铸铁的热处理（1）

按工艺目的不同，铸铁热处理主要可以分为以下几种：
1去应力退火热处理；
2 石墨化热处理；
3 改变基体组织热处理。
本章简要介绍上述热处理工艺的理论基础和工艺特点。

第一节  去应力退火热处理 

    去应力退火就是将铸件在一定的温度下保温，然后缓慢冷却，以消除铸件中的铸造残留应力。对于灰口铸铁，去应力退火可以稳定铸件几何尺寸，减小切削加工后的变形。对于白口铸铁，去应力退火可以避免铸件在存放、运输和使用过程中受到振动或环境发生变化时产生变形甚至自行开裂。

     铸件在凝固和以后的冷却过程中要发生体积收缩或膨胀，这种体积变化往往受到外界和铸件各部分之间的约束而不能自由地进行，于是便产生了铸造应力。如果产生应力的原因消除后，铸造应力随之消除，这种应力叫做临时铸造应力。如果产生应力的原因消除后铸造应力仍然存在，这种应力叫做铸造残留应力。

    铸件在凝固和随后的冷却过程中，由于壁厚不同，冷却条件不同，其各部分的温度和相变程度都会有所不同，因而造成铸件各部分体积变化量不同。如果此时铸造合金已经处于弹性状态，铸件各部分之间便会产生相互制约。铸造残留应力往往是这种由于温度不同和相变程度不同而产生的应力。 

二、去应力退火的理论基础 

    研究表明，铸造残留应力与铸件冷却过程中各部分的温差及铸造合金的弹性模量成正比。过去很长的时期里，人们认为铸造合金在冷却过程中存在着弹塑性转变温度，并认为铸铁的弹塑性转变温度为400℃左右。基于这种认识，去应力退火的加热温度应是400℃。但是，实践证明这个加热温度并不理想。近期的研究表明，合金材料不存在弹塑性转变温度，即使处于固液共存状态的合金仍具有弹性。

    为了正确选择去应力退火的加热温度，首先让我们看看铸铁在冷却过程中应力的变化情况。图1是用应力框测定的灰铸铁冷却过程中粗杆内应力的变化曲线。

   图1  灰铸铁应力变化曲线

    在a点前灰铸铁细杆已凝固完毕，粗杆处于共晶转变期，粗杆石墨化所产生的膨胀受到细杆的阻碍，产生压应力，到达a点时，粗杆的共晶转变结束，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点时应力降为零。此后由于粗杆的线收缩仍然大于细杆，加上细杆进入共析转变后石墨析出引起的膨胀，粗杆中的应力转变为拉应力。
    到达c点时粗杆共析转变开始，细杆共析转变结束，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，两杆的温差再次减小，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，粗杆的收缩速度仍然大于细杆，在随后的冷却过程中，粗杆所受到的拉应力继续增大。
    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。如果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。对灰铸铁冷却过程中的应力测定表明，灰铸铁最后一次完全卸载温度在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变化，从而影响铸件的性能。对于灰铸铁件，加热温度过高，会使共析渗碳体石墨化，使铸件强度和硬度降低。对于白口铸铁件，加热温度过高，也会使共析渗碳体分解，使铸件的硬度和耐磨性大幅度降低。

普通灰铸铁去应力退火的加热温度为550℃。当铸铁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。低合金灰口铸铁为600℃，高合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℃出炉，形状复杂的铸件冷至100℃出炉。表1为一些灰铸铁件的去应力退火规范，供参考。

表1 一些灰铸铁件的去应力退火规范

 

普通白口铸铁去应力退火的加热温度不应超过500℃，高合金白口铸铁由于其共析渗碳体稳定性好及铸造应力大，其加热温度一般远远高于普通白口铸铁，可达800～900℃。表2给出了两种高合金白口铸铁的去应力退火规范，供参考。