（材料加工工程专业论文）等温淬火球墨铸铁（adi）的新型热处理研究.pdf

等温淬火球墨铸铁( a d i ) 的新型热处理研究 摘要 近年来等温淬火球墨铸铁( a d i ) 被用做重要的工程应用材料，由于其优越可 靠的静力学和动力学性能，降噪音的独特优势，还兼具低成本的吸引力，在国 际上a d i 汽车零部件正以每年2 5 的速度飞速增长，应用范围正不断拓广。 然而a d i 仍属不断扩展的新型材料，有许多应用及基本规律方面的问题还 需人们去不断探索。本文具体研究内容及主要结论如下： 第一，针对具体对象探讨工艺规范对a d i 组织与性能的影响规律，重点探 索a d i 的热处理工艺新的方法、规程和规律，进一步改善组织、提高性能。 第二，探索了“两步法”等温淬火热处理新工艺，即先在较低温度下短时 等温，再迅速升至高温等温。与传统的等温淬火工艺相比，“两步法”组织得到 显著细化，而基体组织中残余奥氏体体积分数及含碳量无明显不同。从而在性 能上既提高硬度又改善韧性，这是普通淬火工艺所无法取得的效果。 第三，采用高频感应淬火对高韧性a d i 进行表面硬度强化。本文采用两种 不同的表面高频淬火工艺( 一次高频感应淬火，二次高频感应淬火) ，着重探讨 了不同高频感应淬火工艺规范对a d i 表层组织及硬度的影响。研究结果表明， 二次高频淬火在不影响芯部韧性的情况下，大大提高表面硬度，增强表面耐磨 性。这对扩展a d i 的应用范围具有重要意义。 本文总结了不同工艺方法的规范和参数对于组织与机械性能的具体影响规 律。并对现象及规律从理论上进行了讨论和分析。 关键词：a d i ；两步法等温淬火； 高频感应淬火：微观组织；机械性能 t h ei n v e s t i g a t i o no nt h en o v e lh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e so fa d i a b s t r a c t a u s t e m p e r e dd u c t i l ec a s ti r o n ( a d i ) h a se m e r g e da sa ni m p o r t a n te n g i n e e r i n g m a t e r i a li nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，u n i q u ea d v a n t a g eo f r e d u c i n gn o i s e ，a t t r a c t i v el o w e rp r o d u c t i o nc o s t ，a d ih a sg o tm o r ea n dm o r e a p p l i c a t i o n si nv a r i o u si n d u s t r i e s ，a n dp r o d u c t i o ni n c r e a s e sb y2 5 e v e r yy e a ra l l o v e rt h ew o r l d h o w e v e r ，a d is t i l lb e l o n g st on e wm a t e r i a l s o m ei s s u e sa b o u ta p p l i c a t i o na n d s p e c i f i cp r i n c i p l e sa r es t i l ln e e d e dt ob ee x p l o r e d m a i nc o n t e n t si n t h i sp a p e ra r ea s f o l l o w e d ： f i r s t l y ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e do nt h ee f f e c t so fh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so n m i c r o s t r u c t u r e sa n d p r o p e r t i e s o fa d i ，e s p e c i a l l yn o v e lm e t h o d s ，r u l e sa n d p r i n c i p l e s ，i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v ep r o p e r t i e s s e c o n d l y ，t w o - s t e pa u s t e m p e r i n gp r o c e s si sa d o p t e d ，n a m e l y , t h es a m p l e sa r e a u s t e m p e r e di nl o w e rt e m p e r a t u r es a l tb a