球墨铸铁的塑性变形及奥贝组织研究
我国奥_贝球铁的研究进展及其应用
我国奥-贝球铁的研究进展及其应用上海工程技术大学(上海市200335) 沈利群 摘要:奥贝球铁是70年代发展起来的一种新型工程材料,具有优良的综合机械性能.通过文献调研,综述了我国近年来奥贝球铁的研究进展和应用实例.关键词: 奥贝球铁 研究 应用The Research Progression and Application Examples of Austenite-bainite Ductile IronShen L iqun(Shanghai U niver sity of Engneer ing Science) Abstract:A ust enite-bainite ductile iro n is a new engineer ing mat reial developed in the y ear o f1970s′.It has ex cellent sy nt hetic m echanical pr opert ies.T he resear ch pr o gr ession and a pplicatio n ex amples,in this co untr y,of austenite-bainite ductile ir on w ere r eviwed thr ough liter atur es investig atio n.Key words: A ustenite-bainite ductile ir on, Resear ch, A pplicat ion1 前 言奥氏体-贝氏体球铁(简称奥-贝球铁)是球铁经等温淬火后获得的.其基体为贝氏体和残余奥氏体,具有强度、塑性和韧性都很高的综合机械性能,抗拉强度1000M P a以上,延伸率10%以上[1],特别是具有很高的弯曲疲劳强度和良好的耐磨性,显著地优于其它基体球铁,是一种优良的工程结构材料.奥-贝球铁自1977年问世以来,受到国内外材料工作者的广泛重视,并对其进行了深入研究.本文通过文献调研,归纳总结了近年来我国有关人员对奥-贝球铁的研究进展,并介绍了一些应用实例,以期使这种性能优良的廉价材料得到进一步推广应用.2 研究进展2.1 影响奥-贝球铁组织与性能的因素[2、3、4、5]可归纳为以下几种:(1)原始组织:理想的基体组织是无碳贝氏体和30%～40%的高碳奥氏体,应避免渗碳体的存在;(2)化学成分:对于未经合金化的奥-贝球铁,Si、M n是重要元素,Si抑制碳化物的析出,最终形成奥氏体-贝氏体复合基体,M n能提高淬透性,但要注意其偏析倾向;(3)热处理工艺:提高奥氏体化温度,可增加残余奥氏体的体积百分数,但要注意奥氏体晶粒长大,以避免塑性、韧性下降,在(900±20)℃可获得较好的综合机械性能.为了获得奥氏体-贝氏体基体,等温温度必须高于上贝氏体形成的下限温度.在上贝氏体区等温淬火,随等温温度升高,组织趋于粗化,塑性、韧性升高而强度、硬度下降.在350～370℃等温可获得良好的综合性能.等温淬火后在280℃×24h回火,组织不变;在300～380℃回火,抗拉强度下降,延性很好;在380℃以上回火,组织完全转变,延性下降.2.2 奥-贝球铁合金化 奥-贝球铁的用途不同,对机械性能的要求也不同.但要获得奥-贝组织,就必须为提高它的淬透性而加入一定量的合金元素.2.2.1 Cu-N b合金化[6] N b能形成稳定的C、N化合物,N b化合物的存在能细化奥氏体晶粒和等温后的贝氏体,抑制C的扩散而阻止贝氏体和残余奥氏体的分解.Cu能扩大贝氏体化的壁厚,在不过量时不产生偏析,还能使M n、Si更加均匀化.化学成分:0.06%～0.15%N b,0.7%～1.3%Cu,<0.5%M n, 2.7%～3%Si的奥-贝球铁,在(900±10)℃奥氏体化后350℃×1.5h等温淬火,可获得最佳的综合机械性能.2.2.2 Cu-M o合金化[7] M o是碳化物形成元素,具有良好的淬透性,可保证25m m以上的厚断面全部淬透.Cu的加入,有助于提高奥-贝球铁的塑性和韧性,阻止奥氏体分解,减少贝氏体等温转变产物对时间的敏感性.Cu、M o合理搭配,有助于奥-贝球铁综合机械性能的提高.2.2.3 Si-M n合金化[8] 奥-贝球铁当含M n量小于1.0%时具有较好的综合机械性能,R b可达1080M P a、D达16%、A k达94J/cm2、HR C40,已能满足高强度又要有一定塑、韧性及耐磨性的场合使用.此后随含M n 量增加机械性能下降而硬度提高,可用于要求高耐磨的场合.Si量从2.60%增加到3.86%时,机械性能明显提高.当Si/M n比大于5.0时,具有较好的强韧性.