灰铸铁的热处理

灰铸铁的热处理退火1.去应力退火为了消除铸件的残余应力，稳定其几何尺寸，减少或消除切削加工后产生的畸变，需要对铸件进行去应力退火。

去应力退火温度的确定，必须考虑铸铁的化学成分。

普通灰铸铁当温度起过550℃时，即可能发生部分渗碳体的石墨化和粒化，使强度和硬度降低。

当含有合金元素时，渗碳体开始分解的温度可提高到650℃左右。

通常，普通灰铸铁去应力退火温度以550℃为宜，低合金灰铸铁为600℃，高合金灰铸铁是可提高到650℃，加热速度一般选用60～120℃/h.保温时间决定于加热温度、铸件的大小和结构复杂程度以及对消除应力程度的要求。

铸件去应力退火的冷却速度必须缓慢，以免产生二次残余内应力，冷却速度一般控制在20～40℃/h，冷却到200～150℃以下，可出炉空冷。

一些灰铸铁件的去应力退火规范示于表1.2.石墨化退火灰铸铁件进行石墨化退火是为了降低硬度，改善加工性能，提高铸铁的塑性和韧性。

若铸件中不存在共晶渗碳体或其数量不多时，可进行低温石墨化退火；当铸件中共晶渗碳体数量较多时，须进行高温石墨化退火。

（1）低温石墨化退火，铸铁低温退火时会出现共析渗碳体石墨化与粒化，从而使铸件硬度降低，塑性增加。

灰铸铁低温石墨化退火工艺是将铸件加热到稍低于Ac1下限温度，保温一段时间使共析渗碳体分解，然后随炉冷却。

（2）高温石墨化退火，高温石墨化退火工艺是将铸件加热至高于Ac1上限以上的温度，使铸铁中的自由渗碳体分解为奥氏体和石墨，保温一段时间后根据所要求的基体组织按不同的方式进行冷却。

正火灰铸铁正火的目的是提高铸件的强度、硬度和耐磨性，或作为表面淬火的预备热处理，改善基体组织。

一般的正火是将铸件加热到Ac上限+30～50℃，使原始组织转变为奥氏体，保温一段时间后出炉空冷。

形状复杂的或较重要的铸件正火处理后需再进行消除内应力的退火。

如铸铁原始组织中存在过量的自由渗碳体，则必须先加热到Ac1上限+50～100℃的温度，先进行高温石墨化以消除自由渗碳体在正火温度范围内，温度愈高，硬度也愈高。

因此，要求正火后的铸铁具有较高硬度和耐磨性时，可选择加热温度的上限。

正火后冷却速度影响铁素体的析出量，从而对硬度产生影响。

冷速愈大，析出的铁素体数量愈少，硬度愈高。

因此可采用控制冷却速度的方法）（空冷、风冷、雾冷），达到调整铸铁硬度的目的。

淬火与回火1.淬火铸铁淬火工艺是将铸件加热到Ac1上限+30～50℃的温度，一般取850～900℃，使组织转变成奥氏体，并在此温度下保温，以增加碳在奥氏体中的溶解度，然后进行淬火，通常采用油淬。

