球墨鑄鐵的強韌化處理
來源：新鄉市天馬工業爐有限公司 發布時間：2018-04-17 02:27 瀏覽次數：次
本文詳細論述了球墨鑄鐵的3種常用的強韌化處理工藝：
一是珠光體型強韌化處理，是正火獲得珠光體，以使球墨鑄鐵具有良好的綜合性能；
二是貝氏體型強韌化處理，是將球墨鑄鐵進行等溫淬火，得到以針狀鐵素體和富碳奧氏體為主的混合組織，被稱作等溫淬火球墨鑄鐵(ADI)；
三是貝氏體、馬氏體和珠光體(BMP)復合強韌化處理，這是一種能使球鐵零件不同部位獲得不同性能的新工藝。
介紹了上述強韌化工藝應用于發動機連桿、柴油機曲軸等零件的實例。 現代球墨鑄鐵是美國國際鎳公司(INCO)青年科技人員麥里斯(MillsKD)于1943年用鎳鎂合金作球化劑首先研究成功的。此后，INCO在保密狀態下花了5年時間進行了系統的中間試驗。1948年，INCO與Cooper-Bessemer公司簽訂了第一個技術轉讓合同，標志著現代球鐵開始工業化應用。我國的球鐵研究工作最早開始于1948年，1950年中國科學院上海冶金陶瓷所周仁研究員和清華大學王遵明教授分別在上海、撫順進行試驗，研究成功了球墨鑄鐵。1964年底，我國研制成功了符合國情的稀土鎂球墨鑄鐵并在全國迅速推廣，從而促進了球鐵生產的大普及和大提高。2008年，我國球墨鑄鐵的產量已達800多萬t，占世界球墨鑄鐵產量的1/3以上，球鐵件的產量及在鑄件中的比例迅速增長。應指出的是，沒有球墨鑄鐵的強韌化處理，就不能發揮球鐵材料的潛力。
球墨鑄鐵的強韌化熱處理工藝有很多種，下面簡要介紹珠光體型強韌化、貝氏體型強韌化和BMP(貝氏體、馬氏體和珠光體)復合強韌化及其應用。
1、珠光體型強韌化工藝
1.1、工藝 球墨鑄鐵的珠光體強化就是正火處理。球鐵件奧氏體化并保溫后，立即空冷(包括風冷或霧冷)，使基體轉變為珠光體，達到提高硬度、強度和耐磨的效果。眾所周知，球墨鑄鐵是以鐵、碳、硅為主的合金，其共析轉變有一個臨界溫度范圍，這個范圍是三相區，存在γ-Fe、α-Fe和G(石墨)。球墨鑄鐵由室溫加熱至出現奧氏體(γ-Fe)的溫度稱作加熱時臨界溫度范圍的下限，用ASC1表示；而全部轉變為奧氏體或鐵素體(α-Fe)最后消失的溫度稱作加熱時臨界溫度的上限，用AZC1表示。球墨鑄鐵的高溫完全奧氏體化正火是將工件加熱到AZC1+(30～50℃)保溫，使基體全部轉變為奧氏體并使奧氏體均勻化，而后空冷。正火加熱溫度一般為900～940℃，過高的溫度不能增加珠光體數量，反而引起奧氏體晶粒粗大，使碳溶入奧氏體的數量過多，冷卻時容易在晶界析出網狀二次滲碳體，使球鐵件的強度和韌性變差。提高正火的冷卻速度可以增加珠光體量。當奧氏體化溫度高于AZC1時，球墨鑄鐵組織會發生一系列的變化，奧氏體的平衡含碳量隨溫度上升而增加。奧氏體的增碳需要石墨碳的溶解和擴散，因此奧氏體的含碳量也是隨時間的延續而逐步達到該溫度下的平衡值的。提高加熱速度和縮短保溫時間，可以使奧氏體的實際含碳量低于該溫度下的平衡碳量，得到低碳奧氏體。如果加熱速度很快，則原始組織將會影響奧氏體的實際含碳量。鐵素體基體的球墨鑄鐵在ASC1以上隨爐升溫時，吸收不多的碳量即可能轉變為含碳量較低的奧氏體。珠光體基體的球墨鑄鐵，因其中碳的擴散距離較短，很容易轉變為含碳量較高的奧氏體。奧氏體化溫度、保溫時間及加熱速度甚至原始組織的不同，都會影響奧氏體的實際含碳量，使奧氏體的實際含碳量在一個很寬的范圍內變化。奧氏體的含碳量對它在冷卻時的轉變過程和轉變產物的性能有重要影響。據此原理，出現了部分奧氏體化正火和不平衡狀態快速正火，也就是低碳奧氏體化正火。這些工藝就是球墨鑄鐵的珠光體強韌化正火工藝，簡稱珠光體型強韌化工藝。
