灰鑄鐵的熱處理-灰鐵鑄件

1、灰鑄鐵的熱處理退火1. 去應(yīng)力退火為了消除鑄件的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定其幾何尺寸，減少或消除切削加工后產(chǎn)生的畸變，需要對(duì)鑄件進(jìn)行去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火溫度的確定，必須考慮鑄鐵的化學(xué)成分。普通灰鑄鐵當(dāng)溫度起過550時(shí)，即可能發(fā)生部分滲碳體的石墨化和?；箯?qiáng)度和硬度降低。當(dāng)含有合金元素時(shí)，滲碳體開始分解的溫度可提高到650左右。通常，普通灰鑄鐵去應(yīng)力退火溫度以550為宜，低合金灰鑄鐵為600，高合金灰鑄鐵是可提高到650C,加熱速度一般選用60120c/h.保溫時(shí)間決定于加 熱溫度、鑄件的大小和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度以及對(duì)消除應(yīng)力程度的要求。鑄件去應(yīng)力退火的冷卻速度必須緩慢，以免產(chǎn)生二次殘余內(nèi)應(yīng)力，冷卻速度一般控

2、制在2040c/h,冷卻到200150c以下，可出爐空冷。一些灰鑄鐵件的去應(yīng)力退火規(guī)范示于表1.2. 石墨化退火灰鑄鐵件進(jìn)行石墨化退火是為了降低硬度，改善加工性能，提高鑄鐵的塑性和韌性。若鑄件中不存在共晶滲碳體或其數(shù)量不多時(shí)，可進(jìn)行低溫石墨化退火；當(dāng)鑄 件中共晶滲碳體數(shù)量較多時(shí)，須進(jìn)行高溫石墨化退火。（ 1）低溫石墨化退火，鑄鐵低溫退火時(shí)會(huì)出現(xiàn)共析滲碳體石墨化與粒化，從 而使鑄件硬度降低，塑性增加。灰鑄鐵低溫石墨化退火工藝是將鑄件加熱到稍低于Ac1 下限溫度，保溫一段時(shí)間使共析滲碳體分解，然后隨爐冷卻。（ 2）高溫石墨化退火，高溫石墨化退火工藝是將鑄件加熱至高于Ac1 上限以上的溫度，使鑄鐵中

3、的自由滲碳體分解為奧氏體和石墨，保溫一段時(shí)間后根據(jù)所要求的基體組織按不同的方式進(jìn)行冷卻。正火灰鑄鐵正火的目的是提高鑄件的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，或作為表面淬火的預(yù)備熱處理，改善基體組織。一般的正火是將鑄件加熱到Ac上限+3050C,使原始組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，保溫一段時(shí)間后出爐空冷。形狀復(fù)雜的或較重要的鑄件正火處理后需再進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力的退火。如鑄鐵原始組織中存在過量的自由滲碳體，則必須先加熱到Ac1上限+50100c的溫度，先進(jìn)行高溫石墨化以消除自由滲碳體在正火溫度范圍內(nèi)，溫度愈高，硬度也愈高。因此，要求正火后的鑄鐵具有較高硬度和耐磨性時(shí)，可選擇 加熱溫度的上限。正火后冷卻速度影響鐵素體的析出量，從而

4、對(duì)硬度產(chǎn)生影響。冷速愈大，析出的鐵素體數(shù)量愈少，硬度愈高。因此可采用控制冷卻速度的方法）（空冷、風(fēng)冷、 霧冷），達(dá)到調(diào)整鑄鐵硬度的目的。淬火與回火1.淬火鑄鐵淬火工藝是將鑄件加熱到Ac1上限+3050c的溫度，一般取850900C,使組織轉(zhuǎn)變成奧氏體，并在此溫度下保溫，以增加碳在奧氏體中的溶解 度，然后進(jìn)行淬火，通常采用油淬。對(duì)于形狀復(fù)雜或大型鑄件應(yīng)緩慢加熱，必要時(shí)可在500650c預(yù)熱，以避免不均勻加熱而造成開裂。隨奧氏體化溫度升高，淬火后的硬度越高，但過高的奧氏體化溫度，不但增加鑄鐵變形和開裂的危險(xiǎn)，并產(chǎn)生較多的殘留奧氏體，使硬度下降?；诣T鐵的淬透性與石墨大小、形狀、 分布、 化學(xué)成分以及

