鑄造廠(chǎng)灰鑄鐵熱處理講解：

退火

1.去應力退火 為了消除鑄件的殘余應力，穩定其幾何尺寸，減少或消除切削加工后產(chǎn)生的畸變，需要對鑄件進(jìn)行去應力退火。

去應力退火溫度的確定，必須考慮鑄鐵的化學(xué)成分。普通灰鑄鐵當溫度起過(guò)550℃時(shí)，即可能發(fā)生部分滲碳體的石墨化和?；?，使強度和硬度降低。當含有合金元素時(shí)，滲碳體開(kāi)始分解的溫度可提高到650℃左右。

通常，普通灰鑄鐵去應力退火溫度以550℃為宜，低合金灰鑄鐵為600℃，高合金灰鑄鐵是可提高到650℃，加熱速度一般選用60～120℃/h.保溫時(shí)間決定于加熱溫度、鑄件的大小和結構復雜程度以及對消除應力程度的要求。 鑄件去應力退火的冷卻速度必須緩慢，以免產(chǎn)生二次殘余內應力，冷卻速度一般控制在20～40℃/h，冷卻到200～150℃以下，可出爐空冷。

一些灰鑄鐵件的去應力退火規范示于表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量不多時(shí)，可進(jìn)行低溫石墨化退火;當鑄件中共晶滲碳體數量較多時(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 )出現共析滲碳體石墨化與?；?，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A(yíng)c1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A(yíng)c1上限以上的溫度，使鑄鐵中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度、硬度和耐磨性，或作為表面淬火的預備熱處理，改善基體組織。一般的正火是將鑄件加熱到Ac上限+30～50℃，使原始組織轉變?yōu)閵W氏體，保溫一段時(shí)間后出爐空冷。形狀復雜的或較重要的鑄件正火處理后需再進(jìn)行消除內應力的退火。如鑄鐵原始組織中存在過(guò)量的自由滲碳體，則必須先加熱到Ac1上限+50～100℃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，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，從而對硬度產(chǎn)生影響。冷速愈大，析出的鐵素體數量愈少，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)，達到調整鑄鐵硬度的目的。

淬火與回火

1.淬火 鑄鐵淬火工藝是將鑄件加熱到Ac1上限+30～50℃的溫度，一般取850～900℃，使組織轉變成奧氏體，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。

對于形狀復雜或大型鑄件應緩慢加熱，必要時(shí)可在500～650℃預熱，以避免不均勻加熱而造成開(kāi)裂。

隨奧氏體化溫度升高，淬火后的硬度越高，但過(guò)高的奧氏體化溫度，不但增加鑄鐵變形和開(kāi)裂的危險，并產(chǎn)生較多的殘留奧氏體，使硬度下降。

灰鑄鐵的淬透性與石墨大小、形狀、分布、化學(xué)成分以及奧氏體晶粒度有關(guān)。

石墨使鑄鐵的導熱性降低，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，回火溫度一般應低于550℃，回火保溫時(shí)間按t=[鑄件厚度(mm)/25]+1(h)計算。

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。

等溫淬火的加熱溫度和保溫時(shí)間與常規淬火工藝相同。

復習前課

鑄鐵的分類(lèi)(P89～90)

§4-6工程鑄鐵

一、 鑄鐵的石墨化

1.概述

鑄鐵是碳的質(zhì)量分數WC>2.11%的鐵碳合金。它是以Fe、C、Si為主要組成元素，并比鋼含有較高的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：鑄鐵中的碳以石墨的形式析出的過(guò)程。

石墨化有兩種方式：一種是在冷卻過(guò)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定性的Fe3C分解出鐵素體和穩定的石墨。

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(shuō)明;冷速趕快，則析出滲碳體的可能性越大，用Fe-Fe3C相圖說(shuō)明。為便于比較和應用，習慣上把這兩個(gè)相圖合畫(huà)在一起，稱(chēng)之為鐵-碳合金雙相圖。如圖4-11所示。其中虛線(xiàn)表示穩定態(tài)(Fe-G)相圖，實(shí)線(xiàn)表示亞穩定態(tài)(Fe　　　　-Fe3C)相圖，虛線(xiàn)與實(shí)線(xiàn)重合的線(xiàn)用實(shí)線(xiàn)畫(huà)出。石墨化以哪一種方式進(jìn)行，主要取決于鑄鐵的成分與保溫冷卻條件。

2.石墨化過(guò)程

按照Fe-G相圖，鑄鐵的石墨化過(guò)程分為三個(gè)階段：

第一階段石墨化?、賹τ谶^(guò)共晶成分合金而言，鑄鐵液相冷至C'D'線(xiàn)時(shí)，結晶出的一次石墨;②各成分鑄鐵，在1154℃(E'C'F'線(xiàn))通過(guò)共晶反應形成的共晶石墨。即

