鑄鐵的熱處理

1、niuwkcomniuwkcom鑄鐵的熱處理按工藝目的不同，鑄鐵熱處理主要可以分為以下幾種：去應力退火熱處理；石墨化熱處理；改變基體組織熱處理。本章簡要介紹上述熱處理工藝的理論基礎和工藝特點。第一節(jié)去應力退火熱處理去應力退火就是將鑄件在一定的溫度下保溫，然后緩慢冷卻，以消除鑄件中的鑄造殘留應力。對于灰口鑄鐵，去應力退火可以穩(wěn)定鑄件幾何尺寸，減小切削加工后的變形。對于白口鑄鐵，去應力退火可以避免鑄件在存放、運輸和使用過程中受到振動或環(huán)境發(fā)生變化時產生變形甚至自行開裂。一、鑄造殘留應力的產生鑄件在凝固和以后的冷卻過程中要發(fā)生體積收縮或膨脹，這種體積變化往往受到外界和鑄件各部分之間的約束而不能自由地

2、進行，于是便產生了鑄造應力。如果產生應力的原因消除后，鑄造應力隨之消除，這種應力叫做臨時鑄造應力。如果產生應力的原因消除后鑄造應力仍然存在，這種應力叫做鑄造殘留應力。鑄件在凝固和隨后的冷卻過程中，由于壁厚不同，冷卻條件不同，其各部分的溫度和相變程度都會有所不同，因而造成鑄件各部分體積變化量不同。如果此時鑄造合金已經處于彈性狀態(tài)，鑄件各部分之間便會產生相互制約。鑄造殘留應力往往是這種由于溫度不同和相變程度不同而產生的應力。二、去應力退火的理論基礎研究表明，鑄造殘留應力與鑄件冷卻過程中各部分的溫差及鑄造合金的彈性模量成正比。過去很長的時期里，人們認為鑄造合金在冷卻過程中存在著彈塑性轉變溫度，并認為

3、鑄鐵的彈塑性轉變溫度為左右。基于這種認識，去應力退火的加熱溫度應是。但是，實踐證明這個加熱溫度并不理想。近期的研究表明，合金材料不存在彈塑性轉變溫度，即使處于固液共存狀態(tài)的合金仍具有彈性。為了正確選擇去應力退火的加熱溫度，首先讓我們看看鑄鐵在冷卻過程中應力的變化情況。圖是用應力框測定的灰鑄鐵冷卻過程中粗桿內應力的變化曲線。在點前灰鑄鐵細桿已凝固完畢，粗桿處于共晶轉變期，粗桿石墨化所產生的膨脹受到細桿的阻礙，產生壓應力，到達點時，粗桿的共晶轉變結束，應力達到極大值。從點開始，粗桿冷卻速度超過細桿，二者溫差逐漸減小，應力隨之減小，到達點時應力降為零。此后由于粗桿的線收縮仍然大于細桿，加上細桿進入共

4、析轉變后石墨析出引起的膨脹，粗桿中的應力轉變?yōu)槔瓚Α５竭_點時粗桿共析轉變開始，細桿共析轉變結束，兩桿溫差再次增大，粗桿受到的拉應力減小。到達點時，粗桿受到的拉應力降為零，粗桿所受到的應力又開始轉變?yōu)閴簯?。從點開始，粗桿的冷卻速度再次大于細桿，兩桿的溫差再次減小，粗桿受到的壓應力開始減小。到達點時，應力再度為零。此時兩桿仍然存在溫差，粗桿的收縮速度仍然大于細桿，在隨后的冷卻過程中，粗桿所受到的拉應力繼續(xù)增大。從上述分析可以看出，灰鑄鐵在冷卻過程中有三次完全卸載（即應力等于零）狀態(tài)。如果在其最后一次完全卸載（即點）時，對鑄件保溫，消除兩桿的溫差，然后使其緩慢冷卻，就會使兩桿間的應力降到最小。對

