摘要 本文研究了片状铸铁及不含Ni、Cr、Mo以及其他影响铸铁硬度元素的球墨铸铁的热处理特性。
　　这些铸铁的热处理特性可归纳如下：1）片状石墨铸铁的热处理特性与球状石墨铸铁的热处理特性相似；2）在冷却时间短的情况下，（从AC1或AC3到773K的冷却时间少于6秒），热处理后的显微组织含有高碳马氏体和残余奥氏体。这些显微组织在室温下的硬度范围为470-690HV10。同时，铸铁的含硅量越高，或奥氏体化温度越高，硬度越大。考虑到热处理后的深冷处理可以提高铸铁的硬度，因为残余奥氏体形成了马氏体；3）在从AC1或AC3到773K的的冷却时间大约为6到30秒之间的情况下，贝氏体、铁素体和珠光体与马氏体和残余奥氏体共存。随着冷却时间的延长，硬度从690HV10下降到230HV10；4）在冷却时间超过60秒的情况下，显微组织贝氏体为铁素体和珠光体。冷却时间越长，产生的铁素体越多，热处理后的硬度随着铸铁含硅量或奥氏体化温度的增加而增加。
　　具有粗大初始固相共晶奥氏体铸铁的硬度大于具有小尺寸共晶奥氏体铸铁的硬度。在铸铁的生产中，凝固过程的控制对于热处理是比较重要的。
　　1、绪言
　　关于钢在热处理期间发生的变化，一般用一端淬火法测定大多钢的淬火曲线，供实际使用。
　　在铸铁方面，以提高材质为目的的热处理在近年已进入实施阶段。目前，铸铁的热处理数据比钢少，热处理操作标准也没有钢那样完备。
　　作者等制备了片状石墨铸铁及球状石墨铸铁的热处理用连续冷却转变图，同时研究了这些铸铁热处理时的连续冷却变态行为。这些铸铁，由于热处理发生的硬度变化是明显的。同时，根据基体中C的扩散研究了片状石墨铸铁及球状石墨铸铁的扩散变态，明确了这些铸铁在热处理时铁素体及珠光体变态的机理，作者以前用的片状石墨铸铁相当于JIS G5501的灰铸铁件；球墨铸铁相当于JIS G5502的球墨铸铁件，该铸铁中几乎没有添加Ni、Gr、Mo等控制淬火的合金元素，添加这些合金元素后的铸铁热处理后的显微组织及硬度与作者的研究结果差别很大。
　　本研究根据作者的报告结果，以不添加Ni、Cr、Mo等控制淬火性元素的片状及球状石墨铸铁热处理时的显微组织及硬度变化的结果为基础，归纳了这些铸铁的热处理特性。
　　2、片状及球状石墨铸铁由于热处理产生的显微组织和硬度。
　　图1为从含Si量不同的片状石墨铸铁热处理用连续冷却转变图得到的从AC1或AC3到773K的冷却时间与硬度的关系。在该图中，冷却时间约6-20秒的区间内硬度急剧下降。根据这个硬度急剧下降的冷却时间范围的长短，可以判断淬透性的大小。材料的冷却时间范围越长，其淬透性越大，也就是说是容易淬透的材料。研究淬透性的方法之一是一端淬火法（淬透性试验），图1与此相当。同样地，图2表示奥氏体化温度不同的球墨铸铁的例子。从淬火法试片的水冷端开始的距离与从1073K至773K的冷却时间的关系是可以换算的。
　　片状及球状石墨铸铁伴随着热处理发生的显微组织和硬度变化，可归纳如下：
　　2.1片状石墨铸铁在每个铸件中的含C量及Si量都不同。根据作者以前的研究结果，以及在2.6-3.6质量%C和约0.7-4.5质量%Si的范围热处理用连续冷却转变图得到的从AC1或AC3到733K的冷却时间和硬度变化的关系，可归纳于表1。
　　表1   片状石墨铸铁热处理期间的显微组织变化

