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可锻铸铁
退火
工艺
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- 1 - 可锻铸铁的退火工艺研究 1 引言 锻铸铁发展简史 我国是最早发明和生产可锻铸铁的国家。根据对出土文物的考证，我国可锻铸铁的生产始于公元前国世纪战国时代。众多的战国出土铁器中有很多可锻铸铁件。如 1957年在湖南长沙出土的战国铁铲， 1974年洛阳出土的铁镑，湖北大冶铜绿山古矿遗址发现的战国时期的铁锄，铁斧，铁锤等矿业用具，辉县出土的战国中期的铁带钩，易县燕都出土的战国晚期的铁撅，锄等都是可锻铸铁铁件。 石墨化退火可锻铸铁按退火工艺的不同有“白心”和“黑心”之分。关于白心铸铁可锻化热处理的最早创立者是法国物 理学家 1720 1722 年， 明了称之为“欧洲法”的白心可锻铸铁生产方法，这种铸铁，基体组织表现为外缘为铁素体，向内出于脱碳不完全，珠光体量逐渐增加，并有少量的渗碳体，具有可焊接性。 1820年，美国人 然得到了铁素体可锻铸铁，并将其生产方法称之为“美国法”，即黑心可锻铸铁。 1919 年， 次提出制造珠光体可锻铸铁的可能性。此后， 人进一步加以发展，以致使制造方法达到标准化 1。 自此，人们根据所需要 的基体，采取不出的热处理工艺可获得以铁素体为主的铁素体可锻铸铁，也可获得以珠光基体为主的珠光体可锻铸铁。 锻铸铁 锻铸铁的特点和分类 可锻铸铁（又称为玛钢或马 铁）一般是由亚共晶白口铸 铁经过高温石墨化退火制成。退火过程中，白口铸坯中的渗碳体分解并产生 团絮状石墨或被氧化而脱除，其基组织取决于热处理规范，按处理后基体组织的不同可分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。 可锻铸铁中石墨 一般成 团絮状，含量较少，应力集中现象不太显著，对铸铁的有效负荷面积减小不多，因此抗拉强度可达 300 700 伸率可达 2% 12%；可锻铸铁- 2 - 与灰铸铁一样具有较高的含碳量，因而具有良好的铸造性能；通过热处理，可以用获得较高的塑性和韧性 2；此处，可锻铸铁还具有良好的切削加工性能，抗氧化性能和耐蚀性能。 可锻铸铁根据不同的热处理方法，可获得石墨化退火可锻铸铁 (包括铁素体可锻铸铁（黑心）和珠光体可锻铸铁 )和脱碳退火可锻铸铁 （白心可锻铸铁） 两种不同基体组织的可锻铸铁 目前我国生产的可锻铸铁主要为铁素体可锻铸铁。铁素体可锻铸铁具有一定强度，强度和塑性优于灰铸铁，低温抗冲击能力优于球墨铸铁，且耐磨性和减震性优于普通碳素钢，所 以可部分代替碳钢，合金钢和有色金属。 其退火特点为白口铸坯在非氧化性介质中进行石墨化退火，莱氏体、珠光体都被分解，退火后坯件韧性高。 在生产中铁素体可锻铸铁常用来制造截面较薄而形状较复杂，工作时受震动而对强度和塑性要求较高的零件。例如：铁素体可锻铸铁广泛用于 汽车，拖拉机的轮圈，差速器壳和底盘零件，机床附件中的扳手，输电线路中的瓷瓶铁帽，线夹，弯头排板，纺织机械中的粗纺机和印花机盘头以及水油管道中的弯头，三通，接头，中压阀门等零部件的制造。 珠光体可锻铸铁 退火特点为白口铸坯在非氧化性介质中进行石墨化退火，快速通过共析区只有莱氏体分解，退火后坯件 具有较高的强度，硬度和耐磨性，而塑性，韧性较差。因而珠光体可锻铸铁可用于制造气阀，加煤机零件，高压接头阀体和汽车工业拨叉，差动齿轮箱等。 白心可锻铸铁的退火特点为白口铸坯在氧化性介质中退火，使渗碳体分解出的碳随时氧化、脱碳，焊接性好。但是白心可锻铸铁在国内用的很少，国外用作水暖管件 。 锻铸铁的牌号和力学性能 可锻铸铁的牌号是由 “（ “ 可铁黑 ” 三字汉语拼音字首）或 “ “ 可铁珠 ” 三字汉语拼音字首）后附最低抗拉强度值（ 最低断后伸长率的百 分数表示。例如牌号 50 10 表示最低抗拉强度为 350 低断后伸长率为 10的黑心可锻铸铁，即铁素体可锻铸铁； 50 02 表示最低抗拉强度为 650 低断后伸长率为 2的珠光体可锻铸铁 根据国家标准，黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁可分八个牌号 - 3 - 表 1锻铸铁的牌号 类型 牌号 试 样直径 d（ 抗拉强度 屈服点 伸长率 硬度 B 黑心可锻铸铁 12 或 15 300 - 6 150 - 30 - 8 350 - 10 - 70 - 12 珠光体可锻铸铁 12 或 15 450 270 6 150 200 550 340 4 180 250 650 430 2 210 260 