所以在等淬条件下,采用适量的Si、M n可得到强韧性较好的奥-贝球铁,而无需加入贵重的合金元素.2.2.4 M n-Cu合金化[9] 制造壁厚大于25mm等温淬火球铁件,均要添加Ni、M o或Cu、M o等合金元素,以保证淬透.M n在球铁中偏析严重,致使韧性降低而限制了它的含量.若要以M n代M o合金化,则必须克服M n偏析造成的不利影响.研究表明0.6%F eSi、0.02%Bi复合孕育,可削弱M n的严重偏析的不利影响,扩大M n的含量范围,再配加0.8%Cu形成适合≤40mm中等壁厚的M n-Cu奥-贝球铁,其合适的化学成分:3.3%～3.7%C, 2.6%～2.8%Si,0.7%～0.8%M n,<0.035%S,<0.07%P,≈0.8%Cu,上述成分的奥-贝氏球用T A900℃×60min,在300℃等温淬火60min,可使壁厚≤40m m的铸件达R b>1 200M Pa.M n-Cu奥-贝球铁既使M n代M o,又使原来难以满足的低M n限制大大放宽.2.3 铸态奥-贝球铁为了克服等温淬火易变形、中心部位淬不透的弊病,通过加入适量提高淬透性的N i元素,使之铸态形成上贝氏体加奥氏体为主基体的球铁,它省去了热处理过程,适合于制造结构复杂、形变大、壁厚大的铸件,扩大了奥-贝球铁的生产和应用范围.经反复研究,效果较好的奥-贝球铁的化学成分: 3.4%～3.7%C, 2.3%～2.7%Si,≤0.3%M n,<0.06%P,<0.03% S,0.03%～0.04%RE残,0.03%～0.05%M g残, 1.0%～1.2%Cu,0.5%～0.7%M o,0.7%～0.9% N i[10].为了在低N i含量下获得较高强度的铸态奥-贝球铁,探讨了加入微量B提高基体淬透性以获得以下贝氏体为主基体的可能性.研究认为微量B可降低N i的加入量,较大幅度提高球铁强度和硬度,0.001%B的作用相当于0.4%～0.6%N i的作用.通过四元两水平正交实验法,得出Ni、Cu、M o、B在一定配比下可获得高强度的铸态奥-贝球铁,优选出N i1M o1Cu2B1组的R b能超过940M Pa,N i1M o1Cu1B1组的硬度值能超过HRC62[11].2.4 低合金奥-贝球铁焊条[12]随着奥-贝球铁生产应用的日益广泛,奥-贝球铁的焊补便成为急待解决的问题之一.为了提高焊缝金属的奥-贝化能力并使其具有较高的综合机械性能,研究了Cu、N i、M o对焊缝金属等温转变、奥-贝化能力、机械性能的影响以及奥-贝球铁焊缝的基本结构,目的是研制低合金奥-贝球铁新焊条以满足焊补大缺陷的需要.研究表明Cu、N i、M o可不同程度地提高焊缝金属的奥-贝化能力,其中以M o的作用最为明显,但过多M o含量会降低焊缝机械性能.采用Ni-M o复合加入可改善焊缝机械性能.N i-M o低合金奥-贝球铁新焊条与非合金化奥贝球铁焊条相比,焊缝金属的奥-贝化能力提高2.5倍.N i-M o奥贝球铁焊缝的机械性能为:R b1148M P a,D9.0%,A k130J/cm2;焊接接头的机械性能为:R b1140M P a,D9.2%.焊缝及焊接接头的机械性能均能满足奥-贝球铁的要求.2.5 奥-贝球墨可锻铸铁[13]70年代初发展了一种新型材料球墨可锻铸铁,使石墨呈球状,提高了力学性能,大大缩短了石墨化退火时间,并保留了可锻铸铁的各种优点.为了克服奥-贝球铁对原材料中M n、P及球化干扰元素限制较严和要求严格控制熔铸和热处理工艺等弊病,于是在奥-贝球铁和球墨可锻铸铁的基础上,研制了奥-贝球墨可锻铸铁.它是将球墨可锻铸铁的白口毛坯,加热至(900±10)℃,保温2h,使渗碳体完全分解,完成第一阶段石墨化,并使基体组织转变为均一的奥氏体,然后在(370±5)℃等淬1.5h,获得奥-贝组织.它有以下特点: (1)具有很高的综合力学性能,优良的抗弯曲和抗接触疲劳性能,并具有良好的耐磨性,适于制造齿轮、各种重要受力零件和抗磨件.(2)组织和性能比较稳定,质量易于保证,生产工艺易于掌握,特别适合生产水平不高的中、小厂采用.(3)生产成本较奥-贝球铁低,用其代替钢材20CuM nT i等制造齿轮等零件时,可大大降低生产成本,取得较好的经济效益.(4)可放宽对原材料成分要求,允许含有较高的M n、P、S和球化干扰元素,因而可采用地方生铁熔炼.2.6 奥-贝球铁零件的等淬尺寸变形[14]从目前奥-贝球铁推广情况来看,尚需解决等淬过程中引起的产品变形问题.以目前奥-贝球铁应用最多的典型零件齿轮为例,作了奥-贝球铁等温淬火变形问题控制的试验.球铁经等淬处理后,会发生不同程度的膨胀变化,但尺寸变形方向基本一致,可以通过控制等淬前的加工尺寸而使零件尺寸符合技术要求;但对于不再进行磨削加工的零件,等淬后可能降低精度等级.等淬后的奥-贝球铁变形与残余奥氏体量有关,增加残余奥氏体量,不但有利于材料获得良好的塑性、韧性,也有利于尺寸变形的减小.2.7 奥-贝球铁的疲劳特性及其影响因素2.7.1 接触疲劳破坏形式及其影响因素[15] 应用奥-贝球铁生产齿轮具有加工性好、成本低、重量轻、噪声小等优点.