5、灰鑄鐵冷卻過程中的應力測定表明，灰鑄鐵最后一次完全卸載溫度在。這與實際生產中灰鑄鐵的退火溫度相近。三、去應力退火工藝為了提高去應力退火的實際效果，加熱溫度最好能達到鑄件最后一次完全卸載溫度。在低于最后一次完全卸載溫度時，加熱溫度越高，應力消除越充分。但是，加熱溫度過高，會引起鑄件組織發(fā)生變化，從而影響鑄件的性能。對于灰鑄鐵件，加熱溫度過高，會使共析滲碳體石墨化，使鑄件強度和硬度降低。對于白口鑄鐵件，加熱溫度過高，也會使共析滲碳體分解，使鑄件的硬度和耐磨性大幅度降低。普通灰鑄鐵去應力退火的加熱溫度為0當鑄鐵中含有穩(wěn)定基體組織的合金元素時，可適當提高去應力退火溫度。低合金灰口鑄鐵為，高合金灰口鑄鐵

6、可提高到0加熱速度一般為h保溫時間可按以下經驗公式計算：=鑄件厚度+式中鑄件厚度的單位是毫米，保溫時間的單位是小時，在范圍里選擇。形狀復雜和要求充分消除應力的鑄件應取較大的值。隨爐冷卻速度應控制在0以下，一般鑄件冷至出爐，形狀復雜的鑄件冷至出爐。表為一些灰鑄鐵件的去應力退火規(guī)范，供參考。表一些灰鑄鐵件的去應力退火規(guī)范鑄件類別鑄件質量鑄件厚度熱處理規(guī)范裝爐溫度加熱速度退火溫度保溫時間冷卻速度出爐溫度鼓風機機架等具有復雜外形并要求精確尺寸的鑄件機床床身等類似鑄件較小型機床鑄件筒形結構簡單鑄件紡織機械等小型鑄件普通白口鑄鐵去應力退火的加熱溫度不應超過,高合金白口鑄鐵由于其共析滲碳體穩(wěn)定性好及鑄造應力

7、大，其加熱溫度一般遠遠高于普通白口鑄鐵，可達。表給出了兩種高合金白口鑄鐵的去應力退火規(guī)范，供參考。表兩種高合金白口鑄鐵的去應力退火規(guī)范鑄鐵種類和成分加熱速度退火溫度保溫時間冷卻速度高硅耐蝕鑄鐵(008,11%,0%,W00%W0%或71%)形狀簡單的中、小件W100C-00隨爐緩慢冷卻(7h形狀復雜件：澆注凝固后，0出型入爐-0隨爐緩慢冷卻(7h高鉻鑄鐵(01%,71%,70%,%,W00%,W0%或1.%,71%,70%,%,W0%,W0%)0以下：7,0以上：7=鑄件壁厚,隨爐緩慢冷卻(7h至10071出爐空冷第二節(jié)石墨化退火熱處理石墨化退火的目的是使鑄鐵中滲碳體分解為石墨和鐵素體。這種熱

8、處理工藝是可鍛鑄鐵件生產的必要環(huán)節(jié)。在灰鑄鐵生產中，為降低鑄件硬度，便于切削加工，有時也采用這種工藝方法。在球墨鑄鐵生產中常用這種處理方法獲得高韌性鐵素體球墨鑄鐵。一、石墨化退火的理論基礎根據相穩(wěn)定的自由能計算，鑄鐵中滲碳體是介穩(wěn)定相，石墨是穩(wěn)定相，滲碳體在低溫時的穩(wěn)定性低于高溫。因此從熱力學的角度看，滲碳體在任一溫度下都可以分解為石墨和鐵碳固溶體，而且在低溫下，滲碳體分解更容易。但是，石墨化過程能否進行，還取決于石墨的形核及碳的擴散能力等動力學因素。對于固態(tài)相變，原子的擴散對相變能否進行起重要作用。由于溫度較高時，原子的擴散比較容易，因此實際上滲碳體在高溫時分解比較容易。尤其是自由滲碳體和共