1.2、部分奧氏體化正火 球墨鑄鐵的部分奧氏體化正火是將工件加熱到ASC1+(30～50℃)，保溫1～2h后空冷(包括風冷和霧冷)。這個溫度范圍內是三相區，有奧氏體、鐵素體、石墨，只有一部分組織轉變為奧氏體，剩余的部分鐵素體則以分散形式分布。該工藝的特點是奧氏體化的溫度較低，基體中存在少量分散分布的鐵素體，具有較高的綜合力學性能。在共析轉變溫度范圍內，不同的溫度對應著不同的鐵素體和奧氏體的平衡量。正火溫度愈接近AZC1，珠光體數量愈多，因此可以通過控制正火溫度來控制球墨鑄鐵的力學性能。部分奧氏體化正火的加熱保溫時間也有講究，延長保溫時間，使部分石墨溶解到奧氏體中，提高了奧氏體的含碳量，從而增加了奧氏體的穩定性，使珠光體量增加，反之則減少珠光體量。
1.3、不平衡狀態快速正火 球墨鑄鐵的不平衡狀態快速正火就是低碳奧氏體化正火。球墨鑄鐵的總含碳量很高，由于碳以石墨形式析出，所以基體中的含碳量可能很低。球墨鑄鐵基體中的含碳量可類似于高碳鋼，也可類似于低碳鋼。同一化學成分的球墨鑄鐵，在不同的加熱和保溫條件下，奧氏體及其轉變產物中的含碳量可在很大范圍內變化。在鋼中，奧氏體化完成后，奧氏體的含碳量通常就是鋼的原始含碳量。而在球墨鑄鐵中，奧氏體化完成后，奧氏體中的平均含碳量還與加熱速度、加熱時間有關。不平衡狀態快速正火工藝是將球墨鑄鐵件加熱到稍低于ASC1的溫度保溫，即得到鐵素體；然后加熱到AZC1以上的溫度，不保溫立即出爐空冷、風冷或噴霧冷。鐵素體轉變成奧氏體的速度很快，不保溫即出爐冷卻，碳還來不及擴散到奧氏體中，奧氏體仍保持較低的含碳量(不平衡狀態)，達到低碳奧氏體化的效果。更先進的工藝是球墨鑄鐵一步加熱快速正火，簡單地說就是不保溫正火。球墨鑄鐵隨爐加熱時，鐵素體向奧氏體轉變的溫度將提高，從瞬時、局部平衡的觀點看，在鐵素體包圍石墨球的情況下形成的奧氏體可以保持低碳狀態。鐵素體向奧氏體的轉變速度遠大于碳自石墨向基體擴散的速度，也可以使奧氏體處于低碳狀態。當奧氏體化達到所需的程度時，應及時出爐快速冷卻，使球鐵獲得良好的強韌化效果。
1.4、球墨鑄鐵連桿的熱處理 連桿是發動機的關鍵零件之一，其功用是將活塞承受的氣體壓力傳遞給曲軸，并使活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，其運動情況和受力狀態都比較復雜，因此對連桿的使用壽命、可靠性、安全性要求很高。如果連桿在使用中斷裂，會使整機損壞，甚至可能發生傷亡事故。筆者前工作單位無錫縣柴油機廠就是采用球墨鑄鐵制造單缸高速柴油機連桿的。
1.4.1、技術要求 材料為QT700-2球鐵，化學成分(質量分數，%)：3.6～4.0C；2.6～3.0Si；0.4～0.6Mn；<0.10P；<0.025S；0.03～0.045Mg；0.025～0.040RE。鑄態組織：石墨球化級別符合GB/T9441-2009的1級或2級，石墨球的數量不低于100個/mm2。熱處理后，基體組織為75%～90%珠光體，硬度230～270HBW，抗拉強度Rm≥700MPa，斷后伸長率A≥2%，沖擊吸收能量αk≥15J/cm2。