t hf o ram o m e n ta f t e ra u s t e n i t i z i n g ，t h e n t h es a l tb a t hi sh e a t e dt oah i g h e rt e m p e r a t u r ei m m e d i a t e l y c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a la u s t e m p e r e dp r o c e s s ，t h i sn e wm e t h o dw o u l do b t a i nm u c hf i n e rs t r u c t u r e w i t hn e a r l ys a m ev o l u m ef r a c t i o no fr e t a i n e da u s t e n i t ei nm a t r i xa n dc a r b o nc o n t e n t o fa u s t e u i t e h i g hh a r d n e s sa n db e t t e rd u c t i l i t ya r eo b t a i n e dw i t ht h i sm e t h o d ， w h i c hw o u l dn o tb eg a i n e dw i t ht r a d i t i o n a lp r o c e s s t h i r d l y ，i n d u c t i o ns u r f a c eh a r d e n i n gi sc a r r i e do u t0 na d i t w op r o c e s s e s ( i n d u c t i o ns u r f a c eh a r d e n i n ga n dt w o s t e pi n d u c t i o ns u r f a c eh a r d e n i n g ) a r ea d o p t e d t oe x p l o r et h ee f f e c to fd i f f e r e n ti n d u c t i o ns u r f a c eh a r d e n i n gp r o c e s s e so nt h e s u r f a e es t r u c t u r ea n dh a r d n e s s r e s u l t ss h o wt h a ti nc o n d i t i o no fm a i n t a i ni n n e r d u c t i l i t y ，s u r f a c eh a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c e a r e o b v i o u s l yi m p r o v e dw i t h t w o s t e pi n d u c t i o ns u r f a c eh a r d e n i n g ，w h i c hh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei ne n l a r g i n gt h e a p p l i c a t i o no fa d i t h ep r i n c i p l e sa n de f f e c t so fd i f f e r e n tp r o c e s s e so ns t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa r em a i n l ys u m m a r i z e d d i s c u s s i o na n da n a l y s i sa r ec a r r i e do u ta b o u t t h ep h e n o m e n o na n dp r i n c i p l e sf r o mt h e o r e t i c a lv i e w k e yw o r d s ：a d i ；i n d u c t i o ns u r f a c eh a r d e n i n g ；t w o s t e p a u s t e m p e r i n gp r o c e s s ； m i c r o s t r u c t u r e ：m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1 0 图1 1 1 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 插图清单 a d i 显微组织的x ，r d 分析3 等温淬火球墨铸铁的等温处理过程4 等温淬火过程中组织转变示意图4 残余奥氏体含量随温度的变化7 不同等温温度下铁素体的形态图8 等温保温时间对残余奥氏体量的影响8 a d i 及常用合金材料ob 与6 9 a d i 及常用合金材料疲劳强度9 a d i 及常用合金材料断裂韧性1 0 a d i 及常用合金材料耐磨性1 0 a d i 在汽车零件中的应用1 0 浇注用湿型砂砂型示意图1 4 夏比v 型冲击试样尺寸1 8 球铁铸态组织1 9 铁素体及残余奥氏体随保温时间的变化2 0 3 4 0 等温淬火下金相组织2 1 奥氏体3 4 0 等温转变过程示意图。