5、奧氏體晶粒度有關(guān)。石墨使鑄鐵的導(dǎo)熱性降低，從而使它的淬透性下降，石墨越粗大，越多，這 種影響越大。2 .回火 為了避免石墨化，回火溫度一般應(yīng)低于550C,回火保溫時(shí)間按t=鑄件厚度（mm /25+1 （h）計(jì)算。3 .等溫淬火為了減小淬火變形，提高鑄件綜合力學(xué)性能，凸輪、齒輪、缸套 等零件常采用等溫淬火。復(fù)習(xí)前課鑄鐵的分類（P8990）§4-6工程鑄鐵一、鑄鐵的石墨化1.概述鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 并比鋼含有較高的等溫淬火的加熱溫度和保溫時(shí)間與常規(guī)淬火工藝相同。Wc>2.11%的鐵碳合金。它是以Fe、C、Si為主要組成元素,S和P等雜質(zhì)。碳在鑄鐵中，主要以石墨的形式存在。石墨化：鑄

6、鐵中的碳以石墨的形式析出的過程tct X100圖4-11 Fe G與Fe- Fe3c雙重相圖石墨化有兩種方式：一種是在冷卻 過程中，可以從液體和奧氏體中直接析 出石墨；另一種是在一定條件下由亞穩(wěn) 定性的Fe3c分解出鐵素體和穩(wěn)定的石 墨。雙重相圖：實(shí)踐證明，鑄鐵在冷卻 時(shí)，冷速越緩，析出石墨的可能性越大， 用Fe-G相圖說明；冷速趕快，則析出滲 碳體的可能性越大，用 Fe-Fe3c相圖說起，稱之為鐵-碳合金雙相圖明。為便于比較和應(yīng)用，習(xí)慣上把這兩個(gè)相圖合畫在如圖4-11所示。其中虛線表示穩(wěn)定態(tài)（Fe-G）相圖，實(shí)線表示亞穩(wěn)定態(tài)（ Fe-F63C）相圖，虛線與實(shí)線重合的線用實(shí)線畫出。石墨化以哪一

7、種方式進(jìn)行，主要取 決于鑄鐵的成分與保溫冷卻條件。2 .石墨化過程按照Fe-G相圖，鑄鐵的石墨化過程分為三個(gè)階段：第一階段石墨化 對(duì)于過共品成分合金而言，鑄鐵液相冷至C'D'線時(shí)，結(jié)晶出 的一次石墨；各成分鑄鐵，在 1154c （E'C'F'線）通過共晶反應(yīng)形成的共晶石墨。 即I1154 CLCA Ae，+G共晶第二階段石墨化 在1154738c溫度范圍內(nèi)，奧氏體沿 E'S線析出二次石墨。 即G u第三階段石墨化 在738c （P'S'K'線），通過共析轉(zhuǎn)變析出共析石墨。即As 738-F fp，+g共析3 .影響石墨化的

8、主要因素（1）化學(xué)成分 按對(duì)石墨化的作用，可分為促進(jìn)石墨化的元素（C、Si、Al、Cu、 Ni、Co、P等）和阻礙石墨化的元素（Cr、W、Mo、V、Mn、S等）兩大類。 C和Si是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素；S是強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素，而且還降低鐵 液的流動(dòng)性和促進(jìn)高溫鑄件開裂； 適量的Mn既有利于珠光體基體形成，又能消除 S的有害作用； P是一個(gè)促進(jìn)石墨化不太強(qiáng)的元素，能提高鐵液的流動(dòng)性，但當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)超 過奧氏體或鐵素鐵的溶解度時(shí)，會(huì)形成硬而脆的磷共品，使鑄鐵強(qiáng)度降低，脆性增大。總之，生產(chǎn)中，C、Si、Mn為調(diào)節(jié)組織元素，P是控制使用元素，S屬于限制元 素。（2）石墨化溫度 石墨化過程需要碳、鐵原

