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铸铁的热处理（3）
第三节 改变基体组织的热处理
一、改变基体组织热处理的理论基础
1.过冷奥氏体的转变及其产物
如果将奥氏体化后的铸铁冷却到A1温度以下（此时的奥氏体称为过冷奥氏体），奥氏体就会发生转变。其转变可以是珠光体转变、贝氏体转变、或马氏体转变。究竟发生何种转变一方面取决于各种转变生成相在不同温度下的自由能，另一方面与各种转变所要求的动力学条件有关。
对于铁碳合金，珠光体转变发生在A1以下至550℃左右。在此温度下，原子可以充分扩散，转变产物为珠光体。在一般情况下，珠光体内的铁素体和渗碳体呈片状相间分布，其片层厚度与珠光体转变温度有关。转变温度越低，所形成的珠光体分散度越高，片层间距越小，其力学性能越高。随着转变温度的降低，其转变产物依次为粗大珠光体或称珠光体，细珠光体或称索氏体，极细珠光体或称屈氏体（托氏体）。
如果奥氏体冷却到大约220～550℃进行转变，由于温度较低，原子的扩散不能充分进行，奥氏体分解为介稳定的过饱和α-Fe与碳化物（或渗碳体）的混合物。这种转变产物称为贝氏体。贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体。在接近珠光体转变温度（550℃稍下）所形成的贝氏体称为上贝氏体，由平行的α-Fe相和其间分布的碳化物所组成。在金相显微镜下，上贝氏体呈羽毛状，因此又叫做羽毛状贝氏体。在靠近马氏体转变温度（220℃稍上）所形成的贝氏体称为下贝氏体，由针状过饱和α-Fe及其上分散的微细碳化物所组成，又叫做针状贝氏体。
如果奥氏体冷却到更低的温度进行转变，原子的扩散已无法进行，奥氏体只能以非扩散的形式转变为马氏体。奥氏体只有冷却到某一温度以下才可以发生马氏体转变，这个温度称为马氏体转变开始点，简称马氏体点。马氏体转变的特点是在转变过程中铁、碳原子都不发生扩散，所生成的马氏体与原来的奥氏体成分相同。从晶体结构上看，马氏体仍是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。高碳马氏体在金相显微镜下呈针状。
2.过冷奥氏体等温转变动力学曲线（C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3所示）。
图3 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4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zui短。温度过高和过低都不利。
图4 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5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5 过共析奥氏体等温转变曲线
3.过冷奥氏体的连续冷却转变曲线（CCT曲线）
在实际热处理中，等温热处理工艺比较繁琐，因而较多的是采用连续冷却热处理。在连续冷却过程中，奥氏体是在不断降温过程中发生转变的。
为简便起见，可以将铸铁的冷却曲线绘制到C曲线上，以定性地分析在连续冷却条件下过冷奥氏体的转变。如图6所示，当冷却速度为V1时，冷却曲线与C曲线有两个交点，a1点表示珠光体转变开始，b1点表示珠光体转变结束。将冷却速度提高到V2，转变开始时间和结束时间缩短，转变温度降低。如果将冷却速度提高到临界冷却速度V''c以上（比如V3），则冷却曲线不与转变终了线相交，这表明只有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。在此范围里，冷却速度越大，奥氏体转变为珠光体的量越少，而马氏体量越多。如果冷却速度大于Vc，则奥氏体全部转变为马氏体。
图6 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7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7 共析奥氏体连续冷却转变曲线