第二階段石墨化　在1154～738℃溫度范圍內，奧氏體沿E'S'線(xiàn)析出二次石墨。即

第三階段石墨化 在738℃(P'S'K'線(xiàn)),通過(guò)共析轉變析出共析石墨。即

3.影響石墨化的主要因素

(1)化學(xué)成分 按對石墨化的作用，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(lèi)。

·C和Si是強烈促進(jìn)石墨化的元素;S是強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(kāi)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)石墨化不太強的元素，能提高鐵液的流動(dòng)性，但當其質(zhì)量分數超過(guò)奧氏體或鐵素鐵的溶解度時(shí)，會(huì )形成硬而脆的磷共晶，使鑄鐵強度降低，脆性增大。

總之，生產(chǎn)中，C、Si、Mn為調節組織元素，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(guò)程需要碳、鐵原子的擴散，石墨化溫度越低，原子擴散越困難，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為是由鋼的基體與不同形狀、數量、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(lèi)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(chēng) 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+G

F+P+G

P+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+Fe3C

2.鑄鐵的性能 鑄鐵基體組織的類(lèi)型和石墨的數量、形狀、大小和分布狀態(tài)決定了鑄鐵的性能。

(1)石墨的影響

石墨是碳的一種結晶形態(tài)，其碳的質(zhì)量分數WC≈100%，具有簡(jiǎn)單六方晶格。

由于石墨的硬度為3～5HBS，σb約為20MPa，塑性和韌性極低，伸長(cháng)率δ接近于零，從而導致鑄鐵的力學(xué)性能如抗拉強度、塑性、韌性等均不如鋼。并且石墨數量越多，尺寸越大，分布越不均勻，對力學(xué)性能的削弱就越嚴重。其中

·片狀石墨對基體的削弱作用和引起應力集中的程度最大;

·球狀石墨對基體的割裂作用最小;

·團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，使鑄鐵對缺口不敏感。

(2)基體組織的影響

對同一類(lèi)鑄鐵來(lái)說(shuō)，在其它條件相同的情況下，鐵素體相的數量越多，塑性越好;珠光體的數量越多，則抗拉強度和硬度越高。由于片狀石墨對基體的強烈作用，所以只有當石墨為團絮狀、蠕蟲(chóng)狀或球狀時(shí)，改變鑄鐵基體組織才能顯示出對性能的影響。

三、常用鑄鐵材料

1.普通灰鑄鐵

普通灰鑄鐵俗稱(chēng)灰鑄鐵，簡(jiǎn)稱(chēng)灰鐵。其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，鑄造性能優(yōu)良，在生產(chǎn)中應用最為廣泛，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=1.0～2.2%，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(zhù)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(zhù)片狀的石墨);珠光體灰鑄鐵(在珠光體基體上分布著(zhù)片狀的石墨)如圖4-13(a)、(b)、(c)所示。

圖4-13　三種基體的灰鑄鐵

灰鑄鐵組織相當于在鋼的基體上分布著(zhù)片狀石墨，因此，其基體的強度和硬度不低于相應的鋼。石墨的強度、塑性、韌性極低，在鑄鐵中相當于裂縫和孔洞，破壞了基體金屬的連續性，同時(shí)很容易造成應力集中。因此，灰鑄鐵的抗拉強度、塑性及韌性都明顯低于碳鋼。石墨片的數量越多、尺寸越大、分布越不均勻，對基體的割裂作用越嚴重。但是石墨片很細，尤其相互連接時(shí)，也會(huì )使承載面積顯著(zhù)下降。因此，石墨片長(cháng)度應以0.03～0.25mm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?；诣T鐵的硬度和抗壓強度主要取決于基體組織，而與石墨的存在基本無(wú)關(guān)。因此，灰鑄鐵的抗壓強度約為抗拉強度3～4倍。

(2)灰鑄鐵的牌號及用途

灰鑄鐵的牌號由“HT+數字”組成。其中“HT”是“灰鐵”二字漢語(yǔ)拼音字首，數字表示φ30mm試棒的最低抗拉強度值(MPa)。常用灰鑄鐵的牌號、力學(xué)性能及用途見(jiàn)表4-24。

從表中可以看出，灰鑄鐵的強度與鑄件的壁厚有關(guān)，鑄件壁厚增加則強度降低，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)，改變鐵液的結晶條件，以得到細小、均勻分布的片狀石墨和細小的珠光體組織的方法，稱(chēng)為孕育處理。