对于形状复杂或大型铸件应缓慢加热，必要时可在500～650℃预热，以避免不均匀加热而造成开裂。

随奥氏体化温度升高，淬火后的硬度越高，但过高的奥氏体化温度，不但增加铸铁变形和开裂的危险，并产生较多的残留奥氏体，使硬度下降。

灰铸铁的淬透性与石墨大小、形状、分布、化学成分以及奥氏体晶粒度有关。

石墨使铸铁的导热性降低，从而使它的淬透性下降，石墨越粗大，越多，这种影响越大。

2.回火为了避免石墨化，回火温度一般应低于550℃，回火保温时间按t=[铸件厚度（mm）/25]+1（h）计算。

3.等温淬火为了减小淬火变形，提高铸件综合力学性能，凸轮、齿轮、缸套等零件常采用等温淬火。

等温淬火的加热温度和保温时间与常规淬火工艺相同。

复习前课铸铁的分类（P89～90）§4-6工程铸铁一、铸铁的石墨化1．概述铸铁是碳的质量分数W C＞2.11%的铁碳合金。

它是以Fe、C、Si为主要组成元素，并比钢含有较高的S和P等杂质。

碳在铸铁中，主要以石墨的形式存在。

石墨化：铸铁中的碳以石墨的形式析出的过程。

石墨化有两种方式：一种是在冷却过程中，可以从液体和奥氏体中直接析出石墨；另一种是在一定条件下由亚稳定性的Fe3C分解出铁素体和稳定的石墨。

双重相图：实践证明，铸铁在冷却时，冷速越缓，析出石墨的可能性越大，用Fe-G相图说明；冷速赶快，则析出渗碳体的可能性越大，用Fe-Fe3C相图说图4-11 Fe－G与Fe－Fe3C双重相图明。

为便于比较和应用，习惯上把这两个相图合画在一起，称之为铁-碳合金双相图。

如图4-11所示。

其中虚线表示稳定态（Fe-G ）相图，实线表示亚稳定态（Fe -Fe 3C ）相图，虚线与实线重合的线用实线画出。

石墨化以哪一种方式进行，主要取决于铸铁的成分与保温冷却条件。

2．石墨化过程按照Fe-G 相图，铸铁的石墨化过程分为三个阶段：第一阶段石墨化 ①对于过共晶成分合金而言，铸铁液相冷至C'D'线时，结晶出的一次石墨；②各成分铸铁，在1154℃（E'C'F'线）通过共晶反应形成的共晶石墨。

即共晶℃G A E 1154+−−→−'C L第二阶段石墨化 在1154～738℃温度范围内，奥氏体沿E'S'线析出二次石墨。

即ⅡG第三阶段石墨化 在738℃（P'S'K'线）,通过共析转变析出共析石墨。

即共析℃G F A P 738S +−−→−'3．影响石墨化的主要因素（1）化学成分 按对石墨化的作用，可分为促进石墨化的元素（C 、Si 、Al 、Cu 、Ni 、Co 、P 等）和阻碍石墨化的元素（Cr 、W 、Mo 、V 、Mn 、S 等）两大类。

·C 和Si 是强烈促进石墨化的元素；S 是强烈阻碍石墨化的元素，而且还降低铁液的流动性和促进高温铸件开裂；·适量的Mn 既有利于珠光体基体形成，又能消除S 的有害作用；·P 是一个促进石墨化不太强的元素，能提高铁液的流动性，但当其质量分数超过奥氏体或铁素铁的溶解度时，会形成硬而脆的磷共晶，使铸铁强度降低，脆性增大。

总之，生产中，C 、Si 、Mn 为调节组织元素，P 是控制使用元素，S 属于限制元素。

（2）石墨化温度 石墨化过程需要碳、铁原子的扩散，石墨化温度越低，原子扩散越困难，因而石墨化进程越慢，或停止。

尤其是第三阶段石墨化的温度较低，常常石墨化不充分。

（3）冷却速度 一定成分的铸铁，石墨化程度取决于冷却速度。

冷速越慢，越利于碳原子的扩散，促使石墨化进行。

冷速越快，析出渗碳体的可能性就越大。

这是由于渗碳体的W C（6.69%）比石墨（100%）更接近于合金的W C（2.5%～4.0%）影响冷却的因素主要有浇注温度、铸件壁厚、铸型材料等。

当其它条件相同时，提高浇注温度，可使铸型温度升高，冷速减慢；铸件壁厚越大，冷速越慢；铸型材料导热性越差，冷速越慢。

二、铸铁的组织与性能1．铸铁的组织通常铸铁的组织可以认为是由钢的基体与不同形状、数量、大小及分布的石墨组成的。

石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。

表4-23铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织2．铸铁的性能铸铁基体组织的类型和石墨的数量、形状、大小和分布状态决定了铸铁的性能。

（1）石墨的影响石墨是碳的一种结晶形态，其碳的质量分数W C≈100%，具有简单六方晶格。

由于石墨的硬度为3～5HBS，σb约为20MPa，塑性和韧性极低，伸长率δ接近于零，从而导致铸铁的力学性能如抗拉强度、塑性、韧性等均不如钢。

并且石墨数量越多，尺寸越大，分布越不均匀，对力学性能的削弱就越严重。

其中·片状石墨对基体的削弱作用和引起应力集中的程度最大；·球状石墨对基体的割裂作用最小；·团絮状石墨的作用居于二者之中。

但石墨的存在，使铸铁具有优异的切削加工性能、良好的铸造性能和润滑作用、很好的耐磨性能和抗振性能，大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。

