含as、sn、pb、ti球墨铸铁的热处理

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龙岩生铁是福建省铸造生铁的主要来源．龙岩生铁中除锰含量高外，还含有较其它铸造生铁更高的Ａ ｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｉ等微量元素．这些元素除促进珠光体形成外，还易导致石墨畸变〔１〕，严 重损害球墨铸铁的机械性能．已经进行的龙岩生铁制取球墨铸铁的球化处理及孕育处理的研究表明 ，稀土不能完全中和球墨铸铁中共存的Ａｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｉ对石墨球化的干拢作用，但适量稀 土可部分中和微量元素，促进形核，改善球状石墨的表面形貌，削弱微量元素的有害作用；强化孕 育是削弱微量元素有害作用的有效措施．热处理是调整和改进基体组织，提高球墨铸铁性能的一种 重要途径．为了探讨含Ａｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｉ球墨铸铁获得较佳综合性能可供采取的措施，本文 进行了热处理工艺的探讨．１试验条件和方法试验采用化验成分为３９９％Ｃ、１４４％Ｓｉ 、０８４％Ｍｎ、００３０％Ｓ、００５４％Ｐ、０１４９％Ａｓ、０１０５％Ｓｎ、 ０００９％Ｐｂ、００６６％Ｔｉ的龙岩生铁制取球墨铸铁．在容量１５０ｋｇ、１００ｋｗ 中频感应炉中熔化铁料，出炉温度１５６０℃．利用堤坝式转包采用冲入法进行球化处理．球化剂 为１１５％镁硅铁合金和００３％ＲＥ〔２〕（以稀土硅铁形式加入）．孕育处理在转包中进 行，孕育剂为硅铁７５，加入量为０８％．浇注温度１３００～１３２０℃．湿砂型铸造单铸丫 形Ⅱ类试块３０块，根据浇注时间先后搭配分成１０组，从试块下部相同部位截取拉伸试样．试块 取样用ＤＴＡ１７００差热分析仪测定其加热过程α→γ相变温度，升温速度１０００℃／ｍｉ ｎ，测得ＡＳＣ１＝７７０℃，ＡＺＣ１＝８２０℃．据此选择１０种不同的热处理工艺，如表１ 所示．加工后的拉伸试样原始直径为ｄ＝１０ｍｍ，Ｌ０＞５ｄ，在Ｉｎｓｔｒｏｎ１１８５万能 材料试验机上进行拉伸试验，测试试样的抗拉强度和延伸率．不同热处理工艺处理的试样抗拉强度 和延伸率如表１所示．正火加高温回火对试样抗拉强度和延伸率的影响见图１．表１试样的热处理 工艺及其力学性能试样号热处理工艺σｂ／ＭＰａδ／％Ｈ１Ｈ２Ｈ３Ｈ４Ｈ５Ｈ６Ｈ７Ｈ８Ｈ９ Ｈ１０７５０℃保温１ｈ空冷＋６００℃保温３ｈ空冷７５０℃保温３ｈ炉冷至６００℃空冷７７ ５℃保温１ｈ空冷＋６００℃保温３ｈ空冷７９５℃保温１ｈ空冷＋６００℃保温３ｈ空冷７９５ ℃保温１ｈ空冷＋珠光体球化处理〔３〕＋６００℃保温３ｈ空冷８１５℃保温１ｈ空冷＋６００ ℃保温３ｈ空冷７５０℃保温１ｈ升温至８６０℃空冷＋６００℃保温３ｈ空冷８６０℃保温１ｈ 空冷＋６００℃保温３ｈ空冷９２０℃保温３ｈ炉冷至７９５℃保温１ｈ炉冷至６００℃空冷９２ ０℃保温３ｈ炉冷至７９５℃保温１ｈ空冷＋６００℃保温３ｈ空冷４２５８３４２３４７０ ３４９９７４５４８４７０８４２２０５０２１３９５０５０１２０７２２ ８２０８３０８０１５２０３９１２１０３４１０７０９１图１正火处理对试样 力学性能的影响可以看出，试样性能与正火温度的关系可划分为３个区域：低于α→γ转变温度下 限ＡＳＣ１为第１区；α→γ转变温度范围为第２区；α→γ转变温度上限ＡＺＣ１以上为第三区 ．