（材料加工工程专业论文）硼对等温淬火球墨铸铁组织和性能的影响.pdf

摘要 摘要 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 ) 是采用等温淬火热处理工艺获 得的针状铁素体和高碳奥氏体为主要基体组织的球墨铸铁，简称a d i 。该材料 具有强度高、韧性好、耐磨损、比强度高、生产成本低等优点，已经成为2 1 世 纪的热点材料之一。 本课题采用金相观察、扫描电子显微镜、能谱分析、光谱分析、x 射线衍 射分析、硬度测定、拉伸试验及磨损试验，研究了不同硼含量及热处理工艺对 a d i 的组织、力学性能及耐磨性能的影响。 在所研究的硼量( o - o 0 7 7 ) 范围内，随着硼含量的增加，石墨球化效果降低， 石墨球球径增加，数量减少，圆整度降低：当含硼量低于0 0 0 8 时，石墨大小 级别均到达了7 级，石墨球化级别均达到2 级；当硼含量达到0 0 1 2 时，石墨 大小等级为6 级，球化等级为3 级，当硼含量的继续增加到0 0 2 0 时，石墨大 小等级为6 级，球化等级4 级，当硼含量达到0 0 4 9 以上时，石墨大小等级严 重下降达到5 级以下，石墨球化级别达到5 6 级。 铸态组织主要由石墨球、珠光体、铁素体和碳化物组成，当硼含量较低时， 硼以固溶的形式存在于基体中，当硼含量较高时，硼主要以硼碳化物的形式析 出，并且含量随硼量的增加而增加：当硼含量低于0 0 0 8 时，基体中的硼主要 以固溶形式存在于铁素体中，形成的硼碳化物比较少，当硼含量为0 0 1 2 时， 一部分固溶在基体中，一部分以硼碳化物的形式析出，并且硼碳化物的含量有 所增加，该碳化物在基体中呈块状，分布比较均匀，当硼含量大于0 0 2 0 时， 硼碳化物含量继续增加，主要以硼碳化物的形式存在，当硼含量为0 0 4 9 时， 主要以硼莱氏体的形式析出，呈较大块状或鱼骨状，当硼含量为0 0 7 7 时，基 体中形成的硼碳化物最多，该种碳化物方向性很强，成排分布于基体中。 热处理后的基体组织主要由石墨球、针状铁素体、残余奥氏体和少量碳化 物组成，b 主要以f e 2 b 、f e 3 b 、f e 2 3 ( c b ) 6 的存在形式；随着硼含量由o 增加到 0 0 2 0 ，贝氏体针逐渐细化，数量明显增加，残余奥氏体含量减小，碳化物含 量增多；表明加硼可以细化贝氏体针，增加贝氏体数量，促进贝氏体相变和碳 化物的形成，随着硼含量的增加，试样的布氏硬度和抗拉强度增加，伸长率和 摘要 磨损率减小，耐磨性升高。在2 8 0 。c 下等温淬火的试样，随着硼含量从0 增加到 0 0 2 0 ，试样的布氏硬度值由4 5 5 h b 增大到4 8 4 h b ，抗拉强度由1 4 1 0 m p 增大 到1 4 8 2 m p ，伸长率由2 5 降低到1 ，磨损率由1 3 9 m g m 降低到1 1 2 m g m ， 耐磨性增加。 在所研究的等温淬火温度范围( 2 4 0 、2 8 0 。c 、3 2 0 。c ) 1 为，随着等温淬火温 度的升高，残余奥氏体含量增加，贝氏体组织逐渐粗化，由针状逐渐转变为羽 毛状，针间距增加，试样的布氏硬度值和抗拉强度逐渐降低，伸长率和磨损率 逐渐升高，耐磨性降低；当硼含量为0 0 0 8 时，随着等温淬火温度的升高，试 样的布氏硬度由4 8 1 h b 降低到3 9 4 h b ，抗拉强度由1 4 6 5 m p 降低到1 1 6 0 m p ， 伸长率由2 升高到2 5 ，磨损率1 0 5 m g m 升高到1 2 9 m g m ，试样的耐磨性降 低。 通过对不同含硼量a d i 热处理工艺、组织及性能的研究，得出：含硼0 0 0 8 的球墨铸铁经9 0 0 。c 奥氏体化保温1 5 h ，然后在2 8 0 。c 盐浴池保温2 h 的试样综 合性能最好，最终组织为石墨球、针状铁素体、残余奥氏体和少量碳化物，布 氏硬度达到4 6 7 h b ，抗拉强度值为1 4 3 5 m p a ，伸长率为2 ，磨损率为1 2 4 m g m 。 