連續(xù)冷卻制備奧氏體貝氏體型球墨鑄鐵工藝研究

連續(xù)冷卻制備奧氏體貝氏體型球墨鑄鐵工藝研究

殖民化和連續(xù)性好。貝氏體強(qiáng)度和硬度高，耐磨性好。以?shī)W氏體和貝氏體為基體的奧氏體-貝氏體型球墨鑄鐵,抗拉強(qiáng)度σb可高于1000MPa,伸長(zhǎng)率δ可達(dá)5%以上,彎曲疲勞強(qiáng)度和耐磨性也比較高,其綜合性能優(yōu)于普通球墨鑄鐵,也優(yōu)于貝氏體球墨鑄鐵和調(diào)質(zhì)處理的球墨鑄鐵,因此它受到普遍關(guān)注,其應(yīng)用也日益廣泛。筆者研究了奧氏體-貝氏體型球墨鑄鐵的化學(xué)成分對(duì)其組織和性能的影響。1等溫冷卻普通球墨鑄鐵的基體組織通常是鐵素體、珠光體或鐵素體+珠光體。若要獲得奧氏體-貝氏體型球墨鑄鐵,需采用等溫淬火,這就使生產(chǎn)周期延長(zhǎng)、能量消耗增大、成本提高。鹽浴等溫淬火,還會(huì)污染環(huán)境,影響人體健康。所以,筆者試圖通過(guò)連續(xù)冷卻獲得奧氏體-貝氏體型球墨鑄鐵。1.1穩(wěn)定常以鐵為原料的單位要獲得強(qiáng)度高、韌性好、耐磨的奧氏體-貝氏體型球墨鑄鐵必須控制好化學(xué)成分。鑄鐵過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變C曲線的形狀和位置應(yīng)有利于奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變。錳、鎳、銅擴(kuò)大奧氏體區(qū),穩(wěn)定奧氏體;鉬強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變,提高其形成溫度,有助于獲得貝氏體,還能抑制磷、硫、砷和銻等有害雜質(zhì)元素向奧氏體晶界偏聚,減少脆性。另外,錳、鉬、鎳和銅都使合金的C曲線右移,不但提高了淬透性,而且縮短了處理時(shí)間。出于以上考慮,在普通珠光體球墨鑄鐵成分的基礎(chǔ)上,添加了錳、鉬、鎳和銅等元素,將鑄鐵的化學(xué)成分確定為(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%):C3.5~3.7,Si2.5~3.0,Mn0.5~2.5,Ni0~2,Cu0.6~1.0,Mo0.4~0.8,S<0.03,P<0.07。1.2過(guò)冷責(zé)任保險(xiǎn)法以生鐵Q14、廢鋼、電解鎳板、紫銅板、60Mo-Fe、65Mn-Fe、孕育劑75Si-Fe和球化劑FeSiMg8RE7等為爐料。熔煉時(shí),將生鐵、廢鋼等放入60kW高頻感應(yīng)電爐的10kg小爐體內(nèi),熔清后依次加入鉬鐵、錳鐵、鎳板和紫銅板,用硅鐵調(diào)整硅含量。用沖入法進(jìn)行孕育處理和球化處理,澆注20mm×20mm×110mm的無(wú)缺口沖擊試樣。為抑制過(guò)冷奧氏體在較高溫度下發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變,高溫打箱后,快速冷卻到450~350℃的貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍,迅速將試樣置于具有保溫性能的介質(zhì)中緩慢冷卻,以便利用試件自身的熱量完成過(guò)冷奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變。隨后對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試、沖擊試驗(yàn)、金相組織觀察和成分分析。2錳與鎳的作用對(duì)主要合金元素和工藝參數(shù)做了正交優(yōu)化設(shè)計(jì),保溫介質(zhì)分別選用熱砂、煤灰、硅酸鈉和巖棉等,均獲得了奧氏體-貝氏體型組織,其中用巖棉冷卻的效果較好。采用巖棉冷卻時(shí),鑄件在900~880℃打箱,空冷至550~500℃(一般控制在500℃左右)后用巖棉覆蓋包裹,使試件在450~350℃內(nèi)緩慢冷卻發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變,形成上貝氏體和下貝氏體,最終得到以貝氏體+奧氏體為主的基體組織。每爐均澆注多個(gè)試件以進(jìn)行硬度和沖擊韌性的重復(fù)測(cè)試。其中最具有代表性的鑄鐵成分及性能列于表1。本研究是以珠光體球墨鑄鐵的成分為基礎(chǔ)開(kāi)展的,前期工作已摸索到鉬、銅的合理配比,其含量不高、變化也不大。獲得奧氏體和貝氏體主要依靠鎳和錳的作用。表1所列試樣分別是以鎳錳或鎳+錳為主要添加元素的鑄鐵。