2 2 3 4 0 保温后的性能变化2 3 等温淬火2 8 0 下不同保温时间的组织对比2 4 2 8 0 保温后的性能变化2 4 等温淬火3 1 0 下不同保温时间的组织对比2 5 3 1 0 保温后的性能变化2 6 等温淬火3 7 0 下不同保温时间的组织对比2 6 3 7 0 保温后的硬度变化2 7 不同等温温度、保温时间均为9 0 r a i n 时金相组织的比较2 8 保温时间9 0 m i n 不同淬火温度下的性能变化2 9 传统( 单步) 等温淬火和两步法等温淬火过程示意图3 2 两步法热处理( 低温2 8 5 * ( 2 不同时间高温3 4 0 。c ) 后的金相组织3 3 两步法热处理( 低温2 8 5 不同时间高温3 5 5 ) 后的金相组织3 4 3 4 0 下的传统工艺和两步法工艺的组织对比3 4 两步法工艺和2 8 5 下的传统工艺的组织对比3 5 3 5 5 时两步法不同热处理参数与传统工艺下的硬度对比一3 5 “两步法”以及传统工艺下的硬度对比3 6 图4 培“两步法”与传统工艺下a d i 的韧性对比3 7 图5 1 一次高频感应淬火工艺的金相组织4 l 图5 - 2一次高频淬火与等温淬火的硬度对比4 2 图5 - 3两种不同高频淬火工艺的性能对比4 3 图5 - 4两种高频淬火工艺的微观组织比较4 4 表格清单 表1 1 美国a s t m 五级a d i 标准一 表1 2 欧洲d i n e n 四级a d i 标准 表1 3日本a d i 三级标准 表2 1试验a d i 要求成分( ) 表2 2试验用生铁成分( ) 表2 3 球化剂、孕育荆、钼铁的成分f ) 表3 1热处理工艺参数的选择 2 2 2 1 3 1 3 1 4 2 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果灌 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 盒a 竖。、业厶堂 或其他教育机构的掌位或证书_ 珈使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名去1 妇钗 签字a 期：p 扣 ，月名a 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒曼王些左堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留井 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒胆 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 傈密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名二；1 咖状 签字目叫年v 月如1 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址； 导师签名 签字日期 电话 邮编 l 一 次胁? 印 年 致谢 研究生生活即将告一段落1 2 0 0 3 年9 月，我荣幸地加入我的导师祖方道敦 授的团队：即将挥手告别难忘的昨天，往事历历在目，其间无数老师同学和亲 人朋友给予我的关心与支持，使我难以忘怀! 衷心地感谢我的导师祖方道教授，两年多的相处中，祖老师一直身体力行 的教导我如何正确的做人和做事：做人要诚信正直有责任心，做事要有信心克 尽本份不怕困难，这将一直是我人生中的灯塔，指导我前进的每一步! 祖老师 治学态度严谨、工作作风踏实、学术思维开阔、知识渊博、见解独到，总是高 屋建瓴的指导着我从事科研。祖老师为我的学习科研实验提供了很好的物质条 件、严格要求的科研氛围，让两年多前在学术上是一张白纸的我懂得如何去分 析、总结、提出和解决问题，让我的思维方式和科研素质得到系统的训练，因 此读研的生活交得多姿多彩! 所有的这一切无不浸透着祖老师的心血，这些都 将使我在以后的人生中受益匪浅，真心的感谢祖老师! 研究室的刘兰俊老师在论文撰写中提出许多宝贵意见和建议，感谢刘老师 给予具体的指导和巨大帮助，感谢余瑾老师、李先芬老师给予我学习上的帮助! 感谢铸造实验室的熊振茵、郑玉春、王强、何元祥、张明秀、王学伦等老师韵 帮助。感谢师兄席赞、陈志浩博士，同学沈融融、张燕、徐炜、丁国华，师弟 孙其强、孟庆一、赵飞、陈红圣、益汛、周兵、陈轶平在实验工作中给予的帮 助。感谢同学戴光星、徐亮、周庆涛、陈杰、邵丁伟、陆佳平、蒋海峰、郑相 锋等在学习和生活中的帮助。 