关键词：硼a d i 等温淬火温度硼碳化物球墨铸铁 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a d i ( a u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ) i sak i n do fd u c t i l ei r o nw i t ha c i c u l a rf e r r i t ea n d h i g hc a r b o na u s t e n i t i c f i t si t sm a i nb a s e s t r u c t u r e ，w h i c h i so b t a i n e db yt h e a u s t e m p e r i n gp r o c e s s t m a t e r i a li sc h a r a c t e r i z e db yh i g hs t r e n g t h ，g o o dt o u g h n e s s ， e x c e l l e n tw e a r - r e s i s t a n c e b e s i d e s ，w i t hi t sl o wr a t i oo f d e n s i t yt ot e n s i l es t r e n g t h ，a s w e l la sl o wc o s t ，a n dh i g he c o n o m i cb e n e f i ta n ds o m eo t h e ru n i q u ea d v a n t a g e s ，i th a s b e c o m eo n eo ft h eh o ts p o to ft h e21s tc e n t u r ym a t e r i a l s i nt h i sp a p e r , w es t u d i e dt h ee f f e c to fd i f f e r e n tb o r o nc o n t e n ta n d h e a tt r e a t m e n t p r o c e s s o nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s o fa d it h r o u g h m e t a l l o g r a p h i c o b s e r v a t i o n , s e m ，e d a x ，s p e c t r u ma n a l y s i s ，x r d ，h a r d n e s sm e a s u r e m e n t ，t e n s i l e s t r e n g t ha n d w e a rt e s t i nt h er e s e a r c ho fb o r o nr a n g e ( 0 7 7 ) ，w i t ht h ei n c r e a s eo f t h ec o n t e n to f b o r o n ，g r a p h i t es p h e r o i d i z a t i o nl e v e lr e d u c e d ，g r a p h i t es i z el e v e li n c r e a s e d ，t h e n u m b e ra n dt h er o u n d n e s so ft h ed e g r e e sd e c l i n e d ：w h e nt h e b o r o nc o n t e n tw a sb e l o w 0 0 0 8 ，t h eg r a p h i t es i z ec l a s sw a sr e a c h e dt h e7l e v e l ，a n dt h es p h e r o i d i z a t i o nc l a s s w a sr e a c h e dt h e2l e v e l w h e nt h eb o r o nc o n t e n tw a sr e a c h e d0 012 ，t h eg r a p h i t e s i z ec l a s sw a s6d e g r e ea n dt h es p h e r o i d i z a t i o nc l a s sw a s3d e g r e e ，w h e nt h eb o r o n c o n t e n tw a sr e a c h e d0 0 2 0 ，t h e g r a p h i t e s i z ec l a s sw a s6l e v e la n dt h e s p h e r o i d i z a t i o nc l a s sw a s4l e v e l ，w h e nt h eb o r o nc o n t e n tw a sr e a c h e do 0 4 9 t h e g r a p h i t es p h e r o i d i z a t i o nw o r s te f f e c t ，t h eg r a p h i t