準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵的組織分析

1、準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵的組織分析舒信福，張曉龍，常殿存，舒蕊，朱延?xùn)|，李鈴芳(昆明理工大學(xué)材料加工專業(yè)，云南昆明650093)摘 要：采用掃描電鏡和X射線衍射儀對(duì)準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵的組織結(jié)構(gòu)、斷口形貌和微區(qū)成分進(jìn)行了分析和研究。結(jié)果表明，經(jīng)準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體工藝處理后，低碳球鐵的基體組織以針狀無(wú)碳貝氏體為主，并有25%28%的奧氏體；準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵韌塑性的提高，與其組織中形成的大量奧氏體和鑲嵌在當(dāng)中的針狀無(wú)碳貝氏體密切相關(guān)。關(guān)鍵詞：低碳球鐵；準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體；組織1引言低碳球鐵是在不加鎂和稀土的情況下，用某些反球化表面活性元素為主要組元組成一種新型Sx變質(zhì)劑，對(duì)含(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)1.22.0C，1

2、.83.0Si的超亞共晶低碳鐵水進(jìn)行變質(zhì)處理，在鑄態(tài)下得到的一種石墨球細(xì)小、圓整，綜合力學(xué)性能較高的新型球鐵1。準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵23是利用鑄鐵奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的原理，對(duì)低碳球鐵進(jìn)行較低級(jí)別的低合金化處理，然后在鑄件澆注后進(jìn)行高溫打箱、控制冷卻、在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度充分保溫的工藝措施，使其基體組織轉(zhuǎn)變?yōu)橐葬槧顭o(wú)碳貝氏體為主，并兼有足夠數(shù)量奧氏體的復(fù)相組織。準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體工藝4，5可利用少量、廉價(jià)的Si-Mn-Cr-Cu合金(Cr+Cu1%)代替昂貴的Ni-Mo-Cu合金(Ni+Mo+Cu2%)，對(duì)傳統(tǒng)球鐵、灰口鑄鐵、低碳球鐵等進(jìn)行處理。該工藝與精密鑄造、真空消失模鑄造等先進(jìn)的鑄造工藝結(jié)合，可生產(chǎn)少切

3、削、無(wú)切削的近凈成型鑄件，這一生產(chǎn)模式不僅有著較高的經(jīng)濟(jì)效益，而且還有著很好的社會(huì)效益和工程實(shí)用價(jià)值。本文對(duì)準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和研究，并為準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供相應(yīng)的理論依據(jù)。2試驗(yàn)材料及方法試驗(yàn)研究對(duì)象為60mm100mm的球磨機(jī)磨球、破碎機(jī)錘頭、柴油機(jī)曲軸、凸輪軸等產(chǎn)品。熔煉設(shè)備為500kg可控硅中頻電爐，鑄件及有關(guān)試樣通過(guò)真空消失模鑄造工藝獲得；準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵的主要原料為碳鋼邊角料、昆明鋼鐵廠煉鋼生鐵、75硅鐵、錳鐵、中碳鉻鐵、電解銅及Sx變質(zhì)劑。低碳球鐵的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為1.22.0C、1.83.0Si、0.82.0Mn、0.1S、0

4、.1P、余量Fe。爐料基本化清時(shí)在爐內(nèi)加入硅鐵、錳鐵和少量鉻鐵、電解銅對(duì)鐵液進(jìn)行Si2Mn2Cr2Cu低合金化處理(Cr+Cu1%)。鐵水出爐溫度為15001550，出爐時(shí)在包內(nèi)加入鐵水質(zhì)量0.5%0.7%的Sx變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)后不需再進(jìn)行孕育處理即可獲得理想的球化效果。組織分析和力學(xué)性能試樣均取自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，采用JSM25600LV高、低真空掃描電鏡和D/MAX230型X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)分析，采用拉斷后的試樣在CambridgeS250MK2型掃描電鏡上進(jìn)行斷口分析。3試驗(yàn)結(jié)果及分析圖1為準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵中的石墨和基體組織照片。由圖1可見(jiàn)，低碳球鐵中石墨細(xì)小圓整，分布均