700 530 2 210 290 - 4 - 织特征与性能关系 表 1锻铸铁的组织性能 金 相组织及要求 处理方法 石墨形状：紧密，坚实圆整球状石墨，团、球状石墨能获得较好的力学性能；团絮状石墨最常见，能满足一般性能求；絮状石墨，聚虫状、枝晶状石墨对性能有不良的影响 用稀土、镁处理及采用低温预处理退火可使石墨圆整； 高，升温过快，第一阶段石墨化温度过高，会使石墨形状恶化，所以 及第一阶段退火温度不宜过高，一般分别以 980为限 石墨数量： 100好，综合力学性能较好石墨颗粒数对抗拉强度的影响较小，对伸长率的影响较大 壁、金属型铸造、退火前淬火、孕育 处理、低温预处理等皆可增加石墨颗粒数加热过快，退火温度过高，铸件壁厚则使石墨粗大，颗粒少 石墨分布：要求均匀，无方向性分布 孕育剂要适量，孕育剂量太多（如 会使石墨成串状分布 石墨大小：一般以 与对颗粒数的控制相同 铁素体基体：要求大部分或全部为铁素体；并可根据牌号要求保留适当珠光体。残留渗碳体不能超标；如能获得粒状珠光体，则可得到较好的综合力学性及切削加工性能 主要根据化学成分、性能要求控制退火工艺，从而保证珠光体或渗碳体完全分解 晶粒大小：一般要求 60 250个 /太粗会使力学性能降低 孕育处理能使石墨细化，从而细化铁素体晶粒 锻铸铁的铸造性能 可锻铸铁铸造性能具有如下特征： (1)、流动性 - 5 - 可锻铸铁碳、硅含量低，液相线温度偏高，凝固温度范围较大，所以流动性不好，类似于铸钢。故要求浇注温度较高，薄壁件应在 1350以上，中厚件浇注温度要大于 1320。同时要求铸型耐火度较高。 (2)、收缩 可锻铸铁的铸态组织为白口，收缩较大，体收缩一般为 线收缩为 冒口必须保证足够的尺寸和数量， 以利补缩，冒口形式大多采用顶部 120 （角）的暗冒口。白口铸件退火时，将产生石墨化膨胀，其值随碳含量而变。铁素体可锻铸铁退火时，如碳含量为 长度胀出 含碳量为 ，长度胀出 精确铸件的工艺，应同时考虑铸造收缩和退火膨胀。铁素体可锻铸铁件模型的缩尺一般选用 0具体数值可根据铸件结构、铸型硬度、铁水含碳量等来决定。 (3)、缩松与缩孔 因流动性不好，故可锻铸铁的浇注温度偏高，造成液态收缩偏大，结晶温度范围又较宽，极易产生缩松与缩孔。当结晶过程中形成树枝状结晶和板条状共晶组 织时，缩松倾向尤为突出，且补缩能力差，极易产生缩松。 (4)、铸造应力和裂纹 可锻铸铁收缩大，应力大，裂纹倾向随之也大。故裂纹倾向性大是可锻铸铁同其他铸铁区别的特征之一。裂纹倾向与铁液结晶凝固温度范围较大，易生成树枝状结晶、形成板条状结构、补缩性能较差、收缩较大等性能有关。 锻铸铁的化学成份 学成份的选定原则 （ 1）保证铸件任何一 个 截面在铸态时全白口，不出现麻点，否则会显著降低机械性能。 （ 2）有利于较快的石墨化过程，以保证短时间内完成石墨化退火，缩短生产周期。 （ 3）有利于提高机械性能 。 （ 4）在不影响机械性能的情况下，兼顾铸造性能，从而提高产品的合格率。 学成份的选择 根据国家标准，可锻铸铁的化学成分可分三类，即铁素体可锻铸铁化学成分，珠光体可锻铸铁化学成分，白心可锻铸铁化学成分。推荐数值见下表 - 6 - 表 1C n P S 铁素体可锻铸铁 光体可锻铸铁 心可锻铸铁 1元素 对力学性能的影响 C 增高含碳量会使石墨数量及尺寸增加，使强度、伸长率下降 能增高可锻铸铁的强度及伸长率，但 后有可能恶化石墨形态，导致力学性能下降。当 易引起回火脆性及低温脆性，并使脆性转化温度上升 P 磷量 ，易偏析，出现磷共晶，导致伸长率下降、脆性增高 S 锰 和 硫超过 了 规定值，会因退火时间不足而在铸件中残留渗碳体及珠光体，使伸长率不合格 限制在 下，否则易使残留渗碳体超标，导致伸长率下降 火技术 火含义 退火是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却的一 种 金属热处理工艺 。 退火热处理分为完全退火，不完全退火和去应力退火。退火材料的力学性能可以用拉伸试验来检测，也可以用硬度试验来检测。许多钢材都是以退火热处理状态供货的，- 7 - 钢材硬度检测可以采用洛氏硬度计，测试 于较薄的钢板、钢带以及薄壁钢管，可以采用表面洛氏硬度计，检测 火的目 的 退火的目的在于 改善或消除钢铁在铸 造、锻压、轧制和焊接过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力，防止工件变形、开裂。 软化工件以便进行切削加工。 细化晶粒，改善组织以提高工件的机械性能。 为最终热处理（淬火、回火）作好组织准备。 用的退火工艺 常用的退火工艺有： 完全退火。