改變基體組織熱處理的理論及工藝

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為增強基體組織的強度和耐磨性，提高鑄件的各種性能（耐磨性、硬度等），為鑄鐵工藝提供更加可靠的技術支持，現對改變基體組織熱處理的理論和工藝進行討論。

1 改變基體組織熱處理理論

1.1 過冷奧氏體的轉變及其產物

鑄鐵奧氏體化后，如果繼續冷卻，溫度低于A1溫度時，奧氏體就會發生轉變。這種轉變不是單一的，而是具有多種可能性，可能是馬氏體轉變、珠光體轉變等，而具體的轉變方式與各種不同轉變所要求的動力學條件有關，而且還與各種轉變生成相在不同溫度下的自由能有關。

以鐵碳合金為例，其發生珠光體轉變的溫度在550℃以上至A1溫度左右。在這種溫度條件下原子得到充分擴散。通常珠光體內的滲碳體和鐵素體的分布方式呈片狀相間，其片層厚度與珠光體轉變溫度呈正相關。轉變溫度越高，所形成的珠光體分散度越小，片層厚度越大，反之則片層厚度越小。隨著轉變溫度的降低，其轉變產物依次為珠光體、索氏體，極細珠光體。

鑄鐵奧氏體化后，如果冷卻的溫度低于550℃而高于220℃時，原子不能充分擴散，就會轉變為貝氏體，為介穩定的過飽和滲碳體和α-Fe的混合物。在接近550℃所形成的貝氏體稱為上貝氏體，在靠近220℃所形成的貝氏體稱為下貝氏體。上貝氏體由碳化物和α-Fe相組成，在金相顯微鏡下呈羽毛狀；下貝氏體由分散的微細碳化物和過飽和α-Fe組成。

鑄鐵奧氏體化后，如果冷卻的溫度再進一步降低，原子無法擴散，就會轉變為馬氏體，馬氏體成分與原來的奧氏體成分相同。在馬氏體轉變的過程中碳、鐵原子都不發生擴散，是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。

1.2 過冷奧氏體等溫轉變動力學曲線

過冷奧氏體等溫轉變動力學曲線是表示不同溫度下過冷奧氏體轉變量與轉變時間關系的曲線。由于通常不需要了解某時刻轉變量的多少，而比較注重轉變的開始和結束時間，因此，常常將這種曲線繪制成溫度─時間曲線，簡稱C曲線，如圖1所示。

圖1 共析成分奧氏體的C曲線

C曲線的左邊一條線表示轉變開始時間，稱為孕育期。孕育期的長短取決于過冷奧氏體在該溫度下的穩定性，它與該溫度下過冷奧氏體與形成新相之間的能量差和碳原子的擴散能力有關。如圖2所示，溫度越低，過冷度越大，自由能差越大，轉變驅動力越大；但同時，溫度的降低又使原子的擴散能力降低。因此過冷奧氏體在某一特定溫度下轉變的孕育期最短。

圖2 過冷奧氏體的轉變與溫度的關系

對于鑄鐵，其奧氏體成分一般是過共析的，其C曲線上多出一條表示先共析滲碳體（或石墨）析出的曲線，如圖3所示。奧氏體的成分偏離共析點越遠，這條先共析相析出線距離珠光體轉變開始線也越遠。鐵成分不同，其過冷奧氏體轉變的C曲線不同。根據不同成分鑄鐵過冷奧氏體轉變的C曲線，可以容易地預測該成分鑄鐵不同溫度下奧氏體等溫轉變的產物，從而制訂合理的等溫轉變熱處理工藝。

圖3 過共析奧氏體等溫轉變曲線

1.3 過冷奧氏體的連續冷卻轉變曲線

在實際熱處理中，較多的是采用連續冷卻熱處理。為了對在連續冷卻條件下過冷奧氏體的轉變進行定性分析，可以將鑄鐵的冷卻曲線繪制到C曲線上。如圖4所示，當冷卻速度為V1時，冷卻曲線與C曲線有b1和a1兩個交點，分別表示珠光體轉變結束和開始。將冷卻速度提高到V2，轉變溫度降低，轉變開始和結束時間都縮短。如果將冷卻速度提高到臨界冷卻速度V'c以上，則冷卻曲線與轉變終了線不相交，這說明一部分奧氏體轉變為珠光體，而其余部分被過冷到Ms點以下轉變為馬氏體。

圖4 應用C曲線分析不同冷卻速度下過冷奧氏體轉變示意圖

雖然應用C曲線可以定性地分析過冷奧氏體連續冷卻轉變，但是由于連續冷卻時奧氏體轉變的孕育期與等溫轉變有所不同，上述分析在數值上存在著一定的偏差。因此，在分析過冷奧氏體連續冷卻時比較多的是采用過冷奧氏體的連續冷卻轉變曲線（CCT曲線）。圖5是共析成分奧氏體連續冷卻轉變曲線，為便于對比，圖中還畫出了C曲線。與其C曲線相比，連續冷卻時轉變開始時間和開始溫度降低。

圖5 共析奧氏體連續冷卻轉變曲線

圖中CC'線為轉變中止線，表示冷卻曲線與此線相交時轉變并未完成，但奧氏體分解停止，剩余部分被冷卻到更低的溫度下轉變為馬氏體。許多因素都會影響奧氏體連續冷卻轉變曲線，如奧氏體化溫度、化學成分、加熱速度。因此，實際鑄鐵的連續冷卻轉變曲線與圖5有比較大的出入。圖6是一種球墨連續冷卻轉變曲線，冷卻曲線下面的數據為硬度（HV10）。