孕育處理時(shí)，孕育劑及它們的氧化物使石墨片均勻細化，并使鑄鐵的結晶過(guò)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(chēng)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(lái)提高灰鑄鐵的力學(xué)性能的效果不大?；诣T鐵的熱處理常用于消除鑄件的內應力和穩定尺寸，消除鑄件的白口組織、改善切削加工性，提高鑄件表面的硬度及耐磨性。

① 時(shí)效處理

形狀復雜、厚薄不均的鑄件在冷卻過(guò)程中，由于各部位冷卻速度不同，形成內應力，即削弱了鑄件的強度，又使得在隨后的切削加工中，因應力的重新分布而引起變形，甚至開(kāi)裂。因此，鑄件在成形后都需要進(jìn)行時(shí)效處理，尤其對一些大型、復雜或加工精度較高的鑄件(如機床床身、柴油機汽缸等)，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(cháng)期放置在室溫下以消除其內應力的方法;人工時(shí)效是將鑄件重新加熱到530～620℃，經(jīng)長(cháng)時(shí)間保溫(2～6h)后在爐內緩慢冷卻至200℃以下出爐空冷的方法。經(jīng)時(shí)效退火后可消除90%以上的內應力。時(shí)效退火溫度越高，鑄件殘余應力消除越顯著(zhù)，鑄件尺寸穩定性越好，但隨著(zhù)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(lái)消除內應力的一種新方法。它是用振動(dòng)時(shí)效設備，按照振動(dòng)時(shí)效技術(shù)國家標準，使金屬工件在半小時(shí)內，進(jìn)行近十萬(wàn)次較大振幅的低頻亞共振振動(dòng)，使之產(chǎn)生微觀(guān)塑性變形，從而降低和均化殘余應力，防止工件在使用過(guò)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(qián))，效果好，而且能隨時(shí)隨地多次進(jìn)行，既不降低硬度和強度，又無(wú)煙塵環(huán)境污染和氧化皮，所以廣泛用于鑄件、焊件和機加工件的時(shí)效處理，被譽(yù)為理想的無(wú)成本時(shí)效技術(shù)。

② 石墨化退火

石墨化退火一般是將鑄件以70～100℃/h的速度加熱至850～900℃，保溫2～5h(取決于鑄件壁厚)，然后爐冷至400～500℃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。

③ 表面熱處理

有些鑄件，如機床導軌、缸體內壁等，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50～55HRC。

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晶條件，使石墨球徑變小，數量增多，形狀圓整、分布均勻，顯著(zhù)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(wèn)題)

球墨鑄鐵的成分中，C、Si的質(zhì)量分數較高，Mn的質(zhì)量分數較低，S、P質(zhì)量分數限制很?chē)?，同時(shí)含有一定量的Mg和稀土元素。球墨鑄鐵常見(jiàn)的基體組織有鐵素體、鐵素體+珠光體和珠光體三種。通過(guò)合金化和熱處理后，還可獲得下貝氏體、馬氏體、托氏體、索氏體和奧氏體等基體組織的球墨鑄鐵。

在石墨球的數量、形狀、大小及分布一定的條件下，珠光體球墨鑄鐵的抗拉強度比鐵素體球墨鑄鐵高50%以上，而鐵素體球墨鑄鐵的伸長(cháng)率是珠光體球墨鑄鐵的3～5倍。鐵素體+珠光體基體的球墨鑄鐵性能介于二者之間。經(jīng)熱處理后以馬氏體為基的球墨鑄鐵具有高硬度、高強度，但韌性很低;以下貝氏體為基的球墨鑄鐵具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。石墨球越細小，分布越均勻，越能充分發(fā)揮基體組織的作用。

球墨鑄鐵的金屬基體強度的利用率可以高達70%～90%，而普通灰鑄鐵僅為30%～50%。同其它鑄鐵相比，球墨鑄鐵強度、塑性、韌性高，屈服強度也很高。屈強比可達0.7～0.8，比鋼約高一倍，疲勞強度可接近一般中碳鋼，耐磨性?xún)?yōu)于非合金鋼，鑄造性能優(yōu)于鑄鋼，加工性能幾乎可與灰鑄鐵媲美。因此，球墨鑄鐵在工農業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應用，但其熔煉工藝和鑄造工藝要求較高，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

(2)球墨鑄鐵的牌號及用途

球墨鑄鐵的牌號由“QT+數字-數字”組成。其中“QT”是“球鐵”二字漢語(yǔ)拼音字首，其后的第一組數字表示最低抗拉強度(MPa)，第二組數字表示最小斷后伸長(cháng)率(%)。球墨鑄鐵的牌號、力學(xué)性能和用途舉例見(jiàn)表4-25。