用以细化中、低碳钢经铸造、锻压和焊接后出现的力学性能不佳的粗大过热组织。将工件加热到铁素体全部转变为奥氏体的温度以上 30 50，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却，在冷却过程中奥氏体再次发生转变，即可使钢的组织变细。 球化退火。用以降低工具钢和轴承钢锻压 后的偏高硬度。将工件加热到刚 开始形成奥氏体的温度以上 20 40，保温后缓慢冷却，在冷却过程中珠光体中的片层状渗碳体变为球状，从而降低了硬度。 等温退火。用以降低某些镍、铬含量较高的合金结构钢的高硬度，以进行切削加工。一般先以较快速度冷却到奥氏体最不稳定的温度，保温适当时间，奥氏体转变为托氏体或索氏体，硬度即可降低。 再结晶退火。用以消除金属线材、薄板在冷拔、冷轧过程中的硬化现象（硬度升高、塑性下降）。加热温度一般为 刚 开始形成奥氏体的温度以下 50 150，只有这样才能消除加工硬化效应使金属软化。 石 墨化退火。用以使含有大量渗碳体的 铸铁 变成塑性良好的可锻铸铁。工艺操作是将铸件加热到 950左右，保温一定时间后适当冷却，使渗碳体分解形成团絮状石墨。 扩散退火。用以使合金铸件化学成分均匀化，提高其使用性能。方法是在不发生熔化的前提下，将铸件加热到尽可能高的温度，并长时间保温，待合金中各种元素扩散趋于均匀分布后缓冷。 - 8 - 去应力退火。用以消除钢铁铸件和焊接件的内应力。对于钢铁制品 加热后开始形成奥氏体的温度以下 100 200，保温后在空气中冷却，即可消除内应力。 墨化 退火 墨的晶体结构 图 1墨晶体结构 墨化过程的三个阶段 第一阶段石墨化铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶铸铁）和在 1154（ ECF线）通过共晶反应形成共晶石墨。 G(共晶） 第二阶段石墨化在 1154 738温度范围内奥氏体沿 ES线析出二次石墨。 第三阶段石墨化在 738（ PSK线）通过共析反应析出共析石墨。 G(共析） - 9 - 图 1响石墨化的主要因素 (1)温度和冷却速度在生产过程中，铸铁的缓慢冷却，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。 (2)合金元素按对石墨化的作用，可分为促进石墨化的元素（ C、 阻碍石墨化的元素（ W、 V、 大类。一般来说，碳化物形成元素阻碍石墨化，非碳化物形成元素促进石墨化，其中以碳和硅最强烈。生产中，调整碳、硅含量，是控制铸铁组织和性能的基本措施。 墨化退火主要涉及固态石墨化机理、石墨化退火工艺的影响和各 种元素对固态石墨化的影响。 （ 1）固态石墨化机理。白口生坯中的渗碳体是不稳定相，只要条件具备便可分解成稳定相 就是固态石墨化过程。必要条件是白口铸铁固态石墨化能否进行取决于渗碳体分解和石墨成长的热力学和动力学条件两个方面。热力学观点认为，渗碳体从低于铁 ，很多的温度条件下保温，亦可发生固态石墨化过程。但渗碳体的分解能否不断进行，石墨化过程能否最终完成，则在很大程度上取决于渗碳体- 10 - 分解后碳原子的扩散能力和可能性，使旧相消失，新相形成的各种阻力因素等动力学条件。在渗碳体及基体多相存在的情 况下，石墨晶核最容易在渗碳体与周围固溶体的界面上产生；如果铸铁内有各种硫化物、氧化物等夹杂物微粒，则石墨晶核的形成就比较容易。要使白口铸铁中存在的石墨晶核继续长大，必须具备碳原子能强烈扩散的条件。纯铁碳合金较难于石墨化，有促进石墨化的元素存在时，能加速石墨化进程。关于铸铁固态石墨化机理许多观点，大多是根据传统的两阶段退火工艺提出的。高温阶段时，当加热到奥氏体温度区域，经过 4 个环节：在奥氏体 碳体溶解于周围的奥氏体中；碳原子在奥氏体中由奥氏体渗碳体界面向奥氏体 原子在石墨核 心上沉淀导致石墨长大。在这阶段退火过程中，。渗碳体不断地溶解，石墨不断地长大，直至渗碳体全部溶解。此时铸铁的平衡组织为奥氏体加石墨。在低温阶段则发生转变成铁素体的共析转变，最后形成铁素体加石墨的平衡组织。由于采用低温石墨化退火工艺的问世，固态石墨化机理随之有所发展。加热温度不高于 A，温度，而仅有 720 750的保温阶段，铸铁组织由原来的珠光体加莱氏体直接转变为铁素体加石墨。关键是要改善较低温度下的石墨化动力条件，以及加强铸铁内在的石墨化因素。如细化渗碳体，细化晶粒增加界面，增加位错密度，从而增加初始石墨核 心数以减少扩散距离。 （ 2）石墨化退火工艺的影响。第 20 980保温，佚莱氏体中的共晶渗碳体不断溶入奥氏体而逐渐消失，团絮状石零逐渐形成。第二阶段常用温度 710730保温，或者由 750缓慢（ 3 5 /h）降温至 700。