球墨鑄鐵的工藝設(shè)計(jì)

球墨鑄鐵的工藝設(shè)計(jì)第一節(jié)工藝特點(diǎn)一、球墨鑄鐵的流動(dòng)性與澆注工藝球化處理過程中球化劑的參加，一方面使鐵液的溫度降低，另一方面鎂、稀土等元素在澆包及澆注系統(tǒng)中形成夾渣。因此，經(jīng)過球化處理后鐵液的流動(dòng)性下降。同時(shí)，如果這些夾渣進(jìn)入型腔，將會(huì)造成夾雜、針孔、鑄件外表粗糙等鑄造缺陷。

為解決上述問題，球墨鑄鐵在鑄造工藝上須注意以下問題：〔1〕一定要將澆包中鐵液外表的浮渣扒干凈，最好使用茶壺嘴澆包?！?〕嚴(yán)格控制鎂的殘留量，最好在0.06%以下?！?〕澆注系統(tǒng)要有足夠的尺寸，以保證鐵液能做盡快充滿型腔，并盡可能不出現(xiàn)紊流?！?〕采用半封閉式澆注系統(tǒng)，根據(jù)美國鑄造學(xué)會(huì)推薦的數(shù)據(jù)，直澆道、橫澆道與澆道的比例為4：8：3?！?〕澆口盡可能開在鑄型的底部?！?〕在澆注系統(tǒng)中安放過濾網(wǎng)會(huì)有助于排除夾渣。〔7〕適當(dāng)提高澆注溫度以提高鐵液的充型能力并防止出現(xiàn)碳化物。對于用稀土處理的鐵液，其澆注溫度可參閱我國有關(guān)手冊。對于用鎂處理的鐵液，根據(jù)美國鑄造學(xué)會(huì)推薦的數(shù)據(jù)，當(dāng)鑄件壁厚為25mm時(shí)，澆注溫度不低于1315℃；當(dāng)鑄件壁厚為6mm時(shí)，澆注溫度不低于1425℃。

二、球墨鑄鐵的凝固特性與補(bǔ)縮工藝特點(diǎn)

球墨鑄鐵與灰鑄鐵相比在凝固特性上有很大的不同，主要表現(xiàn)在以下方面：

〔1〕球墨鑄鐵的共晶凝固圍較寬?；诣T鐵共晶凝固時(shí)，片狀石墨的端部始終與鐵液接觸，因而共晶凝固過程進(jìn)展較快。球墨鑄鐵由于石墨球在長大后期被奧氏體殼包圍，其長大需要通過碳原子的擴(kuò)散進(jìn)展，因而凝固過程進(jìn)展較慢，以至于要求在更大的過冷度下通過在新的石墨異質(zhì)核心上形成新的石墨晶核來維持共晶凝固的進(jìn)展。因此，球墨鑄鐵在凝固過程中在斷面上存在較寬的液固共存區(qū)域，其凝固方式具有粥狀凝固的特性。這使球墨鑄鐵凝固過程中的補(bǔ)縮變得困難。

〔2〕球墨鑄鐵的石墨核心多。經(jīng)過球化和孕育處理，球墨鑄鐵的石墨核心較之灰鑄鐵多很多，因而其共晶團(tuán)尺寸也比灰鑄鐵細(xì)得多。

〔3〕球墨鑄鐵具有較大的共晶膨脹力。由于在球墨鑄鐵共晶凝固過程中石墨很快被奧氏體殼包圍，石墨長大過程中因體積增大所引起的膨脹不能傳遞到鐵液中，從而產(chǎn)生較大的共晶膨脹力。當(dāng)鑄型剛度不高時(shí)，由此產(chǎn)生的共晶膨脹將引起縮松缺陷。

〔4〕在凝固過程中球墨鑄鐵的體積變化可以分為三個(gè)階段:鐵液澆入鑄型后至冷卻到共晶溫度過程中的液態(tài)收縮，共晶凝固過程中由于石墨球的析出引起的體積膨脹，鐵液凝固后冷卻過程中的體收縮。

由于上述凝固特性，從補(bǔ)縮的角度考慮，球墨鑄鐵在鑄造工藝上有以下特點(diǎn)：

〔1〕鑄型要有高的緊實(shí)度，以使鑄型有足夠的剛度以抵抗球墨鑄鐵共晶凝固時(shí)的共晶膨脹力。需要指出的是，此時(shí)要特別注意采取適當(dāng)?shù)拇胧┨岣哞T型的透氣性，同時(shí)要盡可能地降低型砂中的水份，以防止出現(xiàn)“嗆火〞。

〔2〕合理設(shè)置澆冒口。球墨鑄鐵的冒口與普通鋼及白口鐵不同，球墨鑄鐵冒口設(shè)置的合理性在于它能夠充分補(bǔ)充鐵液的液態(tài)收縮，而當(dāng)鐵液進(jìn)入共晶膨脹階段時(shí)，澆注系統(tǒng)和冒口頸及時(shí)冷凍，使鑄件利用石墨析出的膨脹進(jìn)展自補(bǔ)縮。

〔3〕砂箱應(yīng)有足夠的剛度，上箱和下箱之間應(yīng)有結(jié)實(shí)的緊固裝置。第二節(jié)冒口設(shè)計(jì)一、冒口模數(shù)的定義與計(jì)算：一定的液態(tài)球鐵鑄件的冷卻速度及其凝固所需要的時(shí)間取決于鑄型的熱性質(zhì)、所澆注的合金、澆注溫度以及鑄件的形狀和尺寸。假定鑄型的性質(zhì)和澆注溫度不變，則冷卻和凝固速度完全取決于鑄件。其尺寸的影響能用簡單的比例關(guān)系來正確地描述：這個(gè)比例稱做模數(shù)，用M表示。因?yàn)轶w積是用cm3或in3度量以及面積是用cm2或in2度量，所以模數(shù)的單位是cm或in。根據(jù)J.Jamar的意見，模數(shù)的幾何計(jì)算只是在定向放熱(無限大的板、無限長的圓棒和球)時(shí)提供正確數(shù)值。其它形狀所計(jì)算的模數(shù)和放熱速度真正成比例的理論值相比要小百分之三十。然而Berry等人以及Karsay的試驗(yàn)工作發(fā)現(xiàn)對于球體、圓柱體和矩形形狀，其幾何的和“實(shí)際的〞模數(shù)之間并無明顯差異。