鑄造廠怎么對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行熱處理?
鑄造廠灰鑄鐵熱處理講解:
退火
1.去應(yīng)力退火 為了消除鑄件的殘余應(yīng)力,穩(wěn)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(duì)鑄件進(jìn)行去應(yīng)力退火。
去應(yīng)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(dāng)溫度起過(guò)550℃時(shí),即可能發(fā)生部分滲碳體的石墨化和?;箯?qiáng)度和硬度降低。當(dāng)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(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜程度以及對(duì)消除應(yīng)力程度的要求。 鑄件去應(yīng)力退火的冷卻速度必須緩慢,以免產(chǎn)生二次殘余內(nèi)應(yīng)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(yīng)力退火規(guī)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(shù)量不多時(shí),可進(jìn)行低溫石墨化退火;當(dāng)鑄件中共晶滲碳體數(shù)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(xiàn)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Ac1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Ac1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(jù)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(qiáng)度、硬度和耐磨性,或作為表面淬火的預(yù)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(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,保溫一段時(shí)間后出爐空冷。形狀復(fù)雜的或較重要的鑄件正火處理后需再進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)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(nèi),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(duì)硬度產(chǎn)生影響。冷速愈大,析出的鐵素體數(shù)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(dá)到調(diào)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(zhuǎn)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(duì)于形狀復(fù)雜或大型鑄件應(yīng)緩慢加熱,必要時(shí)可在500~650℃預(yù)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(xiǎn),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(dǎo)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(yīng)低于550℃,回火保溫時(shí)間按t=[鑄件厚度(mm)/25]+1(h)計(jì)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(guī)淬火工藝相同。
復(fù)習(xí)前課
鑄鐵的分類(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?jǐn)?shù)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(wěn)定性的Fe3C分解出鐵素體和穩(wěn)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(yīng)用,習(xí)慣上把這兩個(gè)相圖合畫在一起,稱之為鐵-碳合金雙相圖。如圖4-11所示。其中虛線表示穩(wěn)定態(tài)(Fe-G)相圖,實(shí)線表示亞穩(wěn)定態(tài)(Fe -Fe3C)相圖,虛線與實(shí)線重合的線用實(shí)線畫出。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?duì)于過(guò)共晶成分合金而言,鑄鐵液相冷至C'D'線時(shí),結(jié)晶出的一次石墨;②各成分鑄鐵,在1154℃(E'C'F'線)通過(guò)共晶反應(yīng)形成的共晶石墨。即
第二階段石墨化 在1154~738℃溫度范圍內(nèi),奧氏體沿E'S'線析出二次石墨。即
第三階段石墨化 在738℃(P'S'K'線),通過(guò)共析轉(zhuǎn)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(duì)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。
·C和Si是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素;S是強(qiáng)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(qiáng)的元素,能提高鐵液的流動(dòng)性,但當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(qiáng)度降低,脆性增大。
總之,生產(chǎn)中,C、Si、Mn為調(diào)節(jié)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(kuò)散,石墨化溫度越低,原子擴(kuò)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(kuò)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(dāng)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(dǎo)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(rèn)為是由鋼的基體與不同形狀、數(shù)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 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 鑄鐵基體組織的類型和石墨的數(shù)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(jié)晶形態(tài),其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhǎng)率δ接近于零,從而導(dǎo)致鑄鐵的力學(xué)性能如抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性等均不如鋼。并且石墨數(shù)量越多,尺寸越大,分布越不均勻,對(duì)力學(xué)性能的削弱就越嚴(yán)重。其中
·片狀石墨對(duì)基體的削弱作用和引起應(yīng)力集中的程度最大;
·球狀石墨對(duì)基體的割裂作用最小;
·團(tuán)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(rùn)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(duì)缺口不敏感。
(2)基體組織的影響