9、子的擴(kuò)散，石墨化溫度越低，原子 擴(kuò)散越困難，因而石墨化進(jìn)程越慢，或停止。尤其是第三階段石墨化的溫度較低，常 常石墨化不充分。（3）冷卻速度一定成分的鑄鐵，石墨化程度取決于冷卻速度。冷速越慢，越利于碳原子的擴(kuò)散，促使石墨化進(jìn)行。冷速越快，析出滲碳體的可能性就越大。這是由于滲碳體的 Wc (6.69%)比石墨(100%)更接近于合金的 Wc (2.5%4.0%)影響冷卻的因素主要有澆注溫度、鑄件壁厚、鑄型材料等。當(dāng)其它條件相同時(shí)， 提高澆注溫度，可使鑄型溫度升高，冷速減慢；鑄件壁厚越大，冷速越慢；鑄型材料 導(dǎo)熱性越差，冷速越慢。二、鑄鐵的組織與性能1 .鑄鐵的組織 通常鑄鐵的組織可以認(rèn)為是由鋼的基

10、體與不同形狀、數(shù)量、大 小及分布的石墨組成的。石墨化程度不同，所得到的鑄鐵類型和組織也不同。表4-23鑄鐵經(jīng)不同程度石墨化后所得到的組織名稱石墨化程度顯微組織第一階段第二階段第三階段灰鑄鐵充分進(jìn)行充分進(jìn)行充分進(jìn)行充分進(jìn)行充分進(jìn)行充分進(jìn)行充分進(jìn)行部分進(jìn)行不進(jìn)行F+GF+P+ GP+G麻口鑄鐵部分進(jìn)行部分進(jìn)行不進(jìn)行Le' + P+G白口鑄鐵不進(jìn)行不進(jìn)行不進(jìn)行Le' + P+Fe3c2.鑄鐵的性能鑄鐵基體組織的類型和石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布狀態(tài)決定了鑄鐵的性能。(1)石墨的影響石墨是碳的一種結(jié)晶形態(tài)，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù) Wc-100%,具有簡單六方品格。由于石墨的硬度為35HBS,(

11、7b約為20MPa,塑性和韌性極低，伸長率6接近 于零，從而導(dǎo)致鑄鐵的力學(xué)性能如抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性等均不如鋼。并且石墨數(shù)量 越多，尺寸越大，分布越不均勻，對(duì)力學(xué)性能的削弱就越嚴(yán)重。其中 片狀石墨對(duì)基體的削弱作用和引起應(yīng)力集中的程度最大； 球狀石墨對(duì)基體的割裂作用最??； 團(tuán)絮狀石墨的作用居于二者之中。但石墨的存在，使鑄鐵具有優(yōu)異的切削加工性能、良好的鑄造性能和潤滑作用、很好的耐磨性能和抗振性能，大量石墨的割裂作用，使鑄鐵對(duì)缺口不敏感（2）基體組織的影響對(duì)同一類鑄鐵來說，在其它條件相同的情況下，鐵素體相的數(shù)量越多，塑性越好;珠光體的數(shù)量越多，則抗拉強(qiáng)度和硬度越高。由于片狀石墨對(duì)基體的強(qiáng)烈作用，所

