（材料加工工程专业论文）水平连铸qt5007型材等温淬火工艺组织及性能研究.pdf

摘要 论文题目：水平连铸q t 5 0 0 7 型材等温淬火工艺，组织及性能研究 学科名称：材料加工工程 研究生： 指导教师： 李伟明 张忠明教授 摘要 签名： 签名： 本文选取水平连铸球墨铸铁q t 5 0 0 7 型材作为研究对象，通过正交设计等温淬火试 验方案，制取等温淬火球墨铸铁( a u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ，缩写为a d i ) 组织。通过o m 、 s e m 观察分析其微观组织，并测试其硬度、抗拉强度、冲击韧性( 室温和一4 5 ) 和阻 尼性能。研究了a d i 组织与性能之间的关系，并通过方差分析方法分析了等温淬火各因 素对a d l 组织和性能的影响规律，并探寻各个性能的最优等温淬火热处理工艺。 研究结果表明：在型材经过等温淬火得到a d i 组织过程中，等温淬火温度决定着基 体组织中残余奥氏体的含量，对a d i 的性能起到了决定性作用。随着等温淬火温度的升 高，残余奥氏体的含量增加。奥氏体转变前的碳含量由奥氏体化温度决定，且随着奥氏体 化温度的升高而加大，较高的碳含量使奥氏体在等温转变的过程中易于富碳而稳定，增加 残余奥氏体的含最，相应的，型材的硬度降低，冲击韧性增大，抗拉强度降低，而延伸率 增加。根据试验结果分析得出：9 6 0 6 0m i n 奥氏体化+ 4 0 0 7 5m i n 等温淬火，可 获得高残余奥氏体含量的a d i 组织( 4 8 3 9 ) ；8 4 0 6 0m i n 奥氏体化十2 8 0 1 5 0m i n 等温淬火，可以获得高的抗拉强度( 1 5 7 9 6 0m p a ) ；9 6 0 1 2 0m i n 奥氏体化+ 3 6 0 1 2 5m i n 等温淬火，可获得高的伸长率( 1 1 8 7 ) ；8 4 0 6 0m i n 奥氏体化+ 2 8 0 1 0 0 m i n 等温淬火，可获得高硬度( 4 7 6h b w ) 。型材的阻尼性能随频率的升高而增大，往6 0 h z 附近出现内耗峰，在此前后阻尼增幅较小。而此内耗峰是与试样尺寸相关的结构共振 | 且尼。 关键字：水平连铸；球墨铸铁；等温淬火；正交试验；力学性能： 西安理工大学硕士学位论丈 a b s t r a c t _ _ _ h _ _ 、- _ - _ _ _ _ _ _ - i - _ - _ _ _ _ ，一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ - 。_ 。_ 。_ _ 、- _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ l - _ - - _ - _ _ - 。一 t i t i e ：s t u d yo nt h ei s o t h e r m a lq u e n c h i n gt e c h n o l o g y ： m l c r o s t r u c t u r ea n dm e c h n i c a lp r o p e r t i e so f h o r l z o n l - a lc o n t i n u o u sc a s t i n gq t 5 0 0 7b a r s m a j o r ：m a t e r i a i sp r o c e s s i n ge n g i n e e r - n g n a m e ：w e i m i n gu s u p e r 、，i s o r ：p r o f z h o n g m i n gz h a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： l nt h i sp a p e r ，t h eh o r z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g ( h c c ) d u c t i l ei r o nd e n s eb a rq t 5 0 0 一7w a s u s e df o rr e s e a r c ho b j e c t ，s e l e c tt h ea u s t e m p e r i n gm e t h o dw h i c he x p e r i m e n ts c h e m ed e s i g n e db y o n h o g o n a ld e s i g nt op r o d u c ea u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o na b b r e v i a t i o nf o ra d i t h em i c r o s t r u c t u r co fh c c - a d lw a sc h a r a c t e r i z e db y0 p t i c a lm i c r o s c o p ea n ds