9、晶滲碳體分解時，由于要求原子做遠距離擴散，只有在溫度較高時才有可能進行。石墨的形核對于可鍛鑄鐵，滲碳體的分解首先要求形成石墨核心。在固相基體中，石墨形核既要克服新相形成所引起的界面能的增加，同時又要克服石墨形核時體積膨脹所受到的外界阻礙，因此其形核比在液態(tài)時要困難得多。由于在滲碳體與其周圍固溶體的界面上存在有大量的空位等晶體缺陷，石墨晶核首先在這里形成。在滲碳體內，盡管也可能存在有晶體缺陷，但是由于石墨形核會引起較大的體積膨脹，而滲碳體硬度高，體積容讓性差，必然會對此產生巨大的阻力，從而阻礙石墨核心在其內部形成。在實際生產中，鑄鐵內往往存在有各種氧化物、硫化物等夾雜物。其中一些夾雜物與石墨有良

10、好的晶格對應關系，可以作為石墨形核的基底，減小了由于石墨形核所造成的界面能的增加。因此在實際條件下，石墨形核要比理想狀態(tài)容易些。對于灰鑄鐵和球墨鑄鐵，石墨化過程不需要石墨重新形核。高溫石墨化過程高溫石墨化的主要目的是使自由滲碳體和共晶滲碳體分解。如果把含有滲碳體的鑄鐵加熱到奧氏體溫度區(qū)域，石墨的形核則發(fā)生在奧氏體與滲碳體的界面上。石墨形核后，隨著滲碳體的分解，借助于碳原子向石墨核心的擴散不斷長大，最終完成石墨化過程。需要指出的是，對于可鍛鑄鐵而言，其鑄態(tài)組織是按亞穩(wěn)定系凝固而成，其中奧氏體相對于穩(wěn)定系奧氏體呈碳過飽和狀態(tài)，石墨化后，奧氏體中碳濃度也要發(fā)生變化。石墨化完成后，鑄鐵的平衡組織為奧氏

11、體加石墨。如果此時將鑄鐵緩慢冷卻，奧氏體將發(fā)生共析轉變，其轉變產物是鐵素體和二次石墨，鑄鐵的最終平衡組織為鐵素體加石墨。低溫石墨化過程低溫石墨化是指在溫度（）以下保溫的石墨化過程?？煞譃閮煞N情況：一種是鑄鐵經過高溫奧氏體化后再進行低溫石墨化處理；另一種是鑄鐵不經過高溫奧氏體化，而僅加熱到溫度以下進行低溫石墨化。前者的目的是使奧氏體在共析轉變時按穩(wěn)定系轉變?yōu)殍F素體和石墨。后者不形成奧氏體，共析滲碳體直接分解為鐵素體加石墨。如前所述，從熱力學條件看，在低溫下石墨化是可能的。此時關鍵的問題是碳原子的擴散。在低溫下，碳原子本身的擴散能力很低，加之鐵素體溶解碳的能力很小，碳原子的擴散比較困難，主要通過晶

12、粒邊界和晶體內部缺陷進行。因此，要提高低溫石墨化的速度，關鍵是減小碳原子的擴散距離。細化鑄態(tài)組織，增加晶界，增加石墨核心是減小碳原子擴散距離的有效措施。二、石墨化退火工藝鐵素體（黑心）可鍛鑄鐵的石墨化退火工藝圖所示，黑心可鍛鑄鐵的石墨化有五個階段：升溫；第一階段石墨化；中間階段冷卻；第二階段石墨化；出爐冷卻。表為一些典型可鍛鑄鐵件石墨化退火實例，供參考表一些典型可鍛鑄鐵件石墨化退火實例產品名稱鑄鐵牌號化學成分%汽車底盤零件.3,汽車拖拉機鐵道等零件5.5,1閥門、手扶拖拉機零件.33,0M6%；,54,W2孕育劑%退火爐退火規(guī)范升降式電爐連續(xù)式火焰隧道爐一鋅氣氛燃煤爐珠光體可鍛鑄鐵石墨化退火工