由于在實(shí)際應(yīng)用中幾何模數(shù)已足夠準(zhǔn)確，所以下文中用之。為了設(shè)計(jì)冒口，無論重量或壁厚都不能像模數(shù)那樣準(zhǔn)地代表鑄件。對于形狀簡單的鑄件其模數(shù)計(jì)算是簡單的。以下圖中給出了幾個(gè)例子。1.立方體1.立方體aM=a/6t2.平板水平尺寸至少比“t〞大5倍M=t/23.正方形棒bM=b/4〔長度>5b〕4.圓棒dM=d/4〔長度>5d〕5.矩形棒fe(f<5e)M=ef/(2e+2f)〔長度<5e〕圖3-1簡單形狀鑄件模數(shù)計(jì)算比擬復(fù)雜的形狀需要用假想的外表分割為一些簡單的局部。對每個(gè)分割的局部其體積份額以1的分?jǐn)?shù)來汁算，每個(gè)分體的模數(shù)也要計(jì)算，根據(jù)計(jì)算值繪制累積體積份額與模數(shù)圖。圖中的每個(gè)局部應(yīng)按其在鑄件上的實(shí)際次序來排列。這樣的圖形可以像階梯形如圖3-2〔A〕所示，或者幾個(gè)厚大斷面被割開，如圖3-2(B)所示。M1M1M2M3M4M51.0累積的體積份額Minchcm0Minchcm(A)1.01.00累積的體積份額Minchcm123456(B)圖3-2累積的體積份額—模數(shù)圖當(dāng)有的分體形狀仍然比擬復(fù)雜時(shí)，應(yīng)該以近似尺寸的簡單立方體積來代表其形狀和尺寸。應(yīng)著重記住，分割各個(gè)局部的假想外表并非冷卻面，所以對各局部的模數(shù)進(jìn)展計(jì)算時(shí)，不應(yīng)該計(jì)入這些面。圖3-3中虛線表示這些假想的分剖面，而各分割局部則以羅馬數(shù)字來表示。例1模數(shù)與體積份額圖的繪制〔尺寸用毫米計(jì)，圖3-3〕圖3-3例1的鑄件圖3-3的分體I。因?yàn)樗慕孛娉叽绫绕鋱A周長度要小得多，所以這一局部可以看作是截面為0.8×1.0cm的無限長的桿。模數(shù)〔簡化為橫截面積被圓周除來計(jì)算〕：?！沧⒁猓悍指蠲娌⒎抢鋮s外表〕圖3-3的分體II。實(shí)際體積和冷卻外表積按簡化的進(jìn)展計(jì)算，其徑是冷卻外表積由此：圖3-3的分體III按無限長的、截面為3×1cm2、冷卻外表積為3+3=6cm〔由周長代替〕的桿計(jì)算其模數(shù)〔分割面為非冷卻外表〕。體積III〔已簡化〕模數(shù)MIII=3/6=0.5cm圖3-3的分體IV近似體積假定這一分體是一塊無限大的平板，計(jì)算其模數(shù)。MIV=1.2/2=0.6cm圖3-3的分體V近似為一根無限長的桿。體積模數(shù)冒口模數(shù)為1.2×0.74=0.89cm，體積計(jì)算為118cm3。體積份額為：VI+VII+VIII+VIV+VV+VR=1223.2cm3，由此式VI：=0.01VII：=0.06VIII：=0.07VIV：=0.42VV：=0.34VR：=0.10用于繪制模數(shù)與體積份額圖所需要的全部計(jì)算現(xiàn)已全部完成。這個(gè)圖形示于圖3-4。冒口冒口I0.010.270.51.0模數(shù)cm00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0II0.060.59III0.030.3750.60IV0.440.74V0.360.840.10體積份額圖3-4—圖3-3鑄件換算為模數(shù)與體積份額圖用例1來說明繪制模數(shù)與體積份額圖的一個(gè)重要步驟。這個(gè)圖形總是把冒口看作是鑄件與冒口增合體的必須局部。為此必須先知道冒口的體積與模數(shù)。模數(shù)的計(jì)算結(jié)果及其分布是與冷卻和凝固順序相一致的。這些知識對于以后要講的任何一種冒口設(shè)計(jì)方法部是需要的。二、實(shí)用冒口設(shè)計(jì)從事實(shí)踐的鑄造工作者對前節(jié)的結(jié)淪可能感到滿意，這個(gè)結(jié)淪這里要重復(fù)。從球鐵澆注完到凝固開場所經(jīng)過的時(shí)間(平方根)是：。以及，同樣的鑄件從澆注完到凝固完畢所需要的時(shí)間〔平方根〕是：式中：M：模數(shù)；Tp：澆注溫度；單位用：t：分；M〔厘米〕=〔時(shí)/2.54〕；Tp〔℃〕只有當(dāng)球鐵澆入濕型時(shí)，這兩個(gè)方程式才都有效。只要冒口的模數(shù)大于它所連接著的鑄件的分體的模數(shù)(表示為Ms或ML)則冒口保持為液體的時(shí)間比鑄件分體的要長，這個(gè)觀點(diǎn)需要立即說明。鑄件或其任何局部是不會(huì)同對凝固的，下面就這個(gè)問題將進(jìn)一步討論。說到冒口(明冒口或暗冒口)最重要的是冒口中所包含的液體要與外部大氣保持連通。