我要衷心地感谢我的父亲、母亲、弟弟及亲戚朋友背后默默的关心和支持， 他们给了我无尽的关怀和无穷的力量，他们是我生命中永远坚强的后盾，激励 我在人生道路上一直努力前进! 谨以此文献给我的父亲、母亲、弟弟! 作者：刘海明 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 l ia d i 的历史简述及现状 自从法国的r e a u m u r 于1 7 2 2 年制成了白心可锻铸铁以来r 人们便不断对 获得高性能铸铁进行大量的研究。1 8 2 6 年b e t h b o y d e n 发明了黑心可锻铸铁， 随后在二十世纪，对铸铁的研究有了更太的进展。i _ 9 4 - 7 年，英国的m o r r o g h 发 现了铸态下存在球状石墨 i - 3 1 次年通过在高碳、低硫、低磷的灰铸铁中加入 c e ，并使其残留量保持在o 0 2 以上，制得了球墨铸铁。几乎与此同时，美国 国际公司( i n c o ) 加格奈宾( g a g n e b l n ) 等通过向铁液中加入m g ，并使其残 留量保持在0 0 4 以上，可获得相同的球墨铸铁。 在铸铁发展的同时，钢的热处理工艺也取得了根大的进展。上世纪 c r o s s m e n 和b a l n 在美国钢铁公司研究钢的冷却速率和性能之间的关系时，发 现了一种高强度的针状铁素体+ 碳化铁的组织【4 】( 现称为贝氏体) ，并为这种新 颍的热处理工艺申请了专利，称其为等温淬火。铸铁中的奥氏体等温淬火显微 组织得到了f l i n n m 的证实。当时。这种组织被认为贝氏体和针状珠光体。 上世纪7 0 年代m j o h a n s o n 把铜中的这种等温淬火热处理工艺应用在球铁 中，其所在的芬兰k a r k k i l a 铸造厂于1 9 7 7 年宣布研制成功一种奥氏体和“贝 氏体”基体组织的新型球墨铸铁 】。这种球铁有特别的机械性能，抗拉强度达 到10 0 0 m p a ，延伸率达到1 0 ，冲击韧性值与铁素体球铁不相上下，而弯曲疲 劳强度接近合会钢。m j o h a n s o n 在1 9 7 8 年召丌的第4 5 届国际铸造年会上宣读 了该项研究的论文【6 j 。随后捷克的e d o r a z i l 等人在这方面作了比较系统的研究 【7 。从此，这种材质引起了各国的广泛重视，并在美、英、法，加等1 3 个国家 申请了专利。这样优越的综台机械性能，为球铁代替锻钢制造一些重要零部件 开拓了广阔的前景。很多研究单位和厂家对这种新材料进行了广泛的研究，并 且取得了许多实用性的成果。因此，这种球铁的研制成功，被誉为是近3 0 年来 铸铁冶金中的重大成就之一。 上世纪9 0 年代，国际材料学界通过现代显微手段及衍射技术证实，球铁等 温淬火组织中的类似钢中贝氏体的针状组织其实并非贝氏体，而是铁索体。所 以，球铁等温得到的基体组织被规范地称为“奥铁体”。相应地，国际上把原 先所谓“贝氏体球铁”或“奥贝球铁”统一改称为等温淬火球墨铸铁一一a d i ( a u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ) 。然而，目前国内许多教科书及期刊文献中仍广泛 地称之为“奥贝球铁”。 在8 0 年代中、后期，英国铸铁研究协会( b c i r a ) 和日本球铁协会( j d i s ) 以 及美国机械工程师协会( a s m e ) 的齿轮研究协会和汽车研究协会继续对a d i 的 工艺过程进行量化研究。1 9 8 9 年，美国工程执会制定了包括英制和公制在内的 表卜2 欧洲d i ne n 四级a d i 标准f 12 1 ( d a ne n1 5 6 4 - 1 9 9 7 ) e n - g j g - 8 0 0 - 8 一r t 三个试样平均值( j ) 1 0 单个值( j ) 9 表卜3 日本a d i 三级标准m 】( j l sg 5 5 0 9 1 9 8 9 ) 1 2a d i 与钢等温淬火热处理后组织的区别 等温淬火工艺作为热处理工艺是在2 0 世纪3 0 年代研究合金钢低温奥氏体 转变时产生的【4 l 。这种工艺的突出特点是【6 j 4 l ：1 转变过程容易控制；2 避免 了从奥氏体温度迅速冷却到室温可能产生的应力、畸变和脆裂现象。可以通过 确定奥氏体化温度和保温时间来控制工件奥氏体的含碳量；通过确定等温淬火 的温度和时间来控制奥氏体的分解程度和最终组织状态。 等温淬火工艺在球铁中的应用是从其在钢中的应用移植过来的，由于钢和 铸铁的组织存在着很大的差别( 铸铁组织中存在有自由的高碳相) 。因此，热处 理的目的和最终组织也不尽相同【6 ”】。首先，在钢中等温热处理产生的贝氏体 组织是由针状铁素体和碳化物组成的。而在铸铁中，高的含碳量抑制了碳化物 的析出，铁素体的生长不伴随有碳化物的析出。 个 一 一o，。卜，一 其次，在钢中等温热处理的最终组织中不允许有残余奥氏体出现，而在铸 铁中则要求保持有一定量的残余奥氏体。在钢中出现残余奥氏体一般认为是有 害的。