齿轮的主要失效形式是接触疲劳破坏,故有必要对其进行研究并得出相应的强化措施.应用铁谱技术分析了接触疲劳过程,试验表明:奥-贝球铁接触疲劳破坏形式取决于载荷大小.在重载荷下(疲劳寿命小于5×106次)破坏形式为片状剥落;在轻载荷下破坏形式为麻点剥落.疲劳裂纹是在表面石墨空穴的边角处萌生,并向深处扩展.接触疲劳磨损分三个阶段:磨合阶段;正常磨损阶段及疲劳磨损阶段.应用铁谱技术可以预测寿命.奥氏体对奥-贝球铁接触疲劳性能有正反两方面的作用,只有当奥-贝球铁中奥氏体分布均匀,板条密集,奥-贝球铁才能硬度高、韧性好,具有较好的接触疲劳性能.2.7.2 应变疲劳性能及其影响因素[16、17]用x射线衍射分析方法测定奥-贝球铁在不同应变幅下循环后残余奥氏体量的变化,并联系奥-贝球铁应变疲劳特性的关系研究了残余奥氏体的作用.结果表明:奥-贝球铁应变疲劳中应变诱发残余奥氏体转变为马氏体,相变加速了疲劳裂纹的形核和扩展,降低了疲劳寿命;应变疲劳诱发残余奥氏体相变存在一个临界应变幅,低于此临界值残余奥氏体不发生转变;残余奥氏体的机械稳定性还影响着应变疲劳寿命,稳定性较高的材料应变疲劳寿命长于稳定性较低的材料.此外石墨球化状态对奥-贝球铁应变疲劳性能有着重要影响,球化不良的石墨加速了奥-贝球铁的失效.2.7.3 影响疲劳强度的因素[18]为使奥-贝球铁能应用于齿轮、曲轴、车轮等零件达到取代锻钢件的目的,必须改善其疲劳强度.研究指出影响奥-贝球铁疲劳强度的主要因素是:球铁铸件的铸态质量、热处理工艺和表面处理这三个方面的最佳结合.改善奥-贝球铁疲劳性能的途径是:通过金属型铸造、定向凝固、快速冷却加低温浇注、型内球化处理等措施提高球化率;降低球铁的碳当量;通过合金元素的复合加入,提高奥氏体化温度和等温淬火温度来增加奥-贝球铁中的残余奥氏体量;选择合理的喷丸处理工艺参数.3 应用实例3.1 齿轮第二汽车厂铸造二厂采用成分: 3.6%～3.9%C, 2.2%～2.8%Si,≤0.3%M n,≤0.07%P,≤0.03% S,0.03%～0.05%M g,0.02%～0.04%RE的奥-贝球铁,生产EQ153汽车上的齿轮件,热处理工艺采用分步等淬法,奥氏体化后在略低于等温淬火油槽中淬火3min,保证已形成的奥氏体不会在等温淬火时间内向珠光体转变,然后等温淬火120min后空冷.经上述处理后齿轮的机械性能可达到R b1010～1380M Pa,D2%～8%,A k42～97J/cm2,HR C36～48.3.2 曲轴化学成分3.5%～3.8%C, 2.5%～2.8%Si,≤0.3%M n,≤0.07%P,≤0.03%S,0.2%～0.25%M o, 0.8%～1.7%Cu,≤0.04%M g,≤0.03%RE的Cu-M o奥-贝球铁制作170F曲轴已投产多年,采用890～920℃×2h和350～370℃×2h等温出炉空冷的处理工艺,可保证机械性能达到R b≥880M Pa,D≥4%,A k ≥80J/cm2[7].浙大与杭州柴油机总厂对奥-贝球铁应用于480柴油机曲轴研究表明,在适当的保护措施下,等温淬火后曲轴总体变形在精加工余量范围内,不影响成品曲轴精度,螺纹、链槽等在等温淬火后也不变形.可用先完成除粗-精磨外的所有机加工,再等温淬火,而后粗、精磨的方法生产奥贝球铁曲轴.Cu-M n合金奥-贝球铁(<0.5%M n,0.6%～1.0%Cu,0.2%～0.3% M o)可使直径60mm的曲轴淬透,经380℃×60min淬火后机械性能达R b1101M Pa,A k141J/cm2, D512.2%[20].3.3 汽车后拖钩支承座及衬套[21]CA141载货车后拖钩的支承座、衬套原采用铸态铁素体球铁制造.投产不久,发现这两个零件一般行驶3000公里左右即损坏失效.支承座、衬套承受较大的冲击载荷和由冲击形成的凿削式磨损,处于货车尾部,汽车扬起的粉尘形成了严重的磨料磨损,工况恶劣.使用非合金奥-贝球铁制造支承座及衬套,行车试验表明,使用寿命是铁素体球铁的70倍以上.其最佳的热处理工艺参数为:奥氏体化温度(900±10)℃、时间(30±5)min,等温温度(360±10)℃、时间(30±5) min.目前奥-贝球铁支承座、衬套已投入生产.3.4 汽车后拖曳钩[22]对用奥-贝球铁制CA1091车的后拖曳钩进行了研究和行车试验,并得出了合适的奥-贝球铁成分和热处理工艺.后拖曳钩材料应具有较好综合机械性能和耐磨性能,选择了Cu-N b奥-贝球铁,其热处理规范为:900℃×1.5h,240℃×5min,360℃×1h.行车试验寿命达8万公里后状况仍很好,原锻钢后曳钩行驶3.7～4.5万公里即磨损严重甚至造成断裂.用奥-贝球铁取代锻钢生产拖曳钩,每件可节约材料1/3左右,减重1kg.