1.4.2、熱處理工藝 采用部分奧氏體化正火。在箱式爐中裝入同一爐號的連桿，裝爐量為90～100件。加熱溫度視含Si量的高低而定，Si量高，加熱溫度高，反之則低。在球墨鑄鐵化學成分穩定的情況下，加熱溫度可以固定不變。我們確定的加熱溫度為860～870℃，總加熱時間為3h，出爐后在45s內散開空冷(不用風冷或霧冷)，連桿不能相互疊在一起。即使在夏天高溫季節，也禁止風冷或霧冷。因為連桿桿身截面不大，若采用風冷或霧冷，會導致硬度不均勻。回火溫度根據正火后的硬度確定，應避免在500℃回火，以免產生回火脆性。過高的回火溫度會使珠光體分解即鐵素體化，大大降低硬度。一般回火溫度不超過620℃。當珠光體量超過90%時，可通過回火調整。 采用低碳奧氏體化正火工藝時，正火溫度應提高到880℃，不保溫，空冷，總加熱時間為2h。回火工藝同上。
2、貝氏體型強韌化工藝 貝氏體強韌化工藝是將優質球墨鑄鐵件進行等溫淬火，得到以針狀鐵素體和富碳奧氏體混合組織為主的球墨鑄鐵，稱為等溫淬火球墨鑄鐵(austemperedductileiron，ADI)。美國材料試驗協會(ASTM)將這種針狀鐵素體和富碳奧氏體混合組織命名為奧鐵體(ausferrite)。關于等溫淬火球鐵組織的命名問題，我國曾有多種說法，國家標準GB/T24733-2009等溫淬火球墨鑄鐵件采用了奧鐵體(ausferrite)這一名稱。 球墨鑄鐵等溫淬火的過程實質上就是貝氏體相變的過程。球鐵的等溫淬火源于鋼的等溫淬火。1977年芬蘭的JohanssonM宣布開發了一種性能優異的奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵，并于1978年在第45屆國際鑄造年會上宣讀了論文，引起廣泛重視。他們還在英、美、法、德等13國申請了專利。在此前后，美國通用汽車公司也用貝氏體-馬氏體球鐵制造汽車后橋螺旋傘齒輪。其實我國是最早研究和應用貝氏體球鐵的國家，早就對普通球鐵零件進行等溫淬火以獲得下貝氏體組織。由于信息閉塞，等外國宣布獲得專利時，我國此前已有多家工廠堅持用下貝氏體球鐵生產310軸承、拖拉機齒輪和汽車用螺旋傘齒輪。球鐵下貝氏體等溫淬火后，組織中必然殘留較多奧氏體，所以我國生產的就是奧氏體-貝氏體球鐵。無錫柴油機廠從1965年開始將等溫淬火球鐵(ADI)用于柴油機凸輪軸，至今仍有許多機型使用該材料的凸輪軸，ADI作為一種工程材料正日益受到人們的關注。 結束語 美國著名的ADI專家JohnRKeough關于球鐵鑄件質量對ADI質量的影響有過一段精辟透徹的論述：我們必須認識到，等溫淬火能將一個好的球鐵件變得更卓越，但它卻不能把一個劣質的球鐵件變好，ADI需要穩定的、高質量的球鐵鑄件。這句話不難理解，球墨鑄鐵件通過熱處理可以獲得高強度和高韌性，其基礎是優質的球鐵鑄件。
優質球墨鑄鐵件的定義為：石墨球數>100個/mm2；球化率>90%；碳化物和夾雜物<0.5%；顯微縮松和縮孔<1%；珠光體/鐵素體比例穩定；化學成分穩定。近年來，我國的球鐵產量、原材料的質量、生產技術和裝備水平、檢測技術與儀器、管理水平等都取得了較大的提高，但具備或者通過努力能穩定生產優質球鐵件的企業并不多，這是現狀。因此，根據零件的服役條件，對不同的球墨鑄鐵進行不同的強韌化處理就顯得非常重要。我們的目標是清楚的，就是把好的球鐵件，通過熱處理使其變得更加卓越。