连续冷却速度很小时，转变的过冷度很小，转变开始和终了的时间很长。如果提高冷却速度，则转变温度降低，转变的开始和终了时间缩短，转变所经历的温度区间增大。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。如果冷却速度很大，奥氏体将全部转变为马氏体。
化学成分、加热速度、奥氏体化温度都对奥氏体连续冷却转变曲线有影响。因此，实际铸铁的连续冷却转变曲线与图8─7有比较大的出入。图8是一种球墨连续冷却转变曲线，供参考，冷却曲线下面的数据为硬度（HV10）。
图8 一种球墨铸铁的连续冷却转变曲线
C3.59%,Si2.71%,Mn0.29%,Cr0.04%,Ni0.03%,Mo0.022%
C3.59%,Si2.71%,Mn0.29%,Cr0.04%,Ni0.03%,Mo0.022%
4.珠光体、马氏体、贝氏体相变特点
珠光体、马氏体和贝氏体相变机制在有关金属学及钢的热处理教材中都有详细介绍，限于篇幅，这里不再赘述。表6给出了上述三种转变的特点，供参考。表中所注温度是针对铁碳合金的，对于铸铁，则视硅、锰含量而有所不同。
表6 珠光体、马氏体、贝氏体相变特点
主要异同点 | 相 变 类 型 | ||
珠光体转变 | 贝氏体转变 | 马氏体转变 | |
转变温度范围 | 高温转变 （Ar1～500℃） | 中温转变 （500℃～Ms） | 低温转变 （Ms以下） |
扩散性 | 具有碳原子和铁原子的扩散 | 碳原子扩散，而铁原子不扩散 | 无扩散 |
生核、长大与相 | 生核、长大，一般以渗碳体为相 | 生核、长大，一般以铁素体为相 | 生核、长大 |
共格性 | 无共格性 | 具有共格性，产生表面浮凸现象 | 具有共格性，产生表面浮凸现象 |
组成相 | 两相组织 γ-FeC→α-FeC＋Fe3C | 两相组织 γ-FeC→α-Fe C＋Fe3C（约350℃以上） γ-FeC→α-FeC＋FexC（约350℃以下） | 单相组织 γ-FeC→α-FeC |
合金元素的分布 | 合金元素扩散重新分布 | 合金元素不扩散 | 合金元素不扩散 |
二、改变基体组织的热处理及其工艺
1.正火
铸铁的正火处理主要用于球墨铸铁、蠕墨铸铁和灰铸铁，其目的是使基体组织中珠光体含量增多，提高铸铁的耐磨性和强度。
对于球墨铸铁而言，根据加热时是否保留部分铁素体，正火可分为*奥氏体化正火和部分奥氏体化正火。
1 灰口铸铁的正火工艺
灰口铸铁共晶渗碳体较少时，正火加热温度一般为850～900℃；共晶渗碳体较多时，加热温度一般为900～950℃。加热温度高，可提高奥氏体的碳含量，使冷却后珠光体量提高。保温时间为1～3小时。保温后在空气中冷却，或采用风冷和喷雾冷却，以提高珠光体含量，并使其细化。
2 球墨铸铁的正火处理
球墨铸铁的热处理主要有高温奥氏体化正火，两阶段正火，部分奥氏体化正火和高温不保温正火。这些正火工艺的目的、工艺规范、及所得到的基体组织见表7。
表7 球墨铸铁常用正火工艺
热处理名称 | 目的 | 热处理规范 | 基体组织 | 备注 |
高温奥氏体化正火 | 提高组织均匀性，提高强度、硬度、耐磨性或消除渗碳体 | 珠光体＋少量铁素体（牛眼状） | 冷却时易析出二次渗碳体；复杂件要回火 | |
两阶段正火 | 目的同上，但能防止二次渗碳体出现 | 珠光体＋少量铁素体（牛眼状） | 复杂件要回火 | |
部分奥氏体化正火 | 获得良好的强度和韧性 | 珠光体＋铁素体（破碎状） | 原始组织不应有游离渗碳体，复杂件要回火 | |
高温不保温正火 | 获得良好的强度和韧性 | 珠光体＋少量铁素体（破碎状） | 原始组织不应有游离渗碳体，复杂件要回火 |
2.淬火和回火
淬火的目的是获得普通冷却条件下不能得到的急冷组织，以提高铸件的硬度、耐磨性和综合力学性能。回火则是淬火处理的一种后处理工序，其目的是减小淬火中产生的应力。
1抗磨白口铸铁的淬火及回火工艺
表8给出了一些抗磨白口铸铁的热处理规范，供参考。
1抗磨白口铸铁的淬火及回火工艺
表8给出了一些抗磨白口铸铁的热处理规范，供参考。
表8 一些白口铸铁的热处理参考规范
牌号 | 转化退火工艺 | 淬火工艺 | 回火工艺 | zui大断面 尺寸mm |
KmTBCr9Ni5Si2 | 750～825℃保温4～10h，出炉空冷 | 250～300℃保温4～16h，出炉空冷 | 300 | |