第2、4、5爐試樣的金相組織如圖1(a)~(c)所示,圖中黑色針片狀組織為貝氏體,白色部分是奧氏體。第1、2爐是以鎳為主,配入少量銅和鉬的鑄鐵。可以看到:減少鎳含量使塑性、韌性降低,而硬度、強(qiáng)度升高。這是因?yàn)殒嚥坏偈硅T鐵獲得面心立方晶格的奧氏體,而且自身也是面心立方晶格,其滑移面多,易于發(fā)生滑移變形的方向也多,對(duì)塑性、韌性的貢獻(xiàn)較大,所以其作用十分明顯。銅也具有相同的作用,可是其含量較少,影響也就小。鉬則有助于獲得貝氏體,同時(shí)減小合金的脆性。因?yàn)槲覈?guó)的鎳礦少,價(jià)格比較高,所以本研究試圖以錳替代鎳。錳也能擴(kuò)大奧氏體區(qū),促進(jìn)奧氏體形成,其作用與鎳類似。但是錳不是面心立方晶格的金屬,所以錳的作用不如鎳大。錳溶入奧氏體、鐵素體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用,使球鐵的強(qiáng)度、硬度升高,但塑性、韌性有所下降。錳會(huì)溶入滲碳體,形成(Fe、Mn)3C,增大材料的脆性。另外,錳還是一種很容易發(fā)生偏析的元素,其單獨(dú)在液相與共晶相中的平衡分配系數(shù)為0.64,是正偏析,容易偏析在共晶團(tuán)之間,致使材料的脆性進(jìn)一步增大。為消除或減輕錳含量增加所帶來(lái)的不良影響,提高了硅的含量,以強(qiáng)化孕育作用,增加石墨球的數(shù)量,抑制(Fe、Mn)3C的形成。另外加入一定量的鎳和銅,以增加基體的韌性。鎳和銅的平衡分配系數(shù)分別是1.33和1.43,是負(fù)偏析,其偏析方向與錳相反,可以阻礙或消弱錳的偏析。基于這種考慮,在配制無(wú)鎳球鐵時(shí),適當(dāng)增加了銅的含量以增加球鐵的塑性和韌性。第3爐錳的含量為2.15%,是5爐中最高的。為消除其負(fù)面影響,硅的含量相應(yīng)提高到3%,然而其硬度只有HRC47,αk為26J/cm2,并不比第4爐高。這是因?yàn)殄i和硅均使C曲線右移,Ms降低,但錳的作用比較大,這樣就增加了奧氏體的含量。另外,錳含量高時(shí),滲碳體數(shù)量多,偏析嚴(yán)重,而硅有促使奧氏體晶粒粗化的作用,會(huì)增大脆性,所以,合金的硬度和沖擊韌性較低。第4爐恢復(fù)了硅和錳的配比,其硬度和沖擊韌性也得以提高。從以上4爐的結(jié)果可以看到:以鎳為主要添加元素的鑄鐵塑韌性好,但強(qiáng)度和硬度略有不足;以錳為主要添加元素的鑄鐵強(qiáng)度、硬度高而塑性、韌性不足。若要獲得塑性、韌性、強(qiáng)度、硬度、耐磨性俱佳的奧氏體-貝氏體型球墨鑄鐵,需將錳、鉬、鎳和銅合理搭配。第5爐鑄鐵在增加錳含量的同時(shí)保留了一定量的鎳和銅,它們不形成碳化物,可以保持合金的塑性和韌性。鉬促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變,使基體有一定數(shù)量的貝氏體,可減小脆性。錳和鉬的碳化物則提高耐磨性。第5爐鑄鐵的αk可達(dá)42J/cm2,硬度(HRC)可達(dá)45,這是合理搭配各元素的結(jié)果。第5爐鑄鐵的金相照片和電鏡照片如圖1(c)、(d)所示,圖中的條狀或針狀組織是貝氏體,其余為奧氏體。該鑄鐵可用來(lái)制作小能量反復(fù)沖擊的小型抗磨工件,如磨球、襯板等。鑄鐵的化學(xué)成分和工藝設(shè)計(jì)應(yīng)確保過(guò)冷奧氏體在發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變的中溫區(qū)有一個(gè)比較緩慢的冷卻過(guò)程。合金的成分和工藝條件不同,所得到的奧氏體-貝氏體型球墨鑄鐵的基體組織有差異。奧氏體和貝氏體在基體中的相對(duì)含量不同,性能亦會(huì)發(fā)生變化。設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)對(duì)工件性能的要求加以調(diào)整:若要求強(qiáng)度、硬度較高,可以錳為主要添加元素,轉(zhuǎn)入保溫介質(zhì)的溫度略低一些;若要求塑性、韌性好則應(yīng)以鎳為主要添加元素,轉(zhuǎn)入保溫介質(zhì)的溫度可高一些;合理搭配錳、鎳含量才能獲得綜合性能較好的奧氏體-貝氏體型球墨鑄鐵。3以鎳為主要添加元素的球墨鑄鐵為主要成分,配以鎳為主要組分為主要成分的鎳粉為主要成分,建議將鎳初產(chǎn)物為有機(jī)成分,并將其作為初代元素和銅為主要成分的微量元素m(1)以錳為主要添加元素,配以適量的鉬、銅獲得的奧氏體-貝氏體型球墨鑄鐵,硬度可達(dá)HRC47