铸钢件双相区热处理分析

优胜编程龚老师

铸钢件双相区热处理分析：


熔模铸造是以最终产品为摹本，将石蜡类材料压制成精确光洁的蜡模，在蜡模上涂敷多层耐火材料，待浆料干燥硬化后形成型壳，然后将凝固在型壳内的蜡模熔化使之流出，再将型壳焙烧使之坚固、干燥，最后再将熔化的液态金属浇注入型壳中，液态金属在型壳中冷却、凝固后即成为精确光洁的铸件。这种铸造工艺可以生产出精密复杂、接近于产品最后形状，可不加工或很少加工就可直接使用的金属零部件或精美工艺品，所以，它是一种近净形的金属液态成形工艺。与砂型铸造方法相比，具有以下特点：

　　1.铸件尺寸精度高，表面粗糙度值低，可以实现少加工或无切削加工;

　　2.可以铸造薄壁件或重量很轻的铸件;特别适合铸造带有花纹、文字或沟槽类的铸件;

　　3.能够铸造特别复杂的铸件，或将众多零件组合、焊接。

　　中国是熔模铸造技术的发源地之一。据考证，在距今2500年前的春秋时期就已出现了失蜡铸造。1978年在湖北随州出土的曾侯乙墓的尊和盘是早期失蜡铸造的代表作。现代熔模铸造工艺是在20世纪初期开始形成。第二次世界大战期间，由于国防、航空发展的需要，美、英等国首先采用熔模铸造的方法生产喷气涡轮发动机叶片。进入80年代以来，世界各地熔模铸造的产量、产值、质量，都有很大的增长和提高，当前熔模铸造正向精密、大型、复杂、部件整铸的方向发展。

　　我国的熔模铸造是在50年代开始应用于工业生产，首先从航天、航空部门逐步发展到所有的工业部门中，得到广泛的应用。

　　中国大陆精铸业的发展状况

　　1.中国大陆精密铸造行业的规模

　　中国大陆精铸行业虽然在20世纪50年代中期已经建立，并逐渐得到推广应用，但真正的飞速发展却是在20世纪90年代初至今的十多年间，特别是最近几年。目前，中国熔模铸造有两类水平的工艺，第一类企业采用中温模料制模和硅溶胶或硅酸乙酯粘结剂制壳的熔模铸造工艺，即国际通用的熔模铸造工艺。第二类为采用低温模料和水玻璃粘结剂制壳工艺，其铸件尺寸精度和表面粗糙度比第一类差，达不到国际熔模铸造水平。根据大陆的情况，还有采用中温或低温模料制模，表面层采用硅溶胶、加固层采用水玻璃制壳的复合工艺，能够在保证较高的尺寸精度和表面质量情况下降低成本。据统计，2001年采用第一类的厂家超过350家，年产量7.5万吨，年产值32.8亿元;第二类工艺生产厂家(包括复合工艺)超过1350家，年产量近20万吨，年产值15亿元。而2002年，产量更达到32.1万吨，产值达到54.9亿元。2002年的产量是1988年的6.4倍。而产值则是1988年3.3亿的16.6倍。

　　2.工艺水平、铸件质量和产品类别从用途和质量水平看

　　目前我国精密铸造生产的铸件主要是：采用第一类工艺生产的航空及燃气轮机用铸件，质量达到国际水平，厂家有50家，年产量0.5万吨，年产值4亿元;采用第一类和复合工艺生产的商业用精铸件，其质量检查项目和标准低于航空件，有300家左右，年产量7万吨，年产值28.8亿元;采用第二类工艺生产的尺寸精度和表面粗糙度要求低的熔模精铸毛坯件，有1350家左右，年产量近20万吨，年产值15亿元。从三种质量水平铸件的比重分布可以看出，水平高的航空精铸件产量很少，仅占总产量的1.8%，一般商用精铸件占25.6%，而且质量还达不到国际标准，水玻璃铸件却占总产量的72.6%。总体与美国、英国、欧日等先进国家和地区熔模铸件的市场结构相比，有明显的差距，高质量的精铸件比例还很低。