圖3-5所示是完全背離正常冒口設(shè)計(jì)原則的。楔形冒口(示于上模板)首先在其頂部凝結(jié)，而頂部凝固的冒口與大氣不連通，因而冒口不能發(fā)揮其作用。結(jié)果鑄件產(chǎn)生缺陷。圖3-5形狀不正確的冒口通常冒口的形狀應(yīng)使體積與冷卻外表的比值(模數(shù))到達(dá)最大值。這并不是說推薦冒口應(yīng)該是球形的，顯然球形具有最大的模數(shù)。甚至在小冒口中，熱流把比擬熱的(低比重的)液體帶到冒口頂部，幫助頂部區(qū)域保持為液態(tài)。冒口底部溫度要稍低一些，也需要有措施以防止冒口頸凍結(jié)。所以，一個(gè)設(shè)計(jì)好的冒口其高大于直徑，而且冒口下部延伸到冒口頸以下，以便使冒口受熱。而且冒口的水平截面通常是圓形的，雖然并非必須這樣。因?yàn)榧僭O(shè)用一個(gè)冒口補(bǔ)給幾個(gè)鑄件是可以用其它形狀的。由于以上以及其他許多理由，冒口形狀不能標(biāo)準(zhǔn)化。然而，在許多設(shè)計(jì)中可以采用標(biāo)準(zhǔn)的冒口形狀，這樣可以明顯地減少冒口的體積和模數(shù)的計(jì)算時(shí)間。圖3-6表示了所推薦的冒口形狀以及其和模數(shù)有關(guān)系的直徑和體積的計(jì)算公式。注意圖3-6中每一個(gè)冒口的頂部都可看到一個(gè)局部剖視，都表示了沖向冒口圖3-6標(biāo)準(zhǔn)冒口形狀部的“凹窩〞。這個(gè)凹窩的底部充分受熱，從而防止哪怕是很薄的凝固層產(chǎn)生，所以使冒口中液體繼續(xù)保持與大氣接觸。楔形或單獨(dú)插入的(大氣壓冒口)坭芯可以到達(dá)同樣的目的。上述討論使人想起一種幾乎過時(shí)的冒口設(shè)置方法，即采用所謂的壓邊冒口。圖3-7所示是從四個(gè)不同角度照的，壓邊胃口(邊常為矩形)搭接于鑄件上。這種方法不僅降低鑄件的工藝出品率，而且增加治理車間的本錢。圖3-7壓邊冒口與此相反，采用易割芯片則冒口易去除，而且降低清理車間的本錢。要是鑄造中采用易割芯片，則坭芯的厚度以及孔口的直徑的選擇應(yīng)不減少其有效的連接面積。根據(jù)Wlodawer的文章，具有以下關(guān)系：表3-1冒口模數(shù)、坭芯厚度及孔口直徑選擇冒口模數(shù)坭芯厚度孔口直徑cmincmincmin1.00.40.420.161.950.772.00.790.840.333.901.533.01.191.260.505.92.324.01.601.700.677.83.105.01.972.100.839.73.82現(xiàn)在可以從生產(chǎn)瓷的廠商買到非常薄的易割芯片，這種易割芯片可以減小所需要的孔口的直徑(見圖3-8)。而且這種易割芯片也可與預(yù)制的暗冒口保溫殼一起組裝好造入鑄型，這種方法可以適用于所有生產(chǎn)場合(圖3-9)。圖3-8瓷易割芯片圖3-9預(yù)制的配有瓷易割芯片的暗冒口保溫殼三、控制壓力冒口這是實(shí)用冒口設(shè)計(jì)的第三種也是最后一種方法，它同樣也是利用了膨脹的好處?？刂茐毫γ翱谠噲D控制膨脹所產(chǎn)生的壓力，使鑄型不致發(fā)生塑性交形。這種方法自從球墨鑄鐵一開場生產(chǎn)就有采用的，但是，它的應(yīng)用是根據(jù)失敗、成功等反復(fù)試驗(yàn)以及學(xué)習(xí)了鑄造工作者的經(jīng)歷。這是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的冒口設(shè)計(jì)方法，只有在下述條件時(shí)才不必采用控制壓力冒口：a)當(dāng)鑄件模數(shù)小于0.4cm(0.16in)時(shí)(膨脹所產(chǎn)生的壓力不應(yīng)使?jié)裥妥冃?。b)當(dāng)濕型鑄件厚壁處部允許有縮松時(shí)。c)當(dāng)鑄型強(qiáng)度高，能夠抵抗膨脹壓力而不產(chǎn)生塑性變形時(shí)。因?yàn)榇缶植胯T鐵件采用濕型或殼型都是強(qiáng)度比擬低的，而鑄件壁厚(至少局部厚度)往往超過10mm或0.4in，因此，大局部鑄件需要用控制壓力冒口的方法。它比直接實(shí)用冒口設(shè)計(jì)方法的鑄件工藝出品率要低，但是在上述情況時(shí)，為完全消除縮松，就必須適用它。四、冒口頸設(shè)計(jì)冒口頸的有效模數(shù)應(yīng)當(dāng)?shù)扔贛T，但是它的尺寸總是小于幾何形狀和大小一樣但分開鑄造的單體。主要是由于在鑄件與冒口相連接處沒有冷卻外表而獲得了好處。實(shí)際上，這兩個(gè)非冷卻外表從鄰接的鑄件和冒口中獲得并將熱量傳送給冒口頸。延長冒口頸冷卻和凝固時(shí)間的第二個(gè)影響因素是在它附近地區(qū)的砂型被熾熱。其溫度高于鑄件和冒口處的砂型，冒口頸愈短，則其溫度愈高。繞道連接冒口(熱冒口)也得到類似的及附加的熱效果。