石墨化退火熱處理-興達機床量具

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的必要環節。在灰鑄鐵生產 中，為降低鑄件硬度，便于切削加工，有時也采用這種工藝方法。在球墨鑄鐵生產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

  根據相穩定的自由能計算，鑄鐵中滲碳體是介穩定相，石墨是穩定相，滲碳體在低溫時的穩定性低于高溫。因此從熱力學的角度看，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，石墨化過程能否進行，還取決于石墨的形核及碳的擴散能力等動力學因素。對于固態相變，原子的擴散對相變能否進行起重要作用。由于溫度較高時，原子的擴散比較容易，因此實際上滲碳體在高溫時分解比較容易。尤其是自由滲碳體和共晶滲碳體分解時，由于要求原子做遠距離擴散，只有在溫度較高時才有可能進行。

1. 石墨的形核

對于可鍛鑄鐵，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，同時又要克服石墨形核時體積膨脹所受到的外界阻礙，因此其形核比在液態時要困難得多。由于在滲碳體與其周圍固溶體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，盡管也可能存在有晶體缺陷，但是由于石墨形核會引起較大的體積膨脹，而滲碳體硬度高，體積容讓性差，必然會對此產生巨大的阻力，從而阻礙石墨核心在其內部形成。

在實際生產中，鑄鐵內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應關系，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。因此在實際條件下，石墨形核要比理想狀態容易些。

對于灰鑄鐵和球墨鑄鐵，石墨化過程不需要石墨重新形核。

2. 高溫石墨化過程

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域，石墨的形核則發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散不斷長大，_終完成石墨化過程。

  需要指出的是，對于可鍛鑄鐵而言，其鑄態組織是按亞穩定系凝固而成，其中奧氏體相對于穩定系奧氏體呈碳過飽和狀態，石墨化后，奧氏體中碳濃度也要發生變化。石墨化完成后，鑄鐵的平衡組織為奧氏體加石墨。如果此時將鑄鐵緩慢冷卻，奧氏體將發生共析轉變，其轉變產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. 低溫石墨化過程

低溫石墨化是指在 A1 溫度（ 720 ～ 750 ℃）以下保溫的石墨化過程。可分為兩種情況：一種是鑄鐵經過高溫奧氏體化后再進行低溫石墨化處理；另一種是鑄鐵不經過高溫奧氏體化，而僅加熱到 A1 溫度以下進行低溫石墨化。

前者的目的是使奧氏體在共析轉變時按穩定系轉變為鐵素體和石墨。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，從熱力學條件看，在低溫下石墨化是可能的。此時關鍵的問題是碳原子的擴散。在低溫下，碳原子本身的擴散能力很低，加之鐵素體溶解碳的能力很小，碳原子的擴散比較困難，主要通過晶粒邊界和晶體內部缺陷進行。因此，要提高低溫石墨化的速度，關鍵是減小碳原子的擴散距離。細化鑄態組織，增加晶界，增加石墨核心是減小碳原子擴散距離的有效措施。

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 點前灰鑄鐵細桿已凝固完畢，粗桿處于共晶轉變期，粗桿石墨化所產生的膨脹受到細桿的阻礙，產生壓應力，到達 a 點時，粗桿的共晶轉變結束，應力達到_值。

從上述分析可以看出，灰鑄鐵在冷卻過程中有三次_卸載（即應力等于零）狀態。如果在其_后一次_卸載（即 f 點）時，對鑄件保溫，消除兩桿的溫差，然后使其緩慢冷卻，_會使兩桿間的應力降到_小。對灰鑄鐵冷卻過程中的應力測定表明，灰鑄鐵_后一次_卸載溫度在 550 ～ 600 ℃。這與實際生產中灰鑄鐵的退火溫度相近。

  三、去應力退火工藝

為了提高去應力退火的實際效果，加熱溫度_能達到鑄件_后一次_卸載溫度。在低于_后一次_卸載溫度時，加熱溫度越高，應力消除越充分。但是，加熱溫度過高，會引起鑄件組織發生變化，從而影響鑄件的性能。對于灰鑄鐵件，加熱溫度過高，會使共析滲碳體石墨化，使鑄件強度和硬度降低。對于白口鑄鐵件，加熱溫度過高，也會使共析滲碳體分解，使鑄件的硬度和耐磨性大幅度降低。

普通灰鑄鐵去應力退火的加熱溫度為 550 ℃。  當鑄鐵中含有穩定基體組織的合金元素時，可適當提高去應力退火溫度。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. 保溫時間可按以下經驗公式計算： H ＝鑄件厚度 /25 ＋ H" ，式中鑄件厚度的單位是毫米，保溫時間的單位是小時， H" 在 2 ～ 8 范圍里選擇。形狀復雜和要求充分消除應力的鑄件應取較大的 H" 值。隨爐冷卻速度應控制在 30 ℃ /h 以下，一般鑄件冷至 150 ～ 200 ℃出爐，形狀復雜的鑄件冷至 100 ℃出爐。