　　注：M：马氏体，γR：残留奥氏体，P：珠光体，F：铁素体，C：渗碳体
　　表2  球墨铸件热处理期间的显微组织变化

　　注M：马氏体，γR：残留奥氏体，B：贝氏体，P：珠光体，F：铁素体
　　①冷却进间短时（从AC1或AC3到733K的冷却时间约在6秒以内）热处理后的显微组织为马氏体十残留奥氏体，马氏体的形态为针状高C马氏体，奥氏体残留在马氏体中。在片状石墨铸铁的基体中C量在过共析范围，马氏体转变温度（Mf）在273K以下，在作者等的本研究中，将试样冷却到室温，此后不进行深冷处理。因此，在短时间冷却到室温，此后进行深冷处理的场合，马氏体量增加。冷却后的硬度比表1所示的数值大。
　　②冷却时间比①长时（冷却时间约为6-20秒），由于和珠光体混在一起，冷却时间越长，硬度下降越急剧。Si量约3质量%以上时，在该冷却时间范围共存有铁素体，铸铁的Si量越多，铁素体量越多。硬度在该冷却时间范围急剧下降，在3质量%Si以上的片状石墨中是由于铁素体及珠光体量的急剧增加引起的。根据作者等的研究结果，硬度急剧下降的温度范围受C量，Si量以及奥氏体化温度的影响不大。可以认为片状石墨铸铁的淬透性难以受C量，Si量以及奥氏体化温度的影响；
　　③冷却时间更长时（冷却时间在20秒以上），冷却后的显微组织为铁素体+珠光体或全部为铁素体的场合，冷却时间越长，硬度下降越多，由连续冷却转变图可以了解这种硬度下降是由于铁素体量增加和珠光体量减少引起的。

　　从AC3或AC1到773K的冷却时间 秒
　　图1 片状石墨铸铁（3.1质量%C、0.25质量%Mn）中，含Si量对硬度的影响。
　　2.2球墨铸铁
　　由热处理连续冷却转变图得到的球墨铸铁的冷却时间和显微组织以及硬度变化的关系，可以归纳如表2。
　　①冷却时间短时（冷却时间约6秒以下）成为马氏体十残留奥氏体。马氏体是高C针状马氏体，在马氏体中，存在C量过共析区域，马氏体的转变温度（Mf）在273K以下，与片状石墨铸铁的情况相同。在本研究中，将试样冷却到室温，此后不进行深冷处理。因此，在短时间冷却到室温再时行深冷处理的情况下，马氏体量增加，冷却后的硬度也比表2所示的高。
　　②冷却时间更长和奥氏体化温度在1200K以下时，得到贝氏体珠光体及铁素体混合物，奥氏体化温度在1200K以上得到珠光体及铁素体的混合物，硬度在此冷却时间范围急剧下降，是由于马氏体量和贝氏体量减少，以及铁素体及珠光体量增加引起的。
　　硬度急剧下降的冷却时间范围约6-30秒，该冷却时间范围受奥氏体温度影响不大，可以认为奥氏体化温度范围对球铁淬透性影响小。
　　③冷却时间更长（冷却时间约30秒以上）时，冷却后的显微组织为珠光体+铁素体的情况下，冷却时间越长，硬度越低。这种硬度下降是由于铁素体量增加和珠光体量减少引起的。