预处理常用温度分高温预处理即在 750左右保温 1 2h，和低温预处理即在 350 450保温 3 5h。其作用在于增加石攫颗粒数，减小碳原子扩散距离，缩短退火周期，改善石墨形态。 （ 3）各种元素对固态石墨化的影响。碳可以 促进石脆 化，增加退火的石墨核心数，缩短石最化时间 ，特别是缩短第二阶段石墨化的时间。硅强烈促进石墨化，能促进渗碳体的分解，故在允许限度以内提高铁液中的含硅量，能有力地缩短第 -、第二阶段的退火时间。在炉前加硅铁或含硅的复合孕育剂可造成较大浓度起伏，有利于实现低温石墨化。锰能与硫生成 在适当含量范围内能缩短石墨化时间。但当自由锰量（锰与硫化合生成 外的多余锰量）超过 或不足时（负值），则阻碍石墨化，尤其是阻碍第二阶段石墨化。硫强烈阻碍石墨化。当硫含量不很高时（ ，可用锰中和其有害作用。当硫含量较高时，使 石墨化退火困难。磷在凝固- 11 - 时微弱地促进石墨化，对退火过程中的固态石墨化影响不大。超过一定量时对第二阶段石墨化稍有阻碍作用。其他如铬、钼、钒、碲等均有强烈的阻碍石墨化作用；铝、锆、钙有较强促进石墨化作用。 态石墨化机理 固态石墨化的过程，实际就是白口铸铁组织中渗碳体的分解过程，尽管对固态石墨化机理的看法不尽一致，但是大多数学者认为，石墨化过程是渗碳体逐步溶解于奥氏体中，再通过在奥氏体相界面上析出石墨核心并逐步张大成为团絮状石墨的过程 3。 利用高温金相显微镜直接观察白口铸铁试样在高温下的石墨化转变 过程，可以看到试样在真空中加热到高温 (950左右 )经过一段时间的保温和孕育期 后，在奥氏体和共晶渗碳体相界面上首先出现一些石墨点，随着保温时间的增长，共晶渗碳体尺寸逐渐变小，数量逐渐变少，直到全部溶入奥氏体，而石墨点则逐渐长大为团絮状石墨。 可锻铸铁的固态石墨化能否进行，取决于渗碳体的分解及石墨形核、成长的热力学和动力学条件。根据实际系统中渗碳体自由能变化的计算，渗碳体从室温到高温都是不稳定的，它是一种介稳定组织，有向稳定组织转变的趋势。从热力学观点看，渗碳体从室温到高温的很大范围内都能够分解，但渗碳体的分 解能否不断进行以及石墨化过程能否最终完成，则在很大程度上取决于渗碳体分解后碳原子的扩散能力，旧相消失、新相形成的各种阻力因素等动力学条件。从形核动力学角度看，为避免石墨形核时所需的较大的势垒，希望借助于一些现存的“基底 ，如各种固有的硫化物、氧化物等夹杂物微粒，包括一些未熔石墨微粒。此外，在渗碳体与周围基体组织的相界上，由于原子排列散乱而存在较多的空位等晶体缺陷，这些场所将为石墨的形核提供良好的条件。因此，通常石墨晶核易于在缺陷处或者相界面和晶界面形成。一旦在奥氏体和渗碳体的界面上形成石墨就发生的碳的浓度差 异，奥氏体和渗碳体的相界面附近的碳浓度高，奥氏体和石墨的相界面附近的碳浓度 低，因此，在奥氏体中就要发生碳原子的扩散，奥氏体中的碳从奥氏体 墨界面附近。这样碳的平衡就被破坏，在奥氏体 于贫碳，使渗碳体向奥氏体中溶解，而在奥氏体 于奥氏体中碳浓度的过饱和。结果碳在石墨核心上进行沉积结晶，使团絮状石墨不断长大。 2 铁素体可锻铸铁（ 黑心 ）的退火 - 12 - 样的化学成份 、硅含量 在可锻铸铁中，碳和硅 的 含量是影响其组织和性能的两个最主要因素。碳 为促进石墨化元素，在铸造过程中，促进凝固时石墨化，在石墨化退火时可增加石墨核心数，缩短石墨化退火时间，特别是缩短第二阶段石墨化退火时间，同时它又是形成石墨的元素，故在传统的可锻铸铁中，一般选择较高的含碳量。但是由于 含碳量为 晶体中碳原子间的距离显然要比碳含量为 100的石墨中的要大得多。因而在铁液 (含碳量 2 4 )和固溶体 (含碳在 右 )中析出 ，碳原子需要移动的距离 (同样也包括铁原子的自扩散距离 )将远比析出石墨时所需的移动距离小。这样， 核和长大都比石墨容 易和迅速。换言之，渗碳体结晶所需的成分和能量起伏都将小于石墨，因而结晶速度较高。这样，与石墨的析出比较起来，渗碳体结晶在动力学上是有利的，即优先析出渗碳体。因此，含碳量多时铸态组织中形成的碳化物越多，且其组织越粗大，对应需分解的渗碳体量也越多，分解难度越大，延长了第一阶段石墨化时间。故石墨化退火周期在总体上并没有得到缩短。 此外，虽然高碳量还能改善铸造性能，但过高 含 碳量会造成铸造时产生麻口，此种麻口组织中析出的石墨在石墨化退火容易产生形状变异，从而降低铸件力学性能。但是含碳量过低将增加熔炼难度，影响力学性能 和铁水流动性。综上所述，可锻铸铁的含碳量一般取 硅为强烈促进石墨化元素，是影响高温退火石墨化时间的决定性元素。硅原子通过轨道电子交换形成 原子间的电负性差大于 制了 化了 的键能，从而在铸态时抑制了渗碳体的生成，促进石墨析出；在石墨化退火时促进了渗碳体的分解。