石墨化退火熱處理-興達(dá)機(jī)床量具

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(jié)。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。

一、石墨化退火的理論基礎(chǔ)

  根據(jù)相穩(wěn)定的自由能計(jì)算，鑄鐵中滲碳體是介穩(wěn)定相，石墨是穩(wěn)定相，滲碳體在低溫時(shí)的穩(wěn)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(kuò)散能力等動(dòng)力學(xué)因素。對(duì)于固態(tài)相變，原子的擴(kuò)散對(duì)相變能否進(jìn)行起重要作用。由于溫度較高時(shí)，原子的擴(kuò)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(yuǎn)距離擴(kuò)散，只有在溫度較高時(shí)才有可能進(jìn)行。

1. 石墨的形核

對(duì)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(nèi)，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(duì)此產(chǎn)生巨大的阻力，從而阻礙石墨核心在其內(nèi)部形成。

在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄鐵內(nèi)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(duì)應(yīng)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(duì)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(qū)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，隨著滲碳體的分解，借助于碳原子向石墨核心的擴(kuò)散不斷長(zhǎng)大，_終完成石墨化過(guò)程。

  需要指出的是，對(duì)于可鍛鑄鐵而言，其鑄態(tài)組織是按亞穩(wěn)定系凝固而成，其中奧氏體相對(duì)于穩(wěn)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(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體和二次石墨，鑄鐵的_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 A1 溫度（ 720 ～ 750 ℃）以下保溫的石墨化過(guò)程。可分為兩種情況：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(zhuǎn)變時(shí)按穩(wěn)定系轉(zhuǎn)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(kuò)散。在低溫下，碳原子本身的擴(kuò)散能力很低，加之鐵素體溶解碳的能力很小，碳原子的擴(kuò)散比較困難，主要通過(guò)晶粒邊界和晶體內(nèi)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(kuò)散距離。細(xì)化鑄態(tài)組織，增加晶界，增加石墨核心是減小碳原子擴(kuò)散距離的有效措施。

二、石墨化退火工藝

 1. 鐵素體（黑心）可鍛鑄鐵的石墨化退火工藝

黑心可鍛鑄鐵的石墨化有五個(gè)階段：（ 1 ） 升溫；（ 2 ） _階段石墨化；（ 3 ） 中間階段冷卻；（ 4 ） _階段石墨化；（ 5 ） 出爐冷卻。

在 a 點(diǎn)前灰鑄鐵細(xì)桿已凝固完畢，粗桿處于共晶轉(zhuǎn)變期，粗桿石墨化所產(chǎn)生的膨脹受到細(xì)桿的阻礙，產(chǎn)生壓應(yīng)力，到達(dá) a 點(diǎn)時(shí)，粗桿的共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束，應(yīng)力達(dá)到_值。

從上述分析可以看出，灰鑄鐵在冷卻過(guò)程中有三次_卸載（即應(yīng)力等于零）狀態(tài)。如果在其_后一次_卸載（即 f 點(diǎn)）時(shí)，對(duì)鑄件保溫，消除兩桿的溫差，然后使其緩慢冷卻，_會(huì)使兩桿間的應(yīng)力降到_小。對(duì)灰鑄鐵冷卻過(guò)程中的應(yīng)力測(cè)定表明，灰鑄鐵_后一次_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。

  三、去應(yīng)力退火工藝

為了提高去應(yīng)力退火的實(shí)際效果，加熱溫度_能達(dá)到鑄件_后一次_卸載溫度。在低于_后一次_卸載溫度時(shí)，加熱溫度越高，應(yīng)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(duì)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(qiáng)度和硬度降低。對(duì)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(yīng)力退火的加熱溫度為 550 ℃。  當(dāng)鑄鐵中含有穩(wěn)定基體組織的合金元素時(shí)，可適當(dāng)提高去應(yīng)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(yàn)公式計(jì)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(fù)雜和要求充分消除應(yīng)力的鑄件應(yīng)取較大的 H" 值。隨爐冷卻速度應(yīng)控制在 30 ℃ /h 以下，一般鑄件冷至 150 ～ 200 ℃出爐，形狀復(fù)雜的鑄件冷至 100 ℃出爐。