这是因为在钢中当工件温度低于m s 温度时，残余奥氏体就趋向于转变 成马氏体组织 1 6 】。这种没有经过回火的、又硬又脆的马氏体随时都可能引起工 件断裂。 在钢中，贝氏体长期以来被认为是铁素体和渗碳体即碳化物的混合物 17 1 。 但是铸铁中的组织不是这样，铸铁经等温转变获得的基体是铁素体和奥氏体的 混合物 18 1 。其组织理应称为奥铁体而不应称为贝氏体或奥贝体。目前这种显微 组织被合适的确定为针状铁素体和奥氏体的混合组织 1 9 1 ，图1 - 1 所示为a d i 显微组织的x r d 分析。现a s t m ( 美国材料试验学会) 已将其正式归类为奥氏 铁素体【20 1 。 图1 1a d i 显微组织的x r d 分析 1 3 a d i 的组织特点 a d i 的优异性能是和其独特的组织分不开的，组织由球状石墨、残余奥氏 体和铁素体构成。而残余奥氏体的含量和铁素体形态是a d i 具有优越性能的主 要原因2 。而残余奥氏体随着熟处理工艺有所变化，在不同的保温时间内形式 有所不同。 1 3 ，1 奥氏体在等温转变反应过程中不同的组织形式 球墨铸铁在奥氏体等温转变反应过程所产生的残余奥氏体组织与等温淬火 温度、保温时间有关。由于含碳量的不同，奥氏体存在以下三种形式 1 6 , 2 2 】： ( 1 ) 未反应的奥氏体 在等温转变过程中未参加反应的奥氏体，其特征是含碳量没有变化。未反 应的奥氏体多存在于共晶晶粒边界区域或接近于这个区域。 ( 2 ) 未充分反应的介稳定奥氏体 其含碳量1 2 1 ，6 。这个含碳量的奥氏体室温时是稳定的，但力学上不 稳定，机加工受力或使用时受力会转变为马氏体。这不是a d i 所期望的奥氏体。 ( 3 ) 充分反应的稳定奥氏体 其奥氏体的含碳量1 8 2 2 甚至高达2 4 。这个含碳量的奥氏体室温 时热力学上是稳定的，动力学上也是稳定的；机加工受力或使用时受力。不会 转变为马氏体。这种稳定的高碳奥氏体加上针状铁素体才是所期望的a d i 基体 组织。 1 3 2 等温转变特点 图1 2 就是球墨铸铁的等温淬火热处理过程示意图，工艺过程为：先将试 样进行奥氏体化保温一段时间，然后迅速浸入熔盐进行等温淬火，由于等淬温 度和保温时间的不同其最终的内部组织也是不同的。 一 暑笤=：善 量 窄窨窖 鍪 莹 曼 嚣 章 史民謦弛时可al等蕾淬火牲时目铀 “ 。 圈l 一2 等温淬火球墨铸铁的等温处理过程 在球墨铸铁的熟处理过程中，高温奥氏体化后进行等温转变时具有自身的 特点。根据等温转变动力学特点，通常将等温转变可分为以下两个阶段 2 3 - 2 6 1 ， 如图卜3 所示。 矗她孽i 艺膏a 景蕾时阁 图卜3 等温淬火过程中组织转变示意图 1 第一阶段：，寸a + 7 。c ，即奥氏体分解为贝氏体型铁素体、高碳奥氏体。 高温奥氏体球铁淬入等温盐浴中经过短暂的孕育期后，铁素体从未反应的 奥氏体中形成，而碳则扩散至铁素体周围的奥氏体中。大约经过二、三十分钟 4 ：_蕾讯恼翟曩 后，舆氏体中的碳增至1 2 1 6 。这时若从盐浴中取出冷却至室温，则生成介 稳定的残余奥氏体。 第一阶段转变后，在等温盐浴中持续保温，等温转变反应继续进行，针状 铁素体继续长大，更多的碳扩散到邻近的奥氏体中。这时奥氏体的含碳量可以 增至1 8 - 2 2 。这种高碳奥氏体，热力学上稳定、在动力学上也稳定。这时若 从盐浴中取出冷却至室温，则生成稳定的“残余奥氏体+ 针状铁素体”的混合组 织，该组织正是所期望的a d i 组织。这段时间的等温转变对应于图卜3 中第一 阶段之后、第二阶段之前的等温转变。 2 第二阶段：y 。叶口+ f e 、c ，即高碳奥氏体继续分解为铁素体和碳化物。 如果在等温盐浴中保温超过一定时间，高碳奥氏体将进一步分解为铁素体 和碳化物。碳化物的出现对于力学性能是非常有害的，特别是降低伸长率和韧 性。这时的等温转变，即碳化物从高碳奥氏体中析出的反应一般称为奥氏体等 温转变反应的第二阶段反应，如图i 一3 所示。这种a d i 组织应该避免。 这样在某一具体等温淬火温度下，就存在一个适合的保温时间，学术术语 称为“工艺窗口”，也被其他学者称为“工艺区域”或“过程窗口”，见图卜3 。 这个概念最早由r u n d m a n l 2 7 i 采用的，用来确定为获得良好的机械性能，尤其是 韧性而需要的等温淬火时间。获得铁索体+ 碳化物的时间定义为t 1 ，获得最大残 余奥氏体含量的时间定义为t 2 。如果t 】 t 2 ，则等温处理时间在t 2 和t 】之间时可 获得具有优良塑韧性的等淬组织。 但是随着等温温度的升高，组织转变的第一阶段反应时间延长而第二阶段 反应提前，使得工艺窗口变得越来越窄，甚至出现交叉。此时可以通过添加合 金元素( 如n i 、c u 、m o 等) 来拓宽工艺窗口，达到满意的热处理效果。 1 4 影响a d i 组织、性能的因素 对a d i 试样断口的s e m 观察发现，试样的断裂方式很大程度上取决于残 余奥氏体量28 1 。残余奥氏体量较高，则试样均呈韧性断裂。随着奥氏体量减少， 断裂方式逐渐由韧性变为解理断裂【2 8 _ 2 9 1 。残余奥氏体量极少时，试样呈完全脆 性断裂。