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铸铁平台中铸铁的热处理

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按工艺目的不同,铸铁热处理主要可以分为以下几种:(1)去应力退火热处理;(2) 石墨化热处理;(3) 改变基体组织热处理。

        本章简要介绍上述热处理工艺的理论基础和工艺特点。

        第一节  去应力退火热处理

        去应力退火就是将铸件在一定的温度下保温,然后缓慢冷却,以消除铸件中的铸造残留应力。对于灰口铸铁,去应力退火可以稳定铸件几何尺寸,减小切削加工后的变形。对于白口铸铁,去应力退火可以避免铸件在存放、运输和使用过程中受到振动或环境发生变化时产生变形甚至自行开裂。

        一、铸造残留应力的产生

        铸件在凝固和以后的冷却过程中要发生体积收缩或膨胀,这种体积变化往往受到外界和铸件各部分之间的约束而不能自由地进行,于是便产生了铸造应力。如果产生应力的原因消除后,铸造应力随之消除,这种应力叫做临时铸造应力。如果产生应力的原因消除后铸造应力仍然存在,这种应力叫做铸造残留应力。

        铸件在凝固和随后的冷却过程中,由于壁厚不同,冷却条件不同,其各部分的温度和相变程度都会有所不同,因而造成铸件各部分体积变化量不同。如果此时铸造合金已经处于弹性状态,铸件各部分之间便会产生相互制约。铸造残留应力往往是这种由于温度不同和相变程度不同而产生的应力。

        二、去应力退火的理论基础

        研究表明,铸造残留应力与铸件冷却过程中各部分的温差及铸造合金的弹性模量成正比。过去很长的时期里,人们认为铸造合金在冷却过程中存在着弹塑性转变温度,并认为铸铁的弹塑性转变温度为400℃左右。基于这种认识,去应力退火的加热温度应是400℃。但是,实践证明这个加热温度并不理想。近期的研究表明,合金材料不存在弹塑性转变温度,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。

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。
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。

第三节 改变基体组织的热处理
一、改变基体组织热处理的理论基础
     1.过冷奥氏体的转变及其产物
    如果将奥氏体化后的铸铁冷却到A1温度以下(此时的奥氏体称为过冷奥氏体),奥氏体就会发生转变。其转变可以是珠光体转变、贝氏体转变、或马氏体转变。究竟发生何种转变一方面取决于各种转变生成相在不同温度下的自由能,另一方面与各种转变所要求的动力学条件有关。
    对于铁碳合金,珠光体转变发生在A1以下至550℃左右。在此温度下,原子可以充分扩散,转变产物为珠光体。在一般情况下,珠光体内的铁素体和渗碳体呈片状相间分布,其片层厚度与珠光体转变温度有关。转变温度越低,所形成的珠光体分散度越高,片层间距越小,其力学性能越高。随着转变温度的降低,其转变产物依次为粗大珠光体或称珠光体,细珠光体或称索氏体,极细珠光体或称屈氏体(托氏体)。
    如果奥氏体冷却到大约220~550℃进行转变,由于温度较低,原子的扩散不能充分进行,奥氏体分解为介稳定的过饱和α-Fe与碳化物(或渗碳体)的混合物。这种转变产物称为贝氏体。贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体。在接近珠光体转变温度(550℃稍下)所形成的贝氏体称为上贝氏体,由平行的α-Fe相和其间分布的碳化物所组成。在金相显微镜下,上贝氏体呈羽毛状,因此又叫做羽毛状贝氏体。在靠近马氏体转变温度(220℃稍上)所形成的贝氏体称为下贝氏体,由针状过饱和α-Fe及其上分散的微细碳化物所组成,又叫做针状贝氏体。
    如果奥氏体冷却到更低的温度进行转变,原子的扩散已无法进行,奥氏体只能以非扩散的形式转变为马氏体。奥氏体只有冷却到某一温度以下才可以发生马氏体转变,这个温度称为马氏体转变开始点,简称马氏体点。马氏体转变的特点是在转变过程中铁、碳原子都不发生扩散,所生成的马氏体与原来的奥氏体成分相同。从晶体结构上看,马氏体仍是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。高碳马氏体在金相显微镜下呈针状。
    2.过冷奥氏体等温转变动力学曲线(C曲线)
过冷奥氏体等温转变动力学曲线是表示不同温度下过冷奥氏体转变量与转变时间关系的曲线。由于通常不需要了解某时刻转变量的多少,而比较注重转变的开始和结束时间,因此常常将这种曲线绘制成温度─时间曲线,简称C曲线
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。


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