Ｈ１试样的热处理在第１区，在接近α→γ转变温度的下限ＡＳＣ１加热，促进层片状珠光体向 球粒状珠光体的转化，也促进共析渗碳体的石墨化．金相观察发现，含Ａｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｉ球 墨铸铁在７５０℃保温１ｈ，试样的组织变化主要表现为部分珠光体的粒状化，如图２所示．图２ Ｈ１试样７５０℃保温１ｈ后空冷的组织（４００×）图３Ｈ３试样７７５℃保温１ｈ后空冷的组 织（４００×）Ｈ３试样的热处理开始进入第２区，加热温度高于α→γ转变温度下限，处于奥氏 体＋铁素体＋石墨三相区．与Ｈ１试样相比，Ｈ３试样加热温度高，更有利于共析渗碳体的石墨化 ，同时形成部分奥氏体，奥氏体形核有细化晶粒的作用，奥氏体的长大将铁素体割裂，呈破碎状分 散分布，如图３所示．这种基体组织既有连续骨架状珠光体提供强度，又有分散的铁素体改善韧性 ，具有较好的综合力学性能．Ｈ３试样的抗拉强度比Ｈ１试样提高１０５％，延伸率提高１５ ３％，表明含Ａｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｉ球墨铸铁的正火处理从第１区过渡到第２区，在抗拉强度提 高的同时，延伸率也升高，试样的综合力学性能改善，而没有出现文献［４］中所提到的强度随正 火温度的升高而增加，延伸率随正火温度升高而下降的那种情况．图４Ｈ６试样８１５℃保温１ｈ 后空冷出现的牛眼状铁素体（４００×）Ｈ３、Ｈ４和Ｈ６试样的热处理都在第２区，均为部分奥 氏体化正火．在第２区低温区热处理的试样，抗拉强度随正火温度的提高而提高，延伸率随正火温 度的提高而降低．但Ｈ４试样与Ｈ３试样相比，延伸率降低不多，抗拉强度却有较大提高．在高温 区，不仅延伸率随正火温度提高而降低，而且，由于出现牛眼状铁素体（图４），抗拉强度也随正 火温度提高而降低．Ｈ８试样的热处理加热温度是ＡＺＣ１＋４０℃，在第３区，为完全奥氏体化 正火．试样正火处理后的组织几乎全部为珠光体，反映在力学性能上，与第２区比较，是强度提高 ，韧性降低．但是和Ｈ４试样相比，Ｈ８试样的抗拉强度提高甚微，延伸率却降低了５７５％， 明显变差．所以，不管是部分奥氏体化正火，还是完全奥氏体化正火，只有在７７０～７９５℃的 温度区间内，正火温度提高，试样的抗拉强度有较大提高；而后，即使正火温度提高到８６０℃， 试样抗拉强度的提高也不多（图１）．金相观察表明，７７５℃正火处理的试样，基体组织中的珠 光体数量已达约９０％；正火温度提高到７９５℃，基体组织中的珠光体数量达９５％以上；８６ ０℃正火处理的试样中珠光体数量虽有增加，但变化不大．所以，８６０℃正火的试样，抗拉强度 提高不多，但铁素体数量减少对延伸率降低的影响却较明显．因此，含Ａｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｉ球 墨铸铁的正火处理，以正火温度为ＡＳＣ１＋２０～３０℃的低温部分奥氏体化正火为宜．此时， 试样可获得较佳的综合力学性能．Ｈ７试样的热处理为不平衡低碳奥氏体化正火处理，和Ｈ４试样 相比，抗拉强度降低１５５％，延伸率提高５１３％；和相同温度正火处理的Ｈ８试样相比， Ｈ７试样的抗拉强度降低１６０％，延伸率提高２５６％．可见，这种热处理对提高试样的延伸 率有较好的效果．试样经７５０℃保温１ｈ后，升温到８６０℃，不保温就出炉空冷，由于碳来不 及扩散到奥氏体中，使珠光体基体中的含碳量比平衡碳量低，韧性较好．比较金相组织发现，Ｈ７ 试样中的铁素体数量约２５％，不仅比Ｈ８试样多，也比Ｈ４试样多，表明升温过程渗碳体分解使 铁素体量增加，也是试样延伸率提高的重要原因．