es i z ec l a s sw a s5l e v e la n dt h e s p h e r o i d i z a t i o nc l a s sw a s5 - 6l e v e l mm i c r o s t r u c t u r eo fa s - c a s ts a m p l e sw a sg r a p h i t en o d u l e ，p e a r l i t e ，f e r r i t ea n d s o m ec e r t a i na m o u n to fc a r b i d e w h e nt h eb o r o nc o n t e n tw a sl o w , b o r o ne x i s t e di n m a t r i xw i t ht h ef o r mo fs o l i ds o l u t i o n w h e nt h eb o r o nc o n t e n tw a s h i g h e r , b o r o nw a s m a i n l yd i s s o l v e do u ti nt h ef o r mo fb o r o nc a r b i d e ，a n dw i t ht h ei n c r e a s e da m o u n to f b o r o nc o n t e n ti n c r e a s e d ：w h e nt h eb o r o nc o n t e n tw a sb e l o w0 0 0 8 ，b o r o ne x i s t e di n f e r r i t ew i t ht h ef o r mo fs o l i ds o l u t i o n ，t h eb o r o nc a r b i d ec o n t e n tw a sl o w , w h e nt h e b o r o nc o n t e n tw a so 0 1 2 ，s o m eb o r o ne x i s t e di nm a t r i xw i t ht h ef o r mo fs o l i d s o l u t i o na n ds o m eb o r o nf o r m e db o r o n c a r b i d e ，t h en u m b e ro f b o r o nc a r b i d ei n c r e a s e i i i a b s t r a c t t h ec a r b i d ew a sb l o c k sa n dd i s t r i b u t e du n i f o r m i t y , w h e nt h eb o r o nc o n t e n tw a s 0 0 2 0 ，b o r o nc a r b i d ec o n t e n tc o n t i n u et oi n c r e a s e ，b o r o nw a sm a i n l yd i s s o l v e do u t i nt h ef o r mo fb o r o nc a r b i d e ，w h e nt h eb o r o nc o n t e n tw a s0 0 4 9 ，b o r o nw a sm a i n l y d i s s o l v e do u ti nt h ef o r mo fb o r o n - l e d e b u r i t e ，a n dt h es h a p ew a sa l a r g e rb l o c ko rf i s h b o n e ，w h e nt h eb o r o nc o n t e n tw a s0 0 7 7 ，b o r o nc a r b i d ec o n t e n tc o n t i n u et oi n c r e a s e ， t h i sc a r b i d ew i t hs t r o n gd i r e c t i o n a la n dr o w sd i s t r i b u t e di nt h em a t r i x t h em i c r o s t r u c t u r eo fa u s t e m p e r i n gs a m p l e sw a s g r a p h i t en o d u l e , n e e d l ef e r r i t e ， r e t a i n e da u s t e