c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ，h a r d n e s s ，u i t i m a t et e n s i i es t r e n g t h ( u t s ) ，e i o n g a t i o no f f r a c t u r eo fh c c a d lw e r e p e r f o r m e da tr o o mt e m p e 陷t u r e ，i m p a c tt o u g h n e s sw 嬲m e a s u r c di nr o o mt e m p e m t u r ea n d - 4 5 c e l s i u sd e g r e e ，a n dd a m p i n gp r o p e r t y a n a i y s et h ei n f l u e n c eo ff a c t o r so fa u s t e m p e r i n gh c a t t r e a t m e n tu s e dt h em e t h o do fv a r i a n c ea n a i y s i s ，a n de x p l o r ct h eo p t i m u ma u s t e m p e r i n gp r o c e s s o fe v e r yp r i ) p e r t y t h er e s e a r c hr e s u i t sa r ca sf o i i o w s ：d u r i n gt h ea u s t e m p e r i n gp r o c e s s ，t h ea u s t e m p e r i n g t e m p e r a t u r eo fh c c a d i d e t e 邝r i i n e sr e t a i n e da u s t e n i t ec o n t e n to fm a t r i x ， s e q u e n t i a l l y d e t e r n l i n e st h ep r o p c r t i e s i ti su n f a v o r a b l et on u c i e a t eo fb a y e s i a ns h a p ef e r r i t ew i t ht h e a u s t e m p c r i n gt e m p e r a t u r cr i s i n g ，a n dt h e ni n c r e a s et h ec o n t e n to fr e t a i n e da u s t e n i t e t h ec a r b o n c o n t e n ti nt h ea u s t e n i t eb e f o r ct r a n s f o r mi sd e t e m l i n e db yt h ea u s t e n i t i z i n gt e m p e r a t u r e ，a n di t i n c r e a s ew i t ha u s t e n i t i z i n gt e m p e r a t u r er i s i n g t h ea u s t e n i t ew i t hh i g h e rc a r b o np o n t e n ti s e a s i i yc o l l e c tc a r b o nt os t e a d yd ur n gt h ea u s t e m p e r i n gp r o c e s s ，a n ds e q u e n t j a i i y i n c r e a s et h e r e s i d u a ia u s t e n i t ec o n t e n t ，a c c o r d i n g i y t h ed e n s eb a r sh a r d n e s sd e c r e a s e ，i m p a c tt o u 曲n e s s i n c r e a s e ，u i t i m a t et e n s i i es t r e n g t hr e d u c e ，a n de l o n g a t i o no ff - r a c t u r ci n c r e a s e a c c o r d i n gt o r e s u i to fe x p e r i m e n t ，w h i i et h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e 倦o ft h eq t 5 0 0 7d e n s eb a ri st h e a u s t e n i t i z i n gt e m p e m t u r ca n da u s t e m p e n i n gt e m p e r a t u r ca r c9 6 0 a n d4 0 0 ，a