13、藝珠光體可鍛鑄鐵的石墨化退火與鐵素體可鍛鑄鐵的第一階段石墨化相同，但不進行第二階段石墨化，或在第一階段石墨化后淬火并高溫回火。其熱處理實例見表4表珠光體可鍛鑄鐵石墨化退火實例產品名稱鑄鐵牌號化學成分%孕育劑%退火爐基體組織退火規(guī)范手扶拖拉機軸承座、插銷等5.,一室內媒粉爐片狀珠光體臺車車輪、拖拉機履帶板、農機具零件5,0,一室內媒粉爐粒狀珠光體汽車曲軸5,3,電爐細粒狀索氏體灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的石墨化退火灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的石墨化退火又稱為軟化退火。當鑄件中共晶滲碳體不多時，石墨化退火的目的是使共析滲碳體分解，此時可選用低溫石墨化退火。當鑄件中含有自由滲碳體或共晶滲碳體時石墨化退火的目的是消除

14、自由滲碳體和共晶滲碳體，此時須進行高溫石墨化退火。退火工藝見表5表灰口鑄鐵和球墨鑄鐵石墨化退火工藝退火類型鑄鐵類型加熱溫度保溫時間出爐溫度低溫石墨化灰口鑄鐵球墨鑄鐵鑄件厚度高溫石墨化灰口鑄鐵鑄件厚度球墨鑄鐵鑄件厚度第三節(jié)改變基體組織的熱處理一、改變基體組織熱處理的理論基礎過冷奧氏體的轉變及其產物如果將奧氏體化后的鑄鐵冷卻到溫度以下（此時的奧氏體稱為過冷奧氏體），奧氏體就會發(fā)生轉變。其轉變可以是珠光體轉變、貝氏體轉變、或馬氏體轉變。究竟發(fā)生何種轉變一方面取決于各種轉變生成相在不同溫度下的自由能，另一方面與各種轉變所要求的動力學條件有關。對于鐵碳合金，珠光體轉變發(fā)生在以下至左右。在此溫度下，原子可

15、以充分擴散，轉變產物為珠光體。在一般情況下，珠光體內的鐵素體和滲碳體呈片狀相間分布，其片層厚度與珠光體轉變溫度有關。轉變溫度越低，所形成的珠光體分散度越高，片層間距越小，其力學性能越高。隨著轉變溫度的降低，其轉變產物依次為粗大珠光體或稱珠光體，細珠光體或稱索氏體，極細珠光體或稱屈氏體（托氏體）。如果奧氏體冷卻到大約進行轉變，由于溫度較低，原子的擴散不能充分進行，奧氏體分解為介穩(wěn)定的過飽和a與碳化物（或滲碳體）的混合物。這種轉變產物稱為貝氏體。貝氏體分為上貝氏體和下貝氏體。在接近珠光體轉變溫度（稍下）所形成的貝氏體稱為上貝氏體，由平行的a相和其間分布的碳化物所組成。在金相顯微鏡下，上貝氏體呈羽毛

16、狀，因此又叫做羽毛狀貝氏體。在靠近馬氏體轉變溫度（稍上）所形成的貝氏體稱為下貝氏體，由針狀過飽和a及其上分散的微細碳化物所組成，又叫做針狀貝氏體。如果奧氏體冷卻到更低的溫度進行轉變，原子的擴散已無法進行，奧氏體只能以非擴散的形式轉變?yōu)轳R氏體。奧氏體只有冷卻到某一溫度以下才可以發(fā)生馬氏體轉變，這個溫度稱為馬氏體轉變開始點，簡稱馬氏體點。馬氏體轉變的特點是在轉變過程中鐵、碳原子都不發(fā)生擴散，所生成的馬氏體與原來的奧氏體成分相同。從晶體結構上看，馬氏體仍是碳在a中的過飽和固溶體。高碳馬氏體在金相顯微鏡下呈針狀。過冷奧氏體等溫轉變動力學曲線（曲線）過冷奧氏體等溫轉變動力學曲線是表示不同溫度下過冷奧氏體

17、轉變量與轉變時間關系的曲線。由于通常不需要了解某時刻轉變量的多少，而比較注重轉變的開始和結束時間，因此常常將這種曲線繪制成溫度一時間曲線，簡稱曲線（如圖所示）。曲線的左邊一條線表示轉變開始時間，稱為孕育期。孕育期的長短取決于過冷奧氏體在該溫度下的穩(wěn)定性，它與該溫度下過冷奧氏體與形成新相之間的能量差和碳原子的擴散能力有關。如圖所示，溫度越低，過冷度越大，自由能差越大，轉變驅動力越大；但同時，溫度的降低又使原子的擴散能力降低。因此過冷奧氏體在某一特定溫度下轉變的孕育期最短。溫度過高和過低都不利。對于鑄鐵，其奧氏體成分一般是過共析的，其曲線上多出一條表示先共析滲碳體（或石墨）析出的曲線（如圖所示）。