一是珠光體型強韌化處理，是正火獲得珠光體，以使球墨鑄鐵具有良好的綜合性能；
二是貝氏體型強韌化處理，是將球墨鑄鐵進行等溫淬火，得到以針狀鐵素體和富碳奧氏體為主的混合組織，被稱作等溫淬火球墨鑄鐵(ADI)；
三是貝氏體、馬氏體和珠光體(BMP)復合強韌化處理，這是一種能使球鐵零件不同部位獲得不同性能的新工藝。
介紹了上述強韌化工藝應用于發動機連桿、柴油機曲軸等零件的實例。 現代球墨鑄鐵是美國國際鎳公司(INCO)青年科技人員麥里斯(MillsKD)于1943年用鎳鎂合金作球化劑首先研究成功的。此后，INCO在保密狀態下花了5年時間進行了系統的中間試驗。1948年，INCO與Cooper-Bessemer公司簽訂了第一個技術轉讓合同，標志著現代球鐵開始工業化應用。我國的球鐵研究工作最早開始于1948年，1950年中國科學院上海冶金陶瓷所周仁研究員和清華大學王遵明教授分別在上海、撫順進行試驗，研究成功了球墨鑄鐵。1964年底，我國研制成功了符合國情的稀土鎂球墨鑄鐵并在全國迅速推廣，從而促進了球鐵生產的大普及和大提高。2008年，我國球墨鑄鐵的產量已達800多萬t，占世界球墨鑄鐵產量的1/3以上，球鐵件的產量及在鑄件中的比例迅速增長。應指出的是，沒有球墨鑄鐵的強韌化處理，就不能發揮球鐵材料的潛力。
球墨鑄鐵的強韌化熱處理工藝有很多種，下面簡要介紹珠光體型強韌化、貝氏體型強韌化和BMP(貝氏體、馬氏體和珠光體)復合強韌化及其應用。
1、珠光體型強韌化工藝
1.1、工藝 球墨鑄鐵的珠光體強化就是正火處理。球鐵件奧氏體化并保溫后，立即空冷(包括風冷或霧冷)，使基體轉變為珠光體，達到提高硬度、強度和耐磨的效果。眾所周知，球墨鑄鐵是以鐵、碳、硅為主的合金，其共析轉變有一個臨界溫度范圍，這個范圍是三相區，存在γ-Fe、α-Fe和G(石墨)。球墨鑄鐵由室溫加熱至出現奧氏體(γ-Fe)的溫度稱作加熱時臨界溫度范圍的下限，用ASC1表示；而全部轉變為奧氏體或鐵素體(α-Fe)最后消失的溫度稱作加熱時臨界溫度的上限，用AZC1表示。球墨鑄鐵的高溫完全奧氏體化正火是將工件加熱到AZC1+(30～50℃)保溫，使基體全部轉變為奧氏體并使奧氏體均勻化，而后空冷。正火加熱溫度一般為900～940℃，過高的溫度不能增加珠光體數量，反而引起奧氏體晶粒粗大，使碳溶入奧氏體的數量過多，冷卻時容易在晶界析出網狀二次滲碳體，使球鐵件的強度和韌性變差。提高正火的冷卻速度可以增加珠光體量。當奧氏體化溫度高于AZC1時，球墨鑄鐵組織會發生一系列的變化，奧氏體的平衡含碳量隨溫度上升而增加。奧氏體的增碳需要石墨碳的溶解和擴散，因此奧氏體的含碳量也是隨時間的延續而逐步達到該溫度下的平衡值的。提高加熱速度和縮短保溫時間，可以使奧氏體的實際含碳量低于該溫度下的平衡碳量，得到低碳奧氏體。如果加熱速度很快，則原始組織將會影響奧氏體的實際含碳量。鐵素體基體的球墨鑄鐵在ASC1以上隨爐升溫時，吸收不多的碳量即可能轉變為含碳量較低的奧氏體。珠光體基體的球墨鑄鐵，因其中碳的擴散距離較短，很容易轉變為含碳量較高的奧氏體。奧氏體化溫度、保溫時間及加熱速度甚至原始組織的不同，都會影響奧氏體的實際含碳量，使奧氏體的實際含碳量在一個很寬的范圍內變化。奧氏體的含碳量對它在冷卻時的轉變過程和轉變產物的性能有重要影響。據此原理，出現了部分奧氏體化正火和不平衡狀態快速正火，也就是低碳奧氏體化正火。這些工藝就是球墨鑄鐵的珠光體強韌化正火工藝，簡稱珠光體型強韌化工藝。