通過一個(gè)簡單的實(shí)例很容易得出主要影響的程度，讓冒口頸斷面為方形，而長度為。有效模數(shù)(一次近似)很容易看到，上面的公式與無限長的方棒的模數(shù)一樣。這公式也可用在當(dāng)冒口頸長度等于a，即為一立方體時(shí)。同樣尺寸的立方體如果單獨(dú)分開鑄造的話：圖3-1)或同樣，更準(zhǔn)確的計(jì)算也證明冒口頸的有效模數(shù)為同樣大小、形狀的單體模數(shù)的1.5—2倍，因?yàn)閱误w向所有方向散熱冷卻。前面所談的第二個(gè)影響因素一定要更增加有效模數(shù)值()。但是因?yàn)椴蝗菀锥?，它們將被省略不?jì)，只是把的數(shù)值簡化為0.6?？傊瑑蓚€(gè)方向散熱的冒口頸模數(shù)的選擇為，或(考慮了冒口頸區(qū)域冷卻較慢)：。冒口頸在造型條件允許的限度應(yīng)盡量短一些。因?yàn)槿Q于冶金質(zhì)量，所以也是如此。在大多數(shù)生產(chǎn)情況下值為鑄件關(guān)鍵局部模數(shù)的35—55％，這不僅是足夠的而且也是平安的。冶金質(zhì)量越是好，則能夠選得更小一些。在減小平安系數(shù)、使用方形冒口頸的條件下，以上冒口頸設(shè)計(jì)原則得到了充分的考驗(yàn)。圖3-10表示設(shè)計(jì)中的一例，鑄件的斷面(圖3-10B)清楚地說明了它的成功。〔A〕〔B〕圖3-10控制壓力冒口采用立方形冒口頸〔A：帶冒口的鑄件B：鑄件最大局部的斷面〕第三節(jié)工藝案例下面讓我們介紹一些在考慮到球墨鑄鐵鑄造性能的情況下，制定一些鑄件的鑄造工藝案例。圖3-1175型泥漿泵軸承座及其簡明鑄造工藝2.軋煤機(jī)轉(zhuǎn)盤。它的外形尺寸為：直徑400mm，高度140mm。單重58公斤。圖3-12軋煤機(jī)轉(zhuǎn)盤及其簡明鑄造工藝圖3-13Z6312D拋砂機(jī)大臂迥轉(zhuǎn)缸體及其簡明鑄造工藝3-39車刀刀桿及其簡明鑄造工藝3-40WGZ-35/39鍋爐上接頭及其簡明鑄造工藝3-41S400鉆機(jī)上接頭及其簡明鑄造工藝3-4230型泥漿泵活塞體及其簡明鑄造工藝3-4330型泥漿泵十字頭及其簡明鑄造工藝3-44LG-10/7空壓機(jī)飛輪及其簡明鑄造工藝3-45蝸輪及其簡明鑄造工藝3-46ZL300減速機(jī)齒輪及其簡明鑄造工藝3-47S400鉆機(jī)大傘齒輪及其簡明鑄造工藝3-481250噸水壓機(jī)蝸輪齒圈及其簡明鑄造工藝3-49S400鉆機(jī)拔塊及其簡明鑄造工藝3-50滑管及其簡明鑄造工藝第四章球墨鑄鐵的熱處理第一節(jié)固態(tài)相變雖然，鋼和鑄鐵都可以進(jìn)展熱處理，但二者的影響因素有明顯區(qū)別，簡述如下：(1)確定熱處理規(guī)時(shí)，鋼主要是根據(jù)含碳量，鑄鐵則主要是根據(jù)含硅量，因?yàn)殍T鐵含碳量比鋼高得多，而硅比碳對奧氏體臨界溫度的影響更大，所以按含硅量確定奧氏休化溫度更能保證基體完全奧氏體化。(2)鑄鐵含有更多的C、Mn元素，由于它們對奧氏體有更大的穩(wěn)定化作用，而是鑄鐵比鑄鋼有更好的淬透性。(3)鑄鐵件構(gòu)造比鑄鋼件更復(fù)雜，更要注意緩慢加熱和延長保溫時(shí)間，以防止加熱不均勻引起應(yīng)力和變形。(4)鑄鐵中的石墨起著碳庫作用，溫度超過共析臨界圍時(shí)，碳溶入奧氏體直到飽和。當(dāng)以較快速度冷卻時(shí)碳來不及析出，富碳奧氏體即轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w；假設(shè)冷卻速度緩慢，碳來得及析出，貧碳奧氏體即轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。碳從奧氏體中析出的推動(dòng)力是溫度和含硅量，含硅量越高，碳在奧氏體中的溶解度越小，碳越容易以石墨形式析出。相反，如含有錳、鉻、錫及游離的硫則阻礙碳以石墨形式析出。(5)鑄鐵的共析反響和鋼不同，由于第三組元素的存在，使鑄鐵的共析反響在一個(gè)溫度圍完成，不像鋼那樣在一個(gè)溫度線上完成。此外，其它元素如P、Mn、Ni也影響共析轉(zhuǎn)變溫度，下表4-1列出幾個(gè)元素對共析轉(zhuǎn)變溫度的影響。表4-1元素對共析臨界溫度的影響元素含量圍〔%〕每1%含量對上臨界點(diǎn)的影響/℃每1%含量對下臨界點(diǎn)的影響/℃硅磷錳鎳0-0.20-1.00-1.0+37+220-37-17+29+220-130-24鑄鐵的熱處理原理：奧氏體轉(zhuǎn)變是共析反響的核心，根據(jù)純Fe-C合金的等溫轉(zhuǎn)變圖，共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與冷卻速度有關(guān)，緩慢冷卻的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體、珠光體，較快冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，很快冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。