5、勻，球化率約為12級(jí)，石墨球大小為67級(jí)；金屬基體主要由上、下貝氏體和殘留奧氏體組成。基體組織仍然是針狀無(wú)碳貝氏體+奧氏體，其中的高碳相是細(xì)小、圓整的球狀石墨。球狀石墨的析出，從根本上抑制了針狀無(wú)碳貝氏體周圍碳化物的出現(xiàn)；奧氏體除具有很強(qiáng)的加工硬化能力外，還能減緩裂紋的擴(kuò)展速率，并在低溫下仍有很高的穩(wěn)定性6，7；而針狀無(wú)碳貝氏體除使材質(zhì)具有很高的強(qiáng)度外，還由于鑲嵌在奧氏體中，使得低碳球鐵的韌性和塑性得到較大的提高。圖2為準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵的斷口形貌照片。由圖2a可見(jiàn)，該斷口中存在著數(shù)量較多的奧氏體枝晶。枝晶的主軸和二次晶、三次晶清晰可見(jiàn)。由于這些奧氏體枝晶的存在，一方面增加了低碳球鐵鑄件形成

6、顯微縮松的幾率，另一方面，又可明顯提高低碳球鐵的韌塑性。圖2b上部呈現(xiàn)出具有河流花樣的解理特征，裂紋源位于照片中部臺(tái)階的后面；而中部由一些相互平行的小臺(tái)階組成，如果仔細(xì)觀察可以看到這些臺(tái)階的平面上還分布著很多河流花樣，這些臺(tái)階應(yīng)屬于萘狀斷口花樣；下部則由大小不一的韌窩組成。由此可以判斷，準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵的斷裂形式屬于韌-脆性混合型斷口。 圖1準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵中的石墨形貌(a)和基體微觀組織(b) (a)奧氏體枝晶 (b)韌脆性混合斷口圖2準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵斷口圖3為未經(jīng)鑄態(tài)貝氏體工藝處理的珠光體低碳球鐵的斷口形貌，由圖3可見(jiàn)，其斷口仍應(yīng)屬于脆性穿晶斷裂的范疇，基本由排列整齊的一個(gè)個(gè)平

7、臺(tái)組成，經(jīng)仔細(xì)觀察，這種類似臺(tái)階的斷口形貌同樣應(yīng)該屬于萘狀斷口花樣8，9。通過(guò)圖2和圖3的對(duì)比可清楚地表明，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體工藝處理后的準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵，韌塑性得到了明顯提高，毫無(wú)疑問(wèn)，這與其組織中形成的大量奧氏體和鑲嵌在其中的針狀無(wú)碳貝氏體有著密切的聯(lián)系。 圖3珠光體低碳球鐵的解理斷口 圖4準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵的X射線衍射圖譜圖4是對(duì)該球鐵所作的X射線衍射圖。由圖4所示的X射線衍射儀的測(cè)定結(jié)果可見(jiàn)，在準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵組織中奧氏體所占比例約為25%28%，該分析結(jié)果進(jìn)一步表明，準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體工藝對(duì)低碳球鐵的奧氏體針狀無(wú)碳貝氏體組織中殘留奧氏體的形成轉(zhuǎn)變起到了極為重要的作用。圖5為對(duì)準(zhǔn)鑄態(tài)