　　尽管如此，中国熔模铸造工艺的各个环节还是有了长足的进步，对熔模铸造发展有较大影响的新材料、新工艺、新设备也很多，如水溶性型芯、陶瓷型芯、金属材质改进、大型熔模铸造技术、钛合金熔模铸造、定向凝固和单晶铸造、过滤技术、热等静压、快速成型技术、计算机在熔模铸造中应用以及机械化自动化等技术发展使熔模铸造不仅能生产小型铸件，而且能生产较大铸件，最大的熔模铸件的轮廓尺寸已近2m，而最小壁厚却不到2mm。同时熔模铸件也更趋精密，除线性公差外，零件也能达到较高的几何公差。熔模铸件的表面粗糙度值也越来越小，可达到Ra0.4um。

　　3.配套业务逐步齐全

　　由于精铸行业的飞速发展，带动了相关的配套业务的快速发展。主要表现在模具加工、设备制造、原辅材料生产。据初步统计，以加工设备为主的制造精铸用模具的专业厂，已经在精铸厂集中的地区如广东、山东和武汉等地形成，专用设备的制造厂林立;精铸原辅材料生产厂和供应商已经发展到近百家，而且由于第一类精铸工艺生产所需的模料、锆英粉、砂带等辅料和一些先进的设备尚不能国内生产，每年要从国外进口数以千吨的原辅材料。但由于我国基础工业和资源条件与其他发展中国家相比要好得多，因此，精铸服务业发展的同时，还将向东南亚国家乃至世界延伸和发展他们的市场。

　　4.行业与国际水平间的差距和优势与国际熔模铸造水平相比

　　中国的精铸业应用第一类工艺生产的航空精铸件产量很少，高质量的精铸件也不多，大多生产精度要求不高的管件、五金、马具和汽车零件，合金种类单一，特别是高温合金和有色合金所占的比重太小，我国的精铸水平还是十分落后。

　　但是，中国的劳动力成本较低，原材料丰富，在产品价格上占有较大的优势，只要将产品质量提高，在国际上仍有很大的竞争力。同时，国内高新技术产业的兴起，机械行业向精密化、小型化发展，以及建筑行业陆续出台的一些法规和地方法规，用铸铜和不锈钢铸件代替铸铁管件，为精铸行业提供了前所未有的商机。

　　同时，中国民营精铸业的加盟和迅猛发展，为中国精铸业注入了新鲜的活力，已经成为国家精铸业最强劲、也是最现实的竞争对手。这类企业从80年代至90年代初，多以合资和独资的形式，从台湾、日本等地引进料硅溶胶制壳工艺，主要分布在沿海及周边地区，其产品大部分销往国际市场，同时也由于其体制先进、机制灵活、管理高效，所以效益非常好。虽仅有20多年的发展，但已成为中国大陆精铸业承担出口业务的生力军。另一方面，由于其设备设施水平高，工艺和质量水平在国内属先进水平，基本上达到了国外的一般水平，有直接出口订单和市场同盟，产品价值保持在较高的水平，基本与国际接轨。无论从技术水平还是从营销渠道上讲，他们都是国资精铸企业强有力的竞争对手。而以东风精密铸造有限公司等厂家为代表的一部分第二、第三类工艺企业近年来无论工艺技术水平、产品质量和劳动生产率正在加速向国际市场推进，并将继续为提升中国精铸业水平积极努力。

　　近年来，用于低温下的铸钢件日益增多，其中不少是低温下的承压件，这类铸件大都对低温冲击韧度有严格的要求。

　　在对铸钢件的种种要求中，对很多铸钢厂来讲，最难的达标的就是冲击韧度。通常为提高冲击韧度而采取的措施不外以下几种：

　　◆降低含碳量;

　　◆适当提高锰、碳比(Mn/c);

　　◆加入合金元素，如Ni,Cr,Mo等;

　　◆降低含硫量;

　　◆减少钢中的硫比物夹杂，改善硫化物夹杂的形态;