鑄鐵的時(shí)效處理：用加熱方法消除應(yīng)力所依據(jù)的原理與蠕變概念有關(guān)，當(dāng)金屬被加熱時(shí)其強(qiáng)度、硬度下降，材料松弛或應(yīng)力降低，這種使材料應(yīng)力減少的熱處理稱為時(shí)效。雖然降低鑄件冷卻速度，減少冷卻過程的收縮障礙都能減少一局部應(yīng)力，但時(shí)效能到達(dá)最大的應(yīng)力松弛效果。鑄件應(yīng)力被消除的程度取決于：①原始應(yīng)力水平；②高溫保溫時(shí)間；③加熱——冷卻循環(huán)周期；④化學(xué)成分及顯微組織。一般原始應(yīng)力水平越高，時(shí)效溫度越高，保溫時(shí)間越長消除壓力的效果越好。結(jié)果說明，短時(shí)高溫時(shí)效比長時(shí)低溫時(shí)效降低應(yīng)力的效果好得多。鑄鐵的退火：退火是一種使鑄件緩慢冷卻通過共析臨界溫度圍、基體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的熱處理工藝。經(jīng)過退火處理的鑄件強(qiáng)度、硬度降低，塑性韌性提高。退火還兼有消除應(yīng)力的成效。完全退火包括兩個(gè)階段：第一階段在臨界溫度以上完成碳化物分解、基體均勻化和消除元素偏析；第二階段在臨界溫度以下完成碳脫溶，把基體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。鑄鐵退火不僅包括基體鐵素體化過程，同時(shí)也伴隨固態(tài)石墨化過程，因此又稱為石墨化退火。為了進(jìn)展有效的退火必須注意以下幾點(diǎn)：(1)加熱速度。為了減少溫差過大產(chǎn)生的不良后果，應(yīng)緩慢加熱鑄件，對厚壁不均的復(fù)雜件可緩慢預(yù)熱到500℃左右，然后再移到溫度更高的加熱爐，從室溫到退火溫度可按100℃/h加熱速度控制。(2)保溫時(shí)間。為了消除非合金鑄鐵中的大量共晶碳化物，建議保溫時(shí)間(1～3)小時(shí)，再按每25mm壁厚加1小時(shí)計(jì)算。如果含Cr、Mo、V等穩(wěn)定化元素則應(yīng)在更高的溫度上延長保溫時(shí)間，才可能使復(fù)雜碳化物分解。(3)冷卻速度。如果期望鑄件得到最大的軟化并有最好的加工性能，冷卻速度要緩慢到允許完全鐵素體化，防止出現(xiàn)熱梯度，重新產(chǎn)生庫力。冷卻速度一般控制在50℃/h以。(4)注意微量元素的影響。許多元素對碳化物和珠光體有穩(wěn)定化作用，當(dāng)它們的濃度到達(dá)一定程度時(shí)將使鑄鐵完全退火發(fā)生困難。如下表所示，有些元素哪怕含量很少也完全阻礙珠光體或碳化物分解。表4-2阻礙完全退火的微量元素濃度碳化物穩(wěn)定元素珠光體穩(wěn)定元素Cr＞0．05％V＞0．05％在灰口鑄鐵中的S沒有被Mn平衡B＞0.005％灰口鑄鐵中有NA＞0.02%Sn＞0.02%Cu＞0.05％Cr＞0.05％Ni＞0.1％Mo＞0．05％Mn未被平衡，特別是在厚大鑄件中未被平衡灰口鑄鐵中的硫沒有被錳平衡鑄鐵的退火規(guī)和原始組織有密切關(guān)系，碳化物是原始組織中最穩(wěn)定的非金屬相，其數(shù)量越多需要分解的溫度越高，需要分解的溫度越高，如果沒有碳化物，石墨化退火的溫度就可以大大降低。第一種完全石墨化退火工藝，適用于于三種不同的組織情況。如果有碳化物，尤其是晶間碳化物存在，為了使它們分解必須采用(900～950)℃高溫石墨化退火，第一階段高溫保溫時(shí)間2小時(shí)，再按鑄件壁厚每25mm加1小時(shí)。如果只有少量分散的碳化物則用(820～900)℃中溫石墨化退火規(guī)，對于灰口鑄鐵或無碳化物的球墨鑄鐵可以不用第一階段石墨化退火而用亞臨界鐵素體化退火或低溫石墨化退火工藝，方法是把鑄件加熱到共析溫度下限以下，即(730～790)℃保溫，保溫時(shí)間按壁厚25mm1小時(shí)計(jì)算，通過擴(kuò)散而不是相變完成珠光體向鐵素體的轉(zhuǎn)變。鑄件冷卻可按爐冷(約550℃/h)方式緩慢冷卻到315℃(灰口鑄鐵)或345℃(球墨鑄鐵)，然后空冷至室溫。第二種完全石墨化退火工藝，其特點(diǎn)是鑄件完成第一階段石墨化后快速冷卻到共析溫度以下保溫，完成第二階段石墨化。第三種完全石墨化退火工藝又叫兩段石墨化退火，適用于灰口鑄鐵或僅含分散碳化物的球墨鑄鐵，第一階段加熱到(870～900)℃奧氏體化，快冷至675℃以下，再加熱到700℃保溫，進(jìn)展第二階段石墨化，最后空冷。