故在允许限度内提高铁水中硅的含量，能有力地缩短第一、第二阶段石墨化退火时间，在炉前加硅有利于降低石墨化退火温度。高硅量可以改善铸造性能，减小退火时的氧化。但硅量过高将对锻铸铁 的低温脆性产生影响，为此须控制在定的范围之内。一般认为，硅的含量不要超过 碳和硅是影响可锻铸铁组织与性能的两个主要元素，且二者的作用相互影响、 相互制约。因此为了综合考虑碳硅的影响，通常运用碳硅总量，即 C +(1/2)示。一般取 - 13 - 、硫、磷含量 要生产铁素体可锻铸铁，必须对这两个元素的含量进行限制。 是稳定珠光体的元素。锰和碳形成的 容易偏析于晶界附近，使共 晶 团边界出现游离渗碳体，恶化机械性能，且对渗碳体的分解起着阻碍作用，阻碍 了第一阶段和第二阶段石墨化，尤其对第二阶段石墨化的阻碍作用更为明显。而相关研究表明 4当含锰量在 1以下时，可锻铸铁的强度随含锰量的增加而提高，且延伸率无明显变化，国内外对含锰量一般控制在 1以下，本试验控制在 右。 从 化学反应来说，锰和硫的亲和力比铁和硫的亲和力大，因此，一般含锰铸铁中都有硫化锰出现，除非锰量不足，才会有多量的硫化铁存在。如果出现锰、硫比例严重失调现象，石墨化过程将难以完成。当 =4 5时，团絮状石墨比较粗松，铸铁强度性能较低， =2 3时，团絮状石墨渐趋紧密，力学性 能相应提高 5。 为防止回火脆性的产生，当铸铁中含硅量超过 1 5时，含磷量应控制在 下。在可锻铸铁生产中，为了控制碳和磷的含量，炉料中只加入少量的新生铁，有时甚至不加。 锻铸铁的退火 火前的 化学成份及金相组织 C n P S r 含量 表 2锻铸铁的铸态宏观断口为白色 ，金相组织如下列图所示。在铸态下得到白色网状渗碳体 +黑色部分珠光体组织 (莱氏体 +珠光体 ) - 14 - 图 2口铸铁金相组织（ 100 倍） 图 2口铸铁金相组织（ 200 倍） - 15 - 图 2口铸铁金相组织（ 400 倍） 火 过程 铁素体可锻铸铁是由白口铸坯退火而成的。白口铸坯的铸态室温组织为：珠光体（铁素体 +共析渗碳体 ） +莱氏体（奥氏体 +共晶渗碳体 ） +二次渗碳体。退火的目的就是要将共晶渗碳体、二次渗碳体和共析渗碳体全部分解为铁素体和石墨。 铁素体可锻铸铁退火过程可分为五个阶段，分别为：升温、第一阶段石墨化、中间阶段冷却、第二阶段石墨化和出炉冷却。退火特征及内容见下表。 表 2素体可锻铸铁 退火五阶段简表 - 16 - 阶段名称 内容 要求 升温（ 0 在第一阶段保温，自由渗碳体溶入奥氏体而逐渐消失， 团絮状石墨逐渐形成，第一阶段石墨化完成时（到“ 2” 点），组织为奥氏体 +团絮状石墨 般掌握在 50 60 /00 /h，升至 900以上需要10 20 在 300 40保温 3 5h，增加石墨核心。 有灰点，否则退火后有片状石墨，而使性能达不到要求。 第一阶段石墨化（ 1 在第一阶段保温 ，自由渗碳体溶入奥氏体而逐渐消失， 团絮状石墨逐渐形成，第一阶段石墨化完成时（到“ 2” 点），组织为奥氏体 +团絮状石墨 提高升温速度，以抛物线形状的曲线替代高温保温 。 050，当退火炉炉温不均时，不能超过 980 。否则，铸件晶粒粗大、变形、产生鸡爪状石墨 。 - 17 - 中间阶段冷却（ 2 由 2从高温较快冷却到稍低于共 析温度（ 710 730 的范围）的阶段，随着温度的降低，奥氏体中碳脱落，附着在已生成的团絮状石墨上，使石墨长大。到“ 3”点 的组织为珠光体 +团絮状石墨 则会出现二次渗碳体，一般以 100 / 缩短退火周期，可打开冷却孔，提起烟道闸门进行冷却 第二阶段石墨化（ 3 在 710 730处保温，使珠光体分解为铁素体和石墨。也可以从 750左右开始，缓慢冷却（ 3 5 /h），通过共析温度范围，由奥氏体直接变为铁素体和石墨。这样退火时间短 在 710 730处保温，只有在电炉有自动控温时采用。 从 750左右缓慢冷却。注意控制冷却速度，火焰炉可继续加温（火逐渐减小） 出 路冷却（ 4 炉冷至 500 600即出炉空冷，空冷时组织不再变化 出炉温度要严格控制，不得过低，否则会产生“白脆”而使冲击韧性下降 下图为铁素体退火曲线 - 18 - 图 2素体退火曲线 火后的金相组织 试样制备方法 1)粗磨：用砂轮将试样表面初步打磨，粗磨时要尽量减少磨面的变形层，同时充 分冷却。 2)细磨：用 400#、 600#-、 800#、 1200#金相砂纸细磨试样，每换一次砂纸试样磨 制方向改变 900。 3)机械抛光：采用 抛光机 对细磨后的试样进行抛光。 