n i t ea n ds o m ec e r t a i na m o u n to fc a r b i d e ，t h ef o r mo fb o r o nw a sf e 2 b 、 f e 3 ba n df e 2 3 ( c b ) 6 w i t hb o r o nc o n t e n ti n c r e a s e df r o mo t o0 0 2 0 , a n dt h e b a i n i t ei n c r e a s e da n dg r a d u a l l yt h i n n i n g , w h i t ea r e at or e d u c e ，c a r b i d ec o n t e n t i n c r e a s e ；t h eb r i n e l lh a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e d t h ee l o n g a t i o na n dw e a r r a t ed e c r e a s e d ，w e a rr e s i s t a n c er i s e d a f t e r a u s t e m p e r i n g a t2 8 0 ，t h eb r i n e l l h a r d n e s sw a sf r o m4 5 5 h bt o4 8 4 h b ，t h et e n s i l es t r e n g t hw a sf r o m1 4 1 0 m pt o 1 4 8 2 m p , t h ee l o n g a t i o nw a sf r o m2 5 t ol a n dt h ew e a rr a t ew a sf r o m1 3 9 m g m t o1 12 m g m ，w e a rr e s i s t a n c er i s e d i nt h er e s e a r c ho fa u s t e m p e r i n gt e m p e r a t u r er a n g e ( 2 4 0 c - 3 2 0 。c ) ，w i t ht h e r i s eo fa u s t e m p e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h ea m o u n to fr e t a i n e da u s t e n i t ei n c r e a s e da n dt h e b a i n i t ef o r mw a sf r o mn e e d l ei n t of e a t h e r i n e s sa n do r g a n i z a t i o ng r a d u a l l yc o a r s e n i n g t h eb r i n e uh a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t hd e c r e a s e d t h ee l o n g a t i o na n dw e a l r a t e i n c r e a s e d ，w e a rr e s i s t a n c er e d u c e d w h e nt h eb o r o nc o n t e n tw a s0 0 0 8 ，w i t ht h e r i s eo fa u s t e m p e r i n gt e m p e r a t u r e ，b r i n e l lh a r d n e s sw a sf r o m4 81h bt o3 9 4 h b ，t h e t e n s i l es t r e n g t hw a sf r o m1 4 6 5 m pt o11 6 0 m p , t h ee l o n g a t i o nw a sf r o m2 t o2 5 a n dt h ew e a rr a t ew a sf r o m1 0 5 m g mt o1 2 9 m g m ，w e a l r e s i s t a n c er e d u c e d t h ee f f e c to fd i f f e r e n tb o r o nc o n t e n ta n dh e a tt r e a t m e n t p r o c e s so nt h e m i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r t i e sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ：w h e nt h e b o r o nc o n t e n tw a s0 0 0 8 ，a f t e ra u s t e n i t i n ga t9 0 0 。