由于兩段石墨化退火不用緩慢通過共析區(qū)冷卻而縮短了退火周期，并獲得比擬好的力學(xué)性能。以上三種完全石墨化工藝都能到達(dá)基體完全鐵素體化的目的，但是由于退火過程不同，它們的組織性能和生產(chǎn)效率有所區(qū)別。高溫石墨化退火是生產(chǎn)可鍛鑄鐵必不可少的工序，白口鐵坯件經(jīng)過高溫石墨化退火將碳化物和珠光體分解，得到由鐵素體和退火石墨組成的顯微組織，性能由低強(qiáng)度、無塑性、無韌性變?yōu)橹械葟?qiáng)度、高塑性、高韌性，由不可加工變?yōu)楹眉庸ぁｈT鐵的正火-回火：正火就是把鑄件加熱到共析臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間完成奧氏體化，然后空冷得到全珠光體組織的一種最簡單的熱處理方法。正火的目的是提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性，并具有適當(dāng)?shù)募庸ば浴Ｕ饻囟扔珊枇繘Q定，一般按共析臨界上限溫度加50℃計(jì)算。具體溫度可按鑄鐵種類劃分如下：可鍛鑄鐵(800～830)℃高強(qiáng)度灰口鑄鐵(810～870)℃低強(qiáng)度灰口鑄鐵(840～900)℃球墨鑄鐵(820～900)℃冷卻速度對正火組織影響很大，沒有足夠的冷卻速度就不可能得到足夠多的珠光體，中小件可用空冷，厚大件必須用風(fēng)冷甚至霧冷。為防止冷卻過程產(chǎn)生變形、開裂等缺陷，要注意鑄件均勻冷卻。合金鑄鐵有比擬好的淬透性，采用比非合金鑄鐵更慢的冷卻速度也能得到滿意的正火效果。正火過程的快速冷卻會(huì)引起應(yīng)力，因此正火處理后必須進(jìn)展時(shí)效處理(即回火)。回火過程伴隨著硬度降低，所以考慮回火溫度應(yīng)注意鑄件的硬度要求。通常回火溫度為(500～650)℃，然后爐冷到300℃出爐。正火鑄件的性能可通過控制加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度、回火規(guī)來調(diào)整。許多元素能提高淬透性，因而對正火有很好的組織及性能效應(yīng)，使厚大件正火也能得到更細(xì)的珠光體或針狀組織。試驗(yàn)說明，多元合金比單一合金的硬化效果更好，相對提高厚壁鑄件的硬度尤其顯著。由于合金鑄鐵的強(qiáng)度、硬度、剛度比擬大，其回火溫度應(yīng)取上限，一般為(500～625)℃。回火保溫時(shí)間按1h/25mm計(jì)算。根據(jù)鑄鐵正火處理的奧氏體化程度可分為完全奧氏化正火和局部奧氏體化正火兩種工藝。①完全奧氏體化正火國生產(chǎn)球墨鑄鐵由于原材料含有較多的穩(wěn)定化元素，鐵水溫度偏低或用稀土含量較高的球化劑而使鐵水白口傾向增大，原始組織往往含有5%以上碳化物，在這種情況下必須采取完全奧氏體化正火工藝，第一階段為(930～950)℃/(2～3)小時(shí)分解碳化物，第二階段為(880～930)℃/(0.5～1.0)小時(shí)奧氏體均勻化，空冷后經(jīng)(550～650)℃回火處理，以降低硬度、消除應(yīng)力、改善加工性能。對原組織沒有碳化物的鑄件，尤其是球墨鑄鐵件可采用快速正火工藝，能大大縮短生產(chǎn)周期，提高材料的綜合性能。其理論根據(jù)是球墨鑄鐵含硅量較高，奧氏體化過程十分迅速，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一般壁厚加熱900℃，500s或930℃，100s即可全部完成奧氏體化轉(zhuǎn)變，而且從外表到中心的溫度根本一致，而且由于高溫停留時(shí)間短，奧氏體的固溶碳量少(約(0.55～0.65)%C)，這種低碳奧氏體的正火組織更加均勻，綜合性能更好。②局部奧氏體化正火利用鑄鐵含硅量比擬高，存在共析轉(zhuǎn)變區(qū)的特點(diǎn)，把鑄件加熱到共析區(qū)即得到局部奧氏體十鐵素體十石墨三個(gè)平衡相，在正火過程中唯獨(dú)只有奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，其余鐵素體和石墨仍保存其原來構(gòu)造。不過，經(jīng)過這樣處理獲得的鐵素體不是塊狀而是碎塊狀。形成碎塊狀鐵素體的原因是硅在奧氏體枝晶偏聚，在奧氏體一次或?qū)掖沃в胁煌墓铦舛?，進(jìn)入三相平衡區(qū)后，硅濃度最高的微區(qū)最早轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，它在正火過程中不再轉(zhuǎn)變，其余硅濃度低的區(qū)域仍保存奧氏體組織，在正火過程轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。局部奧氏體化溫度越低，碎塊狀鐵素體越多。由于奧氏體是樹枝狀構(gòu)造，所以三相干衡區(qū)形成的鐵素體具有分散分布的特征。