機床鑄件為您介紹鑄鐵平板鑄件的熱處理工藝
時(shí)間：2015/12/25 15:48:31
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以下介紹鑄鐵平板鑄件熱處理工藝的理論基礎和工藝特點(diǎn)。鑄鐵平板鑄件熱處理主要可以根據其工藝不同分為以下幾種：去應力退火熱處理 石墨化熱處理和改變基體組織熱處理。
1、去應力退火熱處理
去應力退火就是將鑄件在一定的溫度下保溫，然后緩慢冷卻，以消除鑄件中的鑄造殘留應力。對于灰口鑄鐵，去應力退火可以穩定鑄件幾何尺寸，減小切削加工后的變形。對于白口鑄鐵，去應力退火可以避免鑄件在存放、運輸和使用過(guò)程中受到振動(dòng)或環(huán)境發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生變形甚至自行開(kāi)裂。機床鑄件
1）鑄造殘留應力的產(chǎn)生
機床鑄件在凝固和以后的冷卻過(guò)程中要發(fā)生體積收縮或膨脹，這種體積變化往往受到外界和鑄件各部分之間的約束而不能自由地進(jìn)行，于是便產(chǎn)生了鑄造應力。如果產(chǎn)生應力的原因消除后，鑄造應力隨之消除，這種應力叫做臨時(shí)鑄造應力。如果產(chǎn)生應力的原因消除后鑄造應力仍然存在，這種應力叫做鑄造殘留應力。
機床鑄件在凝固和隨后的冷卻過(guò)程中，由于壁厚不同，冷卻條件不同，其各部分的溫度和相變程度都會(huì )有所不同，因而造成鑄件各部分體積變化量不同。如果此時(shí)鑄造合金已經(jīng)處于彈性狀態(tài)，鑄件各部分之間便會(huì )產(chǎn)生相互制約。鑄造殘留應力往往是這種由于溫度不同和相變程度不同而產(chǎn)生的應力。
2）去應力退火的理論基礎
研究表明，鑄造殘留應力與鑄件冷卻過(guò)程中各部分的溫差及鑄造合金的彈性模量成正比。過(guò)去很長(cháng)的時(shí)期里，人們認為鑄造合金在冷卻過(guò)程中存在著(zhù)彈塑性轉變溫度，并認為鑄鐵的彈塑性轉變溫度為400℃左右?；谶@種認識，去應力退火的加熱溫度應是400℃。但是，實(shí)踐證明這個(gè)加熱溫度并不理想。近期的研究表明，合金材料不存在彈塑性轉變溫度，即使處于固液共存狀態(tài)的合金仍具有彈性。
在a點(diǎn)前灰鑄鐵細桿已凝固完畢，粗桿處于共晶轉變期，粗桿石墨化所產(chǎn)生的膨脹受到細桿的阻礙，產(chǎn)生壓應力，到達a點(diǎn)時(shí)，粗桿的共晶轉變結束，應力達到極大值。
從a點(diǎn)開(kāi)始，粗桿冷卻速度超過(guò)細桿，二者溫差逐漸減小，應力隨之減小，到達b點(diǎn)時(shí)應力降為零。此后由于粗桿的線(xiàn)收縮仍然大于細桿，加上細桿進(jìn)入共析轉變后石墨析出引起的膨脹，粗桿中的應力轉變?yōu)槔瓚Α?br />
到達c點(diǎn)時(shí)粗桿共析轉變開(kāi)始，細桿共析轉變結束，兩桿溫差再次增大，粗桿受到的拉應力減小。
到達d點(diǎn)時(shí)，粗桿受到的拉應力降為零，粗桿所受到的應力又開(kāi)始轉變?yōu)閴簯Α?br />
從e點(diǎn)開(kāi)始，粗桿的冷卻速度再次大于細桿，兩桿的溫差再次減小，粗桿受到的壓應力開(kāi)始減小。
到達f點(diǎn)時(shí)，應力再度為零。此時(shí)兩桿仍然存在溫差，粗桿的收縮速度仍然大于細桿，在隨后的冷卻過(guò)程中，粗桿所受到的拉應力繼續增大。
從上述分析可以看出，灰鑄鐵在冷卻過(guò)程中有三次完全卸載（即應力等于零）狀態(tài)。如果在其最后一次完全卸載（即f點(diǎn)）時(shí)，對鑄件保溫，消除兩桿的溫差，然后使其緩慢冷卻，就會(huì )使兩桿間的應力降到最小。對灰鑄鐵冷卻過(guò)程中的應力測定表明，灰鑄鐵最后一次完全卸載溫度在550～600℃。這與實(shí)際生產(chǎn)中灰鑄鐵的退火溫度相近。
