硅錳對室溫油分級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)過程中能耗高,污染嚴(yán)重等問題。本研究針對室溫油分級等溫淬火工藝進(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,對組織及性能變化的影響很大,研究硅、錳在室溫油分級等溫淬火中的作用對降低生產(chǎn)成本和此工藝的應(yīng)用有重要意義。1試驗條件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法進(jìn)行檢驗。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 ,球化級別1-3級,球化率為6-8級。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。作者簡介:魏德強(1963-,男,吉林榆樹人

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.中國石油吉林石化分公司,吉林132022摘要:研究了室溫油分級等溫淬火時,硅和錳對貝氏體球墨鑄鐵磨球組織和性能的影響。試驗結(jié)果表明:硅含量在3.3%3.8%時,對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:分級等溫淬火;貝氏體;球墨鑄鐵;誘發(fā)相變中圖分類號:TG255文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: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硅錳對室溫油分級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點稍下,

8、然后在Ms點稍上放入等溫爐中,最后出爐空冷。熱處理工藝過程包括四個階段:奧氏體化;利用冷油(室溫油使奧氏體冷卻到Ms點稍下;在Ms點稍上等溫,以后完成等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w的過程;在規(guī)定的保溫時間后,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+出油入爐時間(5100s+等溫溫度為(210310×等溫時間(13h8。1.2試驗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)變在SX-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號機(jī)油,采用水銀溫度計測油溫,用表面溫度計測量磨球和試樣表面的溫度;使用HR-150A型布洛維三維硬度計測硬度,取三點以上的平均值,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,按GB22984金屬夏比沖擊試驗方法進(jìn)行;硬度測定是在沖擊試樣上任取試樣斷面多于三點進(jìn)行測試的平均值,按GB/T2301983金屬洛氏硬度試驗法進(jìn)行。2試驗結(jié)果與分析2.1硅對貝氏體的誘發(fā)相變?yōu)檠芯抗鑼ω愂象w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),球化級別達(dá)1-2級,球化率為6-8級,熱處理工藝為:920960×1h+油淬(出油溫度為180+出油入爐時間40s+等溫溫度230×等溫時間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%時可使錳量提高到0.88%時,硬度增加的同時,韌性也有所增加,因此硅量較高時,適當(dāng)?shù)脑黾渝i可以用來生產(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等溫淬火,由圖3可見,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,貝氏體針沿馬氏體周邊向外生長,即對貝氏體形成產(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%時無明顯誘發(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分級淬火中含硅量對貝氏體誘發(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,碳對馬氏體相變溫度T M s的降低作用比硅大得多,同時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,實際導(dǎo)致T M s升高。這樣,在分級時間相同的情況下增大了奧氏體轉(zhuǎn)變的過冷度T。由于形核率I=Aexp(B/T(式

13、中A和B為常數(shù)6,所以隨著過冷度的增大,形核率呈指數(shù)上升趨勢,此時奧氏體中產(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力5,即T要更大,由于本研究中采用的室溫油分級等溫淬火的T不很大,且時間短,不可能為馬氏體相變提供足夠的動力,所以這些核胚大部分作為等溫轉(zhuǎn)變時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

14、:沿著馬氏體的邊緣生長著大量的細(xì)貝氏體針,在分級淬火中產(chǎn)生的馬氏體,在隨后的等鑄造魏德強等:硅錳對室溫油分級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,在本研究的試驗條件下,硅含量在3.3%3.8%時,含硅量越大,貝氏體誘發(fā)相變越明顯,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錳對貝氏體組織和性能的影響為研究錳對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),球化級別達(dá)1-2級,球化率為6-8級,熱

16、處理工藝為:920×1h+油淬(出油溫度為180+出油入爐時間40s+等溫溫度為230×等溫時間2h。圖5表明,硅量為2.8%時,隨著錳含量的增加,硬度有所增加;而Mn含量在0.5%以下時,沖擊韌性基本不變,當(dāng)Mn含量大于0.5%時,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,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,在錳量為0.88%不變的情況下,圖4含硅量對貝氏

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,錳量不變時適當(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(上接第962頁3結(jié)論(1室溫油分級等溫淬火時,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,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.我國等溫淬火球

20、鐵的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展前景C.全國鑄鐵及熔煉學(xué)術(shù)會議論文集,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.全國鑄鐵及熔煉學(xué)術(shù)會議論文集,鄭州:鄭州機(jī)械研究所,2004:15-20.3魏德強.合金元素對室溫油分級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.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:張允華,zyh 廣泛應(yīng)用,過濾器的使用量逐年增加。由于過濾器的應(yīng)用比較簡單,對原有澆注系統(tǒng)稍加改動即可,目前從幾公斤的小鑄件到上百噸的大型鑄件都有應(yīng)用。過濾器應(yīng)用在多個領(lǐng)域:汽車鑄件、發(fā)動機(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。實踐表明,過濾技術(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。目前我國泡沫陶瓷過濾器和直孔過濾器得到廣泛應(yīng)用另一個重要原因,就是過濾器國產(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)到了國外同類產(chǎn)品水平,完全能滿足鑄造要求,不僅供應(yīng)國內(nèi)市場,而且大量出口。國產(chǎn)化使過濾器價格更具有競爭力,使鑄造企業(yè)更容易接受這項先進(jìn)技術(shù)。7結(jié)束語針對現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)對鑄件的質(zhì)量要求更高的特點,過濾技術(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)帶來明顯經(jīng)濟(jì)效益,在我國應(yīng)用范圍迅速增加,隨著越來越多高品質(zhì)鑄件的需求,人們對過濾技術(shù)的認(rèn)識將不斷深入,應(yīng)用必將越來越廣泛。參考文獻(xiàn):1黃天佑.我國鑄造業(yè)的節(jié)能減排C.第八屆中國鑄造協(xié)會年會