　　◆采用炉外精炼工艺;

　　◆改进热处理

　　上述各项措施中，改进热处理是应当重视的首选方案，因为：

　　◆不导致铸造工艺过程的重大调整;

　　◆不必添加设备;

　　◆生产成本增加很少。

　　1978年，E. G. Nisbett、R.D.ASP和D. E. Morgan等人发表了对锻造碳钢进行双相区热处理的研究结果。核电站用的碳钢锻件，经双相区热处理后，冲击韧度约提高了两倍，而抗拉强度只略有下降。

　　此后，加拿大的铸钢业界和欧洲的一些企业对铸钢的双相区热处理进行了研究，也得到令人满意的效果。

　　1.什么是双相区热处理

　　铸件的双相区热处理，是在铸件原实施的正火或淬火的基础上，再加以只热到双相区的第二次正火或淬火处理。

　　双相区在A1和A3之间，钢在此范围中不完全奥氏体化，组织由α加γ两相构成，所以称为双相区。共析钢没有双相区，所以，这种处理只适用于亚共析钢。钢的含碳愈低，其双相区的范围也就愈宽。

　　显微组织为铁素体加珠光体的亚共析钢，加热到A1以上的温度，组织中的相变情况大致如下：

　　a.刚超过A1(727℃)

　　铁素体基本上保持不变，珠光体逐步转变为奥氏体。新的奥氏体晶粒在珠光体团的边界上生核，珠光体中的片状碳化物粗大化并变成球状。随着转变过程的进行，碳从球状碳化物向不断长大的奥氏体中扩散。这样，就在原有的球光体内形成新的铁素体晶粒。珠光体发生这种转变所需的时间，因钢中合金元素含量和温度而异，但是，在双相区内经1小时大约可完成90%。由珠光体形成的奥氏体，其初始含碳量接近共析成分(即0.77%左右)。

　　b.加热到双相区内较高的温度

　　如将钢加热到较高的温度，则奥氏体区会进一步扩大到原有的铁素体中，奥氏体的含碳量也会逐步降低到接近钢的成分。原有的铁素体中也可能形成一些小而孤立的奥氏体。

　　铸钢件在双相区保温后再冷却时，生成的奥低体又转变为珠光体和铁素体。处理的主要效果是晶粒组织细化，因而能改善钢的韧性。

　　2.热处理工艺要点

　　重要的铸钢件，在进行热处理之前应进行一次均匀化退火，以消除魏氏组织。均匀化退火的温度一般在A3以上100-150℃，在此温度下保温后炉冷。一般的铸钢件，可以不进行这种处理。

　　除有特殊要求的铸钢件外，一般都采用退火、正火或调质等热处理工艺。

　　采用退火处理的铸钢件，对力学性能的要求一般都不高，对这类铸件，不必用双相区处理。

　　采用正火或调质处理的铸钢件，如要求改善冲击性能，可进行双相区处理的试验研究，以下意见可作为试验时的参考。

　　a.采用正火处理的情况

　　碳钢铸件和低合钢铸件，一般都采用正火或正火、回火处理。正火处理时，加热温度应在A3以上30-50℃，保温时间按铸件截面厚度确定，一般为每25mm厚度1小时。

　　进行双相区热处理时，将经正火处理的铸件再次加热到A1以上，A3以下的某一温度，保温后空冷。A3的具体值因钢的含碳量和合金元素含量而不同，可从热处理手册中查到，双相区处理的具体温度值值，应由试验的结果确定，可先在试验室用试样作不同的处理，从而选取效果最佳的温度。

　　如正火后还需回火，则回火应在双相区处理之后进行。

　　b.采用调质处理的情况

　　对力学性能要求高的低合金钢铸件，应采用调质处理工艺，调质处理包括淬火和回火两道工序。

　　铸钢件淬火时，加热温度一般在A3以上20-30℃。

　　调质钢进行双相区热处理，应在淬火之后进行。处理温度的选定与前述正火相同，在选定温度下保温后也淬火冷却，淬火介质与第一次淬火相同。