KmTBCr2Mo1Cu1 | 940～960℃保温1～6h，缓冷至760～780℃保温4～6h，缓冷至600℃以下出炉空冷 | 960～1000℃保温1～6h，出炉空冷 | 200～300℃保温4～6h，出炉空冷 | 100 |
KmTBCr15Mo2-DT | 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 | 920～1000℃保温2～6h，出炉空冷 | 200～300℃保温2～8h，出炉空冷 | 120 |
KmTBCr15Mo2-GT | 75 | |||
KmTBCr20Mo2Cu1 | 920～960℃保温1～8h，缓冷至700～750℃保温4～10h，缓冷至600℃以下出炉空冷 | 960～1020℃保温2～6h，出炉空冷 | 200～300℃保温2～8h，出炉空冷 | 300 |
KmTBCr26 | 960～1060℃保温2～6h，出炉空冷 | 200 |
2 球墨铸铁的淬火及回火工艺
球墨铸铁的淬火及回火工艺见表9。
球墨铸铁的淬火及回火工艺见表9。
表9 球墨铸铁的淬火及回火工艺
工序 | 说 明 | |
淬火 | 1.*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，aK10～20J/cm2 2.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），淬火后为马氏体和少量分散分布的铁素体，再回火。270～350HB，aK20～40J/cm2 | |
回火 | 1.低温回火（140～250℃） 马氏体开始分解，析出碳化物微粒，成为回火马氏体（即含碳量比淬火马氏体少的马氏体）。zui终组织为细针状回火马氏体＋残余奥氏体＋球墨 降低残余应力和脆性，保持高硬度和耐磨性 2.中温回火（350～500℃） 马氏体分解终了，形成铁素体和细小弥散渗碳体质点的混合组织，称为回火屈氏体或屈氏体 弹性高，韧性好。仅用与废气涡轮的球墨铸铁密封环，其它应用很少 3.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，称为回火索氏体或索氏体。调质（淬火加高温回火）后，综合性能良好：高塑性、高韧性、高强度。应用较多 | |
铜钼球铁淬火马氏体，再不同温度回火时，组织变化如下表： | ||
回火温度，℃ | 组织与性能 | |
550～560 | 索氏体，保留淬火马氏体痕迹，针状均布。强度高，脆性大 | |
570～580 | 针状组织与针间马氏体分解物（碳化物）颗粒粗化，均布。综合性能较理想 | |
600左右 | 马氏体分解在原石墨四周，由于渗碳体过热分解，使索氏体严重粗化，针叶间仅残留极少而近消失的细小点状渗碳体粒 | |
≥600 | 珠光体充分分解，针状组织消失，变成铁素体＋石墨 | |
3.等温淬火
等温淬火的目的是使材料具有高强度和高硬度的同时具有较高的塑性和韧性，是目前有效发挥材料zui大潜力的一种热处理方法。在白口铸铁生产中，等温淬火可用于犁铧、粉碎机锤头、抛丸机叶片及衬板等铸件的热处理。其工艺是将白口铸铁在900℃奥氏体化，然后根据不同成分铸铁的过冷奥氏体等温转变曲线确定等温转变温度，在该温度下等温1～1.5小时后空冷。
在球墨铸铁、蠕墨铸铁和灰铸铁生产中，等温淬火工艺主要用来获得贝氏体加残余奥氏体基体组织。其工艺是将铸铁加热到奥氏体化温度，保温后进行等温淬火。提高奥氏体化温度，会提高奥氏体含碳量，使形成上贝氏体的下限温度降低，有利于形成上贝氏体组织。增加奥氏体化保温时间，会提高奥氏体的稳定性，有利于保留一定数量的残留奥氏体，从而改善材料的韧性。等温淬火温度要根据C曲线确定。等温淬火时间过长会析出碳化物，降低材料的韧性；过短则贝氏体量不足。加入一定的合金元素，诸如Mo、Cu、Ni可提高淬透性。图9和图10分别是球墨铸铁上贝氏体和下贝氏体等温淬火工艺，供参考。
图9 球墨铸铁上贝氏体等温淬火工艺
图10 球墨铸铁下贝氏体等温淬火工艺
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