8、貝氏體低碳球鐵試樣的石墨球邊緣1號(hào)、中心2號(hào)和奧氏體基體3號(hào)進(jìn)行微區(qū)成分分析的照片。由圖5可見(jiàn)，在球狀石墨/金屬基體界面，富集了C、O、Fe、Si、Cr等元素，其中C除了形成石墨外，還和Si、O以CaCO3、CaC2和SiO2的形式出現(xiàn)；在石墨球中心，C的濃度明顯高于石墨球邊緣的，O和Fe的濃度則明顯低于石墨球邊緣的；C主要為石墨，也有部分以CaCO3、CaC2的形式出現(xiàn)；在奧氏體區(qū)域，F(xiàn)e的濃度特別高，C和Si有少量富集。結(jié)果表明，準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵中奧氏體的含碳量明顯高于鋼中奧氏體的含碳量，這顯然與石墨球及針狀無(wú)碳貝氏體的形成有著某種內(nèi)在的聯(lián)系。圖5準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵的石墨球邊緣1號(hào)(

9、a，a)、中心2號(hào)(b，b)和奧氏體基體3號(hào)(c，c)微區(qū)成分分析4討論從動(dòng)力學(xué)的角度分析，等溫淬火球鐵之所以要加入一定數(shù)量的Ni、Mo等合金元素，主要是為了擴(kuò)大奧氏體區(qū)域，使C曲線右移，抑制奧氏體的分解；二是通過(guò)對(duì)球鐵等溫動(dòng)力學(xué)曲線的影響，使其形狀變?yōu)榫哂袃蓚€(gè)鼻子的S曲線，以便按照需要穩(wěn)定地獲得以無(wú)碳貝氏體為主，并在室溫下穩(wěn)定地保留一定數(shù)量(25%28%)奧氏體組織。另外，加入某些合金元素，可大大提高球鐵的強(qiáng)韌性，使其綜合力學(xué)性能得到加強(qiáng)。按此思路，凡是能夠滿足上述要求的合金元素都應(yīng)該在選擇范圍之內(nèi)，但如果從市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的角度考慮問(wèn)題，則應(yīng)根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，在保證滿足上述要求的基礎(chǔ)上盡量選擇價(jià)廉易

10、得的合金。準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵利用Si-Mn-Cr-Cu合金(Cr+Cu1%)代替Ni-Mo-Cu合金(Ni+Mo+Cu2%)，正是基于上述原則進(jìn)行的。在準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體低碳球鐵中，Mn/Si含量控制在0.70%0.85%，Cr含量控制在0.2%0.3%，Cu的加入量控制在0.5%以下。準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體工藝既克服了等溫淬火耗能耗時(shí)嚴(yán)重，工藝技術(shù)復(fù)雜的缺點(diǎn)，又避免了純粹鑄態(tài)工藝性能指標(biāo)分散，總體水平較低，需加入較多鎳鉬銅合金使生產(chǎn)成本大大增加的不足。本研究中，通過(guò)XWC2314型多點(diǎn)電子電位差計(jì)，測(cè)定出不同直徑磨球(或曲軸、凸輪軸、錘頭等)在消失模中隨型冷卻的凝固動(dòng)態(tài)曲線，并由此計(jì)算出它們?cè)谏诚鋬?nèi)隨型分

11、別冷卻到890910所需的時(shí)間以及打箱后在冷卻介質(zhì)中分別冷卻到340370所需時(shí)間，加以嚴(yán)格控制。鑄件落砂后立即裝入料筐內(nèi)放入冷卻介質(zhì)中，按照不同鑄件所需停留時(shí)間控制鑄件從冷卻介質(zhì)中取出的時(shí)間；取出后迅速放入事先設(shè)置好溫度的井式電爐中進(jìn)行等溫處理。等溫時(shí)間定為45min，等溫結(jié)束以后即可將鑄件取出空冷到室溫。采用準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體工藝，大大節(jié)省了添加鎳鉬合金的費(fèi)用，省去了鑄件的高溫?zé)崽幚砗拖觖}的等溫處理，降低了能耗，保護(hù)了環(huán)境，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境。環(huán)境污染的減少，使企業(yè)內(nèi)部及企業(yè)周邊的環(huán)境都得到了有效地改善，大大緩解了企業(yè)與周邊單位和農(nóng)民的矛盾。5結(jié)論(1)利用準(zhǔn)鑄態(tài)貝氏體工藝，可