热处理对铸铁组织的影响分析

胡小琼

【摘要】本文对铸铁的热处理的一般工艺进行了阐述，分析了铸铁热处理的独特特点，此外，本文还重点介绍了不同铸铁的不同热处理工艺及其原因，并对分级淬火热处理方式做了讲述，以期提高相关人员对铸铁热处理的认知。

【关键词】铸铁组织  热处理  分级保温

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）11-0230-01

铸铁是一种碳含量大于2.11%的铁碳合金，作为一种在工业上使用最为广泛的基础材料，其在现代制造中已经被广泛的使用在汽车、齿轮以及相关重型机械于装备当中。铸铁材料中的碳含量较高，一般占有2%-4%，除此之外，铸铁中还含有硅、锰、磷等多种化学杂质，与钢相比，由于其含有分散布局的石墨存在，因此机械性能略差，但同时具有较强的铸造性能、减磨性能和加工性能。铸铁按照金相组织可以分成许多种类，例如白口铸铁、灰鑄铁、可锻铸铁和球墨铸铁等。

一、铸铁的常见热处理工艺

通过对钢进行不同的热处理，钢结构的机械性能可以得到不同程度的改善，铸铁的热处理过程与钢类似，可以仿照钢的热处理工艺进行处理，但是由于铸铁组织中存在较多含有石墨成分的基体，因此，对铸铁进行的热处理有着与钢不同的特点，在铸铁热处理的具体的工艺参数方面需要有针对性的工艺设计，从而最终达到消除材料内部应力、提高材料性能的目的。

通常，铸铁是一种Fe-C-Si为主的铁基合金，其最大特点是含有石墨（白口铸铁除外）。通过在一个范围较大的温度区间（共析温度）进行共析转变，铸铁能够达到铁素体、奥氏体和石墨的三者平衡与稳定。此外，在共析温度区间内的不同温度下，铁素体和奥氏体的具体含量都不尽相同，因此，通过改变热处理的加热温度和保温时间，能够产生不同比例的铁素体和珠光体，从而使铸铁材料获得不同的机械性能。由此可见，石墨的特性将会对铸铁的热处理影响较大，事实也表明，铸铁热处理工艺与基体中的石墨形态密切相关，例如球墨铸铁由于含有最大机体强度的球状石墨，因而能够使用更多的热处理工艺，而灰铸铁则通常进行退火、正火和表面热处理。

1.退火

退火能够消除冷却过程中产生的热应力和组织应力，从而避免造成铸件成型后的形变，其通常的做法是将铸铁以50℃/h的速度加热到550℃左右，然后保温5h左右，最后进行炉冷或空冷。

对于白口铸铁，由于其材料质地硬而脆，因此可以采用较高温度的退火，而对于球墨铸铁中的游离渗碳体，也可以通过高温退火的方式进行消除，此时的加热温度约为900℃左右，并且保温4h后炉冷到500℃，最后进行空冷。

2.正火

正火的目的是为了使铸铁的基体组织中产生珠光体，并对晶体进行细化，从而提升铸铁的机械性能，正火可以按照加热温度不同分为高温正火和中温正火，高温正火的加热温度一般在900℃并保温1-3h后通过喷雾、吹风或者空冷进行冷却，而中温正火的加热温度一般在850℃并保温1-4h后通过空冷进行冷却。

3.淬火与回火

淬火与回火可以使铸铁产生回火马氏体和残余奥氏体组织，从而提升铸铁的硬度、机械性能和耐磨性。

二、不同铸铁的热处理及其工艺改善

不同的铸铁有不同的热处理工艺，本文简单介绍灰铸铁和球墨铸铁的热处理工艺。

1）灰铸铁的热处理

对于以片状石墨呈现的灰铸铁而言，由于冷却中的内应力容易造成铸件表体的收缩不均，因此，工艺上常使用自然时效或人工时效进行内应力的消除，而灰铸铁冷却如果产生了白口，可以将铸件加热至900℃左右保温3h，然后冷却至400℃进行分冷。

对于耐磨性要求较高的铸件，可以使用高频感应等加热方法淬火来进行表面处理，但是淬火前需要对铸铁进行一次正火处理，以获取较多的珠光体和较高的硬度。

2）球墨铸铁的热处理

球墨铸铁的石墨呈现球形或团絮状，其热处理方式通常是使用高、低温退火以消除其铸造应力，具体而言，当铸态组织为F+Fe3C+石墨时，选择高温退火，而当铸态组织为F+P+石墨时，则选择低温退火;此外，球墨铸铁可以通过高、低温正火获取珠光体基体，即当铸铁中含有自由渗碳体时，通过高达近950℃的高温正火将其全部融入奥氏体中，否则可以选择使用低温正火，但需要注意的是，低温正火容易产生较大的应力，因此，主体需要进行一次退火处理。

3）分级淬火工艺

目前，分级淬火工艺已经普遍应用在铸铁的热处理当中了，这种工艺是利用了等温淬火的方式将铸铁潜力充分发挥出来，从而使铸件获得超高强度的同时仍然具有良好的塑性和韧性，常用在齿轮和轴承的加工当中。

分级淬火工艺要求对铸铁进行一次淬火保温后再增加一回淬火保温，即对铸铁先进行一次较高温度的淬火处理（称为一级处理），冷却后再对该铸铁进行二次较低温度的淬火处理（称为二级处理），经过分级淬火工艺处理后，铸铁的组织由马氏体基体、共晶碳化物和少量残留奥氏体及基体中析出的二次碳化物组成，并且大部分奥氏体都转变成了马氏体组织。由此可见，由于分级处理中采用了较高的一级处理温度，从而能够很好地对铸态组织缺陷进行消除，有效减少在较低温度下，铸铁经过二级处理后发生马氏体依附于组织内缺陷处形核的概率，并最终避免形成粗大的马氏体晶粒，此外，铸铁在经过较高温度的一级处理后，样本中作为原子扩散通道的空位、位错、微裂纹等缺陷减少，因此导致在进行二次等温处理的样本原子必须克服较高的扩散势垒，最终抑制了二次碳化物长大，从而形成了二次碳化物颗粒随着一级处理温度的提高而减小的结果，因此，分级保温热处理能够增强铸铁的硬度和耐磨度。

三、结束语

铸铁是现代制造业中的一种重要金属材料，其实质是由各种不同的石墨分布在钢的基体上所形成的混合组织，热处理的过程中，通过高温可以一方面将石墨溶于奥氏体，但另一方面由导致渗碳体析出石墨，因此，热处理应该合理的处理好加热工艺参数。此外，铸铁的种类很多，在具体的热处理工艺选择时，应当结合铸铁的类型、应用场合和特殊性能要求。

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