12、以只有當(dāng)石墨為團(tuán)絮狀、蠕蟲狀或球狀時(shí)，改變鑄鐵基體組織才能顯示出對(duì)性能的影響。三、常用鑄鐵材料1 .普通灰鑄鐵普通灰鑄鐵俗稱灰鑄鐵，簡稱灰鐵。其生產(chǎn)工藝簡單，鑄造性能優(yōu)良，在生產(chǎn)中 應(yīng)用最為廣泛，約占鑄鐵總量的 80%。（1）灰鑄鐵的成分、組織和性能一般鑄鐵含 Wc = 2.7%3.6%,Wsi= 1.02.2%,WMn = 0.5%1.3%,Ws<0.15%, Wp< 0.3%。其組織有：鐵素體灰鑄鐵（在鐵素體基體上分布著片狀石墨）；珠光體 + 鐵素體灰鑄鐵（在珠光體+鐵素體基體上分布著片狀的石墨）；珠光體灰鑄鐵（在珠 光體基體上分布著片狀的石墨）如圖 4-13 （a）、（b）、

13、（c）所示。圖4-13三種基體的灰鑄鐵灰鑄鐵組織相當(dāng)于在鋼的基體上分布著片狀石墨，因此，其基體的強(qiáng)度和硬度不低于相應(yīng)的鋼。石墨的強(qiáng)度、塑性、韌性極低，在鑄鐵中相當(dāng)于裂縫和孔洞，破壞了 基體金屬的連續(xù)性，同時(shí)很容易造成應(yīng)力集中。因此，灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性及韌 性都明顯低于碳鋼。石墨片的數(shù)量越多、尺寸越大、分布越不均勻，對(duì)基體的割裂作 用越嚴(yán)重。但是石墨片很細(xì)，尤其相互連接時(shí)，也會(huì)使承載面積顯著下降。因此，石墨片長度應(yīng)以0.030.25mm為宜。石墨的存在，使灰鑄鐵的鑄造性能、減摩性、減振性和切削加工性都高于碳鋼，缺口敏感性也較低。灰鑄鐵的硬度和抗壓強(qiáng)度主要取決于基體組織，而與石墨的存在基本無關(guān)

14、。因此，灰鑄鐵的抗壓強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度3 4 倍。（ 2）灰鑄鐵的牌號(hào)及用途灰鑄鐵的片?號(hào)由“ HT+數(shù)字”組成。其中“ HT”是“灰鐵”二字漢語拼音字首， 數(shù)字表示g0mm試棒的最低抗拉強(qiáng)度值（MPa）。常用灰鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能及 用途見表4-24。從表中可以看出，灰鑄鐵的強(qiáng)度與鑄件的壁厚有關(guān)，鑄件壁厚增加則強(qiáng)度降低，這主要是由于壁厚增加使冷卻速度降低，造成基體組織中鐵素體增多而珠光體減少的緣故。（ 3）灰鑄鐵的孕育處理澆注時(shí)向鐵液中加入少量孕育劑（如硅鐵、硅鈣合金等）， 改變鐵液的結(jié)晶條件，以得到細(xì)小、均勻分布的片狀石墨和細(xì)小的珠光體組織的方法，稱為孕育處理。孕育處理時(shí)，孕育劑及它們的氧化

15、物使石墨片均勻細(xì)化，并使鑄鐵的結(jié)晶過程幾乎在全部鐵液中同時(shí)進(jìn)行，避免鑄件邊緣及薄壁處出現(xiàn)白口組織，使鑄鐵各個(gè)部位截面上的組織與性能均勻一致，提高了鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性，同時(shí)也降低了灰鑄鐵的斷面敏感性。經(jīng)孕育處理后的鑄鐵稱為孕育鑄鐵，表 4-24 中， HT250、 HT300、 HT350即屬于孕育鑄鐵，常用于制造力學(xué)性能要求較高，截面尺寸變化較大的大型鑄件，如汽缸、曲軸、凸輪、機(jī)床床身等。（ 4）灰鑄鐵的熱處理由于熱處理僅能改變灰鑄鐵的基本組織，改變不了石墨形態(tài)，因此，用熱處理來提高灰鑄鐵的力學(xué)性能的效果不大。灰鑄鐵的熱處理常用于消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力和穩(wěn)定尺寸，消除鑄件的白口組織、改善切削加工

