硅锰对室温油分级等温淬火贝氏体球墨铸铁组织和性能的影响 kd

1、 贝氏体球铁是一种具有良好综合力学性能、铸造性能和加工性能的新型抗磨材料,近年被广泛应用于抗磨件和结构件1-2,采用传统的盐浴等温淬火工艺生产贝氏体球铁,虽然工艺成熟,生产稳定性高,但存在生产设备一次性投资大,生产过程中能耗高,污染严重等问题。本研究针对室温油分级等温淬火工艺进行了探讨3,主要研究球铁的化学成分与室温油分级等温淬火工艺及组织和性能之间的关系,硅、锰是贝氏体球铁中的重要元素之一4,对组织及性能变化的影响很大,研究硅、锰在室温油分级等温淬火中的作用对降低生产成本和此工艺的应用有重要意义。1试验条件1.1试样的制备用1t 冲天炉熔制合金,炉前加入了合金元素,球化处理用冲入法进行,孕育

2、处理采用炉后一次孕育和二次转包瞬时孕育。出炉温度1420,球化情况采用三角试块和炉前快速金相检验法进行检验。合金成分(质量分数,%: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 。冲击试样尺寸为10mm ×10mm ×55mm ,球化级别1-3级,球化率为6-8级。热处理工艺如图1所示,从奥氏体化温度快速冷却(油淬收稿日期:2008-04-24收到初稿;2008-06-11收到修订稿。作者简介:魏德强(1963-,男,吉林榆树人

3、,副教授,硕士,主要从事金属材料的教学和研究工作。E-mail :wdq1963魏德强1,恽志东1,刘军2(1.桂林电子科技大学机电工程学院,广西桂林541004;2.中国石油吉林石化分公司,吉林132022摘要:研究了室温油分级等温淬火时,硅和锰对贝氏体球墨铸铁磨球组织和性能的影响。试验结果表明:硅含量在3.3%3.8%时,对贝氏体相变具有诱发作用,使贝氏体球铁组织细化,力学性能提高,锰使贝氏体球墨铸铁的硬度提高韧性降低,合理的硅锰量可提高贝氏体球墨铸铁的力学性能。关键词:分级等温淬火;贝氏体;球墨铸铁;诱发相变中图分类号:TG255文献标识码:A文章编号: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硅锰对室温油分级等温淬火贝氏体球墨铸铁组织和性能的影响Effects of Si and Mn on Microstructure and Mechanical Properties of Bainite Ductile Iron by Step Austemperingin Room-Temperature Machine Oil图1热处理工艺Fig.1The process of step austempering heat treatmentMsSep.2008Vol.57No.9铸造FOUNDRY960到Ms点稍下,

8、然后在Ms点稍上放入等温炉中,最后出炉空冷。热处理工艺过程包括四个阶段:奥氏体化;利用冷油(室温油使奥氏体冷却到Ms点稍下;在Ms点稍上等温,以后完成等温转变为下贝氏体的过程;在规定的保温时间后,冷却到室温。热处理工艺参数为: (850960×(0.51h+油淬(出油温度为150280+出油入炉时间(5100s+等温温度为(210310×等温时间(13h8。1.2试验条件和方法磨球和冲击试样在RXJ-4-13型高温箱式电阻炉中进行奥氏体化。等温转变在SX-4-10型低温箱式电阻炉中进行,分别采用RJX-4-13和DOZ4型温度控制器控温,炉内温度误差±5。自制淬火

9、用油桶尺寸为800mm×1000mm,淬火介质为20号机油,采用水银温度计测油温,用表面温度计测量磨球和试样表面的温度;使用HR-150A型布洛维三维硬度计测硬度,取三点以上的平均值,用JSM-35CF型扫描电镜观察显微组织;冲击试样在JB-30A冲击试样机上进行试验,按GB22984金属夏比冲击试验方法进行;硬度测定是在冲击试样上任取试样断面多于三点进行测试的平均值,按GB/T2301983金属洛氏硬度试验法进行。2试验结果与分析2.1硅对贝氏体的诱发相变为研究硅对贝氏体球铁组织和性能的影响,固定其他元素化学成分(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%范围内,球化级别达1-2级,球化率为6-8级,热处理工艺为:920960×1h+油淬(出油温度为180+出油入炉时间40s+等温温度230×等温时间2h。由图2可知,随着硅量的增加,硬度不断升高,而韧性也有所上升。当硅量为3.3%3.8%时可使锰量提高到0.88%时,硬度增加的同时,韧性也有所增加,因此硅量较高时,适当的增加锰可以用来生产性能更优异的贝氏体球墨铸铁。用含硅量分别为2.8%、3.3%、3.5%、3.77%的冲击试样做室温油分级等温淬火,由图3可见,随着含硅量的增加,贝氏体基体得以细化,白亮区减少,马氏体数量略有增加,但