n dt h ea u s t e n i t i z j n gt i m ea n da u s t e m p e n i n gt i m ea r e6 0m j na n d7 5m i n ，c o u l do b t a i nt h em i c r o s t r u c t u 他 o fa d lw i t hh i 曲e s tr e s i d u a ia u s t e n i t ec o n t e n t ( 4 8 3 9 ) ；t h ea u s t e m p e r i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s i sa u s t e n i t i z i n gt e m p e r a t u r ca n dt i m ea r e8 4 0 a n d6 0m i n ，a n da u s t e m p e r t i n gt e m p e r a t u r e a n dt i m ea r c2 8 0 a n dl5 0m i n ，c o u i do b t a i nh i 曲u l t i m a t et e n s 1 es t r c n g t h ( 15 7 9 6 0m p a ) ； 西安理工大学硕士学位论文 w h i l et h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r si st h ea u s t e n i t i z i n gt e m p e r a t u r ea n da u s t e m p e r t i n gt e m p e r a t u r e a r e9 6 0 a n d3 6 0 ，a n dt h ea u s t e n i t i z i n gt i m ea n da u s t e m p e n i n gt i m ea r el2 0m i na n d l2 5m i n ，c o u l do b t a i nh i g he l o n g a t i o no ff i r a c t u r e ( 1 i 8 7 ) ；a n do b t a i nt h eh i g hh a r d n e s s ( 4 7 6 h b w ) w h 订ea u s t e m p e r i n gp r o c e s sp a r a m e t e r si st h a tt h ea u s t e n i t i z i n gt e m p e m t u r ea n dt i m ea r e 8 4 0 a n d6 0m i n ，a n da u s t e m p e r t i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m ea r e2 8 0 a n dl0 0m i n t l h e d a m p i n go fd u c t i l ei r o nd e n s eb a ri n c r e a s ew i t hf r e q u e n c yr i s e ，b u tt h ea m p i i n c a t i o ni si i t t l e t h e r ci sa ni n t e m a l 仔i c t i o np e a kw h i c hi ss t r u c t u r er e s o n a n c ed a m p i n gr e i a t e dt o s a m p l e m e a s u r e m e n ta t6 0h7 1 k e yw o r d s ：h c c ；n o d u i a rc a s ti r o n ；a u s t e m p e r i n g ；o r t h o g o n a i t e s t ；m e c h a n i c a lp r o p e n i e s i v 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 等温淬火球整铸铁 等温淬火球墨铸铁，是采用奥氏体等温淬火处理，获得以针状铁索体和高碳奥氏休为 主要基体组织的球墨铸铁，其强度和延伸率远超过普通球墨铸铁。它的英文名称为a u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ，缩写为a d i ，是由其热处理的特殊工艺而得名1 幻。a d i 以其优异 综合力学性能3 石1 ，如强度高、韧性好；比强度高于调质钢，甚至高于高强度铝合金；弯 曲和接触疲劳等动载性能良好：耐磨、减磨性能和良好的减震、降噪性能优异，在冶金和 工程领域被视为很有发艘前途的性能最好的铸铁7 一，已成为2l 世纪人们关注的热点材 料和技术之一川1 ，被称为材料中的i 岛科技产品2 15 1 。 1 1 2a d i 的诞生及发展 等温淬火热处理是美国冶金学家贝茵( b a i n ) 在2 0 世纪3 0 年代对钢等温转变的研究 而发展起来的。