合金球墨铸铁的等温淬火研究外文翻译资料

 2022-09-22 10:09

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合金球墨铸铁的等温淬火研究

Olivera Erić a,*, Milan Jovanović a, Leposava Scaron;idānin b, Dragan Rajnović b, Slavica Zec a

a Institute of Nuclear Sciences lsquo;Vinčarsquo;, P.O. Box 522, 11001 Belgrade, Serbia and Montenegro

b University of Novi Sad, Faculty of Technical Sciences, Novi Sad, Serbia and Montenegro

摘要

等温淬火球墨铸铁(ADI)拥有一些引人注目的特性：它在具有高强度、塑性、韧性的同时，有良好的耐磨性和可加工性，已经被证明是一种优异的材料。对于给定的化学成分，采用适当的热处理工艺可以获得较优组织。本文通过在温度和时间范围内，对含有0.45%Cu球墨铸铁进行等温淬火热处理，借助光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射分析表征其显微组织和断裂类型。结果表明：贝氏体形铁素体和残留奥氏体含量对材料的强度、延伸率和冲击功有很大影响。基于这些结果设计较优的热处理窗口。°

关键词：黑色金属和合金；力学性能；显微组织

1.引言

研究报道，等温淬火球墨铸铁(ADI) 拥有较高的强度、韧性和良好的耐磨性，而且成本较低，因此在许多方面都有应用[1,2]。所以ADI在研究文献中得到广泛的关注。

等温淬火球墨铸铁的力学性能取决于它的淬火组织[3-6]，而淬火组织则受等温淬火温度和时间影响。最近关于ADI的研究大多关注于合金元素对组织、性能和等温反应的影响[7]。铜作为合金元素可以扩大相图中的奥氏体相区，提高奥氏体化过程中的转化率和基体中的碳含量。另一方面，铜在随后的等温淬火过程中可以抑制碳化物的形成[8]。

本文的研究范围是研究等温淬火工艺温度和时间对铜合金等温淬火球墨铸铁的显微组织和力学性能的影响。

2.实验过程

借助商业电磁感应铸造炉生产球墨铸铁铸锭，化学组成为(wt.%)：3.6C；2.5Si；0.28Mn；0.04Cr；0.45Cu；0.014P；0.014S；0.066Mg。约1420℃时将熔体注入标准的25.4mmY形试样砂型(ASTMA-395)获得致密铸件。将Y形试样分别加工为直径6mm，标距长度30mm的拉伸试样和无划痕的冲击试样(55times;55times;10mm)。将试样置于氩气保护气氛中，在900℃加热2h，然后迅速转移到盐浴炉中，在温度为300、350和400℃的盐浴炉中分别等温淬火1h、2h、3h、4h，而后空冷至室温(见表1)。

表1 CuNiMo球墨铸铁试样的化学成分 (wt %)

使用标准金相制备技术(机械研磨抛光后，使用硝酸酒精溶液浸蚀)制备试样，然后使用光学显微镜观测组织。借助“Leitz”金相显微镜表征金相组织，用配备了“Vidas”程序的“OptonAxioplan”光学显微镜测量石墨球的分布和残余奥氏体的体积分数。使用西门子公司“D-500”X射线衍射仪测定在等温淬火过程中的残余奥氏体的体积分数的变化，衍射仪采用Ni滤波后的Cu Kalpha;射线，获得的衍射图样采用直接比较法分析[9]。

借助50kN液压机对等温淬火试样进行拉伸测试，液压机以1mm/min的速度拉伸试样。测定屈服强度(sigma;0.2)、抗拉强度(sigma;b)和断后延伸率。用标准冲击试验机在室温下对等温淬火后的试样进行冲击试验。每个热处理工艺至少测试三个试样。使用“JEOLJSM-6460LV”扫描电子显微镜(SEM)在25KV工作电压下检测断面。

