改变基体组织热处理的理论及工艺

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为增强基体组织的强度和耐磨性，提高铸件的各种性能（耐磨性、硬度等），为铸铁工艺提供更加可靠的技术支持，现对改变基体组织热处理的理论和工艺进行讨论。

1 改变基体组织热处理理论

1.1 过冷奥氏体的转变及其产物

铸铁奥氏体化后，如果继续冷却，温度低于A1温度时，奥氏体就会发生转变。这种转变不是单一的，而是具有多种可能性，可能是马氏体转变、珠光体转变等，而具体的转变方式与各种不同转变所要求的动力学条件有关，而且还与各种转变生成相在不同温度下的自由能有关。

以铁碳合金为例，其发生珠光体转变的温度在550℃以上至A1温度左右。在这种温度条件下原子得到充分扩散。通常珠光体内的渗碳体和铁素体的分布方式呈片状相间，其片层厚度与珠光体转变温度呈正相关。转变温度越高，所形成的珠光体分散度越小，片层厚度越大，反之则片层厚度越小。随着转变温度的降低，其转变产物依次为珠光体、索氏体，极细珠光体。

铸铁奥氏体化后，如果冷却的温度低于550℃而高于220℃时，原子不能充分扩散，就会转变为贝氏体，为介稳定的过饱和渗碳体和α-Fe的混合物。在接近550℃所形成的贝氏体称为上贝氏体，在靠近220℃所形成的贝氏体称为下贝氏体。上贝氏体由碳化物和α-Fe相组成，在金相显微镜下呈羽毛状；下贝氏体由分散的微细碳化物和过饱和α-Fe组成。

铸铁奥氏体化后，如果冷却的温度再进一步降低，原子无法扩散，就会转变为马氏体，马氏体成分与原来的奥氏体成分相同。在马氏体转变的过程中碳、铁原子都不发生扩散，是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

1.2 过冷奥氏体等温转变动力学曲线

过冷奥氏体等温转变动力学曲线是表示不同温度下过冷奥氏体转变量与转变时间关系的曲线。由于通常不需要了解某时刻转变量的多少，而比较注重转变的开始和结束时间，因此，常常将这种曲线绘制成温度─时间曲线，简称C曲线，如图1所示。

图1 共析成分奥氏体的C曲线

C曲线的左边一条线表示转变开始时间，称为孕育期。孕育期的长短取决于过冷奥氏体在该温度下的稳定性，它与该温度下过冷奥氏体与形成新相之间的能量差和碳原子的扩散能力有关。如图2所示，温度越低，过冷度越大，自由能差越大，转变驱动力越大；但同时，温度的降低又使原子的扩散能力降低。因此过冷奥氏体在某一特定温度下转变的孕育期最短。

图2 过冷奥氏体的转变与温度的关系

对于铸铁，其奥氏体成分一般是过共析的，其C曲线上多出一条表示先共析渗碳体（或石墨）析出的曲线，如图3所示。奥氏体的成分偏离共析点越远，这条先共析相析出线距离珠光体转变开始线也越远。铁成分不同，其过冷奥氏体转变的C曲线不同。根据不同成分铸铁过冷奥氏体转变的C曲线，可以容易地预测该成分铸铁不同温度下奥氏体等温转变的产物，从而制订合理的等温转变热处理工艺。

图3 过共析奥氏体等温转变曲线

1.3 过冷奥氏体的连续冷却转变曲线

在实际热处理中，较多的是采用连续冷却热处理。为了对在连续冷却条件下过冷奥氏体的转变进行定性分析，可以将铸铁的冷却曲线绘制到C曲线上。如图4所示，当冷却速度为V1时，冷却曲线与C曲线有b1和a1两个交点，分别表示珠光体转变结束和开始。将冷却速度提高到V2，转变温度降低，转变开始和结束时间都缩短。如果将冷却速度提高到临界冷却速度V'c以上，则冷却曲线与转变终了线不相交，这说明一部分奥氏体转变为珠光体，而其余部分被过冷到Ms点以下转变为马氏体。

图4 应用C曲线分析不同冷却速度下过冷奥氏体转变示意图

虽然应用C曲线可以定性地分析过冷奥氏体连续冷却转变，但是由于连续冷却时奥氏体转变的孕育期与等温转变有所不同，上述分析在数值上存在着一定的偏差。因此，在分析过冷奥氏体连续冷却时比较多的是采用过冷奥氏体的连续冷却转变曲线（CCT曲线）。图5是共析成分奥氏体连续冷却转变曲线，为便于对比，图中还画出了C曲线。与其C曲线相比，连续冷却时转变开始时间和开始温度降低。

图5 共析奥氏体连续冷却转变曲线

图中CC'线为转变中止线，表示冷却曲线与此线相交时转变并未完成，但奥氏体分解停止，剩余部分被冷却到更低的温度下转变为马氏体。许多因素都会影响奥氏体连续冷却转变曲线，如奥氏体化温度、化学成分、加热速度。因此，实际铸铁的连续冷却转变曲线与图5有比较大的出入。图6是一种球墨连续冷却转变曲线，冷却曲线下面的数据为硬度（HV10）。