3）去應力退火工藝
為了提高去應力退火的實(shí)際效果，加熱溫度最好能達到鑄件最后一次完全卸載溫度。在低于最后一次完全卸載溫度時(shí)，加熱溫度越高，應力消除越充分。但是，加熱溫度過(guò)高，會(huì )引起鑄件組織發(fā)生變化，從而影響鑄件的性能。對于灰鑄鐵件，加熱溫度過(guò)高，會(huì )使共析滲碳體石墨化，使鑄件強度和硬度降低。對于白口鑄鐵件，加熱溫度過(guò)高，也會(huì )使共析滲碳體分解，使鑄件的硬度和耐磨性大幅度降低。
普通灰鑄鐵去應力退火的加熱溫度為550℃。當鑄鐵中含有穩定基體組織的合金元素時(shí)，可適當提高去應力退火溫度。低合金灰口鑄鐵為600℃，高合金灰口鑄鐵可提高到650℃。加熱速度一般為60～100℃/h.保溫時(shí)間可按以下經(jīng)驗公式計算： H＝鑄件厚度/25＋H"，式中鑄件厚度的單位是毫米，保溫時(shí)間的單位是小時(shí)，H"在2～8范圍里選擇。形狀復雜和要求充分消除應力的鑄件應取較大的H"值。隨爐冷卻速度應控制在30℃/h以下，一般鑄件冷至150～200℃出爐，形狀復雜的鑄件冷至100℃出爐。表1為一些灰鑄鐵件的去應力退火規范，供參考。
2、石墨化退火熱處理
石墨化退火的目的是使鑄鐵中滲碳體分解為石墨和鐵素體。這種熱處理工藝是可鍛鑄鐵件生產(chǎn)的必要環(huán)節。在灰鑄鐵生產(chǎn)中，為降低鑄件硬度，便于切削加工，有時(shí)也采用這種工藝方法。在球墨鑄鐵生產(chǎn)中常用這種處理方法獲得高韌性鐵素體球墨鑄鐵。
1）石墨化退火的理論基礎
根據相穩定的自由能計算，鑄鐵中滲碳體是介穩定相，石墨是穩定相，滲碳體在低溫時(shí)的穩定性低于高溫。因此從熱力學(xué)的角度看，滲碳體在任一溫度下都可以分解為石墨和鐵碳固溶體，而且在低溫下，滲碳體分解更容易。
但是，石墨化過(guò)程能否進(jìn)行，還取決于石墨的形核及碳的擴散能力等動(dòng)力學(xué)因素。對于固態(tài)相變，原子的擴散對相變能否進(jìn)行起重要作用。由于溫度較高時(shí)，原子的擴散比較容易，因此實(shí)際上滲碳體在高溫時(shí)分解比較容易。尤其是自由滲碳體和共晶滲碳體分解時(shí)，由于要求原子做遠距離擴散，只有在溫度較高時(shí)才有可能進(jìn)行。
(1).石墨的形核
對于可鍛鑄鐵，滲碳體的分解首先要求形成石墨核心。
在固相基體中，石墨形核既要克服新相形成所引起的界面能的增加，同時(shí)又要克服石墨形核時(shí)體積膨脹所受到的外界阻礙，因此其形核比在液態(tài)時(shí)要困難得多。由于在滲碳體與其周?chē)倘荏w的界面上存在有大量的空位等晶體缺陷，石墨晶核首先在這里形成。
在滲碳體內，盡管也可能存在有晶體缺陷，但是由于石墨形核會(huì )引起較大的體積膨脹，而滲碳體硬度高，體積容讓性差，必然會(huì )對此產(chǎn)生巨大的阻力，從而阻礙石墨核心在其內部形成。
在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄鐵內往往存在有各種氧化物、硫化物等夾雜物。其中一些夾雜物與石墨有良好的晶格對應關(guān)系，可以作為石墨形核的基底，減小了由于石墨形核所造成的界面能的增加。因此在實(shí)際條件下，石墨形核要比理想狀態(tài)容易些。
對于灰鑄鐵和球墨鑄鐵，石墨化過(guò)程不需要石墨重新形核。
(2).高溫石墨化過(guò)程
高溫石墨化的主要目的是使自由滲碳體和共晶滲碳體分解。如果把含有滲碳體的鑄鐵加熱到奧氏體溫度區域，石墨的形核則發(fā)生在奧氏體與滲碳體的界面上。石墨形核后，隨著(zhù)滲碳體的分解，借助于碳原子向石墨核心的擴散不斷長(cháng)大，最終完成石墨化過(guò)程。