4 0 年代，f i i n n 教授最早将其应用于灰铸铁。1 9 4 9 年，w w b r a i d w o o d 曾预言，基体组织为针状组织的铸铁可能是力学性能最好的铸铁1 6 1 。到2 0 世纪5 0 年代 初，人们就开始对球墨铸铁进行等温淬火热处理研究。1 9 5 2 年美国国际哈维斯特组织 ( h a r v e s t e r ) 应用等温热处理对坦克履带板用球聚铸铁进行处理，并成功地生产出高强度、 高韧性的a d i 7 。1 蚰。但限制于当时球墨铸铁生产质量和热处理设备，没有引起人们的注 意。 2 0 世纪7 0 年代，利用奥氏体作为韧性相来提高球墨铸铁的强韧性，取得了重大进展， 使a d i 得到重新的认识2 们。1 9 7 2 年，芬兰科学家发表的论文表明球攫铸铁的高温等淬组 织并刁i 像钢中的上贝氏体，而是无析出碳化物的针状铁素体，这使得a d i 的研究和生产 走上了新阶段，因此，国际上公认a d i 诞生于1 9 7 2 年眈。此后，受到了铸造工作者的 极大关注并展开了大t 的研究工作2 。 上世纪7 0 年代末，中国、芬兰k y m ik y m m e n e 公司和美闻通用汽车公司几乎同时而 又彼此独立的宣布各自研究成功了以汽车l l | i 线齿锥齿轮为载体的a d i 1 1 2 ”。l9 7 6 年美国 通j j 汽车公司宣布，用a d i 材料代替锻钢制作p o n t i a c 的后桥曲线齿锥齿轮剐，并取得成 功，年产量达1 0 0 万副，为此，获得了美国设计奖。芬兰k y m ik y m m e n e 公司1 9 7 7 年宜 布，从1 9 7 0 年起开始研究一种奥氏体贝氏体球墨铸铁并获得成功，并在1 3 个国家申请 了专利，其中在美国、芬兰、挪威、英国和比利时取得了专利认可n 钔。同年，芬兰的 m j o h a s s o n 首先报导了这种球罂铸铁，在1 9 7 8 年召歼的第4 5 屈闲际铸造年会上介绍了 等温淬火的奥氏体贝氏体球铁的性能及应用，这种新材料的制造技术引起各国材料及 铸造学者的高度诹视和广泛关注2 0 2 3 2 5 2 们。1 9 8 9 年美网康明斯公司开始用a d i 替代渗 碳钢制造发动机传动齿轮0 6 ，2 刀。 西安理工大学硕士学位论文 其实，我罔是最先使用贝氏体球墨铸铁的国家2 ”。在外国宣布获得专利之前，我国 已有多家工厂开始使用下贝氏体球墨铸铁生产3 1 0 轴承、拖拉机齿轮和汽车用螺旋伞齿轮。 球墨铸铁经下贝氏体等温淬火后，组织中必然残余奥氏体，所以我国生产的就是a d i 。 中国与芬兰用的方法并不完全相同。我国开始是用一般的稀土镁球墨铸铁在2 8 0 左 右下贝氏体转变区等温淬火，得到下贝氏体+ 残余奥氏体基体组织。无锡柴油机厂、无锡 球墨铸铁研究室很早就进行这方面歼发和研究。他们做了大量工艺试验，测定了不同成分、 温度对下贝氏体“奥贝球铁”性能的影响，以及硅含量对组织及性能的影响，包括上贝 氏体、下贝氏体球墨铸铁的金相照片，并给出奥。贝球铁凸轮轴等零件的等温处理的工艺 和性能。这些资料收录在1 9 7 3 年出版的稀土镁球墨铸铁一书中2 8 l 。书中还介绍了我 国许多工厂对大断面球墨铸铁铸件中加入铜钼合金，研制成稀土镁铜钒球墨铸铁的情况， 论述了c u 、m o 、c r 、n i 、s i 等元素的作用。我国机械科学研究院郑州机械研究所从1 9 6 9 年开始研究用精铸的方法制造汽车用b j l 3 0 、b j 2 1 2 等a d i 螺旋伞齿轮2 9 1 。 1 9 7 8 年以来，工程界已知a d i 的抗拉强度是普通珠光体铁素体球墨铸铁的2 倍，并 且，它同时又保留了良好的伸长率和冲击韧性，与其它铸铁与钢的力学性能对比见表l - l 【2 3 】 表1 1a d i 与其它铸铁和钢的力学性能对比啪1 1 a b 1 一lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc o m p a 陀o f a d lw i t ht h eo t h e rc a l s ti r o n s 锄ds t e e l s 存随后的三十年，a d i 在全世界迅速发展。以美国为例，1 9 8 4 年a d i 的产量是4 0 0 0 6 0 0 0t ；1 9 8 5 年是8 0 0 0t ；1 9 8 6 年是1 2 0 0 0 1 6 0 0 0t ；到1 9 8 7 年则超过3 0 0 0 0t ：到本 世纪初己急剧提高到6 0 0 0 0t ；而全世界的年产量超过3 0 0 0 0 0t 2 3 2 。 1 1 3 等温淬火工艺的诞生 等温淬火工艺起源于2 0 世纪3 0 年代，是研究合金钢低温奥氏体转变时出现的一种热 处理手段b 们。后来逐步应用在球墨铸铁热处理的生产中，这种工艺的突出优点有： ( 1 ) 转变的过程容易控制。通过不同的奥氏体化温度和时问，可以控制转变前工件 中奥氏体的碳含量；不同的等温淬火温度和时间，可以控制奥氏体的转变速度和最终的组 织形态配。 ( 2 ) 可以避免从奥氏体温度迅速冷却到室温所产生的应力、畸变和脆裂现象3 。 