图6 一种球墨铸铁的连续冷却转变曲线

2 改变基体组织的热处理及其工艺

2.1 正火

铸铁的正火处理主要是为了增强其强度和耐磨性，主要用于灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。下面重点探讨灰铸铁、球墨铸铁的正火处理。

（1）灰口铸铁的正火工艺

灰口铸铁在提高加热温度后，可使奥氏体碳含量增加，从而使冷却后珠光体量增加，具体的加热温度根据灰口铸铁共晶渗碳体量不同而有所不同，当共晶渗碳体较多时，温度为900~950℃；当较少时，温度为850~900℃。保温时间一般为1~3小时。保温后采用冷却，这样可以使珠光体含量增加，冷却方式可采用喷雾冷却、风冷或空气冷却。

（2）球墨铸铁的正火处理

球墨铸铁的正火处理主要分四种：高温奥氏体化正火和两阶段正火所得到的基体组织都为少量铁素体（牛眼状）和少量铁素体；部分奥氏体化正火和高温不保温正火所得到的基体组织都为铁素体（破碎状）和珠光体。这四种球墨铸铁正火处理的目的和处理规范，如图7所示。

图7 球墨铸铁常用正火工艺

2.2 淬火和回火

淬火是为了提高铸件的各种性能，如提高其耐磨性、硬度等。而回火是为了降低淬火中产生的应力，是一种后处理方法。

（1）抗磨白口铸铁的淬火及回火工艺

以不同牌号的抗磨白口铸铁为例。KmTBCr2Mo1Cu1抗磨白口铸铁，转化退火工艺为：940~960℃保温1~6 h，缓冷至760~780℃保温4~6 h，缓冷至600℃以下出炉空冷，淬火工艺：960~1 000℃保温1~6h，出炉空冷；回火工艺为：200~300℃保温4~6 h，出炉空冷；KmTBCr15Mo2-DT抗磨白口铸铁，转化退火工艺：920~960℃保温1~8h，缓冷至700~750℃保温4~8h，缓冷至600℃以下出炉空冷，淬火工艺：920~1 000℃保温2~6 h，出炉空冷，回火工艺：200~300℃保温 2~8 h，出炉空冷；KmTBCr20Mo2Cu1抗磨白口铸铁，转化退火工艺：920~960℃保温1~8 h，缓冷至700~750℃保温4~10 h，缓冷至600℃以下出炉空冷，淬火工艺：960~1 020℃保温2~6 h，出炉空冷，回火工艺：200~300℃保温2~8 h，出炉空冷。

（2）球墨铸铁的淬火及回火工艺

球墨铸铁的淬火分为部分及完全奥氏体化后淬火两种。部分奥氏体化后淬火：加热到共析转变温度范围内（即加热时共析转变的上、下限之间），在淬火后为马氏体和少量分散分布的铁素体，再回火。270~350 HB，aK20~40 J/cm2；完全奥氏体化后淬火：一般加热到Ac1（加热时共析转变温度）上限以上30~50℃，普通球墨铸铁850~880℃，淬火后为马氏体组织，再回火。HRC＞50，aK10~20 J/cm2。

球墨铸铁的回火分为以下三种：低温回火（140~250℃）：马氏体逐渐分解，析出碳化物微粒，形成含碳量比淬火马氏体少的回火马氏体。最终组织为球墨、残余奥氏体和细针状回火马氏体；中温回火（350~500℃）：马氏体分解终了，形成一种混合组织，又称屈氏体，为细小弥散渗碳体质点和铁素体的混合物；高温回火（500~600℃，一般550~600℃）：马氏体析出的渗碳体显著地聚集长大，称为索氏体或回火索氏体。

（3）等温淬火

等温淬火可以最大限度地发挥材料潜力，使其具有较高的韧性、硬度、塑性和强度。等温淬火在白口铸铁生产过程中，可用于多种铸件的热处理，如衬板、犁铧、抛丸机叶片等。白口铸铁等温淬火的工艺：先将其在900℃奥氏体化，然后在等温转变温度下等温1~1.5小时后空冷。

等温淬火在灰铸铁、蠕墨铸铁及球墨铸铁生产过程中主要是来获得残余奥氏体基体组织和贝氏体。要掌握好等温淬火时间，时间过短会使转化的贝氏体不足；时间过长会对材料的韧性产生影响。灰铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁等温淬火工艺是将铸铁加热到奥氏体化温度，保温后进行等温淬火。等温淬火温度要根据过冷奥氏体等温转变动力学曲线确定，提高奥氏体化温度，有利于形成上贝氏体组织，增加奥氏体化保温时间，可以提高材料的韧性。

3 结束语

总而言之，在改变基体组织时，必须严格按照有关理论知识和相关工艺，控制好正火、淬火和回火才能够有效增强基体组织的强度和耐磨性，提高铸件的各种性能（耐磨性、硬度等）。由此可知，改变基体组织热处理是铸铁热处理主要方法之一。

[1]孙 凯，邢兆林，付拴拴，张莹莹.高铬铸铁热处理工艺研究现状[J].热加工工艺，2012，(14):45-46.

[2]艾云龙，陈卫华，丁家圆，何 文.低碳高铬白口铸铁热处理工艺研究[J].金属热处理，2011，(06):32.

[3]陆卫倩.球墨铸铁热处理方法之探讨[J].中国铸造装备与技术，2010，(04):31-32.