铸铁平台中铸（zhù）铁的热处理

在（zài）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（shòu）到细杆的阻碍，产生压应力，到达a点时，粗（cū）杆的共晶转（zhuǎn）变（biàn）结束，应力（lì）达到极大值。

        从a点开始（shǐ），粗杆冷却速（sù）度超（chāo）过（guò）细杆，二（èr）者温差逐渐减小，应力随之减小，到达b点（diǎn）时应力降为零。此后由于粗杆的线收缩（suō）仍然大于细（xì）杆，加上（shàng）细杆进入共析转变后石墨析出引起的膨胀，粗杆中（zhōng）的（de）应力转变为拉应（yīng）力。

        到达c点（diǎn）时粗杆共（gòng）析转变开始，细杆（gǎn）共析转变结束（shù），两杆温差再次（cì）增大（dà），粗杆受到的拉应力（lì）减小。

        到达d点时，粗杆受（shòu）到的拉应力降为零，粗杆所受到的（de）应力又开始转变为（wéi）压应力。

        从e点开始，粗（cū）杆的冷却速（sù）度（dù）再次大于细杆，两杆的温差再次减小（xiǎo），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（de）收缩速度仍（réng）然大于细杆，在随（suí）后的冷却过程中，粗杆所受到的拉应力继续增（zēng）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（rú）果（guǒ）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（tiě）冷却过（guò）程中的应力测定表明，灰铸铁最后一次完（wán）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（shēng）变化，从而影响（xiǎng）铸件的性（xìng）能。对（duì）于灰铸铁（tiě）件，加热温（wēn）度过（guò）高，会使共析渗碳体石墨化，使铸（zhù）件强度和硬度降（jiàng）低。对于白口铸铁件，加（jiā）热温度过高（gāo），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（rè）温度为550℃。当（dāng）铸铁（tiě）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（dī）合金灰口（kǒu）铸铁为600℃，高合金灰口铸铁可提高到650℃。加热速（sù）度一般为60～100℃/h.保温时（shí）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（wēn）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（fèn）消除应力的铸件（jiàn）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（zhuàng）复杂的铸件冷至100℃出炉。表1为一些灰铸铁件的去（qù）应力退火规范（fàn），供参考。

第（dì）二节  石墨（mò）化（huà）退火热处（chù）理

        石墨化退火的目的是使铸铁中渗碳体分解为（wéi）石墨和铁素体。这种热处理工艺是（shì）可锻铸（zhù）铁件生产（chǎn）的必要环（huán）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（cǎi）用这种工艺方法。在球墨铸铁生产（chǎn）中（zhōng）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（dìng）的自由（yóu）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（xìng）低于高温（wēn）。因此从（cóng）热力学的角度看，渗碳体在任一温（wēn）度下都可以（yǐ）分（fèn）解为石（shí）墨和铁碳固溶体（tǐ），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（shí）墨的形核及碳的扩散能力（lì）等动力学因素（sù）。对于固态相变，原子的扩散对相变能否进行起重（chóng）要作用。由（yóu）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（gāo）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（yú）要（yào）求原子做远（yuǎn）距（jù）离扩散，只有在（zài）温（wēn）度较（jiào）高时才有可能进行。

        1.石墨的（de）形核

        对于可锻铸铁，渗碳体（tǐ）的分解首先要求形成石墨核心。

        在固相（xiàng）基体中，石（shí）墨形核既要克服新（xīn）相形成所引起的界面能（néng）的增加，同（tóng）时又（yòu）要克服石墨形（xíng）核时体积膨（péng）胀所受到的外界阻碍，因此其形（xíng）核比在液态时要困难得多。由于在渗碳体与其（qí）周围固溶体的界（jiè）面上存在有大（dà）量的空位（wèi）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（néng）存在有晶体缺陷，但是由于石墨形核（hé）会（huì）引（yǐn）起较大的体积膨胀（zhàng），而渗（shèn）碳体硬度高，体积容（róng）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（shí）际生产中，铸铁内（nèi）往（wǎng）往存在有（yǒu）各种氧化物、硫化物等夹杂物。其中（zhōng）一些夹杂物与石墨有良好的晶格对应（yīng）关系，可以作为石墨形核的基（jī）底，减小了（le）由于（yú）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（tài）容易些。