cf o r1 5 ha n da u s t e m p e r i n ga t 2 8 0 cf o r2 h ，w h i c hh a dg o o dp r o p e r t i e s t h ef i n a l l yo r g a n i z a t i o no fs a m p l e sw a s n e e d l ef e r r i t e ，g r a p h i t en o d u l e ，as m a l la m o u n to fc a r b i d ea n dr e t a i n e da u s t e n i t e ，t h e b r i n e l lh a r d n e s sw a s4 6 7h b ，t h et e n s i l es t r e n g t hw a s1 4 3 5 m p a , t h ee l o n g a t i o nw a s 2 a n dt h ew e a l r a t ew a s1 2 4 4 m g m k e yw o r d s ：b o r o n ；a d i ；a u s t e m p e r i n gt e m p e r a t u r e ；b o r o nc a r b i d e ；d u c t i l ei r o n i v 1 绪论 1绪论 1 1引言 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 ) 是采用等温淬火热处理工艺 获得的针状铁素体和高碳奥氏体为主要基体组织的球墨铸铁，简称a d i 。该材 料具有强度高、韧性好、耐磨性好、吸震和降噪性能好，耐磨损、比强度高、 生产成本低等优点，已经成为了2 1 世纪最具竞争力的材料之一【】。 等温淬火热处理是贝茵( b a i n ) 于上世纪3 0 年代对钢进行等温转变研究的 基础上而发展起来的；4 0 年代f l i n n 教授将等温淬火热处理应用于灰铸铁【4 1 。5 0 年代美国一家公司对球墨铸铁进行了等温淬火热处理试验，获得了具有高强高 韧，高耐磨性的一种材料，但这种材料并未得到广泛应用【5 l 。到6 0 年代，才开 始将等温淬火球墨铸铁应用在齿轮上，并在7 0 年代，芬兰、美国和中国同时宣 布成功研究出a d i 材料6 1 。 1 1 1a d i 材料的研究现状 a d i 是中国、芬兰和美国研究成功的一种具有良好综合力学性能的材料， 我国主要研究的是具有中等硬度的a d i 材料，基体组织为奥氏体和下贝氏体的 混合组织，芬兰研究的是具有高韧性的a d i 材料，基体组织主要为下贝氏体+ 残余奥氏体组织，美国开发研究的是具有高强度的a d i 材料，基体组织主要是 马氏体和贝氏体，在这三种贝氏体球墨铸铁中芬兰研究成功的体积分数为 2 0 - - 4 0 的奥氏体其余是上贝氏体基体组织的球墨铸铁，性能最优异【7 1 。 a d i 从系统研究、开发至今已有四十年了。a d i 的发展经历了试验研究、 开发应用和产业化生产三个阶段。由于它具有强度高( 最高可达r m 1 6 0 0 m p a ) 、 塑性好( 最大a 1 1 ) 、动载性能高( 弯曲疲劳强度达4 2 0 - - 5 0 0 m p a ，接触疲 劳强度达1 6 0 0 - 2 1 0 0 m p a ) 、耐磨性及吸震性好等许多优点，发展很快，应用范 围逐步扩大，产量不断增加。2 0 0 7 年世界产量已近3 0 万吨，其中美国最多，达 2 0 万吨，欧洲2 5 万吨，中国6 8 万吨【8 】。a d i 在北美和欧洲各行业市场分配 见表1 1 。 1 绪论 表1 1a d i 在北美和欧洲各行业中市场分配 从表1 。l 可以看出，a d i 应用市场中，汽车占了主要位置，约为a d i 总产 量的4 5 以上，特别是重型卡车的类件，应用很多。据介绍，美国每辆重型卡 车中至少有5 0 0 公斤以上的a d i 零件。如图1 1 所示重型卡车类零件： 重型卡车刹车轮 重型卡车悬挂件支架重型卡车多功能支架 图1 1 重型卡车类a d i 零件 经过几十年的研究、生产及应用，使a d i 的铸造技术水平和热处理工艺水 平有了新的提高，积累了丰富的工艺生产经验和大量的可靠数据。