4)金相组织显示：采用 4的 - 19 - 图 2 处理过的试样 观察金相 并拍照 图 2火后的金相组织（ 50 倍） - 20 - 图 2火后的金相组织（ 100 倍） 图 2火后的金相组织（ 400 倍） - 21 - 处理 工艺改进 可锻铸铁具有其特有的优点和存在价值 ,但是不容讳言的是 ,它也存在着特有的弱点 ,即在它的生产过程中必须经过长时间的石墨化退火 长期以来铸造工作者一直在致力于缩短退火周期、降低能源消耗的技术探索工作 降低可锻铸铁的退火温度并非不可能 无论在常温和 高温下 ,渗碳体都呈介稳定相 ,都有分解为石墨的趋势 0 年代起 ,国外就有人开始从事降低第一阶段石墨化退火温度的研究 即在温度上限(800900 )和温度下 限 (600650 ),各加热保温 5 10 分钟 ,循环 6 7 次即可完成石墨化过程 (1982)用 在 700 保温 60 96 小时获得完全铁素体可锻铸铁 ,但退火周期太长 可锻铸铁在一定化学成分下经过适当的孕育处理 ,可在 750 以下完成石墨化过程 。 总 体上看，目前可锻铸铁快速退火工艺的研究主要集中在以下几个方面 (1)增加低温预处理、高温预处理及预淬处理工序。部分科技工作者在不改变原铁水化学成分的基础上，改变热处理工艺，缩短石墨化退火周期方面进行了一些研究 6：即在石墨化退火前先进行低温预处理 (300 500，保温 4 5h)，或高温预处理 (750，保温 1 2h)，或者把铸件加热到奥氏体状态并予以淬火，以增加石墨核心，加速石墨化。虽然目前已有一些工厂将低温预处理纳入正常生产的工艺规范，但其节能效果并不明显。 (2)循环热处理。为寻求缩短可锻铸铁石 墨化退火周期的可能性，陕西工学院的杨仁山 7利用循环热处理的特点，设法通过快速循环石墨化退火新工艺来缩短石墨化退火周期，同时也改善可锻铸铁的性能。其具体工艺为：上限温度 T 上 =880 900、 T 下=600 650，加热保温 5 10分钟，一般循环 6 7次。试验表明可节能约 40 60。但是此种工艺操作繁琐，不利于在现实大规模生产中推广。 (3)提高高温石墨化退火温度为了缩短退火周期，有人曾尝试适当提高退火 温度 (940 980 )，降低原子扩散激活能，以缩短石墨化退火周期。此种方法虽然能缩短退火周期，但就 其消耗的总能量来说是基本没有节省。而且，提高温度易使退火过程中铸件产生过烧，氧化，变形等质量问题，不易于质量控制。同时，也对退火设备的使用寿命有不良影响。 - 22 - (4)改进退火炉。国内开封缝纫机总厂的李玉田 8根掘该厂的经验认为：可断铸铁第一阶段石墨化退火，并非“需要一定的时间”，而是“需要一定的能量”；传统的装箱密封退火，防碍热能的传递，是造成可锻铸铁件生产周期长，能耗大的一个主要原因。而该厂生产中取消了可锻铸铁第一阶段石墨化退火中的密封箱，结果缩短了退火时间，降低了能耗。即由 t(退火时间 )=Q(一定能量 )/送能量速度 )可知， Q 一定时，欲降低t，唯有增大 经验表明，感应炉 该厂使用感应炉退火，有一定效果。 综上所述，现阶段对于可锻铸铁快速退火的研究主要集中在调整原铁水化学成分、改进孕育剂及孕育处理和优化石墨化退火工艺等方面。优化石墨化退火工艺虽然对缩短石墨化退火时间有一定的效果，但不能从根本上缩短可锻铸铁生产周期。且将增加相应的工序或对设备要求较高，在实际生产应用中成本增加较大。而调整原铁水化学成分、改进孕育剂及孕育处理后缩短退火周期的效果较明显，且还有较大潜力可挖掘。 孕育剂及孕育处理 是影响可锻铸铁石墨化退周期长短、石墨形态优劣的重要因素。大量的生产实践及研究表明，复合孕育剂是未来的发展趋势，其各组分之间能相互作用，取长补短，效果优于单一成分或简单几种成分的孕育剂。而可锻铸铁的铸态石墨在析出长大或后来的石墨化退火过程中容易发生形态畸变，影响铸件力学性能。为了防止这种畸变的发生，要求铸态石墨颗粒细小，形状圆整，且分布均匀。因此，需试验新型的复合孕育剂及选择适当的孕育方法，使其在铸态时防止铸态石墨的畸变，细化铸态基体组织，同时，在可锻铸铁石墨化退火过程中起到促进石墨化的作用。 育剂及 孕育处理 孕育处理是指浇注以前或浇注过程中，在一定的条件下向铁液中加入一定量的物质以改变合金的凝固过程，改善结晶组织 (细化初生晶，增加石墨核心数量等 )，从而达到提高性能目的的过程。 与灰铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁不同，对于可锻铸铁孕育机理，国内外研究的比较少，不仅没有形成比较完善的孕育理论，而且有些问题的认识也还不一致。然而对基本理论还是认同的。研究表明 9，可锻铸铁孕育剂中一般既含有石墨化元素，又含有反石墨化元素，其相互联系，又相互制约。在浇注阶段，反石墨化元素起主要作用，在石墨化退火阶段，石墨化元素起主 要作用。