        对于灰铸铁和球墨铸铁，石墨化过程不需要石墨重（chóng）新形核。

        2.高温石（shí）墨化过（guò）程

        高温石墨化的主要目的是使自（zì）由渗碳（tàn）体和共晶渗碳体分解。如（rú）果把含有渗（shèn）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（ào）氏体（tǐ）与渗碳体（tǐ）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（chéng）石墨化过程。

        需要指出的是，对于可锻铸（zhù）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（bǎo）和状态，石墨化后，奥氏（shì）体中碳浓度也要发生变化。石墨化完成后，铸铁（tiě）的平衡组织（zhī）为奥氏体加石墨。如果此时将铸铁缓慢冷（lěng）却，奥氏体将发生共（gòng）析转变，其转变产物是铁（tiě）素体和二次石墨，铸（zhù）铁的最终平衡组织为铁素体加石墨（mò）。

        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（zhù）铁经过高温奥氏体（tǐ）化后再进行（háng）低温石墨化（huà）处理；另一种是铸（zhù）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（shì）体在（zài）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（běn）身的扩（kuò）散能力很低，加之（zhī）铁素体溶解碳的能力很小，碳原子的扩散比较困难（nán），主要通过晶粒（lì）边界和晶体内部缺陷进行。因此，要（yào）提高低温石墨化的速度，关键是减小（xiǎo）碳原子的扩散距离。细化铸态组织，增（zēng）加晶（jīng）界，增加石（shí）墨核（hé）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（zhù）铁的石墨化退火工（gōng）艺

        图2所（suǒ）示，黑心可锻（duàn）铸铁的石墨（mò）化有五个阶段：（1） 升温；（2） 第一阶段石墨化；（3） 中间阶段冷却（què）；（4） 第二阶段石墨化；（5） 出炉冷却（què）。

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（huà）所产生的膨胀受（shòu）到细杆的阻碍，产生压应力（lì），到达a点时，粗杆的共（gòng）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（wéi）零。此后由于粗杆的线（xiàn）收缩仍然大（dà）于（yú）细杆，加上细（xì）杆进入共析转变后（hòu）石墨析出引起的膨胀（zhàng），粗杆中的应力转变为拉（lā）应力。

        到达c点时粗杆共析转变开始（shǐ），细杆共（gòng）析转（zhuǎn）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（lì）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（gǎn）的（de）温差再次减小，粗杆（gǎn）受到的压应力开始减小。

        到达f点时，应力再（zài）度为零。此时两杆（gǎn）仍（réng）然存在温差，粗杆的（de）收缩速（sù）度仍（réng）然大于细杆，在随后的冷却过程中，粗杆所受到的拉应（yīng）力继续增大（dà）。

        从上述分析（xī）可以看出，灰铸铁在冷却过程中有三次完全卸载（即应（yīng）力等（děng）于（yú）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（gǎn）的温差，然后使其（qí）缓慢冷却（què），就会使两杆间的应力降到最（zuì）小。对灰铸铁冷却（què）过程中的应力测定表明，灰铸（zhù）铁最后一次完全卸载温度在550～600℃。这与实（shí）际生产中灰铸铁（tiě）的退火温度相近。

        三、去应力退火工（gōng）艺

        为了提高去应力退（tuì）火的实际效果，加热温（wēn）度最好能达到（dào）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（dù）时，加热温度越高，应力消除越充分。但（dàn）是（shì），加热温度过高，会引起铸（zhù）件组（zǔ）织发生变化，从而（ér）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（shǐ）铸件强度和硬度降低（dī）。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（yìng）度和耐磨性（xìng）大幅度降低。

        普通灰铸铁去应（yīng）力退火的加热温度为550℃。当铸铁中含有（yǒu）稳定基体组织的合金元素时，可适（shì）当（dāng）提高去应力退火温度。低（dī）合金灰口铸铁为600℃，高（gāo）合（hé）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（yàn）公式（shì）计算： H＝铸件厚（hòu）度（dù）/25＋H'，式中铸件厚（hòu）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（fù）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（chū）炉，形状复（fù）杂的铸件冷至100℃出炉。
第二节  石墨化（huà）退火热处理