使得a d i 材 料从一般的代替发展到现在可以按照所需要的性能及服役条件优化产品结构， 提高产品性能，减薄壁厚，减轻重量，在汽车上应用具有节能减排的特点。 我国与美国、芬兰一样，从上世纪7 0 年代初就开始对a d i 进行研究，至今， 对a d i 的化学成分设计、球墨铸铁的铸造过程和热处理过程已经有了大的发展， 产品的使用性能和应用领域也得到了拓展，我国从2 0 世纪7 0 年代就开始a d i 的试验研究工作，在近4 0 年的时间里，对a d i 球墨铸铁的基础冶金学、铸造和 2 l 绪论 热处理生产工艺及控制、动静态力学性能及其影响因素、使用性能及应用范围 等做了大量工作，并取得一些成绩。a d i 材料已经广泛应用于农业机械、建筑 机械、工程机械、冶金机械、汽车、铁路和军工等领域。目前，我国a d i 材料 的主要研究工作集中在以下几个方面： ( 1 ) 建立专业的a d i 热处理中心。建立热处理中心，增大热处理量，可以 降低成本，国外已经建立了许多专业的等温淬火球墨铸铁的热处理中心，不但 可以保证产品质量稳定，也降低生产成本，有很大的益处；但在国内，专业的 等温淬火热处理中心至今还非常少，造成了国内等温淬火球墨铸铁件性能不稳 定，价格偏高的现象，因此，建立专业热处理厂对生产性能稳定、价格低廉的 a d i 零件具有重要的意义【9 l 。 ( 2 ) 简化和稳定生产工艺，降低生产成本，进一步扩大a d i 的使用范围， 对a d i 材料进行合金化研究，并完善合金元素系统数据库【i 】。 ( 3 ) 由于我国现在能够批量生产优质稳定球铁坯件的企业很少，提高企业 生产优质球墨铸铁坯件的能力十分重要，我们需要对球铁的化学成分设计，熔 炼工艺，球化孕育工艺，浇注工艺严格要求，对工人进行a d i 基础知识培训， 提升企业的生产装备条件和检测手段，使更多的企业能够生产优质的性能稳定 的球铁坯件。 ( 4 ) 针对零件的工作环境和受力状况，结合a d i 的性能特点，选用符合要 求的球铁坯件及热处理工艺。 等温淬火球铁问世至今，发展的历史很短，应用的范围还不广，我国应用 的现状可以概括为在球铁总产量中所占的比例不大，低于美国，但在逐年增加， 其次为般件和耐磨件应用较多，重要结构件应用较少。随着设计人员对a d i 逐渐了解，主动选用a d i 材料案例增多以及高能生铁的商品化，促进了球铁质 量的提升；随着热处理设备的发展，热处理工艺过程控制也得到了提升，使得 a d i 产品的热处理工艺得到了保证，会进一步促进a d i 材料应用的快速发展。 1 1 2a d i 材料的标准 从上世纪8 0 年代中期，各个国家开始制定等温淬火球墨铸铁的标准，目前 用的最多的是美国材料试验学会的a s t ma 8 9 7 标准，如表1 2 ，另外欧洲和同 本的标准见表1 3 和1 4 【1 0 1 ，由郑州机械研究所、一汽铸造有限公司、东风汽车 公司等单位起草的g b t2 4 7 3 3 2 0 0 9 等温淬火球墨铸铁件国家标准已于2 0 0 9 3 1 绪论 年1 1 月3 0 日发布，2 0 1 0 年9 月1 日实施【1 1 1 ，见表1 5 。 表1 2 美国等温淬火球墨铸铁标准( a 8 9 7 m - 0 6 ) 材料牌号 抗拉强度屈服强度l 刀伸长率 布氏硬度 代号编号 m p am p a ( h b ) 表1 4 日本等温淬火球墨铸铁标准( j i sg 5 5 0 9 19 8 9 ) 4 1 绪论 1 1 3a d i 材料的应用 等温淬火是在球墨铸铁经过奥氏体化后，直接淬入贝氏体形成温度的盐池 中，经过一个等温过程，形成针状铁素体和残余奥氏体的混合基体组织的一种 特殊的热处理工艺，它与其他热处理工艺不同，需要一个缓慢的等温过程来形 成新的显微结构，这也意味着淬火期间变形更少，也不会有裂纹：通过等温淬 火工艺来增加部件的强度时，可以在部件中采用更薄的断面，以削减产品的重 量，并降低成本。 综合以上提到的等温淬火球墨铸铁的综合性能，以及等温淬火工艺的优点， a d i 材料已经广泛应用于农业机械、建筑机械、工程机械、冶金机械、汽车、 铁路和军工等领域。比如： ( 1 ) a d i 在齿轮、曲轴等方面的应用。 a d i 齿轮与钢齿轮相比，除噪声减小、质量减轻外，还具有抗点蚀能力强、 抗弯曲疲劳强度高、抗冲击性好、耐磨性高、加工性能好、刀具寿命长和成本 低等优点，特别如装载机等工程机械在灰尘环境、润滑条件较差时，a d i 有石 墨的自润滑优点【8 】。采用a d i 制造齿轮的优点与锻钢相比，主要在于可降低发动 机整体噪声1 。5 2 d b ( 减小1 0 左右) ，生产周期短，能耗低，原材料消耗少， 综合制造成本低【1 2 】。 