1.2、部分奧氏體化正火 球墨鑄鐵的部分奧氏體化正火是將工件加熱到ASC1+(30～50℃)，保溫1～2h后空冷(包括風冷和霧冷)。這個溫度范圍內是三相區，有奧氏體、鐵素體、石墨，只有一部分組織轉變為奧氏體，剩余的部分鐵素體則以分散形式分布。該工藝的特點是奧氏體化的溫度較低，基體中存在少量分散分布的鐵素體，具有較高的綜合力學性能。在共析轉變溫度范圍內，不同的溫度對應著不同的鐵素體和奧氏體的平衡量。正火溫度愈接近AZC1，珠光體數量愈多，因此可以通過控制正火溫度來控制球墨鑄鐵的力學性能。部分奧氏體化正火的加熱保溫時間也有講究，延長保溫時間，使部分石墨溶解到奧氏體中，提高了奧氏體的含碳量，從而增加了奧氏體的穩定性，使珠光體量增加，反之則減少珠光體量。
1.3、不平衡狀態快速正火 球墨鑄鐵的不平衡狀態快速正火就是低碳奧氏體化正火。球墨鑄鐵的總含碳量很高，由于碳以石墨形式析出，所以基體中的含碳量可能很低。球墨鑄鐵基體中的含碳量可類似于高碳鋼，也可類似于低碳鋼。同一化學成分的球墨鑄鐵，在不同的加熱和保溫條件下，奧氏體及其轉變產物中的含碳量可在很大范圍內變化。在鋼中，奧氏體化完成后，奧氏體的含碳量通常就是鋼的原始含碳量。而在球墨鑄鐵中，奧氏體化完成后，奧氏體中的平均含碳量還與加熱速度、加熱時間有關。不平衡狀態快速正火工藝是將球墨鑄鐵件加熱到稍低于ASC1的溫度保溫，即得到鐵素體；然后加熱到AZC1以上的溫度，不保溫立即出爐空冷、風冷或噴霧冷。鐵素體轉變成奧氏體的速度很快，不保溫即出爐冷卻，碳還來不及擴散到奧氏體中，奧氏體仍保持較低的含碳量(不平衡狀態)，達到低碳奧氏體化的效果。更先進的工藝是球墨鑄鐵一步加熱快速正火，簡單地說就是不保溫正火。球墨鑄鐵隨爐加熱時，鐵素體向奧氏體轉變的溫度將提高，從瞬時、局部平衡的觀點看，在鐵素體包圍石墨球的情況下形成的奧氏體可以保持低碳狀態。鐵素體向奧氏體的轉變速度遠大于碳自石墨向基體擴散的速度，也可以使奧氏體處于低碳狀態。當奧氏體化達到所需的程度時，應及時出爐快速冷卻，使球鐵獲得良好的強韌化效果。
1.4、球墨鑄鐵連桿的熱處理 連桿是發動機的關鍵零件之一，其功用是將活塞承受的氣體壓力傳遞給曲軸，并使活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，其運動情況和受力狀態都比較復雜，因此對連桿的使用壽命、可靠性、安全性要求很高。如果連桿在使用中斷裂，會使整機損壞，甚至可能發生傷亡事故。筆者前工作單位無錫縣柴油機廠就是采用球墨鑄鐵制造單缸高速柴油機連桿的。
1.4.1、技術要求 材料為QT700-2球鐵，化學成分(質量分數，%)：3.6～4.0C；2.6～3.0Si；0.4～0.6Mn；<0.10P；<0.025S；0.03～0.045Mg；0.025～0.040RE。鑄態組織：石墨球化級別符合GB/T9441-2009的1級或2級，石墨球的數量不低于100個/mm2。熱處理后，基體組織為75%～90%珠光體，硬度230～270HBW，抗拉強度Rm≥700MPa，斷后伸長率A≥2%，沖擊吸收能量αk≥15J/cm2。