（2）基体组织的影响对同一类铸铁来说，在其它条件相同的情况下，铁素体相的数量越多，塑性越好；珠光体的数量越多，则抗拉强度和硬度越高。

由于片状石墨对基体的强烈作用，所以只有当石墨为团絮状、蠕虫状或球状时，改变铸铁基体组织才能显示出对性能的影响。

三、常用铸铁材料1．普通灰铸铁普通灰铸铁俗称灰铸铁，简称灰铁。

其生产工艺简单，铸造性能优良，在生产中应用最为广泛，约占铸铁总量的80%。

（1）灰铸铁的成分、组织和性能一般铸铁含W C＝2.7%～3.6%，W Si＝1.0～2.2%，W Mn＝0.5%～1.3%，W S＜0.15%，W P＜0.3%。

其组织有：铁素体灰铸铁（在铁素体基体上分布着片状石墨）；珠光体+铁素体灰铸铁（在珠光体+铁素体基体上分布着片状的石墨）；珠光体灰铸铁（在珠光体基体上分布着片状的石墨）如图4-13（a）、（b）、（c）所示。

图4-13三种基体的灰铸铁灰铸铁组织相当于在钢的基体上分布着片状石墨，因此，其基体的强度和硬度不低于相应的钢。

石墨的强度、塑性、韧性极低，在铸铁中相当于裂缝和孔洞，破坏了基体金属的连续性，同时很容易造成应力集中。

因此，灰铸铁的抗拉强度、塑性及韧性都明显低于碳钢。

石墨片的数量越多、尺寸越大、分布越不均匀，对基体的割裂作用越严重。

但是石墨片很细，尤其相互连接时，也会使承载面积显著下降。

因此，石墨片长度应以0.03～0.25mm为宜。

石墨的存在，使灰铸铁的铸造性能、减摩性、减振性和切削加工性都高于碳钢，缺口敏感性也较低。

灰铸铁的硬度和抗压强度主要取决于基体组织，而与石墨的存在基本无关。

因此，灰铸铁的抗压强度约为抗拉强度3～4倍。

（2）灰铸铁的牌号及用途灰铸铁的牌号由“HT+数字”组成。

其中“HT”是“灰铁”二字汉语拼音字首，数字表示φ30mm试棒的最低抗拉强度值（MPa）。

常用灰铸铁的牌号、力学性能及用途见表4-24。

从表中可以看出，灰铸铁的强度与铸件的壁厚有关，铸件壁厚增加则强度降低，这主要是由于壁厚增加使冷却速度降低，造成基体组织中铁素体增多而珠光体减少的缘故。

（3）灰铸铁的孕育处理浇注时向铁液中加入少量孕育剂（如硅铁、硅钙合金等），改变铁液的结晶条件，以得到细小、均匀分布的片状石墨和细小的珠光体组织的方法，称为孕育处理。

孕育处理时，孕育剂及它们的氧化物使石墨片均匀细化，并使铸铁的结晶过程几乎在全部铁液中同时进行，避免铸件边缘及薄壁处出现白口组织，使铸铁各个部位截面上的组织与性能均匀一致，提高了铸铁的强度、塑性和韧性，同时也降低了灰铸铁的断面敏感性。

经孕育处理后的铸铁称为孕育铸铁，表4-24中，HT250、HT300、HT350即属于孕育铸铁，常用于制造力学性能要求较高，截面尺寸变化较大的大型铸件，如汽缸、曲轴、凸轮、机床床身等。

（4）灰铸铁的热处理由于热处理仅能改变灰铸铁的基本组织，改变不了石墨形态，因此，用热处理来提高灰铸铁的力学性能的效果不大。

灰铸铁的热处理常用于消除铸件的内应力和稳定尺寸，消除铸件的白口组织、改善切削加工性，提高铸件表面的硬度及耐磨性。

①时效处理形状复杂、厚薄不均的铸件在冷却过程中，由于各部位冷却速度不同，形成内应力，即削弱了铸件的强度，又使得在随后的切削加工中，因应力的重新分布而引起变形，甚至开裂。