等温淬火工艺在球祭铸铁方面的应用是从钢的应用中移植而来的，由于铸铁的原始组 织中存在着自由的高碳相( 石墨) ，铸铁的原始组织与钢有所区别。因此，热处理的目的 和最终组织也就各有不同2 3 ，3 1 3 拍。主要体现在如下几个方面： 2 l 绪论 ( i ) 钢的等温热处理产生的贝氏体组钐 足由针状铁索体和碳化物组成的，这足| 伍 形成针状铁素体的过程中伴随着碳化物的沉淀析出所决定的。而对于铸铁，商的碳含量和 硅含量却可以抑制此类碳化物的析出。 ( 2 ) 钢的等温热处理最终组织里是不允许有残余奥氏体出现的，而铸铁则恰恰相反， 要求保留一定的残余奥氏体以增加其韧性。通常认为在钢中出现残余奥氏体是有害的，因 为钢中奥氏体的碳含量偏低，在温度低于马氏体转变温度( m s ) 时，残余奥氏体趋于转 变成马氏体组织3 3 川。这种未经过回火的、又硬又脆的马氏体很有可能引起- l 件断裂。 在钢中，贝氏体是铁素体和碳化物的混合物u 5 ，3 6 。但是，铸铁经等温转变获得的基 体是奥氏体与针状铁素体的混合物3 。目前a d i 的显微组织被合适的确定为针状铁索体 和残余奥氏体的混合组织化9 ，3 8 ，3 鲫，根据美困材料试验学会( a s t m ) 的研究，已正式更 名为奥氏铁素体( a u s f e 盯i t e ) 们，而国内曾将球攫铸铁经等温淬火处理后的组织称为“奥 贝球铁”、“奥氏铁素体”“奥铁体”。在2 0 1 0 年9 月l 同起实施的g b ，r2 4 7 3 3 2 0 0 9 等温淬火球墨铸铁件中，指出等温淬火球墨铸铁( a u s t e m p e r e dd u c t i i ei r o n ) ，是一种 由球墨铸铁通过等温淬火热处理后得到的以奥铁体( a u s f e 州t e ) 为主要基体的高强度、塑 韧性好的铸造合金。等温淬火球墨铸铁又称奥铁体球墨铸铁加1 。 a d i 铸件的机械性能与化学成分、石墨大小与数量、热处理工艺有关，通过热处理 工艺可以改变显微组织中残余奥氏体的形态与数量、针状铁素体的形态、沉淀碳化物等， 从而改善其机械性能4 。球墨铸铁的常规等温淬火工艺包括两个阶段：( 一) 奥氏体化阶 段( a u s t e n i t i s i n g ) ，即将铸件加热到奥氏体化温度8 4 0 9 5 0 范h 爿内的某一温度并保温 一段时间，使其充分奥氏体化。( 二) 等温处理阶段( a u s t e m p e r i n g ) ，即将完全奥氏体化 的铸件快速的淬入2 5 0 4 0 0 的等温淬火介质中，并保温o 5 4h ，最后取出空冷至室 温2 ，2 7 3 8 ，4 2 1 。其等温淬火热处理过程的示意图如图1 1 所示4 3 4 卯。 甲一 图1 1a d i 等温淬火工艺过程示意图4 0 - 4 3 4 5 1 f i g 1 - ls c h e m a t i co f 玉；o t h e 丌n a lq u e n c h i n gf o ra u s t e n i t i c - b a i n i t ed u c t i l ei r o n 在球嫂铸铁等温淬火的过程中，奥氏体等温转变可分为两个基本阶段：第一阶段，1 ，一 a + 丫r ，即奥氏体在等温转变过秸 中转变为针状铁索体和残余奥氏体；第一阶段，q + 你一 a + f e 3 c ，即高碳的残余奥氏体继续分解为铁素体和碳化物2 2 ”。 姗鲫栅瑚咖湖啪伽抛o _i i 3 l i 琶 西安理工大学硕士学位论文 在球墨铸铁中，第二阶段的转变在第阶段转变“完成”以后并没有马上开始，而足 有一个显著的延缓过渡阶段。此段时间，即第一阶段的结束至第二阶段的开始以前的这段 区间，称为热处理窗口( h e a tt r e a tp r o c e s s i n gw i n d o w ) ，如图1 2 所示3 5 4 纠舳。 i “ 矗赴疆膏口 图1 2a d i 的显微组钐 随奥氏体等温时间变化示意图3 5 4 5 4 8 1 f i g 1 - 2s c h e m a t i co f m i c r o s t f l j c t u r eo f a d ic h 锄g e dw i t h 硼s t e m p e r i n gt i m e 1 1 4 球墨铸铁等温淬火热处理的影响因素 a 奥氏体化温度对a d i 组织及性能的影响 根据等温淬火热处理的生产顺序，首先，将铸件加热到奥氏体化温度并保温，使其转 变成奥氏体。随着奥氏体化温度的升高，奥氏体等温转变的相变驱动力增大。但同时，奥 铁体组钐 粗l 化，组织均匀程度增加，此时稳定的残余奥氏体数量增加h 锄。这是因为奥氏 体化温度越高，铸件中碳的扩散速度越大，使得转变前奥氏体中的碳含量增加，从而显著 降低奥氏体第一阶段的转变速度，即由奥氏体转变为针状铁素体和富碳奥氏体的速度，使 得组织中未转变的过冷奥氏体量增加，导致最终等温转变获得的a d i 组织中有较多的残 余奥氏体5 们。由于残余奥氏体相对针状铁素体为软相、韧相，故随着奥氏体化温度的升 高，球墨铸铁的硬度、强度降低，而塑韧性升高。然而，奥氏体化温度升高，也会导致奥 氏体晶粒粗大，使得转变后的a d l 组织粗大，从而使球墨铸铁的综合性能下降。