图1.光学显微镜下的铸态组织：(a)未浸蚀；(b)浸蚀

3.结果与讨论

图2 等温淬火后的金相组织

(a)300℃times;1h；(b)300℃times;2h；(c)350℃times;2h；(d)400℃times;2h M-马氏体

3.1金相组织

铸态球墨铸铁中的石墨球已经充分球化(图1(a)和(b))，石墨球数为80~95个/mm2。试样球化明显，球化率大于90%，石墨球平均粒径为17mu;m(图1(a))。铸态组织中90%以上都是珠光体组织(图1(b))。

等温淬火球墨铸铁的金相组织如图2。在300℃等温下1小时的试样由贝氏体形铁素体、残余奥氏体和一定量马氏体组成(图2(a))。淬火时间增加到2小时，组织中马氏体消失。300℃等温淬火的试样组织为类似下贝氏体的针状贝氏体形铁素体。350℃等温淬火后，残余奥氏体基体中也出现了针状贝氏体形铁素体，平均体积分数为15-20% (图2(c))。提高等温温度会使得残余奥氏体中的片状贝氏体形铁素体数量增加(图2(d))。很明显，等温淬火时间超过1h，组织中没有马氏体，仅有贝氏体形铁素体和残余奥氏体。这是由于在等温时间较短时，奥氏体中含碳量较低，奥氏体不稳定，冷却过程中分解形成马氏体。然而，在等温淬火时间较长时，碳的富集使冷却时奥氏体足够稳定，不发生转变。

等温淬火时间和等温淬火温度对残余奥氏体含量都有显著的影响(图3)。从图3中曲线的趋势看，等温转变明显的可以分为两个阶段。在2h以前为阶段Ⅰ。在此阶段，残余奥氏体含量随着时间的增加而增加，这可能是由于贝氏体的转变不完全所致。有文献[10]表明，奥氏体区硅浓度低而碳浓度高，例如在短时间等温淬火时，石墨球之间的区域没有转变贝氏体形铁素体和残余奥氏体，因此随后的冷却至室温的过程中，不可避免地发生了马氏体转变。等温时间增加，残余奥氏体数量也随之增加，等温时间为2小时残余奥氏体含量达到最大值。2h后残余奥氏体数量减少，表明等温反应中阶段Ⅱ开始。在阶段Ⅱ，残余奥氏体分解为贝氏体形铁素体和碳化物。在400℃的这种下降更为明显，这与奥氏体分解为铁素体和碳化物有关[6]。

图4中曲线清楚地表明了奥氏体中残余奥氏体体积分数的变化。从曲线的变化中很明显的表现了等温转变的两个阶段。在阶段Ⅰ(时间少于2小时)的残余奥氏体量随时间增大而增大。这可以用贝氏体的转变不完全来解释。有研究结果支持这种观点[10]，例如石墨球之间的奥氏体区，具有低硅高碳的特点，如果等温淬火时间较短，不会发生转变为贝氏体形铁素体和残余奥氏体，在随后的从等温淬火温度冷却到室温的过程中，也不会形成马氏体。等温时间增加，残余奥氏体数量也随之增加，2小时残余奥氏体含量达到最大值。时间超过2h后，残余奥氏体数量减少，残余奥氏体分解为贝氏体形铁素体和碳化物表明等温反应的阶段Ⅱ开始。，在400°C等温4h时，残余奥氏体的减少非常明显。这个结果已经被X射线衍射的结果所证实(图3(c))

图3.不同等温温度时等温时间对残余奥氏体体积分数的影响

图4：X射线衍射图形，等温淬火温度为：

(a)300℃，(b)350℃，(c)400℃

3.2断口形貌

在300℃等温处理1h的冲击试样的断裂面表明试样是脆性断裂，如图5(a)。在300、350和400℃等温淬火2h的冲击试样断口形貌如图5(b)、(c)、(d)所示。试样在300℃等温淬火2h，断口具有韧性和脆性断裂的特征，即出现韧窝和解理断裂特征，如图5(b)所示。但是350℃等温淬火2h试样断口分析表明试样为韧性断裂，具有韧窝，如图5(c)。而400℃等温淬火2h断裂机理通常是脆性解理，如图5(d)。

