灰铸铁的热处理

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WC＞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

图4-11 Fe－G与Fe－Fe3C双重相图

说明。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 -Fe3C）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

℃LC1154AEG共晶

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GⅡ

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

℃AS738FPG共析

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WC（6.69%）比石墨（100%）更接近于合金的WC（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

石 墨 化 程 度 名 称 第一阶段 充分进行 灰铸铁 充分进行 充分进行 麻口铸铁 白口铸铁 部分进行 不进行 第二阶段 充分进行 充分进行 充分进行 部分进行 不进行 第三阶段 充分进行 部分进行 不进行 不进行 不进行 F＋G F＋P＋G P＋G Le'＋P＋G Le'＋P＋Fe3C 显微组织 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WC≈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WC＝2.7%～3.6%，WSi＝1.0～2.2%，WMn＝0.5%～1.3%，WS＜0.15%，WP＜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。因此，铸件在成形后都需要进行时效处理，尤其对一些大型、复杂或加工精度较高的铸件（如机床床身、柴油机汽缸等），在铸造后、切削加工前，甚至在粗加工后都要进行一次时效退火。

传统的时效处理一般有自然时效和人工时效。自然时效是将铸件长期放置在室温下以消除其内应力的方法；人工时效是将铸件重新加热到530～620℃，经长时间保温（2～6h）后在炉内缓慢冷却至200℃以下出炉空冷的方法。经时效退火后可消除90%以上的内应力。时效退火温度越高，铸件残余应力消除越显著，铸件尺寸稳定性越好，但随着时效温度的提高，时效后铸件力学性能会有所下降。

振动时效是目前生产中用来消除内应力的一种新方法。它是用振动时效设备，按照振动时效技术国家标准，使金属工件在半小时内，进行近十万次较大振幅的低频亚共振振动，使之产生微观塑性变形，从而降低和均化残余应力，防止工件在使用过程中的变形。由于振动时效所需时间短（半小时），成本低（一度电和几元钱），效果好，而且能随时随地多次进行，既不降低硬度和强度，又无烟尘环境污染和氧化皮，所以广泛用于铸件、焊件和机加工件的时效处理，被誉为理想的无成本时效技术。

② 石墨化退火

石墨化退火一般是将铸件以70～100℃/h的速度加热至850～900℃，保温2～5h（取决于铸件壁厚），然后炉冷至400～500℃后空冷。目的是消除灰铸铁件表层和薄壁处在浇注时产生的白口组织。

③ 表面热处理

有些铸件，如机床导轨、缸体内壁等，表面需要高的硬度和耐磨性，可进行表面淬火处理，如高频表面淬火，火焰表面淬火和激光加热表面淬火等。淬火前铸件需进行正火处理，以保证获得大于65%以上的珠光体组织，淬火后表面硬度可达50～55HRC。

2．球墨铸铁

球墨铸铁是石墨呈球状的灰铸铁。它是在浇注前向砂灰铸铁液中加入球化剂和孕育剂，而获得具有球状石墨的铸铁。

球化剂：能使石墨结晶成球状的物质。

常用球化剂：镁、稀土和稀土镁合金。 孕育剂：硅铁合金。

孕育处理的目的：首先是促进石墨化，其次是改善石墨的结晶条件，使石墨球径变小，数量增多，形状圆整、分布均匀，显著改善了其力学性能。

（1）球墨铸铁的成分、组织和性能（自阅回答问题）

球墨铸铁的成分中，C、Si的质量分数较高，Mn的质量分数较低，S、P质量分数限制很严，同时含有一定量的Mg和稀土元素。球墨铸铁常见的基体组织有铁素体、铁素体＋珠光体和珠光体三种。通过合金化和热处理后，还可获得下贝氏体、马氏体、托氏体、索氏体和奥氏体等基体组织的球墨铸铁。

在石墨球的数量、形状、大小及分布一定的条件下，珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体球墨铸铁高50%以上，而铁素体球墨铸铁的伸长率是珠光体球墨铸铁的3～5倍。铁素体＋珠光体基体的球墨铸铁性能介于二者之间。经热处理后以马氏体为基的球墨铸铁具有高硬度、高强度，但韧性很低；以下贝氏体为基的球墨铸铁具有优良的综合力学性能。石墨球越细小，分布越均匀，越能充分发挥基体组织的作用。

球墨铸铁的金属基体强度的利用率可以高达70%～90%，而普通灰铸铁仅为30%～50%。同其它铸铁相比，球墨铸铁强度、塑性、韧性高，屈服强度也很高。屈强比可达0.7～0.8，比钢约高一倍，疲劳强度可接近一般中碳钢，耐磨性优于非合金钢，铸造性能优于铸钢，加工性能几乎可与灰铸铁媲美。因此，球墨铸铁在工农业生产中得到越来越广泛的应用，但其熔炼工艺和铸造工艺要求较高，有待于进一步改进。

（2）球墨铸铁的牌号及用途

球墨铸铁的牌号由“QT+数字-数字”组成。其中“QT”是“球铁”二字汉语拼音字首，其后的第一组数字表示最低抗拉强度（MPa），第二组数字表示最小断后伸长率（%）。球墨铸铁的牌号、力学性能和用途举例见表4-25。