・管 理Management・铸造废品分析与制订对策的方法成都机车车辆厂(四川省成都市610051) 黎觉仪 摘要:分析了铸造废品的类型与产生特点,总结现场经验,将防止废品采取的对策归纳为四种方法:对症下药法;系统对策法;材料隔离法;小步骤法.通过实例,说明如何对废品情况进行宏观分析,并从方法论的角度对制订对策的思路进行了探讨.关键词: 铸造废品 铸件质量分析 对策Rejected Casting Analysis and thier Prevention MeasuresL i Jueyi(Cheng du L ocomo tiv e and R olling Sto ck W or ks) Abstract:In this paper the author analy zes the ty pe and feat ur es o f reject ed casting s,and sum up the ex peri-ence fr om site.T he author sugg ested four kinds o f method fo r avo id cast ing lo ssing.T hen by w ay of exam ples, the author descr ibes how to analyse the r ejected castings,it also discusses the measur es of avo id casting defects fr om the v iew of metho lo gy.Key words: Cast ing r ejection Q ualit y anlaysis of casting M easures 铸造生产是一项系统性很强的生产工程,任何一道工序离开了节奏,某种原辅材料脱离了标准,都可能产生质量问题.由于影响废品的因素几乎是无限的,而我们掌握的现场实际情况及可能采取的手段却是有限的,分析与选择对策的时间必须紧张而及时.因此,本文对废品出现的几率及选择对策的方法进行了认真的分析.本文是资料[1]的继续与发展.从废品出现的几率来看,有两种性质完全不同的废品.一种是偶然性废品,一种是长期性废品.偶然性废品是由生产中偶发性原因造成的.例如,由于生产线临时发生故障造成停顿,工人注意力分散造成操作一次性失误.这些都不足为怪,暂时可不予理会.但是有些偶发性因素包含有某种必然,有些变化虽属偶然,却显示出警报信号,如金属化学成分暂时脱离标准,型砂性能的波动等,应密切观察,防止成为有一定倾向的:脱标F,由偶然性废品转化为惯性废品.长期性废品是由造型材料、炉料、模具、造型、熔炼等工艺设备方面的原因造成的.废品是成批性、阶段性的发生,往往是重复出现,在未采取有效措施前,废品不会自行消失,而是由其内在规律性的作用,继续发生,直至其根源被排除为止.从废品产生的原因及必须采取的手段来看有两种参考文献1 王怀林等.汽车工艺,1990(2),172 刘光华等.球铁,1991(2),63 郭戟荣等.汽车工艺,1990(5),304 申澎运等.现代铸铁,1989(3),195 沈百令等.兵器材料科学与工程,1993(3),49 6 王环林等.球铁,1989(3),67 徐 雍等.球铁,1990(2),78 徐 铮等.球铁,1991(1),79 谭宋勤等.河北机械,1991(2-3),4110 张金山等.山西机械,1992(4),1611 李子全等.甘肃工业大学学报,1993(3),2012 孙大谦.焊接学报,1994(2),13113 赵伯王番等.铸造,1992(8),1914 王立人等.球铁,1991(1),1115 范鹤立等.大连理工大学学报,1989(3),295 16 梅 志等.理化检验(物理分册),1992(1),8 17 梅 志等.物理测试,1993(3),10618 郭立新.江苏冶金,1993(5),1519 陈富茂.球铁,1990(2),4320 宋金山.现代铸铁,1991(1),321 王环林等.汽车工艺与材料,1992(6),2822 张瑞卿等.汽车工艺与材料,1993(6),17。
QTD1050-6奥贝球铁相变动力学研究
QTD1050-6奥贝球铁相变动力学研究奥贝球墨铸铁(ADI)是以贝氏体为主并有部分残余奥氏体为基体的球墨铸铁,由于ADI的各项性能较高,且其成本相比于球墨铸铁、铸铝、锻钢等价格低廉,具有明显的性能与成本两方面优势,使其应用范围逐渐扩大。
在实际生产过程中,通常根据所需要的组织和性能来合理制定热处理工艺。
本文采用膨胀法并结合金相硬度法研究QTD1050-6奥贝球铁在不同热处理工艺条件下,即在不同的等温温度和不同的冷却速度条件下的相变规律。
在本实验条件下,QTD1050-6奥贝球铁在等温相变过程中,当等温温度在300℃-340℃范围内,组织中铁素体呈细长针状,残余奥氏体分布相对较为均匀;随等温温度的升高,贝氏体的最大转变量先增加后减少,当等温温度达到300℃时,贝氏体最大转变量为85.9%,达到最大值;而当等温温度超过400℃时,组织中贝氏体急剧减少,因此QTD1050-6奥贝球铁的等温淬火温度可以选择在300℃左右;根据绘制出的TTT图发现,不同温度下,贝氏体的孕育期有所差异,等温转变曲线呈“C”型,C曲线的“鼻尖”温度为380℃,表明在此温度下贝氏体的转变速度达到最快。
QTD1050-6奥贝球铁在连续冷却相变过程中,根据温度-膨胀量曲线确定各相转变的开始、转变结束的温度和时间;在不同的冷却速度下,主要发生四种类型的相变,即:先共析铁素体转变、珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。
通过QTD1050-6奥贝球铁CCT曲线图的绘制,得到奥贝球铁的AC3温度为838℃,AC1温度为782℃,马氏体发生转变实际温度211℃;最终得到:QTD1050-6的奥氏体化温度范围为870-890℃,连续冷却热处理过程中,冷却速度应低于14.4℃/s。
结合金相硬度实验,在连续冷却转变过程中,不同的冷却速度下所得到的的组织不同,在制定有关奥贝球铁热处理工艺时,可以根据所需的性能,选择冷却速度,从而获得相应的组织,已达到性能要求。
球墨铸铁衬套的热处理工艺研究
４．２球墨铸铁衬套金相组织 衬套等温淬火后的金相组织见图６，在放大倍率为５００×
的金相照片中，可见其组织为“下贝氏体＋少量马氏体＋少量 残留奥氏体”。
６结束语
（１）球墨铸铁衬套在等温淬火后，获得的下贝氏体组织， 具有较高的强度、硬度、较好的塑性韧性和良好的耐磨性。
（２）经试验总结出来的球墨铸铁衬套等温淬火工艺参数 为：奥氏体化温度９００℃，奥氏体化保温时间３０ ｍｉｎ，等温温 度２８０ ｏＣ，等温保温时间６０ ｒａｉｎ比较合适。
过仿真计算，得到了发动机转速、车速、加速度等参数的变化 规律。仿真结果表明，该模型能够准确、有效地模拟履带车辆 起步加速过程，在一定程度上可代替或减少复杂、昂贵的实车 道路试验。
参考文献： 【ｌ】１毕小平，韩树，马志雄，等．履带车辆加速性能和燃油消耗量的仿
３．３等温淬火温度的选择 本次试验将拉伸试验试样、冲击试验试样和硬度试样经
９００℃加热、保温３０ ｒａｉｎ后，分别在２３０℃、２５０℃、２７０℃、 ３００℃和３５０℃、４００ ｏＣ等温６０ ｒａｉｎ后空冷，测定其硬度、抗拉 强度、延伸率和冲击功，绘制出关系曲线（结果如图４所示）。
７０ Ｂ０ 兰５０ 盏柏 ３０ ２０
球墨铸铁衬套试样力学性能详见表２。由表２可见，试验 结果完全符合《铁路客车用贝氏体球墨铸铁衬套技术条件》的 规定。
表２球墨铸铁衬套试样力学性能汇总表
．
图７不同材料衬套耐磨性对比
可以看出，球墨铸铁等温淬火试样耐磨性最好，Ｑ２３５渗 碳淬火回火试样次之，４５钢淬火回火试样耐磨性最差。球墨铸 铁经过等温淬火后，获得的组织是由下贝氏体、少量马氏体、 残留奥氏体和球状石墨所组成。其中，下贝氏体、马氏体的强 度、硬度较高，残留奥氏体的塑性较好，而均匀分布在下贝氏 体基体上的球状石墨，在磨损的过程中容易脱落成为滑动面 的润滑剂，从而能起到减磨作用。此外，石墨脱落后所形成的 显微空洞，还是磨耗后所产生的微小磨粒的储藏所，避免了微 小磨粒对滑动面的进一步磨损。所以，球墨铸铁等温淬火试样 的耐磨性，要比其他两种材料好。
奥贝球铁工艺性能分析
奥贝球铁工艺性能分析由于等温淬火球铁(ADI)优越可靠的静力学和动力学性能，以及降噪音的独特优势和兼具低成本的吸引力，使其在汽车、机械、建材、铁路、农机、军工、冶金、矿山等机械发挥着越来越重要的作用。
近年来，欧美发达国家的各类等淬球铁件产量正以每年15%的速度飞速增长，并且随着研究的不断深入，应用领域不断扩大，被称为“21世纪最具发展前景的金属材料”。
ADI高的强度/重量比是十分吸引人的，在合适的设计下，用ADI代替铝件可使零件重量相等或更轻。
在北美ADI 代替钢可节省30%以上。
ADI的模量是铝的2～3倍，屈服强度是铝的3倍，疲劳或强度是铝的5倍，而且具有良好的减震降噪效果。
ADI的研究和生产集中在三个主要问题：一是用于进行ADI处理的球铁铸件的生产，二是热处理（等温处理），三是ADI的性能。
所有影响铸态球铁的因素都影响ADI，有质量好的球铁才能有优质的ADI，生产ADI和铸态球铁的关键是要求球墨铸铁具有：稳定的化学成分；石墨球数不低于100个/cm2，球化率不低于90%，碳化物及夹杂不高于0.5%，显微缩松不高于1%，珠光体/铁素体的比例恒定。
只有在稳定的化学成分下才能有确定的热处理规范。
最终的组织是无碳化合物析出的针状组织。
奥氏体等温转变反应过程：第一阶段：工件淬入奥氏体等温盐浴中，起初，奥氏体无变化，短暂孕育期，针状铁素体在奥氏体中生长（增加奥氏体中含碳量），20～30min后，奥氏体中的碳增至1.2～1.6%（室温稳定，力学上不稳定，温度下降会转娈成马氏体），保温1～2小时后，奥氏体中的碳量增至1.8～2.2%（富碳奥氏体，热力学、力学上都稳定，理想的ADI组织），此时，ADI中高碳稳定奥氏体有两种形态：一是存在于针状铁素体之间的近似于等轴形的块状铁素体，二是存在于针状铁素体之间的薄片形的条状铁素体；第二阶段：铸件在盐浴中保温超过2～3小时后，高碳奥氏体将分解为更加稳定的铁素体和碳化物，碳化物的出现对ADI力学性能有害，主要是降低伸长率和韧性。
奥贝球铁的铸造及热处理研究
（３）锰 在 奥 贝 球 铁 中 ，是 扩 大 奥 氏体 区
的 元 素 ，它 降 低过 冷奥 氏体 的分 解 速 度 ，提 高 奥 氏体 的稳 定 性 ，并 使 Ｃ曲线 右 移 ，显 著 提 高 淬 透 性 。
生 产 奥 贝球 墨铸 铁 必 须 妥 为 控 制 化 学 成 分 。
（１）碳 具 有 稳 定 奥 氏体 、阻 碍 贝 氏 体 转 变 的 作用 ，并 改 变 上 贝 氏 体 的下 限温 度 ，即 降 低 其 下 限温 度 。而 残 余 奥 氏体 的 数 量 及
与 含 硅 量 有 直 接 关 系 ，其 它 合 金 元 素 也 会 影 响 奥 氏 体 化 的 最 低 温 度 ，但 没 有 硅 的影 响 大 。当含 硅 量 高 、或 铸 件 壁 厚 、或 含 石 墨 球 数 量较 少时 ，应 该 采 用 高 温 奥 氏 体 化 。奥 氏 体 化 温 度过 高 会 导 致 基 体 组 织 粗 大 ，降
的 成 就 之 一 。
马 氏 体 转 变 的 能 力 及 低 温 组 织 的 稳 定 性 强 度 、硬 度 。奥 氏体 化 时 间应 以淬 透性 为基
等 。此 外 ，碳 是果 时 间太 短 ，碳 化 物 不 能 完 全 溶 解 ，
２ 奥贝球铁 （ＡＤ１）机理及 制造 奥 氏体 是碳 与 合金 元 素 溶 解 在 ．Ｉ．一 Ｆｅ
减 少 脆 性 ，但 较 高 的 含 钼 量 对 奥 贝球 铁 的 使 用 领 域 。
强 度 和 塑 性 都 有 降 低 作 用 。钼 使 Ｃ曲 线 右
移 ，不 仅 使 材 质具 有 良好 的 淬透 性 ，而且 缩 参考 文献
日本奥贝
谢谢大家！
ADI的水脆化主要是由于试样表面附着的水在拉伸 塑性变形分解为氢，氢使应力诱变产生马氏体产生氢 脆而导致的。
树脂粘接剂的涂覆使ADI发生显著的脆化。
减少石墨直径，不仅可大幅提高ADI的抗拉强度 和延伸率，而且可减缓ADI的水脆化，其原因是石墨 球直径减小，球铁凝固时合金元素的偏析减轻，等温 转变后的γ-pool量减少，拉伸过程中的应力诱变马氏 体减少，从而抑制了ADI的水脆化。
FCAD1400-1 1400以上 1100以上
2以上
1以上
341以上
401以上
与1989年版的标准比较： 增加了FCAD900-4和FCAD1400-1两个牌号； 标准的表示由FCD××××A改为FCAD××××-×
3. 基础研究
3.1 等温淬火及等温转变 1.等温转变后的基体组织
(SEM观察，各温度3h等温淬火)
增加石墨球数。
采用特殊等温淬火工艺，如二段等温淬火、 预淬火等温处理。 选取合适的加工刀具和合理的加工工艺。
3.4 ADI的水脆化
ADI的水脆化受化学成分、石墨球直径和球数、等 温淬火条件等因素的影响。 除ADI外，高强度的淬火回火球铁和珠光体球铁具 有同样的脆化现象，而铁素体球铁无明显的水脆化；
日本奥贝球铁研究及 应用概况
华中科技大学 蔡启舟 魏伯康 林汉同
1. 前言
在日本：
20世纪70年代初，开始奥贝球铁的研究，1978年用 于工业生产。
80年代以来，日本奥贝球铁的基础研究和应用研究 取得了巨大的进展，其内容涉及冶金工艺、合金设计、 热处理、显微组织、质量管理和实际应用等诸方面。
当前，奥贝球铁材质的高级化和实用化已成为日本 强韧铸铁协会加速铸铁高级化进程的一项重要内容。
球墨铸铁的塑性变形及奥贝组织研究
图 5 不同等温淬火处理下奥贝球铁的金相组织 ( a, b2变形 ; c～f2非变形 ) ×500 Fig. 5 M icrostructures of the AD I in different austempering treatment states( a, b2deformation; c～f2non2deformation) ×500
热力学模拟试验研究了球铁的热塑性变形参数 ,并对 变形铸铁的组织及变形前后奥贝组织进行了研究和分 析。
1 试验材料与方法
等温淬火处理工艺 : M12 标准 拉伸 试样 加热 至 900 ℃,保温 30 m in,待全部奥氏体化后 ,置入盐浴炉 中 (成分为 55%的 KNO3 + 45%的 NaNO3 ) ,盐浴温度 为 237～378 ℃,保温不同时间取出 ,水淬至室温 ,得到
found clearly by TEM.
Key words: ductile iron; p lastic deform ation; bainite; m artensite
奥贝球铁 ( austempered ductile iron,简称 AD I)是 料 ,其 化 学 成 分 (质 量 分 数 , % ) 为 : 3142C、2148Si、
验 。试样尺寸为 10 mm ×15 mm ,试验温度为 700 ～ 950 ℃,压缩量为 80% ,以 10 ℃ / s的加热速度直接电 加热至试验温度 ,保温 1 m in,测其真应力 2真应变曲 线 ,获得球铁在不同温度下的流变应力情况 。
球铁模锻工艺流程 : 连铸棒加工成 <70 mm ×80 mm 毛坯 →加热至 1000 ℃→自由模锻 、冲孔 、空冷 → 粗加工 。
一种综合力学性能优异的工程材料 。由于它不仅具有 0111M n、01015S、01027P、0133Mo、0137Cu、0104M g、
奥-贝球铁辊环成分与组织的研究
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验 。试样尺寸为 10 mm ×15 mm ,试验温度为 700 ～ 950 ℃,压缩量为 80% ,以 10 ℃ / s的加热速度直接电 加热至试验温度 ,保温 1 m in,测其真应力 2真应变曲 线 ,获得球铁在不同温度下的流变应力情况 。
球铁模锻工艺流程 : 连铸棒加工成 <70 mm ×80 mm 毛坯 →加热至 1000 ℃→自由模锻 、冲孔 、空冷 → 粗加工 。
图 5 不同等温淬火处理下奥贝球铁的金相组织 ( a, b2变形 ; c～f2非变形 ) ×500 Fig. 5 M icrostructures of the AD I in different austempering treatment states( a, b2deformation; c～f2non2deformation) ×500
度重视 。除合金化和热处理方法来改善组织和提高铸 30 m in,然后再放人 750 ℃的炉中 ,保温 30 m in,再返
铁性能之外 ,另一改善铸铁性能的方法 —热压力加工 回到 650 ℃的炉中 ,这样循环 5个周期 ,最后空冷 。
于 1931年首先由俄罗斯 С. А. Барановым[ 1 ]提出 。 20
行分析 。
2 试验结果与分析
211 热力学模拟试验结果 图 1是球墨铸铁粒状珠光体化前后的显微组织 。
《金属热处理 》2006年第 31卷第 12期
25
从图 1可观察到 ,水平连铸球铁棒材具有细小球状石 墨的珠光体型组织 (如图 1a和 1b 所示 ) 。热循环退 火处理可减少珠光体体积 ,增加铁素体数量 ,石墨形状
一种综合力学性能优异的工程材料 。由于它不仅具有 0111M n、01015S、01027P、0133Mo、0137Cu、0104M g、
高的强度 、高的硬度 、高的耐磨性能 ,而且还有较好的 01038RE。棒材经热循环粒状珠光体化热处理后供试
塑性与低温韧性 ,引起了世界范围内工程技术界的高 验用 ,热处理制度如下 :在电炉中加热到 650 ℃,保温
Abstract: The m icrostructure of ductile iron before and after deformation and its austempering treatm ent was analyzed by
Gleeble21500 thermal mechanical simulator, OM and TEM. The results show that the op timum temperature of hot p lastic deform ation of ductile iron is in the range of 750～800 ℃, in which the stress is near the flow stress of 950 ℃, and the
m icrostructure of the ductile iron after deformation consists of three layers, spheroidal graphite, verm iculate graphite and stream line shape graphite. D ifferent shape of lower bainite, upper bainite and typ ical imp lici“t M ”model martensite can be
选用球墨铸铁 QT50 水平连铸棒材作为试验材 不同的贝氏体组织 ,然后用 Neophot2 l型光学显微镜观
察显微组织 ,用透射电子显微镜对贝氏体种类 、形貌进
作者简介 :张青来 ( 1962—) ,男 ,河北交河人 ,博士 ,副教授 ,主 要研究方向为球墨铸铁 、钛合金 、镁合金 、难熔金属 。联系电 话 : 13641843740 E2mail: qlfzhang@ sh163. net 基金项目 :江苏大学项目 (1721220021) 收稿日期 : 2006209211
found clearly by TEM.
Key words: ductile iron; p lastic deform ation; bainite; m artensite
奥贝球铁 ( austempered ductile iron,简称 AD I)是 料 ,其 化 学 成 分 (质 量 分 数 , % ) 为 : 3142C、2148Si、
形 ,其尺寸较小 ,数量较多 ,如图 4a; 中间部分石墨形
Н. И. Бех[ 425 ]博士研究了汽车齿轮零件锻造工艺制度 ,
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《金属热处理 》2006年第 31卷第 12期
图 4 球铁变形后的金相组织 ×100
( a) 边缘 ( b) 中间 ( c, d) 心部
Fig. 4 M icrostructures of ductile iron after deformation ×100
热力学模拟试验研究了球铁的热塑性变形参数 ,并对 变形铸铁的组织及变形前后奥贝组织进行了研究和分 析。
1 试验材料与方法
等温淬火处理工艺 : M12 标准 拉伸 试样 加热 至 900 ℃,保温 30 m in,待全部奥氏体化后 ,置入盐浴炉 中 (成分为 55%的 KNO3 + 45%的 NaNO3 ) ,盐浴温度 为 237～378 ℃,保温不同时间取出 ,水淬至室温 ,得到
Fig11 M icrostructures of the ductile iron before and after particle pearlite ( a) as cast (polished) ×100 ( b) as cast( etched) ×100 ( c) as cast ×500 ( d) heat treated ×500
以及晶粒尺寸实际上不发生变化 (如图 1c 和 1d 所 示 ) 。由于片状珠光体转变为粒状珠光体的结果 ,塑 性得到提高 ,这与参考文献 [ 5 ]的研究结果一致 。
图 1 球墨铸铁粒状珠光体化前后显微组织 ( a) 铸态 (抛光 ) ×100 ( b) 铸态 (腐蚀 ) ×100 ( c) 铸态 ×500 ( d) 热处理后 ×500
图 2所示为不同温度下塑性变形的球铁流变应力 状稍微被拉长 ,球状石墨两端出现“尾巴 ”,其形状介 (真应力 ) 2真应变关系 。从图 2 可见 ,随变形温度增 于钝形和尖形之间 ,类似于蠕虫状石墨 ,均匀分布 ,见 加 ,流变应力降低 ,在 750 ～800 ℃时的流变应力接近 图 4b;心部石墨形状基本呈流线型 ,其两端为钝形 ,不 950 ℃时的流变应力 。在 850 ℃和 900 ℃时最大屈服 同于片状石墨的两端尖形 ,如图 4c和 4d。因此 ,变形 应力出现反常现象 ,反而升高 ,出现双颈现象 。温度继 球铁组织完全区别于球铁 、蠕墨铸铁和灰铸铁的组织 , 续升高至 950 ℃时 ,最大屈服应力又开始下降 ,双颈现 呈三层组织结构 (球状石墨 +蠕虫状石墨 +流线型石 象消失 。双颈现象发生在相变共析临界温度范围内 。 墨 ) ,变形石墨周围的铁素体和珠光体相应被拉长 。 因此 ,球铁的热塑性变形最佳温度在 750～800 ℃的区 间 ,符合速率 为 10 - 2 ～10 - 3 s- 1 、速 度敏 感系 数 m = 0137～0146 和总变形量为 70%球铁超塑性等温 锻 造 [ 5 ]的研究结果 。
球墨铸铁的塑性变形及奥贝组织研究
张青来 ,王粒粒 ,胡永学 ,戴起勋 (江苏大学 材料科学与工程学院 ,江苏 镇江 212013) 摘要 :利用 Gleeble21500热力学模拟机 、光学和透射电子显微镜对球墨铸铁变形前后以及等温淬火处理后的组织 进行了分析 。结果表明 ,球铁热塑性变形最佳温度在 750～800 ℃区间 ,此时流变应力接近 950 ℃时的流变应力 ; 变形后球铁为三层组织结构“球状石墨 +蠕虫状石墨 +流线型石墨 ”;在透射电镜下清楚地观察到不同形状的下 贝氏体和上贝氏体形貌以及典型的隐“M ”型马氏体形貌 。 关键词 :球墨铸铁 ;塑性变形 ;贝氏体 ;马氏体 中图分类号 : TG14315 文献标识码 : A 文章编号 : 025426051( 2006) 1220025204
高 20% ～30%。由于塑性变形和动态再结晶的结果 , 贝氏体组成 ,如图 5a、c、d所示 ;等温温度在 276 ℃左
晶粒得到细化 ,基体得到强化 ,基体的强化作用大于变 右获得 (A +B下 )组织 ,贝氏体则由黑针状下贝氏体和
形石墨尖端对基体的负作用 。因此变形球墨铸铁是有 少量上贝氏体组成 ,见图 5b、d、f。
图 2 球墨铸铁真应力 2应变曲线 Fig12 True stress2strain curves of the ductile iron
于灰口铸铁 ,而且片状石墨对基体有切割作用 。 关于变形铸铁的力学性能 , Л. А. Солнцев[ 2 ]指出 :
212 模锻试验结果 图 3是球铁模锻并粗加工后的毛坯 。图 4是球铁
图 5是球墨铸铁塑性变形前后的奥贝氏体显微组
墨沿材料流动方向被拉伸 。 С. В. Моцигин博士 [ 6 ]在 织 。从图 5可观察到 ,过冷奥氏体在 450～200 ℃之间
1991年学术报告上介绍了采用超塑性等温锻造球墨 转变成不同类型贝氏体 。等温温度在 378 ℃左右获得
铸铁齿轮毛坯 ,然后滚压齿轮 ,其齿轮硬度和强度可提 (A +B上 )组织 ,贝氏体是由羽毛状上贝氏体和少量下
锻 、冲后毛坯的石墨形状分布情况 。从图 4a到图 4d 可看出锻件断面的石墨形状变化规律 ,石墨形状由圆 形逐渐向流线型过渡 。边缘部分石墨形状基本保持球
热压力加工减少化学不均匀性 ,与变形前铸铁相比 ,变 形铸铁热处理可提高力学性能 ,其冲击韧度和塑性提 高 2～3 倍 。 Л. Н. Козлов[ 3 ]的研究结果表明 ,铸铁棒 材经塑 性变 形后 , 强度 增加 12% ～40% , 硬 度 增 加 5～142 HB , 在 锻 件 中 心 部 分 石 墨 沿 轴 心 被 拉 长 。