图5：冲击试样断口SEM照片，

(a)300℃，1h (b)300℃，2h (c)350℃，2h (d)400℃，2h

3.3等温淬火工艺对力学性能的影响

屈服强度sigma;0.2、抗拉强度sigma;b、延伸率和冲击功随等温淬火温度和时间的变化，如图6(a)-(c)所示。等温淬火温度为300和350℃时，其强度虽然在3h后略有增加但大体保持不变(图6(a)、(b))。等温时间较短时，结构中马氏体的存在使试样脆性断裂，延伸率和冲击功较低(图6(c))。随着时间的延长，结构中的马氏体消失，而贝氏体形铁素体和残余的奥氏体量的增加，使等温淬火2h时延伸率和冲击功最大。进一步增加等温时间，延伸率和冲击功开始减小，并且在400℃时减小最为明显。这是由于长时间等温时残余奥氏体数量减少所致。

将试样在不同等温温度保温2h后，屈服强度sigma;0.2、抗拉强度sigma;b、延伸率和冲击功的变化，如图7(a)、(b)所示。从图7(a)中可看出，淬火温度较低时，强度较高。这与针状贝氏体形铁素体与马氏体和残余奥氏体有关。片状铁素体和少量的残余奥氏体有助于提高强度。另外，其他因素的影响也不容忽视，例如弥散碳化物的形成，由于碳过饱和造成的铁素体中较高的位错密度和晶格畸变[11]。随着等温淬火温度的升高，马氏体消失，残余奥氏体的量增加。这些变化导致强度降低。延伸率和冲击功在350℃时最大，此时残余奥氏体含量最高(见图3)。

图7：等温温度对性能的影响

(a)屈服强度sigma;0.2和抗拉强度sigma;b (b)延伸率和冲击功

图6 等温时间对性能的影响

(a)屈服强度 (b)抗拉强度 (c)延伸率 (d)冲击功

根据上述优化处理过程的结果，在350℃等温淬火2小时，机械性能如下：抗拉强度为1180MPa；延伸率为8％；冲击功为106J。此时组织由由层片状贝氏体形铁素体和残留奥氏体组成，奥氏体的体积分数约为22%，试样发生塑性断裂。对于无铜球墨铸铁，进行同样的等温热处理之后，性能为：抗拉强度为1320MPa；延伸率为3.4％；冲击功为90J[12]。很明显，铜合金化可以减小强度，但提高了延伸率和冲击功。

4．结论

通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射分析、拉伸试验和冲击试验研究了含铜0.45%的合金等温淬火球墨铸铁的显微组织和力学性能。研究表明：

  • 铸态组织为珠光体为主，达到80%以上，珠光体中石墨球化率超过95%。
  • 强度，延伸率和冲击功取决于贝氏体形铁素体和残余奥氏体的数量。
  • 较佳的热处理工艺为350℃等温淬火2h，获得的组织为贝氏体形铁素体和残余奥氏体。二者结合具有优异的力学性能，抗拉强度为1180MPa，延伸率为8％，冲击功为106J。
  • 铜合金化可以提高延伸率和冲击功，但降低了ADI的强度。

致谢：

感谢塞尔维亚共和国科技部对项目的财政支持。

参考文献：

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[10] Bayati, Elliott. Mat Sci Techn 1995; 11:285.

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[12] Shih TS, Chang CH, Ou ZD. Trans AFS 1993; 73:857.

球墨铸铁中贝氏体的形成

A. Kutsov *, Y. Taran, K. Uzlov, A. Krimmel, M. Evsyukov

Physical Metallurgy Department, State Metallurgical Academy of Ukraine, prospekt Gagarina 4, Dnepropetro6sk, 320635, Ukraine

摘要

本次研究的对象是标准Ni-Mn-

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