　　从AC3或AC1到773K的冷却时间，秒
　　图2 球墨铸铁（3.9质量%C，2.7质量%Si，0.3质量%Mn）奥氏体化温度对硬度的影响。
　　3、铸铁的热处理
　　3.1铸铁的热处理特性
　　前节所述未增加合金元素的片状石墨铸铁及球墨铸铁的共同热处理特性，可归纳如下：
　　1）由片状及球状石墨铸铁的显微组织及硬度看到的热处理特性大致相似；
　　2）从AC1-AC3到773K的冷却时间短的情况下，直到窒温，冷却后的显微组织为马氏体及残留奥氏体。硬度约在690-470HV10的范围。铸铁中的Si量多或奥氏体温度高时，不久硬度下降。可以予测，在此场合进行深冷处理，使马氏体量增加，可以提高硬度。
　　3）冷却时间在6-30秒的范围，由于冷却后的显微组织为珠光体和铁素体混合物，硬度在冷却时间长时，急剧下降到690-230HV10。这种硬度急降是由于珠光体量及铁素体量急增引起的，硬度受冷却时间的影响很大。
　　4）冷却时间约在30秒以上的情况下，冷却后的显微组织为铁素体及珠光体。冷却时间越长，铁素体量越多，而且，在同样冷却的铸铁中，含Si量多的铸铁，铁素体量也多。因此，虽然硬度约在370HV10以下，可是冷却时间越长或铸铁的Si量越多，硬度越低。
　　铸件的尺寸形状对热处理后的影响大。例如实行水淬法的场合，φ5mm园杆和φ100mm园杆表面及中心部位的冷却时间各不相同，根据铸件用途，从单纯的园杆到保持复杂形状及大小等是千差万别的，不是单纯的。因此，在这里以标准的园杆为例，说明由于片状及球状石墨铸铁的热处理产生的材质变化。表3归纳了本研究中得到的片状和球状石墨铸铁的显微组织及硬度急变的冷却时间范围与该冷却时间范围内临界直径的关系，再者，具有复杂形状的铸件不仅是根据表3推断各部位壁厚的冷却时间，还必须根据热传计算，求得冷却时间。
　　表3中所示的冷却时间范围内的园圈内的园圈文字分别记述了短冷却时间范围的场合①，冷却时间稍短的显微组织及硬度随急冷变化的冷却时间范围②，长冷却时间范围③。①的冷却时间范围相当于φ25mm-φ50mm的园杆中心部的冷却时间，与②的冷却时间相当，此时的冷却时间约为6-30秒。φ50mm以上的园棒水淬后的冷却时间范围就是冷却到铁素体+珠光体组织的冷却时间范围。同样，①是把φ25mm以上园杆空冷的情况下的冷却时间范围。园杆表面部分及中心部分的冷却时间范围与此相当，冷却后的显微组织为铁素体+珠光体。
　　因此，在铸铁热处理中，φ25mm以下的小型铸件水淬后的显微组织为马氏体+残留奥氏体。如果进行零下深冷处理，要担心由于马氏体增加引起淬裂。至于大型铸件由于水淬引起的壁厚25mm以下部分成为马氏体+残留奥氏体的可能性大，薄壁上有淬裂的危险性。有必要在薄壁上涂布抛光粉等，使薄壁部分的冷却时间与壁厚壁部分一样，因此，根据作者等的研究，在大型炉中热处理后的硬度比在最长冷却时间得到的硬度低。工业用片状石墨铸铁的Si量为1-3质量%，球墨铸铁含Si量约为3.5质量%。如上所述，Si量促进石墨化。这个事实意味着在Si量多的铸铁中，冷却时间长的场合铁素体量增加，在极端情况下，可以予测热处理后的显微组织。在这样的场合热处理后的硬度非常低。
　　3.2 石墨间距和热处理特性
　　铸铁的连续冷却变态行为，也就是如图3所示的石墨间距与铁素体、珠光体变态有很大关系。铸铁中石墨分布状态有疏密，石墨分布大致领域的大小。即把图中点线描绘的园的大小称为石墨间距。可以认为该距离相当于凝固时初晶奥氏体的大小。铸铁中石墨间距与基体的变态行为有密切的关系，可归纳如下：
　　表3     铸铁试棒临界尺寸与冷却时间的关系

4、结论

本文汇总了不含Ni、Cr、Mo等对淬透性影响大的合金元素的片状及球状石墨铸铁的热处理特性，并且，由于片状及球状石墨铸铁热处理时，石墨对冷却后的显微组织有影响，在进行铸铁热处理时，再考虑浇注时的凝固的方法，不能认为是好方法。