圖6 一種球墨鑄鐵的連續冷卻轉變曲線

2 改變基體組織的熱處理及其工藝

2.1 正火

鑄鐵的正火處理主要是為了增強其強度和耐磨性，主要用于灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。下面重點探討灰鑄鐵、球墨鑄鐵的正火處理。

（1）灰口鑄鐵的正火工藝

灰口鑄鐵在提高加熱溫度后，可使奧氏體碳含量增加，從而使冷卻后珠光體量增加，具體的加熱溫度根據灰口鑄鐵共晶滲碳體量不同而有所不同，當共晶滲碳體較多時，溫度為900~950℃；當較少時，溫度為850~900℃。保溫時間一般為1~3小時。保溫后采用冷卻，這樣可以使珠光體含量增加，冷卻方式可采用噴霧冷卻、風冷或空氣冷卻。

（2）球墨鑄鐵的正火處理

球墨鑄鐵的正火處理主要分四種：高溫奧氏體化正火和兩階段正火所得到的基體組織都為少量鐵素體（牛眼狀）和少量鐵素體；部分奧氏體化正火和高溫不保溫正火所得到的基體組織都為鐵素體（破碎狀）和珠光體。這四種球墨鑄鐵正火處理的目的和處理規范，如圖7所示。

圖7 球墨鑄鐵常用正火工藝

2.2 淬火和回火

淬火是為了提高鑄件的各種性能，如提高其耐磨性、硬度等。而回火是為了降低淬火中產生的應力，是一種后處理方法。

（1）抗磨白口鑄鐵的淬火及回火工藝

以不同牌號的抗磨白口鑄鐵為例。KmTBCr2Mo1Cu1抗磨白口鑄鐵，轉化退火工藝為：940~960℃保溫1~6 h，緩冷至760~780℃保溫4~6 h，緩冷至600℃以下出爐空冷，淬火工藝：960~1 000℃保溫1~6h，出爐空冷；回火工藝為：200~300℃保溫4~6 h，出爐空冷；KmTBCr15Mo2-DT抗磨白口鑄鐵，轉化退火工藝：920~960℃保溫1~8h，緩冷至700~750℃保溫4~8h，緩冷至600℃以下出爐空冷，淬火工藝：920~1 000℃保溫2~6 h，出爐空冷，回火工藝：200~300℃保溫 2~8 h，出爐空冷；KmTBCr20Mo2Cu1抗磨白口鑄鐵，轉化退火工藝：920~960℃保溫1~8 h，緩冷至700~750℃保溫4~10 h，緩冷至600℃以下出爐空冷，淬火工藝：960~1 020℃保溫2~6 h，出爐空冷，回火工藝：200~300℃保溫2~8 h，出爐空冷。

（2）球墨鑄鐵的淬火及回火工藝

球墨鑄鐵的淬火分為部分及完全奧氏體化后淬火兩種。部分奧氏體化后淬火：加熱到共析轉變溫度范圍內（即加熱時共析轉變的上、下限之間），在淬火后為馬氏體和少量分散分布的鐵素體，再回火。270~350 HB，aK20~40 J/cm2；完全奧氏體化后淬火：一般加熱到Ac1（加熱時共析轉變溫度）上限以上30~50℃，普通球墨鑄鐵850~880℃，淬火后為馬氏體組織，再回火。HRC＞50，aK10~20 J/cm2。

球墨鑄鐵的回火分為以下三種：低溫回火（140~250℃）：馬氏體逐漸分解，析出碳化物微粒，形成含碳量比淬火馬氏體少的回火馬氏體。最終組織為球墨、殘余奧氏體和細針狀回火馬氏體；中溫回火（350~500℃）：馬氏體分解終了，形成一種混合組織，又稱屈氏體，為細小彌散滲碳體質點和鐵素體的混合物；高溫回火（500~600℃，一般550~600℃）：馬氏體析出的滲碳體顯著地聚集長大，稱為索氏體或回火索氏體。

（3）等溫淬火

等溫淬火可以最大限度地發揮材料潛力，使其具有較高的韌性、硬度、塑性和強度。等溫淬火在白口鑄鐵生產過程中，可用于多種鑄件的熱處理，如襯板、犁鏵、拋丸機葉片等。白口鑄鐵等溫淬火的工藝：先將其在900℃奧氏體化，然后在等溫轉變溫度下等溫1~1.5小時后空冷。

等溫淬火在灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵及球墨鑄鐵生產過程中主要是來獲得殘余奧氏體基體組織和貝氏體。要掌握好等溫淬火時間，時間過短會使轉化的貝氏體不足；時間過長會對材料的韌性產生影響。灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、球墨鑄鐵等溫淬火工藝是將鑄鐵加熱到奧氏體化溫度，保溫后進行等溫淬火。等溫淬火溫度要根據過冷奧氏體等溫轉變動力學曲線確定，提高奧氏體化溫度，有利于形成上貝氏體組織，增加奧氏體化保溫時間，可以提高材料的韌性。

3 結束語

總而言之，在改變基體組織時，必須嚴格按照有關理論知識和相關工藝，控制好正火、淬火和回火才能夠有效增強基體組織的強度和耐磨性，提高鑄件的各種性能（耐磨性、硬度等）。由此可知，改變基體組織熱處理是鑄鐵熱處理主要方法之一。

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