即，一方面，石墨化元素在浇注时能形成一些化合物 (如 )，为退火时石墨析出提供形核核心，同时阻断珠光体、渗- 23 - 碳体的连续生长，细化珠光体和渗碳体组织，增加渗碳体与珠光体的界面积，从而缩短了石墨化退火时碳原子扩散的路程，促进了石墨化；另一方面，反石墨化元素在浇注时又能有效抑制石墨的长大，从而避免片状石墨的出现。 河北工学院的钱立把孕育剂常用元素分为以下几种 10：基本孕育元素：碳、硅和稀土：强化孕育元素：钙、铝、钡、锶、锆和钛：抗孕育衰退元素，即延长孕育的有效时间，防止孕育衰 退，其包括：钡、锶、铈和锆：稳定珠光体元素，简称稳定化元素。使用它们的目的在于控制基体中珠光体数量，使珠光体片间距较小。为了不损害铸铁的共晶石墨化能力，所选的元素应当在铸铁一次结晶时有温和的石墨化能力，或者此时虽有反石墨化作用，而借助于其它石墨化因素的配合，使之处于受控条件之下，这些元素包括：铬、锰、锡、锑、铜和镍等；脱硫脱氧除气元素，铸铁中的氧、氮、氢、硫都是强烈阻碍石墨化的，当它们转化为相应的化合物 (氢例外 )之后。某些氧化物、硫化物，氧硫化物和少数氮化物可成为石墨结晶的核心。因此，几乎所有的脱硫脱氧 除气元素都有孕育形核的作用，如，钙、铈、镁、铝、钛、稀土元素等；防止石墨变态元素。片状石墨尖端的应力集中是降低强度和弹性模量，引起铸件变形和裂纹的根本原因。控制石墨端部形状或使石墨趋于球状，是生产高强度铸铁的重要途径。据报道，钡、氮、镁、铋、锑和碲有助于防止石墨的变态 11。 多年来，可锻铸铁生产中孕育剂的选择和孕育处理工艺，一直是国内外人们所关注的问题，并进行过大量研究。目前，大约有孕育剂 200 余种，常见的有 30 余种。我国在 20 世纪 70 年代末 80 年代初孕育剂实现商品化。其分类方法有以下几种。按照成分组 成，孕育剂分为：硅系孕育剂、碳系孕育剂、稀土孕育剂等。按孕育剂功能作用，孕育剂分为：石墨化孕育剂、稳定化孕育剂、复合孕育剂。按使用范围，孕育剂分为：灰铸铁用孕育剂、球墨铸铁用孕育剂、蠕墨铸铁用孕育剂、可锻铸铁用孕育剂等。我们常使用的分类方法是按孕育剂组成的成分分类，这样既可以看到组元成分，而且可从主要组元中知道孕育剂的特点 12。 1)硅铁孕育剂：硅铁孕育剂分为 457585 3 种， 45育剂的处理效果较差， 85本较高，常用 75 75的 孕育效果有很大影响，其中以 影响最大，在大于 0 5时有较强的石墨化能力。一般 75 78， 5 1 0，砧 O 8 1 5。 2)硅钡孕育剂：硅钡孕育剂主要用于灰铸铁和球墨铸铁生产。用于球墨铸铁可显著- 24 - 增加石墨球数，用于灰口铸铁可以减少白口倾向，细化晶粒，改善石墨形态。这类孕育剂除可使铸铁获得较高的力学性能外，本身还具有较强的抗衰退能力。一般孕育剂中含 3之间。 3)类孕育剂主要优点是用量少、石墨化能力强，但较难溶 解。例如：且适合于冲天炉铁水使用， 于改善切削性能。 4)稀土孕育剂：稀土元素是铸铁高效长效孕育剂的重要组元，我国稀土资源丰富，研究和应用该类孕育剂具有现实意义。一般地讲，这类孕育剂具有双重性，孕育铸铁中稀土残留量的范围为 06 O 3。碳当量低时稀土加入量少，碳当量高时稀土加入量稍多。另外，稀土元素还和 合金元素复合，从而改善铸铁组织，提高其力学强度。 5)硅钙孕育剂：硅钙孕育剂是一种较早使用的石墨化孕育剂，现 在常使用的是低钙孕育剂。它比较适合低碳当量铸铁生产，可消除白口、提高其强度。 6)稳定化孕育剂：稳定化孕育剂由石墨化元素与稳定化元素复合而成，它在有效促进石墨化的同时抑制渗碳体分解，比较适合于较高碳当量铸铁的生产，常见的有稀土稳定化孕育剂、氮稳定化孕育剂。 7)复合孕育剂：复合孕育剂是由石墨化元素与阻碍共晶团生长元素相复合而成的一类孕育剂，它从形核和生长两方面发挥孕育作用，所以在铸铁生产中越来越引起人们的重视，常使用的有球铁用含 铸铁 不同孕育剂在生产实践中各有侧重。 有一定的形核能力，防止自口倾向作用明显； 有较强的抗衰退能力，特别是 然其抗衰退能力不及 且含 被吸收，处理时浮渣少； 国内外孕育剂添加元素主要有 C、 ，每个国家的生产特点不同，有自己的特色。据文献介绍 13，加有 孕育剂有显著的效果。 近几年还开发了 掺加氧、硫粉末的孕育剂，试验表明，孕育效果良好效果 。 孕育技术主要包括孕育剂和孕育方法两个方面。孕育方法是指将孕育剂加入铁液的- 25 - 方法，它对孕育的效果有很大的影响。随着铸铁孕育要求的提高，人们对于孕育方法也越来越重视，已发展了多种孕育方法。 1)包内孕育：包内孕育是将孕育剂放置在铁水包的底部，铁液流入包内时将孕育剂冲熔、混合，以实现对铁水的孕育；或者将孕育剂加在铁水流上，随同铁液流入包内，这种操作可以是在出铁时进行，也可以是在铁水从大包转入浇注包的过程中进行。