11、马氏体周边的贝氏体针更细小,硅的含量大于3.3%时,贝氏体针沿马氏体周边向外生长,即对贝氏体形成产生诱发作用,而且随含硅量的增加,这种诱发相变的作用更加显著,诱发的贝氏体针也越多越细;而硅含量2.8%时无明显诱发相变作用,形成这种现象的主要原因如下。图2硅对贝氏体球铁性能的影响Fig.2Effects of Si on the mechanical properties of the bainite ductile iron图3分级淬火中含硅量对贝氏体诱发相变的影响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,诱发了贝氏体的形核率提高碳在奥氏体中的溶解度相对减小,从公式5T M s= 520-300w(C-50w(Mn-30w(Cr-20w(Ni+w(Mo-5w(Cu+w(Si(式中w为试样中各种元素的质量分数可以得到,碳对马氏体相变温度T M s的降低作用比硅大得多,同时Si的细化共晶团及提高奥氏体化温度的作用也使T M s升高,故含硅量高,实际导致T M s升高。这样,在分级时间相同的情况下增大了奥氏体转变的过冷度T。由于形核率I=Aexp(B/T(式

13、中A和B为常数6,所以随着过冷度的增大,形核率呈指数上升趋势,此时奥氏体中产生的小核胚是从面心立方的母相中转变来的体心立方(正方,这种体心立方核心可以作为铁素体或贝氏体核心,也可以作为马氏体核心;但是,若成为马氏体核心则需要更大的动力5,即T要更大,由于本研究中采用的室温油分级等温淬火的T不很大,且时间短,不可能为马氏体相变提供足够的动力,所以这些核胚大部分作为等温转变时贝氏体的核心和基底,从而诱发了贝氏体相变,细化了贝氏体组织,使硬度和韧性提高。(2含硅量提高,增大了组成相间的界面一方面,硅使T M s下降,导致分级淬火使少量的高碳马氏体形成,这些马氏体的边界成为贝氏体形核的部位。由图3可见

14、:沿着马氏体的边缘生长着大量的细贝氏体针,在分级淬火中产生的马氏体,在随后的等铸造魏德强等:硅锰对室温油分级等温淬火贝氏体球墨铸铁组织和性能的影响961温转变中变成回火马氏体,这种马氏体与贝氏体复相组织的韧性并不降低,主要是马氏体的裂纹扩展和应力集中现象被韧性较高的贝氏体所抑制;另一方面,硅是强烈促进石墨化,抑制碳化物析出的元素,硅量的增大使球铁孕育充分,得到数量多且细小圆整的石墨(见图4,即共晶团得以细化,石墨与基体界面的表面积越大,则贝氏体的形核率也越大4,这些都使贝氏体得以细化。(3含硅量提高,加速贝氏体相变硅能增加奥氏体中碳的活度,使碳向石墨聚集,贫碳区增加,贝氏体的形核几率提高,远离

15、石墨球区域,硅使碳的含量起伏加剧,也使奥氏体晶内产生贫碳区,而产生部分晶内贝氏体形核。硅加速相变,缩短孕育期,对贝氏体相变不产生拖曳作用,促进贝氏体相变更完全,这些都有利于性能的提高。由此可见,在本研究的试验条件下,硅含量在3.3%3.8%时,含硅量越大,贝氏体诱发相变越明显,组织越细化,硬度和韧性亦高,综合性能更优异,这和文献7贝氏体相变的结论相一致。2.2锰对贝氏体组织和性能的影响为研究锰对贝氏体球铁组织和性能的影响,固定其它化学成分(3.70%C,2.80%Si,0.34%Mo,0.023%S, 0.06%P,锰含量控制在0.16%2.0%范围内,球化级别达1-2级,球化率为6-8级,热

16、处理工艺为:920×1h+油淬(出油温度为180+出油入炉时间40s+等温温度为230×等温时间2h。图5表明,硅量为2.8%时,随着锰含量的增加,硬度有所增加;而Mn含量在0.5%以下时,冲击韧性基本不变,当Mn含量大于0.5%时,随着锰含量的增加韧性连续下降,且下降速度较快。由图6可见,加锰后基体组织为细小的针状贝氏体组织,但随着锰含量的增加组织中锰的偏析较严重,晶界处马氏体的数量有所增加,且碳化物沿晶界分布,数量增加,白区数量明显增多,这是导致韧性下降的主要原因,因而锰的加入量应控制在0.5%以下为宜。由图4和图7可见,在锰量为0.88%不变的情况下,图4含硅量对贝氏

