铸铁的热处理

铸铁的热处理即使处于固液共存状态的合金仍具有弹性。

在a点前灰铸铁细杆已凝固完毕，粗杆处于共晶转变期，粗杆石墨化所产生的膨胀受到细杆的阻碍，产生压应力，到达a点时，粗杆的共晶转变结束，应力达到极大值。

从a点开始，粗杆冷却速度超过细杆，二者温差逐渐减小，应力随之减小，到达b 点时应力降为零。

此后由于粗杆的线收缩仍然大于细杆，加上细杆进入共析转变后石墨析出引起的膨胀，粗杆中的应力转变为拉应力。

到达c点时粗杆共析转变开始，细杆共析转变结束，两杆温差再次增大，粗杆受到的拉应力减小。

到达d点时，粗杆受到的拉应力降为零，粗杆所受到的应力又开始转变为压应力。

从e点开始，粗杆的冷却速度再次大于细杆，两杆的温差再次减小，粗杆受到的压应力开始减小。

到达f点时，应力再度为零。

此时两杆仍然存在温差，粗杆的收缩速度仍然大于细杆，在随后的冷却过程中，粗杆所受到的拉应力继续增大。

从上述分析可以看出，灰铸铁在冷却过程中有三次完全卸载（即应力等于零）状态。

如果在其最后一次完全卸载（即f点）时，对铸件保温，消除两杆的温差，然后使其缓慢冷却，就会使两杆间的应力降到最小。

对灰铸铁冷却过程中的应力测定表明，灰铸铁最后一次完全卸载温度在550～600℃。

这与实际生产中灰铸铁的退火温度相近。

三、去应力退火工艺为了提高去应力退火的实际效果，加热温度最好能达到铸件最后一次完全卸载温度。

在低于最后一次完全卸载温度时，加热温度越高，应力消除越充分。

但是，加热温度过高，会引起铸件组织发生变化，从而影响铸件的性能。

对于灰铸铁件，加热温度过高，会使共析渗碳体石墨化，使铸件强度和硬度降低。

对于白口铸铁件，加热温度过高，也会使共析渗碳体分解，使铸件的硬度和耐磨性大幅度降低。

普通灰铸铁去应力退火的加热温度为550℃。

•当铸铁中含有稳定基体组织的合金元素时，可适当提高去应力退火温度。

低合金灰口铸铁为600℃，高合金灰口铸铁可提高到650℃。

加热速度一般为60～100℃/h。

保温时间可按以下经验公式计算： H＝铸件厚度/25＋H'，式中铸件厚度的单位是毫米，保温时间的单位是小时，H'在2～8范围里选择。

形状复杂和要求充分消除应力的铸件应取较大的H'值。

随炉冷却速度应控制在30℃/h以下，一般铸件冷至150～200℃出炉，形状复杂的铸件冷至100℃出炉。

表1为一些灰铸铁件的去应力退火规范，供参考。

第二节石墨化退火热处理石墨化退火的目的是使铸铁中渗碳体分解为石墨和铁素体。

这种热处理工艺是可锻铸铁件生产的必要环节。

在灰铸铁生产中，为降低铸件硬度，便于切削加工，有时也采用这种工艺方法。

在球墨铸铁生产中常用这种处理方法获得高韧性铁素体球墨铸铁。

一、石墨化退火的理论基础根据相稳定的自由能计算，铸铁中渗碳体是介稳定相，石墨是稳定相，渗碳体在低温时的稳定性低于高温。

因此从热力学的角度看，渗碳体在任一温度下都可以分解为石墨和铁碳固溶体，而且在低温下，渗碳体分解更容易。

但是，石墨化过程能否进行，还取决于石墨的形核及碳的扩散能力等动力学因素。

对于固态相变，原子的扩散对相变能否进行起重要作用。

由于温度较高时，原子的扩散比较容易，因此实际上渗碳体在高温时分解比较容易。

尤其是自由渗碳体和共晶渗碳体分解时，由于要求原子做远距离扩散，只有在温度较高时才有可能进行。

1.石墨的形核对于可锻铸铁，渗碳体的分解首先要求形成石墨核心。

在固相基体中，石墨形核既要克服新相形成所引起的界面能的增加，同时又要克服石墨形核时体积膨胀所受到的外界阻碍，因此其形核比在液态时要困难得多。

由于在渗碳体与其周围固溶体的界面上存在有大量的空位等晶体缺陷，石墨晶核首先在这里形成。

在渗碳体内，尽管也可能存在有晶体缺陷，但是由于石墨形核会引起较大的体积膨胀，而渗碳体硬度高，体积容让性差，必然会对此产生巨大的阻力，从而阻碍石墨核心在其内部形成。