Ｈ５试样先升温到７９５℃保温１ｈ后出炉空冷 ，获得比铸态条件下分散度更高的层片状珠光体组织，而后没有等试样冷到室温就进炉，再快速加 热到７９５℃，保温１０ｍｉｎ后出炉，空冷到低于共析转变完成的温度后，再进炉进行一次同样 的操作．加热时，片状珠光体中的渗碳体会破断，但来不及完全溶解．因此，加热后形成很多细小 、分散的碳化物颗粒．在随后冷却时，这些碳化物颗粒既可作为非均质晶核，又可减小碳的扩散距 离，从而加速珠光体转变和碳化物球化．同时，加热时碳化物尖角处溶解，冷却时在平面处析出， 也加速了碳化物的球化．由此获得了在连续的铁素体基体上均匀、弥散分布着细小、粒状碳化物的 组织（图５）．这种组织具有相当好的韧性．和经过相同温度正火处理的Ｈ４试样相比，虽然Ｈ５ 试样的抗拉强度降低了９０％，但延伸率提高了９００％．和Ｈ７试样相比，虽然Ｈ５试样中 的铁素体量比Ｈ７试样（图６）少，但延伸率反而提高了２５６％；而且，由于碳化物颗粒细， 具有更多的相界面，抗拉强度也提高了７８％和部分粒状化的Ｈ１试样相比，Ｈ５试样的延伸 率和抗拉强度分别提高了１１１％和６８％．图５Ｈ５试样共析转变温度上、下波动图６Ｈ７ 试样不平衡低碳奥氏体化加热－冷却处理（４００×）正火处理（４００×）Ｈ１０试样与Ｈ４相 比，增加了９２０℃保温３ｈ的高温退火处理，不仅抗拉强度略有提高，而且延伸率提高了１３ ８％．由此表明，高温退火有利于含Ａｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｉ球墨铸铁力学性能的提高．图７铸态 试样的石墨形态（１００×）Ｈ９试样与Ｈ１０相比，增加了从７９５℃炉冷到６００℃的缓冷处 理，延伸率提高１７６％，抗拉强度降低２１２％，强度降低的幅度比延伸率提高的幅度大． 金相观察表明，Ｈ９试样中仍有约６５％的珠光体．它们是从７９５℃炉冷到６００℃的过程中奥 氏体共析转变的产物．可见，Ａｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｉ这些元素有强烈阻碍铁素体形成的作用．Ｈ ２试样经７５０℃保温３ｈ炉冷至６００℃空冷．金相观察发现，试样中的珠光体量仅剩约２０％ ，但延伸率仍不到３％．从经过１０种不同热处理所得到的试样力学性能可以看出，这些试样的性 能都不能达到牌号球墨铸铁的要求．根据石墨球化和石墨大小的分级标准进行评定，铸态试样的石 墨球化级别为４－５级，石墨大小为５级，如图７所示，但试样的力学性能却很差．这主要是由于 Ａｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｉ这些微量元素导致的石墨畸变恶化了试样的力学性能．另外，本次试验为 了保证试样化学成分的一致，只在出铁时进行了一次孕育，没有在浇包中采取强化孕育效果的二次 孕育措施，也没有采用孕育效果较好的复合孕育剂，也是试样力学性能不高的重要原因．在２５ｋ ｇ、１００ｋＷ中频感应炉中进行了验证试验．利用重熔后化验成份为３８５％Ｃ、２３５％ Ｓｉ、１０１％Ｍｎ、００３５％Ｓ、００８４％Ｐ、０１９％Ａｓ、０２１２％Ｓｎ、０００５％Ｐｂ、０１０２％Ｔｉ的龙岩生铁制取球墨铸铁．球化处理采用与以上试验相同的球化剂．孕育处理改用复合孕育剂．经过ＡＳＣ１＋２５℃正火后６００℃回火的热处理，试样抗拉强度达到６６２３ＭＰａ，延伸率达到４５６％．３结语１）含Ａｓ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｉ