硅錳對(duì)室溫油分級(jí)等溫淬火貝氏體球墨鑄鐵組織和性能的影響 kd

1、 貝氏體球鐵是一種具有良好綜合力學(xué)性能、鑄造性能和加工性能的新型抗磨材料,近年被廣泛應(yīng)用于抗磨件和結(jié)構(gòu)件1-2,采用傳統(tǒng)的鹽浴等溫淬火工藝生產(chǎn)貝氏體球鐵,雖然工藝成熟,生產(chǎn)穩(wěn)定性高,但存在生產(chǎn)設(shè)備一次性投資大,生產(chǎn)過(guò)程中能耗高,污染嚴(yán)重等問(wèn)題。本研究針對(duì)室溫油分級(jí)等溫淬火工藝進(jìn)行了探討3,主要研究球鐵的化學(xué)成分與室溫油分級(jí)等溫淬火工藝及組織和性能之間的關(guān)系,硅、錳是貝氏體球鐵中的重要元素之一4,對(duì)組織及性能變化的影響很大,研究硅、錳在室溫油分級(jí)等溫淬火中的作用對(duì)降低生產(chǎn)成本和此工藝的應(yīng)用有重要意義。1試驗(yàn)條件1.1試樣的制備用1t 沖天爐熔制合金,爐前加入了合金元素,球化處理用沖入法進(jìn)行,孕育

2、處理采用爐后一次孕育和二次轉(zhuǎn)包瞬時(shí)孕育。出爐溫度1420,球化情況采用三角試塊和爐前快速金相檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)。合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%:3.53.7C ,2.83.8Si ,0.70.9Mn ,0.30.5Mo ,0.50.8Cu ,0.20.25Cr ,0.03S ,0.07P ,0.030.05Mg ,0.020.04Re 。沖擊試樣尺寸為10mm ×10mm ×55mm ,球化級(jí)別1-3級(jí),球化率為6-8級(jí)。熱處理工藝如圖1所示,從奧氏體化溫度快速冷卻(油淬收稿日期:2008-04-24收到初稿;2008-06-11收到修訂稿。作者簡(jiǎn)介:魏德強(qiáng)(1963-,男,吉林榆樹(shù)人

3、,副教授,碩士,主要從事金屬材料的教學(xué)和研究工作。E-mail :wdq1963魏德強(qiáng)1,惲志東1,劉軍2(1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,廣西桂林541004;2.中國(guó)石油吉林石化分公司,吉林132022摘要:研究了室溫油分級(jí)等溫淬火時(shí),硅和錳對(duì)貝氏體球墨鑄鐵磨球組織和性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:硅含量在3.3%3.8%時(shí),對(duì)貝氏體相變具有誘發(fā)作用,使貝氏體球鐵組織細(xì)化,力學(xué)性能提高,錳使貝氏體球墨鑄鐵的硬度提高韌性降低,合理的硅錳量可提高貝氏體球墨鑄鐵的力學(xué)性能。關(guān)鍵詞:分級(jí)等溫淬火;貝氏體;球墨鑄鐵;誘發(fā)相變中圖分類號(hào):TG255文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-4977(200809-

4、0960-04WEI De-qiang 1,YUN Zhi-dong 1,LIU Jun 2(1.Department of Electronic Machinery and Transportation Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,Guangxi,China;2.China Petroleum Corporation JilinPetroleum &Chemical Branch,Jilin 132022,Jilin,China Abstract :In this work,

5、the effects of Si and Mn on the microstructure and mechanical properties of the bainite ductile iron by step austempering in the room-temperature machine oil have been studied.The experiment results show that induced phase transformation in the bainite ductile iron can be brought out by Si in 3.3%-3

6、.8%,and the structure with good mechanical properties has been obtained;Mn can increase the hardness and reduce the impact toughness of the bainite ductile iron.Reasonable Si and Mn content can improve mechanical properties of the bainite ductile cast iron.Key words :step austempering;bainite;ductil

7、e iron;induced phase transformation硅錳對(duì)室溫油分級(jí)等溫淬火貝氏體球墨鑄鐵組織和性能的影響Effects of Si and Mn on Microstructure and Mechanical Properties of Bainite Ductile Iron by Step Austemperingin Room-Temperature Machine Oil圖1熱處理工藝Fig.1The process of step austempering heat treatmentMsSep.2008Vol.57No.9鑄造FOUNDRY960到Ms點(diǎn)稍下,

8、然后在Ms點(diǎn)稍上放入等溫爐中,最后出爐空冷。熱處理工藝過(guò)程包括四個(gè)階段:奧氏體化;利用冷油(室溫油使奧氏體冷卻到Ms點(diǎn)稍下;在Ms點(diǎn)稍上等溫,以后完成等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w的過(guò)程;在規(guī)定的保溫時(shí)間后,冷卻到室溫。熱處理工藝參數(shù)為: (850960×(0.51h+油淬(出油溫度為150280+出油入爐時(shí)間(5100s+等溫溫度為(210310×等溫時(shí)間(13h8。1.2試驗(yàn)條件和方法磨球和沖擊試樣在RXJ-4-13型高溫箱式電阻爐中進(jìn)行奧氏體化。等溫轉(zhuǎn)變?cè)赟X-4-10型低溫箱式電阻爐中進(jìn)行,分別采用RJX-4-13和DOZ4型溫度控制器控溫,爐內(nèi)溫度誤差±5。自制淬火

9、用油桶尺寸為800mm×1000mm,淬火介質(zhì)為20號(hào)機(jī)油,采用水銀溫度計(jì)測(cè)油溫,用表面溫度計(jì)測(cè)量磨球和試樣表面的溫度;使用HR-150A型布洛維三維硬度計(jì)測(cè)硬度,取三點(diǎn)以上的平均值,用JSM-35CF型掃描電鏡觀察顯微組織;沖擊試樣在JB-30A沖擊試樣機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),按GB22984金屬夏比沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行;硬度測(cè)定是在沖擊試樣上任取試樣斷面多于三點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試的平均值,按GB/T2301983金屬洛氏硬度試驗(yàn)法進(jìn)行。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1硅對(duì)貝氏體的誘發(fā)相變?yōu)檠芯抗鑼?duì)貝氏體球鐵組織和性能的影響,固定其他元素化學(xué)成分(3.70%C,0.88%Mn,0.34%Mo, 0.023%S,0.

10、06%P,硅含量控制在2.80%3.80%范圍內(nèi),球化級(jí)別達(dá)1-2級(jí),球化率為6-8級(jí),熱處理工藝為:920960×1h+油淬(出油溫度為180+出油入爐時(shí)間40s+等溫溫度230×等溫時(shí)間2h。由圖2可知,隨著硅量的增加,硬度不斷升高,而韌性也有所上升。當(dāng)硅量為3.3%3.8%時(shí)可使錳量提高到0.88%時(shí),硬度增加的同時(shí),韌性也有所增加,因此硅量較高時(shí),適當(dāng)?shù)脑黾渝i可以用來(lái)生產(chǎn)性能更優(yōu)異的貝氏體球墨鑄鐵。用含硅量分別為2.8%、3.3%、3.5%、3.77%的沖擊試樣做室溫油分級(jí)等溫淬火,由圖3可見(jiàn),隨著含硅量的增加,貝氏體基體得以細(xì)化,白亮區(qū)減少,馬氏體數(shù)量略有增加,但

11、馬氏體周邊的貝氏體針更細(xì)小,硅的含量大于3.3%時(shí),貝氏體針沿馬氏體周邊向外生長(zhǎng),即對(duì)貝氏體形成產(chǎn)生誘發(fā)作用,而且隨含硅量的增加,這種誘發(fā)相變的作用更加顯著,誘發(fā)的貝氏體針也越多越細(xì);而硅含量2.8%時(shí)無(wú)明顯誘發(fā)相變作用,形成這種現(xiàn)象的主要原因如下。圖2硅對(duì)貝氏體球鐵性能的影響Fig.2Effects of Si on the mechanical properties of the bainite ductile iron圖3分級(jí)淬火中含硅量對(duì)貝氏體誘發(fā)相變的影響Fig.3SEM micrographs showing the effects of silicon content on th

12、e induced bainite transformation(a2.8%Si(b3.3%Si(c3.5%Si(d3.77%Si(1含硅量提高,誘發(fā)了貝氏體的形核率提高碳在奧氏體中的溶解度相對(duì)減小,從公式5T M s= 520-300w(C-50w(Mn-30w(Cr-20w(Ni+w(Mo-5w(Cu+w(Si(式中w為試樣中各種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以得到,碳對(duì)馬氏體相變溫度T M s的降低作用比硅大得多,同時(shí)Si的細(xì)化共晶團(tuán)及提高奧氏體化溫度的作用也使T M s升高,故含硅量高,實(shí)際導(dǎo)致T M s升高。這樣,在分級(jí)時(shí)間相同的情況下增大了奧氏體轉(zhuǎn)變的過(guò)冷度T。由于形核率I=Aexp(B/T(式

13、中A和B為常數(shù)6,所以隨著過(guò)冷度的增大,形核率呈指數(shù)上升趨勢(shì),此時(shí)奧氏體中產(chǎn)生的小核胚是從面心立方的母相中轉(zhuǎn)變來(lái)的體心立方(正方,這種體心立方核心可以作為鐵素體或貝氏體核心,也可以作為馬氏體核心;但是,若成為馬氏體核心則需要更大的動(dòng)力5,即T要更大,由于本研究中采用的室溫油分級(jí)等溫淬火的T不很大,且時(shí)間短,不可能為馬氏體相變提供足夠的動(dòng)力,所以這些核胚大部分作為等溫轉(zhuǎn)變時(shí)貝氏體的核心和基底,從而誘發(fā)了貝氏體相變,細(xì)化了貝氏體組織,使硬度和韌性提高。(2含硅量提高,增大了組成相間的界面一方面,硅使T M s下降,導(dǎo)致分級(jí)淬火使少量的高碳馬氏體形成,這些馬氏體的邊界成為貝氏體形核的部位。由圖3可見(jiàn)

14、:沿著馬氏體的邊緣生長(zhǎng)著大量的細(xì)貝氏體針,在分級(jí)淬火中產(chǎn)生的馬氏體,在隨后的等鑄造魏德強(qiáng)等:硅錳對(duì)室溫油分級(jí)等溫淬火貝氏體球墨鑄鐵組織和性能的影響961溫轉(zhuǎn)變中變成回火馬氏體,這種馬氏體與貝氏體復(fù)相組織的韌性并不降低,主要是馬氏體的裂紋擴(kuò)展和應(yīng)力集中現(xiàn)象被韌性較高的貝氏體所抑制;另一方面,硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化,抑制碳化物析出的元素,硅量的增大使球鐵孕育充分,得到數(shù)量多且細(xì)小圓整的石墨(見(jiàn)圖4,即共晶團(tuán)得以細(xì)化,石墨與基體界面的表面積越大,則貝氏體的形核率也越大4,這些都使貝氏體得以細(xì)化。(3含硅量提高,加速貝氏體相變硅能增加奧氏體中碳的活度,使碳向石墨聚集,貧碳區(qū)增加,貝氏體的形核幾率提高,遠(yuǎn)離

15、石墨球區(qū)域,硅使碳的含量起伏加劇,也使奧氏體晶內(nèi)產(chǎn)生貧碳區(qū),而產(chǎn)生部分晶內(nèi)貝氏體形核。硅加速相變,縮短孕育期,對(duì)貝氏體相變不產(chǎn)生拖曳作用,促進(jìn)貝氏體相變更完全,這些都有利于性能的提高。由此可見(jiàn),在本研究的試驗(yàn)條件下,硅含量在3.3%3.8%時(shí),含硅量越大,貝氏體誘發(fā)相變?cè)矫黠@,組織越細(xì)化,硬度和韌性亦高,綜合性能更優(yōu)異,這和文獻(xiàn)7貝氏體相變的結(jié)論相一致。2.2錳對(duì)貝氏體組織和性能的影響為研究錳對(duì)貝氏體球鐵組織和性能的影響,固定其它化學(xué)成分(3.70%C,2.80%Si,0.34%Mo,0.023%S, 0.06%P,錳含量控制在0.16%2.0%范圍內(nèi),球化級(jí)別達(dá)1-2級(jí),球化率為6-8級(jí),熱

16、處理工藝為:920×1h+油淬(出油溫度為180+出油入爐時(shí)間40s+等溫溫度為230×等溫時(shí)間2h。圖5表明,硅量為2.8%時(shí),隨著錳含量的增加,硬度有所增加;而Mn含量在0.5%以下時(shí),沖擊韌性基本不變,當(dāng)Mn含量大于0.5%時(shí),隨著錳含量的增加韌性連續(xù)下降,且下降速度較快。由圖6可見(jiàn),加錳后基體組織為細(xì)小的針狀貝氏體組織,但隨著錳含量的增加組織中錳的偏析較嚴(yán)重,晶界處馬氏體的數(shù)量有所增加,且碳化物沿晶界分布,數(shù)量增加,白區(qū)數(shù)量明顯增多,這是導(dǎo)致韌性下降的主要原因,因而錳的加入量應(yīng)控制在0.5%以下為宜。由圖4和圖7可見(jiàn),在錳量為0.88%不變的情況下,圖4含硅量對(duì)貝氏

17、休球鐵中石墨球大小的影響Fig.4Effects of silicon content on graphite nodule size ofbainite ductile cast iron(a2.8%Si(b3.5%Si圖5錳對(duì)貝氏體球鐵性能的影響Fig.5The effects of Mn on mechanical propertiesof the bainite ductile cast iron圖6錳含量對(duì)貝氏體球鐵組織的影響Fig.6The effects Mn content on the microstructure of the bainite ductile iron(a0

18、.8%Mn(b1.25%Mn(c1.6%Mn適當(dāng)?shù)奶岣吖枇靠墒故驍?shù)量增多,共晶團(tuán)得以細(xì)化,白亮區(qū)數(shù)量減少。由圖2可見(jiàn),錳量不變時(shí)適當(dāng)?shù)奶岣吖杩墒关愂象w球鐵的綜合力學(xué)性能提高,錳量高的貝氏體球墨鑄鐵適量的加入含量更高的硅,綜合力學(xué)性能好。這主要是由于錳是正偏析元素,會(huì)降低奧氏體化溫度,增加奧氏體中的含碳量,使碳的活度下降,穩(wěn)定了奧氏體,對(duì)貝氏體的轉(zhuǎn)變起拖曳作用,使白亮區(qū)增加;而硅是負(fù)偏析元素,能提高奧氏體化溫度,增加碳的活度,細(xì)化共晶團(tuán),使白亮區(qū)減少,性能提高,這樣縮短了貝氏體第一階段轉(zhuǎn)變的速度,使貝氏體轉(zhuǎn)變比較完全,因而白亮區(qū)的數(shù)量相應(yīng)減少。圖7硅和石墨球數(shù)量對(duì)白亮區(qū)的影響Fig.7The

19、 effects of Si and amount of graphite nodule on the white-bright zones(下轉(zhuǎn)第966頁(yè)(上接第962頁(yè)3結(jié)論(1室溫油分級(jí)等溫淬火時(shí),硅含量在3.3%3.8%范圍內(nèi),少量的馬氏體組織和體心晶核可以對(duì)貝氏體相變產(chǎn)生顯著的誘發(fā)作用,細(xì)化貝氏體組織,貝氏體球墨鑄鐵具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。(2錳使貝氏體球墨鑄鐵的硬度提高,韌性降低,當(dāng)錳為0.88%時(shí),硅量可以提高到3.3%3.8%,適當(dāng)提高硅量可使石墨球數(shù)量增多,共晶團(tuán)得以細(xì)化,白亮區(qū)數(shù)量減少,可以提高貝氏體球墨鑄鐵的綜合力學(xué)性能。參考文獻(xiàn):1曾藝成,張忠仇,李克銳.我國(guó)等溫淬火球

20、鐵的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展前景C.全國(guó)鑄鐵及熔煉學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,鄭州:鄭州機(jī)械研究所,2004:10-14.2John R ,Keough ,Peng.ADI2your means to enhanced economic and engineering opportunities (Abridge version C.全國(guó)鑄鐵及熔煉學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,鄭州:鄭州機(jī)械研究所,2004:15-20.3魏德強(qiáng).合金元素對(duì)室溫油分級(jí)等溫淬火貝氏體球鐵組織和性能的影響J.機(jī)械工程材料,2005(12:29-33.4魏秉慶,梁吉,吳德海.貝氏休球墨鑄鐵M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001:17715徐祖耀.馬氏體相變

21、與馬氏體M.北京:科學(xué)出版社,1980:46.6周世權(quán).分級(jí)等溫淬火球墨鑄鐵的組織與性能J.熱加工工藝,1993(5:17-19.7徐祖耀,劉世楷.貝氏體相變與貝氏體M.北京:科學(xué)出版社,1991:87.8魏德強(qiáng).低合金貝氏體球鐵磨球熱處理工藝參數(shù)的確定J.機(jī)械工程材料,2006(7:59-62.(編輯:張?jiān)嗜A,zyh 廣泛應(yīng)用,過(guò)濾器的使用量逐年增加。由于過(guò)濾器的應(yīng)用比較簡(jiǎn)單,對(duì)原有澆注系統(tǒng)稍加改動(dòng)即可,目前從幾公斤的小鑄件到上百噸的大型鑄件都有應(yīng)用。過(guò)濾器應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域:汽車鑄件、發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件(圖6、機(jī)床鑄件、風(fēng)電鑄件(圖7、液壓鑄件、紡織機(jī)械鑄件、其他精密鑄件等。實(shí)踐表明,過(guò)濾技術(shù)可以有效

22、消除夾雜、氣孔缺陷,是提高鑄件質(zhì)量必不可少的工藝手段。目前我國(guó)泡沫陶瓷過(guò)濾器和直孔過(guò)濾器得到廣泛應(yīng)用另一個(gè)重要原因,就是過(guò)濾器國(guó)產(chǎn)化工作做得很好,有些廠家生產(chǎn)規(guī)模也很大,產(chǎn)品的各種性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品水平,完全能滿足鑄造要求,不僅供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng),而且大量出口。國(guó)產(chǎn)化使過(guò)濾器價(jià)格更具有競(jìng)爭(zhēng)力,使鑄造企業(yè)更容易接受這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。7結(jié)束語(yǔ)針對(duì)現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)對(duì)鑄件的質(zhì)量要求更高的特點(diǎn),過(guò)濾技術(shù)可以有效地減少和消除夾雜物、提高鑄件質(zhì)量、降低廢品率,為鑄造企業(yè)帶來(lái)明顯經(jīng)濟(jì)效益,在我國(guó)應(yīng)用范圍迅速增加,隨著越來(lái)越多高品質(zhì)鑄件的需求,人們對(duì)過(guò)濾技術(shù)的認(rèn)識(shí)將不斷深入,應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。參考文獻(xiàn):1黃天佑.我國(guó)鑄造業(yè)的節(jié)能減排C.第八屆中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)年會(huì)