        石墨化退火的目的是使铸铁中渗（shèn）碳体分解为石墨和铁素体。这种热（rè）处理工艺是可锻铸铁件（jiàn）生产的必要（yào）环节。在灰铸（zhù）铁生产中，为降低铸件硬度，便于切削加工，有时也采（cǎi）用这种工艺方法。在球墨铸铁生产中（zhōng）常用这种处理方法获得高（gāo）韧性铁素体球墨铸铁。

        一、石墨化退火的理论（lùn）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（mò）是稳（wěn）定相（xiàng），渗碳体在低温时的稳定性低于高温。因（yīn）此从热力学（xué）的角度看，渗碳体在任一温度下（xià）都可以分解为石墨和铁碳固溶体（tǐ），而且在低温下，渗碳体分解更容（róng）易。

        但（dàn）是，石墨化过程能否进（jìn）行，还取决于石墨（mò）的（de）形核及碳的扩（kuò）散能力等动（dòng）力学因素。对于固（gù）态相变，原子的扩散对相变能否进行起重（chóng）要作用。由于（yú）温度较高时，原子的扩散比较容易，因此（cǐ）实际上渗（shèn）碳体在高温时分解比较容易。尤其是（shì）自由渗碳体和共晶渗碳体分（fèn）解时，由于要求原子做远距离扩散，只有在温度较高（gāo）时才有可能进行。

        1.石墨的形核

        对（duì）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（xīn）相形成所引起的界（jiè）面能的增加，同时又要克服石（shí）墨形核时体积膨胀所受到的外界阻碍，因此其形核比在液（yè）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（cún）在有大量的空（kōng）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（yú）石墨形核会引起（qǐ）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（tiě）内往往存在有各（gè）种（zhǒng）氧化物、硫（liú）化物等夹杂物。其中一些夹杂物与石（shí）墨有良好的晶格对应关系（xì），可以作为石墨形核的基底（dǐ），减小了由于石墨（mò）形核所造（zào）成的界面能的增加。因此在实（shí）际条件下，石墨形核要比理想状态容易些。

        对于灰铸铁（tiě）和球（qiú）墨铸铁，石墨化过程（chéng）不需（xū）要石墨重新形核（hé）。

        2.高（gāo）温石墨化过程

        高温石墨化（huà）的主要（yào）目的是（shì）使自由渗碳体和共晶渗碳体分解（jiě）。如（rú）果把含有渗碳体的铸铁加热到奥氏体温（wēn）度区域，石（shí）墨的形核则发生在奥氏体与渗碳体的界面上（shàng）。石墨形核后，随着渗碳（tàn）体的分解（jiě），借助（zhù）于碳原子向石墨（mò）核心的扩散不（bú）断长大，最（zuì）终完成石墨化过程。

        需要（yào）指出的是，对于可锻铸铁而言，其铸态组（zǔ）织是按亚（yà）稳定系凝固而成，其中奥氏体相对于稳（wěn）定系奥氏体呈碳过饱和（hé）状态，石墨化后，奥氏（shì）体中碳浓度也要发生变化（huà）。石墨化完成后，铸（zhù）铁的平衡组织为奥氏体加石墨。如果此时将铸铁（tiě）缓慢冷却，奥氏体将（jiāng）发（fā）生共析转变，其转变产物是铁素体和二次石（shí）墨，铸铁的最终平衡组织（zhī）为铁素体加石（shí）墨。

        3.低温石墨化过程

        低温石墨化是指在A1温（wēn）度（720～750℃）以下（xià）保温的石（shí）墨化过程（chéng）。可分为两（liǎng）种情况：一种是铸（zhù）铁经过高温奥氏体化后再进（jìn）行（háng）低温（wēn）石墨化处理；另一种是铸铁不（bú）经过高温奥氏（shì）体化，而（ér）仅加热到A1温（wēn）度（dù）以下进行低温石墨化。

        前者的目的是使奥（ào）氏体在共析转变时按稳（wěn）定（dìng）系转变（biàn）为（wéi）铁素体和石墨。后者不（bú）形成奥氏体（tǐ），共析渗碳体直接分解为铁素体加石墨。

