金相检验与热处理工艺

欧释文

摘 要：灰铸铁件常因硬度偏低使其不符合工艺要求，如机械性能、切削性能等等。通过金相检验手段，观察基体内部显微组织的变化，改进热处理正火工艺，从而增加了工件的珠光体数量，提高了硬度，同时改善了铸件的机械性能和切削性能。

关键词：金相组织；石墨化；热处理；正火工艺

缸套是刹车气泵的关键件，要求具有良好的耐磨性及适当的强度，并且还要便于切削。硬度要求在200HB± 30HB。通常是采用正火的热处理工艺。但是因为采用常规正火热处理工艺处理后，工件的硬度比工艺要求200HB± 30HB要低，因而造成硬度偏低达不到标准的工艺要求。与硬度在标准工艺要求范围的工件进行金相检验对比，发现两者之间所含的珠光体数量有明显的区别。

1 原因妇分析

缸套为合金铸铁，基体组织为珠光体+少量铁素体+片状石墨。材料的机械性能是由它的金相组织决定的，石墨化是基体组织形成的重要过程。当浇注温度较高，冷却速度缓慢时，由于石墨析出较多而形成珠光体+铁素体+片状石墨的组织。铁素体的硬度很低，大约在80HB～ 100HB之间。由于铁素体的出现，降低了工件的硬度，使铸件的机械性能变差。

2 工艺改进

对于硬度偏低的工件，要想提高硬度，一般是采用正火处理。正火是零件加热到Ac1以上较高的温度，保温一定的时间，原来贫碳的铁素体区域，通过高温下的原子扩散，溶入较多的碳。通过冷却，形成铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织，即珠光体组织。从而提高了铸件的硬度，同时改善了铸件的机械性能。

正火的目的是为了增加基体中珠光体数量并提高它的弥散度，从而提高铸件强度、硬度和耐磨性。在对铸件进行正火处理时，由于采用温度（奥氏体化温度）不同，获得的基体组织也不同。从而反映出不同的机械性能。这就为我们提供了根据铸件的工作条件，适当调整热处理工艺（正火温度和冷却速度），获得所要求的机械性能的条件。

根据正火温度与金相组织及机械性能的关系目前生产上采用的正火处理工艺有三种。即高温完全奥氏体化正火，中温部分奥氏体化正火，低碳奥氏体化正火。高温奥氏体化正火的热处理工艺是将铸件加热到900℃～940℃，保温1～3小时，使基体转变为奥氏体，然后出炉空冷，从而得到珠光体基体的铸铁工件。

正火温度不宜过高，从极限温度（950℃）再提高温度并不能增加珠光体数量，反而会引起奥氏体晶粒粗大，并使石墨碳溶入奥氏体的数量过多，冷却时易于晶界析出网状二次渗碳体，对铸件机械性能不利。在极限温度范围内提高正火温度，能够提高珠光体含量。增加保温时间在最初一小时内珠光体数量会有所增加，继续延长保温时间珠光体数量几乎不变。高温完全奥氏体化正火所获得的的显微金相组织珠光体+极少量铁素体+片状石墨。

中温部分奥氏体化正火是将铸件加热到共析转变临界温度范围内（大约在800℃～880℃），保温一定时间或者浆将铸件加热到临界温度上限30℃～50℃，进行适当保温，使组织完全奥氏体化，然后再降温到临界温度范围内保温一定时间。由于在这个温度范围内仅有一部分组织转变为奥氏体，这种奥氏体碳的浓度比高温奥氏体化的低，而剩下的部分铁素体则以分散分布（或称破碎状铁素体），从而出炉空冷后便获得珠光体+分散铁素体（或称破碎状铁素体）。从而提高其综合机械性能，特别是塑性和韧性。分散铁素体的数量与正火温度有关，越接近临界温度的下限，分散铁素体的数量越多。增加保温时间，可使部分石墨碳溶解扩散到奥氏体中去，提高奥氏体中碳的浓度，因而对正火处理后铸件增加珠光体数量有良好的作用。

冷却速度对珠光体组织的形成影响很大。冷却速度慢，其中的碳原子会有一部分析出而形成游离态石墨。造成珠光体数量较少而使硬度偏低，机械性能较差。而冷却速度快，其中的碳原子来不及以游离状态析出而已经形成了珠光体组织。这种组织属伪共析组织，它与平衡组织相比基体中化合碳较多，所以珠光体数量增多而使硬度偏高，机械性能得到改善。铸铁的化学成分是决定铸铁件机械性能的重要因素，它的影响主要是通过改变铸铁金相组织来影响机械性能。对正火后铸件的基体组织也有较大的影响。硅含量过高或锰含量过低常常会使珠光体含量达不到要求，因此必须严格控制铸件的化学成分。

3 试验工艺及结果

3.1 试验条件

箱式炉；零件名称：缸套；化学成分（工藝标准）：（%）C：3.00～3.70；Si：2.00～2.50；Mn：0.50～0.80；S： ≤0.045；P： ≤0.045；Cu：0.20～0.80。

3.2 试验工艺

根据高温完全奥氏体化正火和中温部分奥氏体化正火处理后得到的基体组织和标准工艺的要求，通过多次试验的结果，对正常正火工艺进行了改进。最终确定了正火工艺。将工件放入箱式炉中，随炉升温（或低于500℃时入炉），至（800～900）℃，保温（60～90）分钟，将零件摊开并立即喷水，视工件为暗红色，停止喷水，自然冷却。

3.3 试验结果

处理前零件平均硬度为142HB，基体组织为珠光体+铁素体+片状石墨。处理后平均硬度为188HB，基体组织为珠光体+极少量铁素体+片状石墨。处理后使工件珠光体数量增加，铁素体数量减少或几乎消除，从而提高了工件硬度，改善了机械性能，使切削性能良好。

4 工艺改变说明

①正常的热处理正火工艺，是加热保温出炉后，空气中自然冷却。但硬度只能提高到160HB左右。低于工艺要求。而改进后的工艺是在零件出炉后摊开立即喷水，加快了冷却速度，硬度提高到188HB左右。符合工艺要求；②通过检验金相组织，指导改变热处理工艺，得到良好的结果。