局部奧氏體化正火有兩種規(guī)：(1)把工件加熱到共析臨界下限溫度以上(20～50)℃，即+(20～50)℃或(820～840)℃，保溫(1～2)小時(shí)便局部組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，另一局部組織轉(zhuǎn)變?yōu)樗閴K狀鐵素體，空冷后使得到珠光體十碎塊狀鐵素體十石墨組織。(2)把鑄件首先實(shí)現(xiàn)完全奧氏體化，加熱到+(30～50)℃即(880～920)℃保溫1～2小時(shí)，然后降到-(20～30)℃，即(780～790)℃保溫0.5～2.0小時(shí)，實(shí)現(xiàn)局部奧氏體化。局部奧氏體化正火得到復(fù)相組織，故綜合性能好，強(qiáng)度韌性都比擬適中，球墨鑄鐵局部奧氏體正火后的性能σb(800～900)MPa，δ(4～7)％，αk(49～64)J/cm2。缺點(diǎn)是局部奧氏體化溫度圍窄，工業(yè)上較難準(zhǔn)確控制。鑄鐵的淬火-回火：如果鑄鐵完成奧氏體化以后不是在空氣中而是在冷卻速度很大的液體介質(zhì)(如水、油等)中冷卻，這種熱處理稱為淬火。由于冷卻速度很快，鑄件的冷卻曲線不與S型曲線相交，冷卻過程不轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w或貝氏體，而是馬氏體。而馬氏體十分堅(jiān)硬，很難加工，必須進(jìn)展回火處理，降低硬度，以便獲得足夠的強(qiáng)度、硬度和可加工性。所以，淬火及回火是不可分割的工藝過程。淬火-回火的目的是為了獲得比正火-回火更高的力學(xué)性能，通常適用于球墨鑄鐵的熱處理。球墨鑄鐵的馬氏體開場轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)約為230℃，轉(zhuǎn)變終了溫度Mf點(diǎn)位于負(fù)溫區(qū)，故奧氏體冷卻到室溫不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，得到的淬火組織為馬氏體十剩余奧氏體。過冷奧氏體在Ms點(diǎn)以下向馬氏體轉(zhuǎn)變屬無擴(kuò)散相變，奧氏體在這樣低的溫度下其碳原子不能充分?jǐn)U散，鐵原子只能作不超過原子間距的錯(cuò)動(dòng)，面心立方晶格的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N變態(tài)的體心立方晶格—過飽和α固溶體，即馬氏體。馬氏體的含碳量與母相奧氏體的含碳量完全一樣。鑄鐵的馬氏體形態(tài)呈片狀，每一片都是一個(gè)單晶體，它由非常細(xì)的成疊的孿晶組成。馬氏體的生長速度極快，形核后可在10-4秒完成結(jié)晶?；鼗疬^程是馬氏體分解或過飽和α固溶體析出過量碳原子并形成碳化物的過程，同時(shí)也是剩余奧氏體繼續(xù)完成其相變的過程。馬氏體在回火過程的分解程度與回火溫度有關(guān)。(1)(140～250)℃低溫回火得到的組織叫回火馬氏體，由于回火溫度低，原馬氏體只析出極細(xì)小的碳化物微粒，含碳量略減少，仍保持馬氏體針狀形態(tài)，這種組織的強(qiáng)度、硬度、耐磨性很高，但脆性和應(yīng)力明顯減少。(2)(350～500)℃中溫回火，馬氏體分解完畢，得到回火屈氏體，具有較高的強(qiáng)度、彈性、韌性、耐磨性和一定的熱穩(wěn)定性(＜500℃)，可用于廢氣鍋爐的密封環(huán)等，420℃回火的硬度為HRC42～46。(3)(500～600)℃高溫回火，從馬氏體中析出的碳化物聚集長大，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為回火索氏體，硬度HB215～330?；鼗鹚魇象w的構(gòu)造不同于正火索氏體，回火索氏體中的滲碳體顆粒彌散分布在鐵素體基體，正火索氏體為細(xì)片狀碳化物與鐵素體結(jié)合的層狀組織，故回火索氏體具有更好的強(qiáng)度、塑性和耐磨性?；鼗饻囟扰c淬火球墨鑄鐵性能的關(guān)系可從下表的數(shù)據(jù)得到說明。表4-3稀土鎂球墨鑄鐵經(jīng)900℃回火溫度〔℃〕σb〔MPa〕δ〔*100〕αk〔J／cm2〕硬度〔HB〕45050060065012111058757533—0.335.06.052504558395375280190鑄鐵的等溫淬火：等溫淬火是高溫奧氏體在共析點(diǎn)以下、Ms點(diǎn)以上進(jìn)展的等溫固態(tài)相變，相變產(chǎn)物相等溫溫度及等溫時(shí)間有關(guān)。共析點(diǎn)以下，550℃以上等溫產(chǎn)物為珠光體+鐵素體+石墨，在此溫度圍，等溫溫度越低，珠光體量越多，其分散度越大，強(qiáng)度、硬度越高。550℃附近的等溫產(chǎn)物為屈氏體。