因此， 在保证完全奥氏体化的前提条件下，应尽可能的降低奥氏体化温度。 b 奥氏体化时间对a d i 组织及性能的影响 奥氏体化时间对a d i 的组织及性能影响不大，其主要影响的是奥氏体中的碳含量和 均匀分布程度。延长奥氏体化的保温时间，可以使碳原子得到充分扩散，趋向均匀，等温 转变产物中碳的过饱和度增加，使a d i 的强度、硬度略有上升5 。随着奥氏体化时间的 延长，富碳而稳定的奥氏体含量增加，针状铁素体的针状组织变粗大，使得冲击值稍有下 降而延伸率上升。延长奥氏体化保温时间能提高a d i 的综合机械性能。这是因为较长的 奥氏体化时间虽然使奥铁体中的针状铁素体过饱和度增加，但同时使奥氏体稳定性增加， m s 线下降，增加淬火组织中残余奥氏体量，提高a d i 的仲长率2 1 。 4 l 绪论 总之，奥氏体化的温度过低或时间过短，会使奥氏体转变不完全：温度过商或时间过 长，则会导致品粒长大，降低a d i 的综合力学性能。 c 等温淬火温度对a d i 的组织及性能的影响 将完全奥氏体化后的球墨铸铁迅速的转移至等温盐浴炉内进行一定时间的等温处理， 使其发生等温转变。在生产a d i 的过程中，等温淬火温度和时间与淬火处理后得到的组 织及残余奥氏体量有着良好的对应关系，直接影响其力学性能的优劣。经过等温转变后的 球墨铸铁，其基体组织转变为由针状铁素体和残余奥氏体组成的混合组织。 等温淬火温度决定了a d i 组织中针状铁素体的形态和残余奥氏体数量，是影响a d i 性能的关键因素5 2 5 ”。在等温时间合适的前提下，随着等温淬火温度的升高，a d i 组织 中的针状铁素体的组织形态逐渐由细小的针状变成粗大的羽毛状，同时基体中残余奥氏体 的含量也逐渐增多，这种残余奥氏体避的增加，对a d i 的塑、韧性的增大非常有利，但 对抗拉强度、硬度则起到相反的作用b 4 6 钉；在较高温度下等温淬火( 回火) ，a d i 热处 理工艺带变窄或者消失，可以得到不含奥氏体的基体组织咖1 。在3 6 0 以上针状铁素体 较粗大，类似于钢中的羽毛状上贝氏体组织，而在3 2 0 以下则为细小的针状，类似于钢 中的下贝氏体组织。 d 等温淬火时间对a d i 的组织及性能的影响 热处理时等温淬火时间的长短也起着很大的作用。在等温时间不充分的情况下，不但 针状铁紊体数量少，大量未转变的奥氏体因其碳含量低不足以在室温稳定，在空冷时转变 为马氏体，得到含有大量马氏体的基体组织，造成处理后球墨铸铁的硬度高、韧性低6 。 随着等温时间的延长，伴随着奥氏体转变的进行，碳原子由铁素体扩散至未转变的过冷奥 氏体中，使过冷奥氏体富碳而稳定，空冷时不再转变成马氏体，表现为硬度降低而冲击韧 性升高。若进一步延长等温淬火时间，则会进入转变的第二个阶段，即高碳奥氏体将分解 为铁素体和碳化物，而使a d i 的力学性能降低。 综合而言，等温淬火温度对力学性能影响较大，一般来说，随着等温淬火温度的升高， 强度、硬度降低，塑、韧性升高；等温淬火时间对性能的影响较小，但时问过短，奥氏体 转变不完全，在随后的出炉空冷过程中，不稳定的残余奥氏体会继续转变为马氏体，导致 单纯的硬度高。 1 2a d i 的性能特点及应用 1 2 1a d i 的性能特点 a d i 的显著特点就是具有卓越的综合力学性能和宽泛的性能谱，如图1 3 所示硒。 通过训整工艺参数，可以获得所需要的强度和韧性组合。强度区问可以从8 0 0 1 6 0 0m p a ， 而商韧性的a d i 其伸长率也可达到l o 左右6 柏，无缺口冲击韧性可达1 0 0j c m 2 6 ”。 从图l - 3 中可以看出，a d i 具有很大的性能【爱间。只要选择适当的铸造和热处理工艺， 就可以取得相当优异的综合力学r e 能，甚至一些特殊忭能，以满足不同的工况要求。 西安理工大学硕士学位论文 伸长率) 图1 3a d i 与常用金属材料吼6 的关系6 f j g 1 - 3o b 一6r e l a t i o n so f a d ia n dc o n v e n t i o n a lm e t a i s 除具有良好的综合力学性能外，a d i 还具有以下优点： a 减震降噪性能好 由于球墨铸铁的弹性模量小于钢，其自身具有一定的减振能力，故在受迫振动时，对 振动体的减振速度比钢要快4 0 左右删1 。同时由于a d i 内部组织中的石墨球也具有一 定的吸振作用2 。铸铁与钢的减震效果对比如图1 4 所示6 5 1 ，灰铸铁的减震效果最优， 球墨铸铁次之，而钢最差。 l234 567 8 而i n 图1 4 铸铁与钢减震性能比较6 f i g 1 4s h o c ka b s o 而i n ga b i l 时c o m p a r i s o no fc a s t i n gs t l 卸di r o n b 机加工性能优异 由于a d i 热处理f j 后工件变形小，大部分机加工工序可以在等温淬火前完成，热处 理前球墨铸铁加工性能优于钢，可提高加工效率和减少刀具的磨损。铸件较之锻件更易于 生产近乎无余量的工件，所以材料利用率高、能量消耗少、加工成本低。 