1.4.2、熱處理工藝 采用部分奧氏體化正火。在箱式爐中裝入同一爐號的連桿，裝爐量為90～100件。加熱溫度視含Si量的高低而定，Si量高，加熱溫度高，反之則低。在球墨鑄鐵化學成分穩定的情況下，加熱溫度可以固定不變。我們確定的加熱溫度為860～870℃，總加熱時間為3h，出爐后在45s內散開空冷(不用風冷或霧冷)，連桿不能相互疊在一起。即使在夏天高溫季節，也禁止風冷或霧冷。因為連桿桿身截面不大，若采用風冷或霧冷，會導致硬度不均勻。回火溫度根據正火后的硬度確定，應避免在500℃回火，以免產生回火脆性。過高的回火溫度會使珠光體分解即鐵素體化，大大降低硬度。一般回火溫度不超過620℃。當珠光體量超過90%時，可通過回火調整。 采用低碳奧氏體化正火工藝時，正火溫度應提高到880℃，不保溫，空冷，總加熱時間為2h。回火工藝同上。
2、貝氏體型強韌化工藝 貝氏體強韌化工藝是將優質球墨鑄鐵件進行等溫淬火，得到以針狀鐵素體和富碳奧氏體混合組織為主的球墨鑄鐵，稱為等溫淬火球墨鑄鐵(austemperedductileiron，ADI)。美國材料試驗協會(ASTM)將這種針狀鐵素體和富碳奧氏體混合組織命名為奧鐵體(ausferrite)。關于等溫淬火球鐵組織的命名問題，我國曾有多種說法，國家標準GB/T24733-2009等溫淬火球墨鑄鐵件采用了奧鐵體(ausferrite)這一名稱。 球墨鑄鐵等溫淬火的過程實質上就是貝氏體相變的過程。球鐵的等溫淬火源于鋼的等溫淬火。1977年芬蘭的JohanssonM宣布開發了一種性能優異的奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵，并于1978年在第45屆國際鑄造年會上宣讀了論文，引起廣泛重視。他們還在英、美、法、德等13國申請了專利。在此前后，美國通用汽車公司也用貝氏體-馬氏體球鐵制造汽車后橋螺旋傘齒輪。其實我國是最早研究和應用貝氏體球鐵的國家，早就對普通球鐵零件進行等溫淬火以獲得下貝氏體組織。由于信息閉塞，等外國宣布獲得專利時，我國此前已有多家工廠堅持用下貝氏體球鐵生產310軸承、拖拉機齒輪和汽車用螺旋傘齒輪。球鐵下貝氏體等溫淬火后，組織中必然殘留較多奧氏體，所以我國生產的就是奧氏體-貝氏體球鐵。無錫柴油機廠從1965年開始將等溫淬火球鐵(ADI)用于柴油機凸輪軸，至今仍有許多機型使用該材料的凸輪軸，ADI作為一種工程材料正日益受到人們的關注。 結束語 美國著名的ADI專家JohnRKeough關于球鐵鑄件質量對ADI質量的影響有過一段精辟透徹的論述：我們必須認識到，等溫淬火能將一個好的球鐵件變得更卓越，但它卻不能把一個劣質的球鐵件變好，ADI需要穩定的、高質量的球鐵鑄件。這句話不難理解，球墨鑄鐵件通過熱處理可以獲得高強度和高韌性，其基礎是優質的球鐵鑄件。
優質球墨鑄鐵件的定義為：石墨球數>100個/mm2；球化率>90%；碳化物和夾雜物<0.5%；顯微縮松和縮孔<1%；珠光體/鐵素體比例穩定；化學成分穩定。近年來，我國的球鐵產量、原材料的質量、生產技術和裝備水平、檢測技術與儀器、管理水平等都取得了較大的提高，但具備或者通過努力能穩定生產優質球鐵件的企業并不多，這是現狀。因此，根據零件的服役條件，對不同的球墨鑄鐵進行不同的強韌化處理就顯得非常重要。我們的目標是清楚的，就是把好的球鐵件，通過熱處理使其變得更加卓越。
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