态。可以看到随着高温保温时间的增加，一些碳化物和渗碳体组织逐渐减少，石墨分别更加均匀。
Ni在铸态的低膨胀铸铁中存在一定的成分偏析，可以看到经过长时间的扩散热处理之后，Ni原于均匀分布在奥氏伴内。说明K时间的高温均匀化处理有利于消除渗碳体组织，并使得奥氏体基体中合金元素分步均匀，从而降低其线膨胀系数。为了降低甚至消除这种Ni元素的凝固偏析状态，日本有学者尝试使用在凝固过程中使用超声波搅拌的办法，也获得了较为良好的效果。
4结论
1）通过实际浇注阶梯型试样，发现低膨胀铸铁材料具有良好的充型性能，较低的线收缩率。随着壁厚的增加，线膨胀系数也随之增加，硬度随之降低。
2）在373K时低膨胀铸铁的线膨胀系数和奥氏体的面积率有着密切的关系。奥氏体的面积率越大，铸件的线膨胀系数就越低。
3）高温快速冷却和高温均匀化都能够有效的降低低膨胀铸铁的线膨胀系数。高温快速冷却主要是通过增加晶体应力来降低材料的线膨胀系数，高温均匀化主要是通过改善组织内元素偏析，增加原子间结合力的方法来降低材料的线膨胀系数。
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