而残余奥氏体含量与合金元素、热处理工艺等下列许多因素有关。 1 4 1 化学成分的影响 1 碳 c 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。 c 对残余奥氏体的稳定性有决定性的影响【28 。3 2 1 。此外，c 是石墨形成元素，球 铁中高的含碳量可以阻碍渗碳体的析出。一般a d i 的含碳量在3 5 3 7 之间。 2 硅 s i 对残余奥氏体量的影响较为复杂。s i 抑制碳化物的析出，使铁索体生长 时排出的碳富集于残余奥氏体中，提高了过冷奥氏体的稳定性。因此，在一定 范围内，s i 含量增加时残余奥氏体量相应增加。当含s i 量较低时，随着含s i 量的增加，石墨球径细小，铁素体量增加，且s i 促进贝氏体型铁素体转变，形 成细针状铁素体，提高机械性能 3 3 】。然而含s i 太低时，合金很快进行第二阶 段转变，奥氏体发生分解。但s i 含量超过一定值( 约2 7 ) 后，使铁索体脆 化，石墨形态恶化，奥氏体含量下降。热处理时易生成先共析铁素体和珠光体， 更使韧性迅速降低3 甜。 3 磷 p 容易偏析，在晶界处形成磷共晶，大大的降低冲击韧性值。磷在a d i 中 被视为有害元素，越低越好。 4 硫 s 含量过高时，产生硫化物分布在晶界上，降低强度和韧性。硫还容易与 球化元素化合，造成球化剂加入量增加和球化不稳定，影响球化效果。所以s 也是有害元素，越低越好。 1 4 2 合金化元素的影响 1 镍 n i 是石墨化元素。n i 和c u 共同添加可以减少等温转变产物对转变时间的 敏感性，抑制碳化物的形成【”】。当n i 含量在1 8 以下时，增加n i 的用量，韧 性会得到提高，但是强度降低d 6 1 。 2 铜 c u 能增大球铁奥氏体倾向，提高奥氏体化速度及稳定性。c u 作为非碳化 物形成元素能降低碳在奥氏体中的扩散激活能，使碳原子扩散速率增加；等温 转变时还可抑制贝氏体碳化物的析出 3 7 】。随着含c u 量的提高，残余奥氏体量增 加，在一定含c u 范围内冲击值上升。但如果含c u 量过高，加之分布不均匀，可 造成力学性能的恶化【3 8 】 3 钼 m o 可以有效地获得理想的a d i 组织，其原因有三【3 9 j ：1 、它阻碍珠光体 转变，而不阻碍针状铁素体转变；2 、它与n i 有相反的偏析方式，因此在不产 生大块晶间碳化物的条件下能使基体显微硬度达到比较好的平衡；3 、它不延迟 中间转变过程，可以保证合理的等温转变时间。m o 是最有效的增加淬透性的 元素，但可能因其偏析而造成晶间碳化物，故对m o 应有严格的限制，应控制 在0 3 以下p 1 。若保证某些铸件的淬透性，应添加一些n i 或c u ，而不是增加 m o 量。 6 4 锰 m n 能扩大t 区，降低过冷奥氏体的分解速度，提高奥氏体的稳定性，并 使c 曲线向右移动，显著提高淬透性。m n 的不良影响是分布不均，容易偏析， 在共晶团晶界上出现马氏体一奥氏体混合组织，大大恶化基体的塑性，同时降低 强度。但是含m n 量较低时( 不超过o 3 ) ，几乎不影响基体的塑性和韧性 4 0 j 。 1 4 3 热处理工艺规范的影响 1 奥氏体化温度t v 在较高的奥氏体温度下，奥氏体中固溶碳的浓度比较高，容易获得较多的 残余奥氏体，但同时由于未转变区奥氏体的舍碳量上升缓慢从而使m s 线下降 缓慢i 引】。因此容易导致冷却到室温时产生较多的马氏体。而在较低温奥氏体化 条件下，由于奥氏体的固溶碳量比较低，所以等温初期针状铁素体较发达，容 易造成后期残余奥氏体量少【4 2 】。一般的奥氏体化温度在8 5 0 9 5 0 之间。 2 ，奥氏体化保湿时间t ， 若奥氏体化保温时间太短，奥氏体含碳量不够高、稳定性不足，冷却后大 部分转变为马氏体，故残余奥氏体量较少；保温时间太长，容易造成奥氏体晶 粒粗大，影响残余奥氏体量和铁素体的晶粒大小【4 卜4 8 1 。 3 等温淬火温度t a 等温淬火温度是影响a d i 组织形态的主要因素。盐浴温度较低时，等温转 变驱动力较大，相交时临界晶核尺寸较小，使形核率增大，基体组织得到细针 状的铁素体，残余奥氏体量较少，此时硬度较高但冲击韧性较低；反之，等温 转变驱动力较小，相变时i | 缶界晶核尺寸较大，形核率降低，得到粗大的铁素体， 残余奥氏体量较高，此时冲击韧性良好但硬度较低。等温淬火温度不同，基体 组织残余奥氏体量就不同，图1 4 所示是奥氏体含量随保温温度的关系。并且 淬火温度直接影响铁素体的组织形态【4 9 】，如图卜5 就是在不同等温温度3 1 5 、 3 5 0 下淬火得到的金相组织。 寺矗淬戈矗度， 图1 4 残余奥氏体宙量随温度的变化 盎如醯矗咏船曝 a 3 l5 等温盐浴淬火 b 3 5 0 等温盐浴淬火 图卜5 不同等湿温度下铁素体的形态 4 等温淬火保温时间t a 在相同盐浴温度下，等温时间是影响a d i 球铁性能的最敏感因素1 5 。1 。特别 是在较高的温度范围内，由于碳的扩散速度比较快，碳能从生长着的铁素体板 条中扩散到周围的奥氏体中使之含碳量逐渐增加。