17、休球铁中石墨球大小的影响Fig.4Effects of silicon content on graphite nodule size ofbainite ductile cast iron(a2.8%Si(b3.5%Si图5锰对贝氏体球铁性能的影响Fig.5The effects of Mn on mechanical propertiesof the bainite ductile cast iron图6锰含量对贝氏体球铁组织的影响Fig.6The effects Mn content on the microstructure of the bainite ductile iron(a0

18、.8%Mn(b1.25%Mn(c1.6%Mn适当的提高硅量可使石墨球数量增多,共晶团得以细化,白亮区数量减少。由图2可见,锰量不变时适当的提高硅可使贝氏体球铁的综合力学性能提高,锰量高的贝氏体球墨铸铁适量的加入含量更高的硅,综合力学性能好。这主要是由于锰是正偏析元素,会降低奥氏体化温度,增加奥氏体中的含碳量,使碳的活度下降,稳定了奥氏体,对贝氏体的转变起拖曳作用,使白亮区增加;而硅是负偏析元素,能提高奥氏体化温度,增加碳的活度,细化共晶团,使白亮区减少,性能提高,这样缩短了贝氏体第一阶段转变的速度,使贝氏体转变比较完全,因而白亮区的数量相应减少。图7硅和石墨球数量对白亮区的影响Fig.7The

19、 effects of Si and amount of graphite nodule on the white-bright zones(下转第966页(上接第962页3结论(1室温油分级等温淬火时,硅含量在3.3%3.8%范围内,少量的马氏体组织和体心晶核可以对贝氏体相变产生显著的诱发作用,细化贝氏体组织,贝氏体球墨铸铁具有优异的综合力学性能。(2锰使贝氏体球墨铸铁的硬度提高,韧性降低,当锰为0.88%时,硅量可以提高到3.3%3.8%,适当提高硅量可使石墨球数量增多,共晶团得以细化,白亮区数量减少,可以提高贝氏体球墨铸铁的综合力学性能。参考文献:1曾艺成,张忠仇,李克锐.我国等温淬火球

20、铁的生产现状及发展前景C.全国铸铁及熔炼学术会议论文集,郑州:郑州机械研究所,2004:10-14.2John R ,Keough ,Peng.ADI2your means to enhanced economic and engineering opportunities (Abridge version C.全国铸铁及熔炼学术会议论文集,郑州:郑州机械研究所,2004:15-20.3魏德强.合金元素对室温油分级等温淬火贝氏体球铁组织和性能的影响J.机械工程材料,2005(12:29-33.4魏秉庆,梁吉,吴德海.贝氏休球墨铸铁M.北京:机械工业出版社,2001:17715徐祖耀.马氏体相变

21、与马氏体M.北京:科学出版社,1980:46.6周世权.分级等温淬火球墨铸铁的组织与性能J.热加工工艺,1993(5:17-19.7徐祖耀,刘世楷.贝氏体相变与贝氏体M.北京:科学出版社,1991:87.8魏德强.低合金贝氏体球铁磨球热处理工艺参数的确定J.机械工程材料,2006(7:59-62.(编辑:张允华,zyh 广泛应用,过滤器的使用量逐年增加。由于过滤器的应用比较简单,对原有浇注系统稍加改动即可,目前从几公斤的小铸件到上百吨的大型铸件都有应用。过滤器应用在多个领域:汽车铸件、发动机铸件(图6、机床铸件、风电铸件(图7、液压铸件、纺织机械铸件、其他精密铸件等。实践表明,过滤技术可以有效

22、消除夹杂、气孔缺陷,是提高铸件质量必不可少的工艺手段。目前我国泡沫陶瓷过滤器和直孔过滤器得到广泛应用另一个重要原因,就是过滤器国产化工作做得很好,有些厂家生产规模也很大,产品的各种性能指标达到了国外同类产品水平,完全能满足铸造要求,不仅供应国内市场,而且大量出口。国产化使过滤器价格更具有竞争力,使铸造企业更容易接受这项先进技术。7结束语针对现代铸造生产对铸件的质量要求更高的特点,过滤技术可以有效地减少和消除夹杂物、提高铸件质量、降低废品率,为铸造企业带来明显经济效益,在我国应用范围迅速增加,随着越来越多高品质铸件的需求,人们对过滤技术的认识将不断深入,应用必将越来越广泛。参考文献:1黄天佑.我国铸造业的节能减排C.第八届中国铸造协会年会