c 比强度高 由于密度差异( 铸铁的密度为7 1 1 0 3k m 3 左右，而钢的密度为7 8 1 0 3k m 3 ) 2 9 1 ， 使得铸铁能在获得高强度的同时，重量要比锻钢轻1 0 左右6 “。不同材料的单位质量 上的屈服强度如图1 5 所示钉。 6 瑚 啪 蛐 o d置、倒氧亲嚣 g 县蔓 ，n 商型 咚强 j ：1 ：e 暑誉 l 绪论 l lli i ；i i i i i ：一 嚣州钠! f 一l2 钲2 j 盘 j il 坼钌j 图1 5 不同材料的相对单位屈服强度的质墩1 f i g 1 5w b i g h tp e ru n i tr e l a t i v ey i e i ds t r e n g t ho f d i f r e r e n tm a t e r i a l s d 耐磨性好 a d i 较之其它具有同样硬度的钢，有更好的耐磨性n ”。由二丁二a d i 具有高的硬度，而 石墨可以起到减磨剂的作用，在摩擦过程中存在着自润滑效果。这就使得在磨损的过程中， 不仅自身的磨损量少，对磨件的磨损量也有所降低。同时由于a d i 中存在大量残余奥氏 体，在使用过程中，残余奥氏体会在诱发加工硬化的条件下，产生加工硬化，提高硬度， 进一步提高材料的耐磨性卿- 。 e 成本低、经济性好 通常，生产a d i 零部件所消耗的能龟比铸钢件少约5 0 ，比锻钢件少约8 0 ，a d i 的强度与微合金锻钢一样，且韧性也差不多3 们，成本比锻钢件低2 0 左右埘。如美国 通j | 】汽车公司a d i 代替淬火钢生产汽车后桥齿轮，节能5 0 2 ，生产差速器环状齿轮 和小齿轮，成本降低2 0 7 。又如，使用a d i 铸造曲轴，成本可比锻造曲轴降低3 0 左右5 ，6 。相对于其它材料，a d i 的性价比较高。不同材料的相对单位屈服强度的成本， 如图1 6 所示5 l 。 图1 6 不同材料的相对单位屈服强度的成本5 1 f i g i - 6c o s tp e ru n i tr e l a t i v ey i e l ds t r e n g t ho f d i f 五黝_ e n tm a t e r i a l s 耐疲劳性好 a d i 与低合金锻钢的弯曲疲劳强度相当。高强度、高韧性的a d l l 司时具彳j 优异疲劳 性能的一个主要原因足在基体组织巾含有2 5 5 0 的残余奥氏体眨。可以具有与碳钢、 低合金钢卡h 当或更优的疲劳性能，经过喷丸处理后a d i 的疲劳愠度可以与淬火钢或农面 氮化钢榭当或更高2 7 7 柏。 o 8 6 4 2 n 詈n掣迓娶姜乏鲁fi釜筐。簪 西安理工大学硕士学位论文 g 断裂韧性优越 a d i 具有相当高的断裂韧性，其数值相当了：巾温回火后的巾碳合金钢，稍高1 二铁素 体基球墨铸铁2 9 ，4 。a d i 的断裂韧度有以下特点7 ”： ( 1 ) a d i 的断裂韧性比普通球墨铸铁要好得多，相当于或优于相应强度的铸钢和锻 钢。 ( 2 ) a d i 的断裂韧性与其微观组织( 牌号) 有关。普通球墨铸铁的规律一样，低牌 号( 低强度) 的a d i 较之高牌号的a d i 具有更好的断裂韧性。 ( 3 ) a d i 具有与普通珠光体球墨铸铁和淬火回火钢相当或更大的缺陷容忍度。 a d i 除了具有热处理给他带来的力学性能优异外，同时又保留了原有铸造工艺的特 点，如可制造复杂形状的零件，可对材料进行回收重利用，可批量生产等，在很多场合， 可取代钢或铝。其优点有7 们：减轻机器重量；减少燃料、动力消耗；提高机器效 率；改善环境污染；节约成本开支，提高经济效益。 1 2 2a d i 的应用 a d i 以其优异的性能以及出众的性价比，正在逐步的取代锻钢、碳钢、焊接构件和 铝铸件，并已经在齿轮、曲轴、耐磨件和j 二程机械构件等领域得到了广泛应用2 7 1 。 a a d i 在齿轮方面的应用 美国通用汽车公司在2 0 世纪7 0 年代末就开始使用a d i 制造后桥螺旋伞齿轮和双曲 线齿锥齿轮2 。美国康明斯公司从1 9 8 9 年开始使用a d i 取代原来的渗碳钢来制造发动 机的正时齿轮2 。美国f a r r a rc o r p o r a t i o n 公司和比利时n vf e r r o m a t r i x 公司用a d i 铸 件制造割草机齿轮，使成本降低，并且齿轮寿命延长，同时割草机噪音显著降低 4 1 。 我国应用a d i 做汽车后桥曲线齿锥齿轮原材料，使用寿命超过i 5 1 0 5 k m ，而生产成 本和生产周期仅是钢齿轮的5 0 左右6 刀。无锡柴油机厂采用a d i 取代4 0 c r 调质钢制造 齿轮，具有重量轻、运转噪音小等优点，而且摩擦磨损性能均达标，齿轮弯曲疲劳强度安 全系数高达3 5 6 ，所生产的齿轮完全满足设计和使用的要求随5 7 5 1 。 a d i 还被用于制造其它齿轮件上，如车轮用圆弧齿轮、伞齿轮、差速器齿轮及螺旋 伞齿轮等盯们。 b a d i 在曲轴方面的应用 曲轴是发动机上的重要零件。它处于周期性变化的弯曲扭转应力下工作，其安全系 数要求较高。某些普通球墨铸铁生产的曲轴，由于不能满足日益增大的高功率内燃机的使 用要求而采用a d i 。我国在a d i 曲轴的试验研究和生产方面也取得了较大进展。 