当等温时间较短时，铁素体 转变量少，周围未转变的奥氏体含碳量较低，在出炉空冷时不够稳定( m s 点不 够低) 而形成马氏体，因而硬度较高而冲击值却大幅下降。而当等温时间过长时， 转化持续进行，碳化物将从过饱和度越来越大的奥氏体中快速析出，铁素体板 条跟着生长，残余奥氏体逐渐消失，如图1 - 6 所示。最终得到碳化物和铁素体， 这也使冲击值下降1 5 1 , 5 2 1 。这样就存在恰当的保温时间用来确定为获得良好的组 织和机械性能，尤其是韧性。 如 培 础 韶 图卜6 等温保温时间对残余奥氏体量的影响 1 5a d i 的性能特点及发展趋势 目前，在国际上a d i 汽车零部件正以每年2 5 的速度飞速增长。由于a d i 优越可靠的静力学和动力学性能，降噪音的独特优势，还兼具低成本的吸引力， 使其在轿车、载重车、火车和军工产品的关键件上发挥了重要作用，可用于通 用、冶金、轻工机械等方面。比如，发动机及变速箱各类齿轮、曲轴、离合器、 凸轮轴、机车车轮、碾轮、滑块、链轮等，还能满足破碎机、推土机、挖掘机、 拈帖姑 农业机械等部件的使用要求。具有强度疲劳寿命等高于传统锻钢及铸钢、成本 低于锻钢、易加工、噪音低等优点。现在应用较多的有美国、德国、英国、日 本、以色列、芬兰、意大利等国家。并且随着新工艺的不断探索，其性能不断 增强。 下面以a d i 在汽车领域的应用为例，讨论其性能特点及其技术优势： 1 a d i 具有强度高、韧性好、耐磨等优点 5 3 , 5 4 。以a d i 代替铸钢及锻钢， 可减重1 5 3 0 ，减轻汽车自重，以降低能耗，减少废气排放，并提升汽车动力 性能及安全性。 2 减震、吸震效果好，降噪音。发动机工作、齿轮啮合过程中会产生噪 音，而a d i 由于组织中有石墨的存在，使得噪声的产生及传播被大为抑制【5 4 1 ； 3 更小的热处理变形【5 ”。汽车齿轮的尺寸精度一般为8 - 1 0 级，a d i 经过 加热( 9 0 0 。c 左右) 的奥氏体化阶段，组织更加均匀化，经等温淬火后，零件变形 小，其精度仅降半级以下；而锻钢( 例如2 0 c r m n t i ) 本身残余应力相对较大，经 高温渗碳热处理后精度要降卜2 级。 4 由于重量减轻、生产工艺流程简化、方便大批量生产、机械加工任务 减少等方面的优势，与锻钢相比，相对成本降低1 5 - 3 0 e 5 6 】： 5 弯曲疲劳强度高陋”，约为4 0 0 5 0 0 m p a 。 图卜7 、1 8 、1 9 、1 1 0 反应出a d i 和其他金属材料的性能对比。 图卜7a d i 及常用合金材料o b 与6 图1 8a d l 及常用合金材料疲劳强度 9 图1 9a d i 及常用合金材料断裂韧性图1 1 0 a d i 及常用合金材料耐磨性 a d i 自问世以来就受到铸造界的极大关注，已成为人们关注的热点材料和 技术之一。近年来，随着环保、能源等因素的压力的增大，用户消费理念日趋 成熟，耐用、轻型、低能耗、低噪音、环保型汽车已逐渐成为生产者追求的目 标。a d i 具有优越性能特点，能满足多方面的使用要求和经济要求，近年来日 益为汽车工业所钟爱。2 0 0 3 年，美国已有5 0 多个厂生产a d i 产品。并且德国 大众、美国康明斯、通用汽车等都将a d i 应用在曲轴、发动机齿轮等重要传动 件中，如图卜1 1 所示。并且随着研究的不断深入，应用领域不断扩大，因此被 称为2 1 世纪“最具发展前景的工业新材料”。 图1 1 1a d i 在汽车零件中的应用 l o 1 6 a d i 的研究背景及本文所研究的内容、意义 虽然a d i 有许多优异的综合性能，在许多工程领域的不同零部件中得到越 来越广泛的应用，但仍属不断扩展的新型材料，有许多应用及基本规律方面的 问题还需人们去不断探索。本文研究包括两层面的内容：一方面，针对具体对 象探讨工艺规范对其组织与性能的影响规律：另一方面，进一步探索a d i 的热 处理工艺新的方法、规程和规律，为进一步改善a d i 的组织、提高a d i 的性能， 为扩大a d i 的应用范围提供可靠的技术依据。 本文的具体研究内容概述如下： 1 确定a d i 合适的成分范围，并根据熔炼条件、材料烧损率等确定所需要 的原材料配比，然后对原材料进行熔炼，采用浇包球化、孕育，浇注得到铸态 试样。 2 针对具体应用目标和材质研究热处理工艺对组织、性能的影响：由于a d i 的机械性能受以下因素影响【5 7 巧9 j ：( 1 ) 铁素体和残余奥氏体的晶粒大小、组织结 构；( 2 ) 残余奥氏体含量；( 3 ) 残余奥氏体的含碳量。本文研究针对汽车变速箱中硬 质齿轮、二轴突元的应用要求为目标，选取具体的材质成分配方，确定具体奥 氏体化温度及保温时间、等温淬火温度及保温时间等热处理工艺方案，研究不 同温度下a d i 的组织、性能；同一淬火温度下，通过对组织中残余奥氏体量变 化的观察，性能的比较，确定工艺窗口等。 3 “两步法”等温淬火新工艺获得a d i 的研究：为获得晶粒更为细小的 并具有较多体积分数、碳量较高的奥氏体，制备性能更加优越的a d i ，本文研 究了“两步法”等温淬火工艺。