在实际生产中，铸铁内往往存在有各种氧化物、硫化物等夹杂物。

其中一些夹杂物与石墨有良好的晶格对应关系，可以作为石墨形核的基底，减小了由于石墨形核所造成的界面能的增加。

因此在实际条件下，石墨形核要比理想状态容易些。

对于灰铸铁和球墨铸铁，石墨化过程不需要石墨重新形核。

2.高温石墨化过程高温石墨化的主要目的是使自由渗碳体和共晶渗碳体分解。

如果把含有渗碳体的铸铁加热到奥氏体温度区域，石墨的形核则发生在奥氏体与渗碳体的界面上。

石墨形核后，随着渗碳体的分解，借助于碳原子向石墨核心的扩散不断长大，最终完成石墨化过程。

需要指出的是，对于可锻铸铁而言，其铸态组织是按亚稳定系凝固而成，其中奥氏体相对于稳定系奥氏体呈碳过饱和状态，石墨化后，奥氏体中碳浓度也要发生变化。

石墨化完成后，铸铁的平衡组织为奥氏体加石墨。

如果此时将铸铁缓慢冷却，奥氏体将发生共析转变，其转变产物是铁素体和二次石墨，铸铁的最终平衡组织为铁素体加石墨。

3.低温石墨化过程低温石墨化是指在A1温度（720～750℃）以下保温的石墨化过程。

可分为两种情况：一种是铸铁经过高温奥氏体化后再进行低温石墨化处理；另一种是铸铁不经过高温奥氏体化，而仅加热到A1温度以下进行低温石墨化。

前者的目的是使奥氏体在共析转变时按稳定系转变为铁素体和石墨。

后者不形成奥氏体，共析渗碳体直接分解为铁素体加石墨。

如前所述，从热力学条件看，在低温下石墨化是可能的。

此时关键的问题是碳原子的扩散。

在低温下，碳原子本身的扩散能力很低，加之铁素体溶解碳的能力很小，碳原子的扩散比较困难，主要通过晶粒边界和晶体内部缺陷进行。

因此，要提高低温石墨化的速度，关键是减小碳原子的扩散距离。

细化铸态组织，增加晶界，增加石墨核心是减小碳原子扩散距离的有效措施。

二、石墨化退火工艺1.铁素体（黑心）可锻铸铁的石墨化退火工艺图2所示，黑心可锻铸铁的石墨化有五个阶段：(1) 升温；(2) 第一阶段石墨化；(3) 中间阶段冷却；(4) 第二阶段石墨化；(5) 出炉冷却。

表3为一些典型可锻铸铁件石墨化退火实例，供参考。

如果奥氏体冷却到更低的温度进行转变，关。

如图4所示，温度越低，过冷度越大，自由能差越大，转变驱动力越大；但同时，温度的降低又使原子的扩散能力降低。

因此过冷奥氏体在某一特定温度下转变的孕育期最短。

温度过高和过低都不利。

对于铸铁，其奥氏体成分一般是过共析的，其C曲线上多出一条表示先共析渗碳体（或石墨）析出的曲线（如图5所示）。

奥氏体的成分偏离共析点越远，这条先共析相析出线距离珠光体转变开始线也越远。

铁成分不同，其过冷奥氏体转变的C曲线不同。

根据不同成分铸铁过冷奥氏体转变的C曲线，可以容易地预测该成分铸铁不同温度下奥氏体等温转变的产物，从而制订合理的等温转变热处理工艺。

3.过冷奥氏体的连续冷却转变曲线（CCT曲线）在实际热处理中，等温热处理工艺比较繁琐，因而较多的是采用连续冷却热处理。

在连续冷却过程中，奥氏体是在不断降温过程中发生转变的。

为简便起见，可以将铸铁的冷却曲线绘制到C曲线上，以定性地分析在连续冷却条件下过冷奥氏体的转变。

如图6所示，当冷却速度为V1时，冷却曲线与C曲线有两个交点，a1点表示珠光体转变开始，b1点表示珠光体转变结束。

将冷却速度提高到V2，转变开始时间和结束时间缩短，转变温度降低。

如果将冷却速度提高到临界冷却速度V'c以上（比如V3），则冷却曲线不与转变终了线相交，这表明只有一部分奥氏体转变为珠光体，而其余部分被过冷到M s点以下转变为马氏体。

在此范围里，冷却速度越大，奥氏体转变为珠光体的量越少，而马氏体量越多。

如果冷却速度大于V c，则奥氏体全部转变为马氏体。

虽然应用C曲线可以定性地分析过冷奥氏体连续冷却转变，但是由于连续冷却时奥氏体转变的孕育期与等温转变有所不同，上述分析在数值上存在着一定的偏差。

因此，在分析过冷奥氏体连续冷却时比较多的是采用过冷奥氏体的连续冷却转变曲线（CCT曲线）。

图7是共析等温淬火的目的是使材料具有高强度和高硬度的同时具有较高的塑性和韧性，是目前有效发挥材料最大潜力的一种热处理方法。

在白口铸铁生产中，等温淬火可用于犁铧、粉碎机锤头、抛丸机叶片及衬板等铸件的热处理。

其工艺是将白口铸铁在900℃奥氏体化，然后根据不同成分铸铁的过冷奥氏体等温转变曲线确定等温转变温度，在该温度下等温1～1.5小时后空冷。

在球墨铸铁、蠕墨铸铁和灰铸铁生产中，等温淬火工艺主要用来获得贝氏体加残余奥氏体基体组织。

其工艺是将铸铁加热到奥氏体化温度，保温后进行等温淬火。

提高奥氏体化温度，会提高奥氏体含碳量，使形成上贝氏体的下限温度降低，有利于形成上贝氏体组织。

增加奥氏体化保温时间，会提高奥氏体的稳定性，有利于保留一定数量的残留奥氏体，从而改善材料的韧性。

等温淬火温度要根据C曲线确定。

等温淬火时间过长会析出碳化物，降低材料的韧性；过短则贝氏体量不足。

加入一定的合金元素，诸如Mo、CuNi可提高淬透性。

图9和图10分别是球墨铸铁上贝氏体和下贝氏体等温淬火工艺，供参考。

图9 球墨铸铁上贝氏体等温淬火工艺大陆与台湾金相组织名词术语的差别。