16、性，提高鑄件表面的硬度及耐磨性。 時(shí)效處理形狀復(fù)雜、厚薄不均的鑄件在冷卻過程中，由于各部位冷卻速度不同，形成內(nèi)應(yīng)力，即削弱了鑄件的強(qiáng)度，又使得在隨后的切削加工中，因應(yīng)力的重新分布而引起變形，甚至開裂。因此，鑄件在成形后都需要進(jìn)行時(shí)效處理，尤其對(duì)一些大型、復(fù)雜或加工精度較高的鑄件（如機(jī)床床身、柴油機(jī)汽缸等），在鑄造后、切削加工前，甚至 在粗加工后都要進(jìn)行一次時(shí)效退火。傳統(tǒng)的時(shí)效處理一般有自然時(shí)效和人工時(shí)效。自然時(shí)效是將鑄件長期放置在室溫下以消除其內(nèi)應(yīng)力的方法；人工時(shí)效是將鑄件重新加熱到 530620C,經(jīng)長時(shí)間保溫 （26h）后在爐內(nèi)緩慢冷卻至200c以下出爐空冷的方法。經(jīng)時(shí)效退火后可消除90%

17、 以上的內(nèi)應(yīng)力。時(shí)效退火溫度越高，鑄件殘余應(yīng)力消除越顯著，鑄件尺寸穩(wěn)定性越好，但隨著時(shí)效溫度的提高，時(shí)效后鑄件力學(xué)性能會(huì)有所下降。振動(dòng)時(shí)效是目前生產(chǎn)中用來消除內(nèi)應(yīng)力的一種新方法。它是用振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，按照振動(dòng)時(shí)效技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)，使金屬工件在半小時(shí)內(nèi)，進(jìn)行近十萬次較大振幅的低頻亞共振振動(dòng)，使之產(chǎn)生微觀塑性變形，從而降低和均化殘余應(yīng)力，防止工件在使用過程中的變形。由于振動(dòng)時(shí)效所需時(shí)間短（半小時(shí)），成本低（一度電和幾元錢），效果好，而且能隨時(shí)隨地多次進(jìn)行，既不降低硬度和強(qiáng)度，又無煙塵環(huán)境污染和氧化皮， 所以廣泛用于鑄件、焊件和機(jī)加工件的時(shí)效處理，被譽(yù)為理想的無成本時(shí)效技術(shù)。 石墨化退火石墨化退火一般是將

18、鑄件以70100c/h的速度加熱至850900C,保溫25h （取決于鑄件壁厚）,然后爐冷至400500c后空冷。目的是消除灰鑄鐵件表層和薄 壁處在澆注時(shí)產(chǎn)生的白口組織。 表面熱處理有些鑄件，如機(jī)床導(dǎo)軌、缸體內(nèi)壁等，表面需要高的硬度和耐磨性，可進(jìn)行表面淬火處理，如高頻表面淬火，火焰表面淬火和激光加熱表面淬火等。淬火前鑄件需進(jìn)行正火處理，以保證獲得大于65%以上的珠光體組織，淬火后表面硬度可達(dá)5055HRC。2球墨鑄鐵球墨鑄鐵是石墨呈球狀的灰鑄鐵。它是在澆注前向砂灰鑄鐵液中加入球化劑和孕育劑，而獲得具有球狀石墨的鑄鐵。球化劑：能使石墨結(jié)晶成球狀的物質(zhì)。常用球化劑：鎂、稀土和稀土鎂合金。孕育劑：硅鐵合金。孕育處理的目的：首先是促進(jìn)石墨化，其次是改善石墨的結(jié)晶條件，使石墨球徑變小，數(shù)量增多，形狀圓整、分布均勻，顯著改善了其力學(xué)性能。（ 1）球墨鑄鐵的成分、組織和性能（自閱回答問題）球墨鑄鐵的成分中，C、 Si 的質(zhì)量