首先，将经奥氏体化后的球铁在低温下淬火( 增 加激冷速度) ，在低温过冷度大的情况下经过一定时间保温大量形核：紧接着 一旦形核完成，将淬火介质的温度提高，碳比较容易扩散而使奥氏体中含碳量 增加。 国外进行过此工艺的研究 6 0 。6 2 1 ，但是没有研究低温保温时间对最终组织的 影响，并且其随后的升温是随炉升温，升温速度较慢，对晶粒细化影响较小。 作者未见国内有类似的研究报道。本文试验先通过在低温2 8 5 下不同时闻保 温形核，观察不同低温保温时间对形成最后组织的影响。在低温保温时间确定 后，制定工艺方案进行两步法等温淬火工艺。并与传统工艺比较组织、性能。 4 后序表面淬火工艺的研究：通过阅读大量国内外文献，a d i 的性能提高 大多采用合金优化、适当的热处理工艺来获得。这些方法可获得高硬度、高强 度，但是以牺牲韧性为代价，对综合性能提高不是很大。表面处理可以有效地 解决上述芯部韧性与表面高硬度的综合强化，其中高频感应淬火是大大提高表 面硬度的一种方式，同时又不降低芯部韧性，大多数是应用在钢、珠光体型铸 铁中冲1 ”。这种方法应用在钢或其他铸铁中较好，在a d i 应用国内外研究甚少。 并且a d i 的基体组织为奥氏体和铁素体，与传统球铁的基体组织截然不同：珠 光体基体球墨铸铁存在多量的化合碳，金属基体的奥氏体化和增碳在加热的短 时间内很容易实现，而铁素体比例较大( 3 0 ) 的球墨铸铁，在高频淬火的瞬时 加热过程中，部分金属基体的增碳来不及进行，因而在快冷后得不到理想的淬 火组织，局部地区易出现软点。必须对其采用适当的高频淬火工艺方案。本文 探索了a d i 表面热处理的可行性，对所可能产生的缺陷进行了研究分析，并着 熏探讨不同表面处理工艺对a d i 组织及硬度的影响规律。这样a d i 既可以有很 高的表面强度，又内部具有优良的韧性，可使a d i 在二轴突元、变速箱硬质齿 轮中成功应用提供性能保证。并且a d i 具有其他金属材料无可比拟的降噪优势， 则无疑能够进一步扩大a d i 的应用范围，充分发挥a d i 节约材料、降低生产成 本、提高驱动比的巨大优势。 针对上述a d i 高频淬火的不足，本次研究采用不同的表面高频淬火工艺： a ) 传统的高频淬火工艺； b ) 二次高频淬火工艺，即将铁素体型球墨铸铁先感应加热至奥氏体化温度 以后，进行一次空冷，使袁层先转变成珠光体，然后再进行一次感应加热以便 使基体快速溶入碳，表面水冷淬火后表层获得细针状马氏体而大大提高表面硬 度。 第二章试验方法及设备 本试验研究的基本过程如下：制各试验研究用的铸态试样( 包括球墨铸铁 化学成分的设计、合金熔体的熔炼、合金熔体的处理等) ；通过不同的等温淬火 工艺( 传统工艺及新型工艺“两步法”) 制各多组a d i 试样并分析、研究其组织 和性能；研究不同的高频淬火工艺对a d i 组织和性能的影响。 2 1 铸态试样的制各 2 1 1 成分设计 设计成分的目的就是得到组织、性能良好的铸态试样，参考众多文献合金 的加入量，确定在本试验中材质成分：c 含量在3 5 3 7 之间，s i 的加入量在 2 0 2 7 范围内，m n 在0 3 以下，m o 处于0 1 5 - 0 3 之间，c u 、n i 分别在 o 5 1 o 、1 3 1 6 范围内。由于以前的研究工作曾经探讨过合金元素对形成 a d i 的组织和性能影响，所以在本试验中确定好目标成分，在较佳的合金成分 下研究热处理对a d i 的组织和性能影响。 2 1 2 球墨铸铁的配料 感应炉熔炼配料【6 8 j 计算方法的基本依据主要为以下几点； 1 ) 各种原材料的准确成分。 2 ) 目标成分，注意掌握标准成分范围，配料计算以最佳成分范围为目标。 3 ) 确定熔炼合金的装入量，计算的装入量要比坩锅的实际容量少1 0 左右。 4 ) 在配料时要注意碳锰及各种合金元素的利用率。 依据上述原则，确定每次熔炼合金的装入量为7 k g 左右，碳的利用率较难 控制，依据实际的情况采用7 0 的利用率计算，而合金元素在熔炼时的烧损较 少，采用9 0 的利用率计算。根据原材料的成分和目标成分，充分考虑元素烧 损，采用各个元素分别计算，列方程求解的方法计算出各种原材料的加入量。 针对使用对象的性能要求，参考文献【69 】确定a d i 的成分如表2 - 1 。 表2 1 试验a d i 要求成分( 质量百分比) 表2 - 2 试验用生铁成分( 质量百分比) 表2 - 2 、表3 3 是实验中所使用的原材料的成分，根据表2 - 1 的a d i 最终 成分要求，结合实际利用率、烧损率来计算原材料的配比。 表2 - 3 球化剂、孕育剂、钼铁的成分( 质量百分比，) 钼铁球化剂 孕育剂 s i m 0cps ir e m g s if e 0 0 3 5 8 4 10 0 3 20 0 4 24 431 07 52 5 2 1 3 铁水质量要求 球墨铸铁原铁水质量对球铁件性能和铸造缺陷的形成都有重要影响。因此 获得优质的原铁水质量至关重要。优质原铁水应符合以下要求1 7 0 1 ： 1 基本化学成分( 包括合金元素) 符合预定要求。杂质元素( 包括干扰元