550℃～Ms點(diǎn)圍等溫產(chǎn)物為貝氏體+剩余奧氏體+石墨。(330～550)℃等溫轉(zhuǎn)變形成的組織為上貝氏休，它由許多平行而密聚排列的鐵素體片形成，片間夾著斷續(xù)細(xì)小的滲碳體顆粒．外觀呈羽毛狀，硬度HRC31～39。330℃～Ms等溫組織為下貝氏體+剩余奧氏體+石墨。下貝氏體中的鐵素體呈針狀，其中彌散分布著細(xì)小的滲碳體顆粒，腐蝕后呈黑色針狀。等溫溫度越低，鐵素體針越細(xì)，針的成排性越差。下貝氏體的硬度約為HRC50～55。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的過程，總是首先從石墨周圍開場，因?yàn)檫@些區(qū)域是富硅區(qū)，奧氏體的穩(wěn)定性最差，最有利于貝氏體轉(zhuǎn)變。共晶團(tuán)邊界是Mn、Cr、Mo等穩(wěn)定奧氏體元素富聚區(qū)，因而是剩余奧氏體形成區(qū)。為防止等溫過程引起外表脫碳和氧化，高溫奧氏體化宜在33%NaCl+65%BaCl+2Na高溫鹽浴中進(jìn)展，等溫淬火則在50%KN03+25%NaN02+25%NaN02低溫鹽浴中進(jìn)展。等溫淬火技術(shù)在鑄鐵中的主要應(yīng)用是生產(chǎn)奧貝球墨鑄鐵，這是一種高強(qiáng)韌性合金，對于同一水平的延伸率的奧貝球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度比普通球墨鑄鐵約高一倍。奧貝球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和延伸率與合金鋼相近。它的接觸疲勞強(qiáng)度和滲氮鍛鋼相當(dāng)，接近滲碳鍛鋼水平。奧貝球墨鑄鐵的彎曲疲勞強(qiáng)度上限與滲氮鍛鋼及滲碳鍛鋼也處于同一水平。此外，奧貝球墨鑄鐵因含有石墨而有比擬小的摩擦系數(shù)和更低的運(yùn)行噪音，因而許多重要機(jī)械零件可用本錢低廉的奧貝球墨鑄鐵取代合金鋼，如齒輪、曲軸、凸輪軸、萬向節(jié)、農(nóng)機(jī)具等。奧貝球墨鑄鐵的高強(qiáng)度、高韌性和高耐磨性的統(tǒng)一，使它適用于要求耐磨和受沖擊的零件，如泥漿泵、機(jī)車車輪和刮板等。影響貝氏體組織和性能的主要因素如下：1.原始組織原始組織狀況對等溫淬火組織和性能有直接影響。原始組織不均勻、元素偏析都影響貝氏體轉(zhuǎn)變的速度和轉(zhuǎn)變的完全性，并造成等溫轉(zhuǎn)變過程的不均勻膨脹和變形。為防止這些不良后果，淬火前的鑄鐵組織應(yīng)為單一金屬基體(鐵素體或珠光體)，而且共晶團(tuán)細(xì)小，元素偏析少。2.化學(xué)成分過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變受C、Si、Mn、Mo、Ni、Cu等元素的影響。球墨鑄鐵淬透的適宜用量可參考下表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。表4-4使球墨鑄鐵淬透的合金用量鑄件壁厚〔mm〕淬火介質(zhì)鹽浴空氣強(qiáng)制冷卻810253750不加合金不加合金0.3%Mo0.5%Mo或者0.35%Mo+1.0%Cu—0.3%Mo0.35%Mo+1.0%Cu或者0.48%Mo0.30%Mo+1.0%Cu或者0.3%Mo+1.5%Ni0.7%Mo+1.0%Cu0.5%Mo+2.3%Ni3.奧氏體化溫度及保溫時(shí)間奧氏體化溫度是鑄鐵熱處理十分重要的參數(shù)，它決定奧氏體的含碳量。奧氏體化時(shí)間則影響基體中碳分布的均勻程度。提高奧氏體化溫度，延長保溫時(shí)間都增加奧氏體的溶碳量，因而增加奧氏體的穩(wěn)定性，降低奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變的速度，并增加剩余奧氏體的含量。相反，降低奧氏體化溫度，縮短保溫時(shí)間將使奧氏體的溶碳量減少，降低過冷奧氏體的穩(wěn)定性，促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變。4.等溫溫度及等溫時(shí)間等溫溫度影響貝氏體的形態(tài)以及剩余奧氏體和馬氏體的數(shù)量。在一定的奧氏體化條件和一定的等溫時(shí)間，隨著等溫溫度提高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，延伸率上升。上貝氏體具有較高的塑性、韌性，完全歸結(jié)于它有比擬多的剩余奧氏體。由于高溫等溫過程中，碳有更大的擴(kuò)散速度，使得板條狀鐵素體在生長期間析出的碳原子能很快擴(kuò)散到余下的奧氏體中，并到達(dá)2%C飽和濃度，這就使得奧氏體的穩(wěn)定性大大提高，以致等溫轉(zhuǎn)變終止時(shí)獲得大量的剩余奧氏體。下貝氏體在3