1 9 9 4 年山西淮海机器厂与南京理工大学合作试验运用高韧性a d i 代替低合金锻钢生 产轿车发动机用的进口3 6 8 q 三拐曲轴，并实现国产化2 。并且经曲轴台架试验，其安 全系数为1 7 ，高于进n 的锻钢曲轴6 7 1 。根据工厂计算，与进口和国产的锻钢曲轴成本相 比，进口锻钢曲轴：国产4 0 c r 锻钢曲轴：a d l 曲轴= 2 7 ：1 8 4 ：i 【7 7 1 。南通万力机械集 8 l 绪论 团有限公司从2 0 世纪8 0 年代以来，已成功彬怖01 j 比量生产型号为s 1 9 5 、z s l ll o 、3 8 0 、 z s l l1 5 等的高强度a d i l h 轴眩伽。 汽集团公- - j 材料研究所和大连柴油机厂就c a 4 9 8 型 增压发动机的a d i 曲轴的研制开发- l ：作进行合作，并取得阶段性成果6 踟。 国外球墨铸铁曲轴的应用也十分j “泛，在德国，排气量2 ol 以下的柴油机中，球墨 铸铁曲轴占5 0 ，排气量1 5l 以下的汽油交通运输年中，球墨铸铁曲轴占8 0 ；在美 国的汽车行业中，球墨铸铁曲轴占8 0 8 | 。 使用a d i 做原材料代替锻钢制造曲轴，其弯曲疲劳强度和静强度，均可胜任大功率 增压柴油机的服役条件，而n 具有显著的成本优势。 c 工程构件和耐磨件上的应用 日本的日立金属株式会社在1 9 8 4 年成功研制出了后轮双轴大型汽车用a d i 钢板弹簧 座，其耐磨性能良好2 。随后，陆续开发了a d l 汽车转向销、转筒、球节座、传动零件、 齿圈、连杆及万向联轴节等6 1 7 1 。2 0 0 1 年美国i n g e r s o l l r a n d 公司在湖北省机电研究 设计院等单位协作下，经过选用正确刀具材料、采取合理的工艺路线、选择适当的机加工 工艺参数等，解决了生产m x 9 0 1 6 0 、p b 5 0 3 5 型风镐缸体、机头零件过程中，a d i 零件 的机加工问题7 9 ，8 们。 芬兰国家铁路和芬兰赫尔辛基城市交通将a d i 制动块和制动蹄片应用在火车、货车 车厢和城市铁路上。经过6 年的运行结果表明，a d i 制动块和制动蹄片耐磨性比传统的 灰铸铁提高6 倍，同时减少车轮磨损和运行费用，提高了设备利用率。在我国，2 0 世纪 9 0 年代戚墅堰机车车辆工艺研究所先后研究a d i 斜碘和衬套成功，通过技术鉴定，并在 铁路系统全面推广使用。取得了很好的应用效果和经济效益6 1 ，引1 。 磨料磨损的典型应用如磨球，挖掘机斗齿，犁铧，犁尖，物料输送机衬板，破碎机衬 板，履带板等6 9 1 。此时只考虑零件的耐磨性，与调质球墨铸铁、调质钢和等温淬火钢相 比，在同样硬度和工况条件下耐磨性更好。 a d i 的一些典型应用实例，如图1 7 至1 1 4 所示，这足以看出a d i 的应用涉及的领 域非常广泛。 图1 7 注塑机铸模螺旋驱动端盖3 2 1 f i g 1 - 7p l a s t i ci n j e c t i o nm o i d i n ge n dh o u s i n g s c r e wd r i v e 图1 8 割草机用可拆卸轮盘的齿轮轴8 2 1 f i g 1 8g e a r a x i ew i t hr e m o v a b i eh u bf o r l a 、v n m o w e r 苫 用剽 西安理工大学硕士学位论文 、。旷吣 矿、 图l 一9j o h nd e e r e8 0 8 2 型大型排式收割机 悬架系统控制臂m 1 f i g 1 9s u s p e n s i o nl o w e rc o n n 0 la 姗f o rt h en e w j o l l nd e e r e 8 0 2 0s e r i e si a 唱e 2 r o w c m pt r a c t o r 图i - l ia d i 铁路衬套6 6 8 ，8 3 1 f i g 1 一lla d ir a i l w a yb u s h e s 图l 1 3a i d 风镐缸体、机头6 8 7 9 8 3 1 f i g 1 一l3c y l i l l d e rb i o c ka n dd i eh e a do fp n e u m a t i c a l 图l 1 0 戴姆勒2 克莱斯勒2 5 0 0 3 5 0 0d o d g er a m 车的悬架系统下控制臂啦! f i g 1 一lol o w e rc o n t m ia m f o rd a i m l e r 2c h 叫s l e r s 2 5 0 0 3 5 0 0d o d g er a ms u s p 朗s i o n 图l 1 2 建筑和园林用的装载机a d i 驱动轮铸件1 f i g 1 一l2a d id r i v ew h e e lo fi o a d i n gm a c h i n eu s e d f o ra r c h i t e c t u r ea n dp 龇k 图1 1 4 奥拓轿车a d i3 6 8 q 曲轴6 8 8 3 1 f i g 1 - 1 4 a d i3 6 8c r a