18、奧氏體的成分偏離共析點越遠，這條先共析相析出線距離珠光體轉變開始線也越遠。鐵成分不同，其過冷奧氏體轉變的曲線不同。根據不同成分鑄鐵過冷奧氏體轉變的曲線，可以容易地預測該成分鑄鐵不同溫度下奧氏體等溫轉變的產物，從而制訂合理的等溫轉變熱處理工藝。過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變曲線（曲線）在實際熱處理中，等溫熱處理工藝比較繁瑣，因而較多的是采用連續(xù)冷卻熱處理。在連續(xù)冷卻過程中，奧氏體是在不斷降溫過程中發(fā)生轉變的。為簡便起見，可以將鑄鐵的冷卻曲線繪制到曲線上，以定性地分析在連續(xù)冷卻條件下過冷奧氏體的轉變。如圖所示，當冷卻速度為時，冷卻曲線與曲線有兩個交點，點表示珠光體轉變開始，點表示珠光體轉變結束。將冷卻速

19、度提高到2轉變開始時間和結束時間縮短，轉變溫度降低。如果將冷卻速度提高到臨界冷卻速度以上（比如），則冷卻曲線不與轉變終了線相交，這表明只有一部分奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w，而其余部分被過冷到點以下轉變?yōu)轳R氏體。在此范圍里，冷卻速度越大，奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w的量越少，而馬氏體量越多。如果冷卻速度大于，則奧氏體全部轉變?yōu)轳R氏體。雖然應用曲線可以定性地分析過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉變，但是由于連續(xù)冷卻時奧氏體轉變的孕育期與等溫轉變有所不同，上述分析在數值上存在著一定的偏差。因此，在分析過冷奧氏體連續(xù)冷卻時比較多的是采用過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變曲線（曲線）。圖是共析成分奧氏體連續(xù)冷卻轉變曲線，為便于對比，圖中還畫出了

20、曲線。與其曲線相比，連續(xù)冷卻時轉變開始時間和開始溫度降低。連續(xù)冷卻速度很小時，轉變的過冷度很小，轉變開始和終了的時間很長。如果提高冷卻速度，則轉變溫度降低，轉變的開始和終了時間縮短，轉變所經歷的溫度區(qū)間增大。圖中C線為轉變中止線，表示冷卻曲線與此線相交時轉變并未完成，但奧氏體分解停止，剩余部分被冷卻到更低的溫度下轉變?yōu)轳R氏體。如果冷卻速度很大，奧氏體將全部轉變?yōu)轳R氏體。化學成分、加熱速度、奧氏體化溫度都對奧氏體連續(xù)冷卻轉變曲線有影響。因此，實際鑄鐵的連續(xù)冷卻轉變曲線與圖一有比較大的出入。圖是一種球墨連續(xù)冷卻轉變曲線，供參考，冷卻曲線下面的數據為硬度(10珠光體、馬氏體、貝氏體相變特點珠光體、馬

21、氏體和貝氏體相變機制在有關金屬學及鋼的熱處理教材中都有詳細介紹，限于篇幅，這里不再贅述。表給出了上述三種轉變的特點，供參考。表中所注溫度是針對鐵碳合金的，對于鑄鐵，則視硅、錳含量而有所不同。表珠光體、馬氏體、貝氏體相變特點主要異同點相變類型珠光體轉變貝氏體轉變馬氏體轉變轉變溫度范圍高溫轉變()中溫轉變(-)低溫轉變(以下)擴散性具有碳原子和鐵原子的擴散碳原子擴散，而鐵原子不擴散無擴散生核、長大與領先相生核、長大，一般以滲碳體為領先相生核、長大，一般以鐵素體為領先相生核、長大共格性無共格性具有共格性，產生表面浮凸現象具有共格性，產生表面浮凸現象組成相兩相組織兩相組織單相組織Y（。Y一aY（。十十