對(duì)同一類鑄鐵來(lái)說(shuō),在其它條件相同的情況下,鐵素體相的數(shù)量越多,塑性越好;珠光體的數(shù)量越多,則抗拉強(qiáng)度和硬度越高。由于片狀石墨對(duì)基體的強(qiáng)烈作用,所以只有當(dāng)石墨為團(tuán)絮狀、蠕蟲狀或球狀時(shí),改變鑄鐵基體組織才能顯示出對(duì)性能的影響。
三、常用鑄鐵材料
1.普通灰鑄鐵
普通灰鑄鐵俗稱灰鑄鐵,簡(jiǎn)稱灰鐵。其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,鑄造性能優(yōu)良,在生產(chǎn)中應(yīng)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片狀的石墨);珠光體灰鑄鐵(在珠光體基體上分布著片狀的石墨)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(dāng)于在鋼的基體上分布著片狀石墨,因此,其基體的強(qiáng)度和硬度不低于相應(yīng)的鋼。石墨的強(qiáng)度、塑性、韌性極低,在鑄鐵中相當(dāng)于裂縫和孔洞,破壞了基體金屬的連續(xù)性,同時(shí)很容易造成應(yīng)力集中。因此,灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性及韌性都明顯低于碳鋼。石墨片的數(shù)量越多、尺寸越大、分布越不均勻,對(duì)基體的割裂作用越嚴(yán)重。但是石墨片很細(xì),尤其相互連接時(shí),也會(huì)使承載面積顯著下降。因此,石墨片長(zhǎng)度應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度3~4倍。
(2)灰鑄鐵的牌號(hào)及用途
灰鑄鐵的牌號(hào)由“HT+數(shù)字”組成。其中“HT”是“灰鐵”二字漢語(yǔ)拼音字首,數(shù)字表示φ30mm試棒的最低抗拉強(qiáng)度值(MPa)。常用灰鑄鐵的牌號(hào)、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(qiáng)度與鑄件的壁厚有關(guān),鑄件壁厚增加則強(qiáng)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(jié)晶條件,以得到細(xì)小、均勻分布的片狀石墨和細(xì)小的珠光體組織的方法,稱為孕育處理。
孕育處理時(shí),孕育劑及它們的氧化物使石墨片均勻細(xì)化,并使鑄鐵的結(jié)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(xiàn)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(qiáng)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(jī)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(nèi)應(yīng)力和穩(wěn)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(fù)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(nèi)應(yīng)力,即削弱了鑄件的強(qiáng)度,又使得在隨后的切削加工中,因應(yīng)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(duì)一些大型、復(fù)雜或加工精度較高的鑄件(如機(jī)床床身、柴油機(jī)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(tǒng)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(zhǎng)期放置在室溫下以消除其內(nèi)應(yīng)力的方法;人工時(shí)效是將鑄件重新加熱到530~620℃,經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間保溫(2~6h)后在爐內(nèi)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(nèi)應(yīng)力。時(shí)效退火溫度越高,鑄件殘余應(yīng)力消除越顯著,鑄件尺寸穩(wěn)定性越好,但隨著時(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(nèi)應(yīng)力的一種新方法。它是用振動(dòng)時(shí)效設(shè)備,按照振動(dòng)時(shí)效技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),使金屬工件在半小時(shí)內(nèi),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)生微觀塑性變形,從而降低和均化殘余應(yīng)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),效果好,而且能隨時(shí)隨地多次進(jìn)行,既不降低硬度和強(qiáng)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(jī)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(jī)床導(dǎo)軌、缸體內(nèi)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(dá)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(jié)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(jié)晶條件,使石墨球徑變小,數(shù)量增多,形狀圓整、分布均勻,顯著改善了其力學(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?jǐn)?shù)較高,Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,S、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制很嚴(yán),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(shù)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(qiáng)度比鐵素體球墨鑄鐵高50%以上,而鐵素體球墨鑄鐵的伸長(zhǎng)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(qiáng)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(xì)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(qiáng)度的利用率可以高達(dá)70%~90%,而普通灰鑄鐵僅為30%~50%。同其它鑄鐵相比,球墨鑄鐵強(qiáng)度、塑性、韌性高,屈服強(qiáng)度也很高。屈強(qiáng)比可達(dá)0.7~0.8,比鋼約高一倍,疲勞強(qiáng)度可接近一般中碳鋼,耐磨性優(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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)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(hào)及用途
球墨鑄鐵的牌號(hào)由“QT+數(shù)字-數(shù)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(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度(MPa),第二組數(shù)字表示最小斷后伸長(zhǎng)率(%)。球墨鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能和用途舉例見(jiàn)表4-25。
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