这种方法简便易行，在生产上广为应用。这种方法的缺点是 孕育处理至铁水凝固的时间长，孕育衰退经常发生。对于一次处理铁水量大，需要较长的时间浇注的生产情况，由于孕育衰退会导致后浇注的铸件孕育不足。此外，这种方法的孕育剂用量大。 2)瞬时孕育：瞬时孕育也称之后孕育，它是指在金属液浇入铸型时或在浇注系统内进行的孕育，这使孕育处理至铁水凝固的时间达到最短的程度，从而极大地减小了孕育衰退的发生，并减少孕育剂的加入量。已发展的多种瞬时孕育方法有浇口杯孕育、硅铁棒孕育、浮硅孕育、随流孕育、型内孕育和孕育丝孕育等。各种方法都有其特点，适于流水生产线上应用的方法主要有随流孕育、型 内孕育和孕育丝孕育等三种方法，每一种方法还可细分。 随流孕育：随流孕育是在浇注过程中将粒状或粉状的孕育剂通过一定的装置加到浇口杯上方的金属流中，孕育剂通过一个管子在干燥的压缩气流或重力作用下引入到铁水流上，孕育装置上安装了一个光电传感器，孕育剂的加入可自动控制。孕育剂输送还可采用螺旋给料或振动给料的方式。随流孕育方法在生产上得到广泛的应用，使用这种方法时，应保证所用的孕育剂粒度大小合适，一般为 外，孕育剂应有良好的熔解特性，以保证孕育剂在铁液中完全熔解，不至于有未完全熔解的孕育剂在铸件中形成硬点 13。 丝孕育：丝孕育是用薄钢带将孕育剂包裹成一条具有任意长度的包芯丝，浇注时借助一定的装置将其送至金属流中，随着包芯线包皮的不断熔化，孕育剂将徐徐进入铁水，通过控制丝的进给速度控制孕育剂的加入量。丝孕育方法可以准确控制孕育剂的加入速度，特别适用于全自动和半自动浇注系统。但这种方法也有缺点， 一是孕育成本较高；二是丝送入铁液的速度受到钢皮熔解速度的限制 14。 型内孕育：型内孕育是把孕育剂放置在浇注系统内，当铁液流经浇注系统时， 高温铁水与孕育剂接触，使孕育剂熔解而进入铁液，从而使铁液获得孕育。 孕育剂可以制成块或片放置在直浇道底部、过滤网之上或两片过滤网之间，也可以将颗粒状孕- 26 - 育剂放置在反应室内，型内孕育具有孕育作用强、孕育剂用量少、孕育衰退能减小到最小的程度等优点，因而受到铸造工作者的重视，在一些质量要求高的铸铁件生产中得到应用 15。型内孕育始于 20世纪 60年代，最初是将细小粒状的硅铁孕育剂直接放在浇口杯、直浇到道底下或横浇到道内，以补偿一次孕育的衰退，但这种做法易于把未熔的孕育剂冲入型内，引起夹杂或孕育不均匀，这些问题使得孕育块得到了发展。将孕育剂制成一定形状和质量的孕育块，将其插置在直浇口 下或横浇道反应室内，浇注时高温铁液流经孕育块使孕育块不断熔解进入铁液，使铁液得到孕育。采用这种孕育方法使得铁水从孕育至凝固的时间最短，从而最大限度地减小了孕育哀退，获得最佳的孕育效果，孕育剂用量亦小。孕育块的成型方法主要是铸造成型、粘结剂粘结成型及最近发展的粉末冶金成型等。粘结成型是使用粘结剂， (如石蜡、水玻璃、硬脂酸、橡胶等 16)将粒状孕育剂粘结起来，成为一定的形状。粘结成型的孕育块依所使用的粘结剂不同有着不同的特点，用石蜡粘结的孕育块在铁水中易于熔解，但其强度低，易于变形：用水玻璃粘结的孕育块强度高 ，便于搬运，但在铁水中熔解慢。铸造成型的孕育块有一定的强度、搬运存放方便，但在铁水中熔解较难。 用粘结剂粘结的孕育块或多或少都因粘结剂分解或残留而对铸件产生不利的影响。最近发展的粉末冶金孕育块不使用粘结剂，孕育剂颗粒之间是冶金结合，具有铸造成型的孕育块和粘结成型孕育块两者的优点。将孕育块与过滤网组合成一体，把孕育与过滤结合起来是型内孕育的最新发展。有两种做法，一是把孕育块插在一个过滤网之中；另一种是把孕育片放在两块过滤网之间，据介绍这种方法使得孕育更均匀，效果更好。 从 20世纪 60年代以来就有人开始进行可锻 铸铁孕育处理、改变其退火工艺的研究。巴黎制造技术中心采用提高硅含量，用 行孕育，使退火周期缩短，节能 20；苏联研制的一种含有 25， 8的孕育剂，并采用型内孕育，结果使退火时间缩短 50。国内采用复合孕育剂孕育处理工艺使退火温度降至 800左右或退火温度不变，而退火时间缩短 40以上。国内的殷凤仕、周丽等人用成分为 +孕育剂对成分为 C: S P水进行孕育处理后，经 800 20 理，就得到完全石墨化的力学性能较好的铁素体可锻铸铁 17。沈阳航空工业学院的赵玉华 、 黄震威 18等选择一 定的铁液成分，用 育及 合孕育处理后得到铸态组织为麻口的铸件，经 740C 保温 10小时以内就可得到铁素体基可锻铸铁。
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