        如前所述，从热力（lì）学条件看，在低温下石墨化是可能的。此（cǐ）时关键的问（wèn）题是碳原子的扩散。在低温下（xià），碳原子本身的扩散能力（lì）很低，加之铁素体（tǐ）溶解（jiě）碳（tàn）的（de）能力（lì）很小，碳原子的扩散比（bǐ）较困难，主要通过晶粒边界和晶体内部缺陷进（jìn）行。因此，要提（tí）高低（dī）温石墨化的速度，关键是减小碳原子的扩散距离。细（xì）化铸态组（zǔ）织，增加晶界，增加石墨核心是减小碳（tàn）原子扩散距（jù）离的有效措施。

        二、石墨化退火（huǒ）工艺

        1.铁素体（黑心）可锻铸铁的石墨（mò）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（jiān）阶段冷却；（4） 第二阶段石墨化；（5） 出炉（lú）冷却。

第三节 改变基体组织的热处理
一、改变（biàn）基体组织热处理的理论基础（chǔ）
     1.过冷奥（ào）氏体的（de）转变及其产物
    如果将（jiāng）奥氏体化后（hòu）的铸铁冷却到A1温度以下（此时的奥氏体称为过冷奥氏体（tǐ）），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（zhǒng）转变所要求的动力学条件有关。
    对（duì）于（yú）铁碳合金，珠光体转变发生在A1以下至550℃左右。在此温度下（xià），原子可以充分扩散，转变产物（wù）为珠光体。在一般情况下，珠光体内的铁素体（tǐ）和渗碳体呈片（piàn）状相间分布，其片层厚度与珠光体转变温度有（yǒu）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（xué）性能越高。随着转变温度的降低，其转变产物（wù）依次为粗大（dà）珠（zhū）光体或（huò）称珠光（guāng）体，细珠光体或（huò）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（fèn）进行，奥氏体分解为介稳定的过（guò）饱和α-Fe与碳化（huà）物（或渗碳体）的混合物。这种（zhǒng）转变产物称为贝氏体（tǐ）。贝氏体分为上贝氏体和下（xià）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（wéi）上贝氏体，由平行的α-Fe相和（hé）其间分（fèn）布的碳化物所组成。在金相显微镜下，上贝氏体呈羽毛（máo）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（suǒ）形成的贝氏体称为下贝氏体，由针（zhēn）状过饱和α-Fe及（jí）其上（shàng）分散的微细碳化物所（suǒ）组成，又（yòu）叫做针状贝氏体。
    如果奥氏体冷却到更（gèng）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（yǒu）冷却到某（mǒu）一温度以下才可以发生马氏体（tǐ）转变，这个温度称（chēng）为（wéi）马氏体转变开始（shǐ）点，简称马氏体（tǐ）点。马氏体转变的特点是在转变过程中铁（tiě）、碳原子都不（bú）发生扩散，所生成的马氏体与原来的奥氏体（tǐ）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（tàn）马（mǎ）氏体（tǐ）在金相显微镜下（xià）呈针状。
    2.过（guò）冷奥（ào）氏体等温转变动力学曲（qǔ）线（C曲线）
过冷奥氏（shì）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（guān）系的（de）曲线。由于通常不需要了解某（mǒu）时刻转变量的（de）多（duō）少，而比较（jiào）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（wēn）度─时间曲线，简称C曲线
等温淬火的目的（de）是使材料具有高强度和高硬度的同时具有较高的塑（sù）性和韧性，是目前有效发挥材料（liào）****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（lǐ）。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（lěng）奥氏体等温转变曲（qǔ）线确定等温转变（biàn）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（zhōng），等温淬火工艺主要用来获得（dé）贝氏（shì）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（hòu）进行（háng）等温淬火。提高奥氏体化温度，会提高奥氏（shì）体含碳量，使形成（chéng）上（shàng）贝氏体的下限温（wēn）度降低，有利于形成上贝氏体组织。增加奥氏（shì）体化保温时间，会提（tí）高奥（ào）氏体的（de）稳定性，有利于保留一定数量的残留（liú）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（guò）长会析出碳化物，降低材料的韧性；过（guò）短则贝（bèi）氏体量不足。加（jiā）入一定的合金元素，诸如Mo、CuNi可提高淬透（tòu）性。