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生铁铸造厂如何对灰铸铁进行热处理?

日期:2018-05-16   责任编辑:佚名
生铁铸造厂灰铸铁热处理讲解

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

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

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

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

名       称石 墨 化 程 度显微组织
第一阶段第二阶段第三阶段
灰铸铁充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行充分进行部分进行不进行F+GF+P+GP+G
麻口铸铁部分进行部分进行不进行Le'+P+G
白口铸铁不进行不进行    不进行Le'+P+Fe3C

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、良好的生铁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,生铁铸造性能优良,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。

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,使灰铸铁的生铁铸造性能、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),在生铁铸造后、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,生铁铸造性能优于铸钢,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,但其熔炼工艺和生铁铸造工艺要求较高,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。

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