需要指出的是，對于可鍛鑄鐵而言，其鑄態(tài)組織是按亞穩定系凝固而成，其中奧氏體相對于穩定系奧氏體呈碳過(guò)飽和狀態(tài)，石墨化后，奧氏體中碳濃度也要發(fā)生變化。石墨化完成后，鑄鐵的平衡組織為奧氏體加石墨。如果此時(shí)將鑄鐵緩慢冷卻，奧氏體將發(fā)生共析轉變，其轉變產(chǎn)物是鐵素體和二次石墨，鑄鐵的最終平衡組織為鐵素體加石墨。
(3).低溫石墨化過(guò)程
低溫石墨化是指在A(yíng)1溫度（720～750℃）以下保溫的石墨化過(guò)程?？煞譃閮煞N情況：一種是鑄鐵經(jīng)過(guò)高溫奧氏體化后再進(jìn)行低溫石墨化處理；另一種是鑄鐵不經(jīng)過(guò)高溫奧氏體化，而僅加熱到A1溫度以下進(jìn)行低溫石墨化。
前者的目的是使奧氏體在共析轉變時(shí)按穩定系轉變?yōu)殍F素體和石墨。后者不形成奧氏體，共析滲碳體直接分解為鐵素體加石墨。
如前所述，從熱力學(xué)條件看，在低溫下石墨化是可能的。此時(shí)關(guān)鍵的問(wèn)題是碳原子的擴散。在低溫下，碳原子本身的擴散能力很低，加之鐵素體溶解碳的能力很小，碳原子的擴散比較困難，主要通過(guò)晶粒邊界和晶體內部缺陷進(jìn)行。因此，要提高低溫石墨化的速度，關(guān)鍵是減小碳原子的擴散距離。細化鑄態(tài)組織，增加晶界，增加石墨核心是減小碳原子擴散距離的有效措施。
2）石墨化退火工藝
鐵素體（黑心）可鍛鑄鐵的石墨化退火工藝
圖2所示，黑心可鍛鑄鐵的石墨化有五個(gè)階段：（1） 升溫；（2） 第一階段石墨化；（3） 中間階段冷卻；（4） 第二階段石墨化；（5） 出爐冷卻。
在a點(diǎn)前灰鑄鐵細桿已凝固完畢，粗桿處于共晶轉變期，粗桿石墨化所產(chǎn)生的膨脹受到細桿的阻礙，產(chǎn)生壓應力，到達a點(diǎn)時(shí)，粗桿的共晶轉變結束，應力達到極大值。
從a點(diǎn)開(kāi)始，粗桿冷卻速度超過(guò)細桿，二者溫差逐漸減小，應力隨之減小，到達b點(diǎn)時(shí)應力降為零。此后由于粗桿的線(xiàn)收縮仍然大于細桿，加上細桿進(jìn)入共析轉變后石墨析出引起的膨脹，粗桿中的應力轉變?yōu)槔瓚Α?br />
到達c點(diǎn)時(shí)粗桿共析轉變開(kāi)始，細桿共析轉變結束，兩桿溫差再次增大，粗桿受到的拉應力減小。
到達d點(diǎn)時(shí)，粗桿受到的拉應力降為零，粗桿所受到的應力又開(kāi)始轉變?yōu)閴簯Α?br />
從e點(diǎn)開(kāi)始，粗桿的冷卻速度再次大于細桿，兩桿的溫差再次減小，粗桿受到的壓應力開(kāi)始減小。
到達f點(diǎn)時(shí)，應力再度為零。此時(shí)兩桿仍然存在溫差，粗桿的收縮速度仍然大于細桿，在隨后的冷卻過(guò)程中，粗桿所受到的拉應力繼續增大。
從上述分析可以看出，灰鑄鐵在冷卻過(guò)程中有三次完全卸載（即應力等于零）狀態(tài)。如果在其最后一次完全卸載（即f點(diǎn)）時(shí)，對鑄件保溫，消除兩桿的溫差，然后使其緩慢冷卻，就會(huì )使兩桿間的應力降到最小。對灰鑄鐵冷卻過(guò)程中的應力測定表明，灰鑄鐵最后一次完全卸載溫度在550～600℃。這與實(shí)際生產(chǎn)中灰鑄鐵的退火溫度相近。
3、去應力退火工藝
為了提高去應力退火的實(shí)際效果，加熱溫度最好能達到鑄件最后一次完全卸載溫度。在低于最后一次完全卸載溫度時(shí)，加熱溫度越高，應力消除越充分。但是，加熱溫度過(guò)高，會(huì )引起鑄件組織。
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