22、（約以上）Y（。（約以下）合金兀素擴散重合金元素的分布合金元素不擴散合金兀素不擴散新分布二、改變基體組織的熱處理及其工藝正火鑄鐵的正火處理主要用于球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵，其目的是使基體組織中珠光體含量增多，提高鑄鐵的耐磨性和強度。對于球墨鑄鐵而言，根據加熱時是否保留部分鐵素體，正火可分為完全奧氏體化正火和部分奧氏體化正火?；铱阼T鐵的正火工藝灰口鑄鐵共晶滲碳體較少時，正火加熱溫度一般為;共晶滲碳體較多時，加熱溫度一般為。加熱溫度高，可提高奧氏體的碳含量，使冷卻后珠光體量提高。保溫時間為小時。保溫后在空氣中冷卻，或采用風冷和噴霧冷卻，以提高珠光體含量，并使其細化。球墨鑄鐵的正火處理球墨鑄鐵的熱

23、處理主要有高溫奧氏體化正火，兩階段正火，部分奧氏體化正火和高溫不保溫正火。這些正火工藝的目的、工藝規(guī)范、及所得到的基體組織見表7表球墨鑄鐵常用正火工藝熱處理名稱目的熱處理規(guī)范基體組織備注高溫奧氏體化正火提高組織均勻性，提高強度、硬度、耐磨性或消除滲碳體珠光體十少量鐵素體（牛眼狀）冷卻時易析出二次滲碳體；復雜件要回火兩階段正火目的同上，但能防止二次滲碳體出現珠光體十少量鐵素體（牛眼狀）復雜件要回火部分奧氏體化正火獲得良好的強度和韌性珠光體+鐵素體（破碎狀）原始組織不應有游離滲碳體，復雜件要回火高溫不保溫正火獲得良好的強度和韌性珠光體十少量鐵素體（破碎狀）原始組織不應有游離滲碳體，復雜件要回火淬火

24、和回火淬火的目的是獲得普通冷卻條件下不能得到的急冷組織，以提高鑄件的硬度、耐磨性和綜合力學性能。回火則是淬火處理的一種后處理工序，其目的是減小淬火中產生的應力?？鼓グ卓阼T鐵的淬火及回火工藝表給出了一些抗磨白口鑄鐵的熱處理規(guī)范，供參考。表一些白口鑄鐵的熱處理參考規(guī)范牌號轉化退火工藝淬火工藝回火工藝最大斷面尺寸保溫0出爐空冷保溫6出爐空冷保溫,緩冷至保溫，緩冷至以下出爐空冷保溫h出爐空冷C保溫h出爐空冷保溫h緩冷至保溫，緩冷至以下出爐空冷保溫h出爐空冷C保溫h出爐空冷保溫,緩冷至保溫，緩冷至以下出爐空冷保溫，出爐空冷C保溫h出爐空冷保溫，出爐空冷球墨鑄鐵的淬火及回火工藝球墨鑄鐵的淬火及回火工藝見表

25、9表球墨鑄鐵的淬火及回火工藝工序說明淬火完全奧氏體化后淬火一般加熱到（加熱時共析轉變溫度）上限以上0,普通球墨鑄鐵,淬火后為馬氏體組織，再回火。R,部分奧氏體化后淬火加熱到共析轉變溫度范圍內（即加熱時共析轉變的上、下限之間），淬火后為馬氏體和少量分散分布的鐵素體，再回火。，回火低溫回火（）馬氏體開始分解，析出碳化物微粒，成為回火馬氏體（即含碳量比淬火馬氏體少的馬氏體）。最終組織為細針狀回火馬氏體十殘余奧氏體十球墨降低殘余應力和脆性，保持高硬度和耐磨性中溫回火（）馬氏體分解終了，形成鐵素體和細小彌散滲碳體質點的混合組織，稱為回火屈氏體或屈氏體彈性高，韌性好。僅用與廢氣渦輪的球墨鑄鐵密封環(huán)，其它應用很少高溫回火（,一般）馬氏