曲轴是重要的机器结构零件，性能要求非常高。普通球墨铸铁的曲轴由于 不能满足工况要求而被a d i 曲轴所代替。如美国通用、福特和日本马自达发动 机等公司已将a d i 用于制造发动机曲轴【_ 7 1 。伴随着我国汽车工业的发展，特别 是最近1 0 年来汽车产销量迅速增长，供求关系渐趋平衡，市场竞争加剧，汽车 价格日渐下降；另一方面，原材料价格持续上涨，生产成本增加，利润空间缩 5 1 绪论 小，因此，零部件、发动机、整车降低成本已成为现阶段一个不容回避的问题， 其中，凭借科技创新降成本首当其冲，这就为a d i 在汽车特别是在发动机曲轴 中的应用带来了一个难得的历史机遇期：同时，随着壳型背丸铸造、铁模覆砂 造型等铸造工艺在曲轴铸造毛坯生产中的成熟应用及圆角滚压工艺在曲轴强化 中的推广也为此创造了前提条件，等温淬火热处理工艺及成套设备也已在全国 有多家分布，从零部件厂、发动机厂到汽车厂的设计师、工艺师和技术开发人 员都对a d i 这种材料进行密切的关注。可见a d i 材料代替锻钢制造曲轴，可胜 任大功率增压柴油机的服役条件，并且制造成本也具有显著优势。如图1 2 所示。 图1 2a d i 齿轮和曲轴 ( 2 ) a d i 在铁道车辆上和耐磨件上的应用。 1 9 9 2 年，戚墅堰机车车辆工艺研究所开始研究a d i 斜楔。其力学性能为r m 1 4 0 0 m p a 、a 1 、硬度3 9 - - 4 8 h r c ，耐磨性能是原来z g 2 3 0 - - 4 5 0 斜楔的6 1 0 倍，彻底解决了货车转向架斜楔耐磨性差的问题；此外，a d i 斜楔相比原来 铸钢材质的每件减轻2 5 k g ，节约了材料，降低了生产成本，1 9 9 3 年该项目通过 部级鉴定，并开始推广应用在铁路系统，1 9 9 9 年铁道部用a d i 斜楔彻底取代了 原来的铸钢斜楔，目前国内每年使用量约1 0 0 万件( 7 5 0 0 t ) ；1 9 9 6 年南京浦镇 车辆厂和戚墅堰机车车辆工艺研究所开始研究a d i 衬套，19 9 8 年通过鉴定并在 全铁路系统推广，目前已经大范围使用【l3 1 。等温淬火球墨铸铁在抗磨件磨球、 锤头、衬板和采掘机斗齿等方面的应用广泛，据不完全统计，目前我国等温淬 6 1 绪论 火球墨铸铁抗磨件约占其总产量的一半以上。如图1 3 所示。 图1 3a d i 铁路车辆类零件和磨球 ( 3 ) a d i 在汽车类零件上的应用 由于a d i 材料具有优异的综合力学性能，已经取代了许多铸钢类、铸铝类 零件，国内外已经将a d i 材料广泛应用于汽车类零件上，在全球范围内，汽车 行业是铸件的最大用户，应用a d i 材料制造汽车零部件适应汽车轻量化、绿色 环保、大马力、成本低的发展方向，是a d i 最适合制造的重要零件，可产生显 著的经济和社会效益【1 4 】。汽车零部件的轻量化是在保证车辆相关系统强度及安 全性能的前提下，并考虑设计、制造及使用等成本因素，尽可能的减轻零部件 的重量，零部件的轻量化对汽车有着重要的意义：零部件质量的减轻意味着整 车重量减轻，质量利用系数提高，动力性的提高，同时减少燃油的消耗，降低 排气污染；从整车安全性考虑，质量的减轻意味着车辆惯性减小以及制动距离 的减少。如河南欧迪艾铸造有限公司生产的高强度等温淬火球墨铸铁重型矿车 板簧支撑座，在保证性能稳定的情况下，采用铸钢生产的板簧支撑座毛坯重 3 4 k g ，但采用等温淬火球墨铸铁生产的毛坯重2 7 5 k g ，减轻支撑座重量的2 0 左右，从而达到汽车减重的目的；如东风汽车有限公司生产的5 吨越野车中， 采用a d i 件替代铸钢件，减重达3 0 0 公斤【1 5 】。以下是a d i 在一些汽车零件上的 7 1 绪论 应用。如图1 4 所示： 拖钩 差速齿轮箱轮、轮毂轴 轿车转向节 差速器箱体 上控制臂( a d l 9 0 0 9 )下控制臂( a d l 9 0 0 9 ) 图1 4a d i 汽车类零件 1 2a d i 材料组织特点及性能特点 1 2 1a d i 材料的组织特点 a d i 的优异性能和其独特的组织是分不开的，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；而残余奥氏体随着热处理工艺不同而变化，在不同的保温时间内组织 存在形式有所不同。 奥氏体在等温转变过程中不同的组织存在形式：球墨铸铁在奥氏体等温转 变反应过程由于等温淬火温度、保温时间不同，产生的残余奥氏体组织也有所 8 l 绪论 不同；由于碳含量的不同，奥氏体一般有三种存在形式： ( 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，其特征是碳含量没有变化；未反 应的奥氏体多存在于共晶晶粒边界区域或其附近区域。 ( 2 ) 未充分反应的介稳定奥氏体 含碳量为1 2 1 6 的奥氏体在室温下稳定，在力学上不稳定，容易产生 加工硬化，这不是a d i 所期望的奥氏体。 ( 3 ) 充分反应的稳定奥氏体 含碳量为1 8 2 2 ，甚至高达2 4 的奥氏体在室温热力学上和动力学上 都是稳定的，不会产生加工硬化现象，这种稳定的高碳奥氏体和针状铁素体的 混合组织才是我们所期望的a d i 基体组缨1 6 1 。 1 2 2a d i 材料的性能特点 ( 1 ) 强度高，韧性好。在同等伸长率的情况下a d i 的抗拉强度是普通球墨铸 铁的两倍1 7 】，在同等抗拉强度的情况下a d i 的伸长率是普通球墨铸铁的两倍， 采用a d i 材料生产的产品，可以同时达到高强高韧的性能，这是其他材料所不 能及的( 见表1 6 【1 8 】，图1 5 【1 钟) 。 伶长率， 图1 5a d i 与其他材料抗拉强度和伸长率的对比 9 憾 瞰 榭 靠室、谜氍辑嚣 1 绪论 灰铸铁1 5 0 3 5 0 普通铁素体基体4 0 0 - 5 0 0 球铁珠光体基体 6 0 0 - - 8 0 0 铸造碳钢4 0 06 4 0 轧制碳钢 3 1 5 6 1 0 铸造高锰钢 6 3 7 7 3 5 合金钢 1 0 8 0 等温淬火a s l m l 3 级 7 5 0 1 0 5 0 球墨铸铁 a s t m ：4 石级1 2 0 0 1 6 0 0 a d l 2 5 0 - 3 2 0 3 7 0 - 4 8 0 2 0 0 3 l o 1 9 5 2 7 5 8 3 5 5 洲0 0 1 5 m 也8 0 7 81 3 m 也3 0 2 4 1 9 0 3 3 5 1 5 ，2 5 1 5 3 0 2 0 一3 5 2 2 9 1 02 1 7 7 1 22 4 l 3 7 5 特低 高 中 特高 特高 特高 中 高 8 5 0 - 1 3 0 01 43 4 1 5 1 2特高中 ( 2 ) 质量轻。a d i 因为含有石墨，同尺寸的零件一般比钢件轻1 0 ，因此， 若零件刚性足够，用同尺寸的a d i 替代钢件则会减重8 1 0 ：不同材料的单位 质量的屈服强度如图1 6 ，从图1 6 中大家能看出a d i 在一定的塑性条件下强度 可与钢竞争【2 0 1 。 3 0 0 2 5 0 2 0 0 k s i ，5 0 1 0 0 5 0 0 巷 ；。 爹蘸廷j 移一 皇 一 勃 、 r 秀 、 冒1 1 l 、 飞p j 、 k 溉 磁漉翰磁挫鼢翻 阏7 g 蠡 ”蕊漶塞菱警鳓黼礤瓣黔 f 了举雩哪鲤冽l 1 7 2 5 1 3 8 0 1 0 3 5 m p a 8 9 0 3 4 5 0481 21 t 52 0 2 4 2 83 2 3 64 0 e l o l 麓l a t l o n ( j 图1 6a d i 与其它几种工程材料屈服强度对照表 表1 7 中显示：a d i 的密度是铝合金的2 4 倍( 7 2 对3 0 ) ，刚度也一样( 1 6 8 g p 对7 0 g p a ) 。从图1 6 可以看到a d i 的屈服强度是铸铝的2 3 倍，锻铝的3 5 倍。 低中高中中高摘高 1 绪论 所以设计恰当的a d i 能以相同( 或较低) 的质量替换铝合金零件，最薄的部位 能达到3 m m 【2 1 1 。 表1 7 几种工程材料的密度 ( 3 ) 接触疲劳和弯曲疲劳强度高。a d i 材料的接触疲劳强度比氮化处理钢 和调制处理钢要高，可达1 6 0 0 - - , 2 1 0 0 m p a ，a d i 材料的旋转弯曲疲劳强度与调制 处理低合金钢相当，可达4 0 0 , 5 0 0 m p a 1 引，几种材料弯曲疲劳强度见表1 8 。 表1 8a d i 与其他材料弯曲疲劳强度对比 ( 4 ) 减震抗噪性能好。a d i 材料弹性摸量比铡低2 0 ，并且基体中有石墨 球，在机器运行过程中，可以吸收震动和减低噪音，石墨球还起到润滑的作用， 不仅具有减震抗噪的作用，还提高了机器的运转寿命瞄】。 ( 5 ) 耐磨性好。a d i 材料的硬度比较高，生产出的a d i 齿轮，其寿命比硬 度为5 8 - 6 2 h r c 的具有马氏体组织的锻钢齿轮更长，硬度为3 0 0 h b 的a d i 耐 磨性比5 0 0 h b 的锻钢要强很多；a d i 有很好的抗磨、耐磨性能，又有较好的韧 性【8 1 。 ( 6 ) 成本低，经济性好。从经济和节能性来看，球铁的生产成本比钢低， 由于a d i 大部分机械加工可以在等温淬火前完成，热处理前球铁加工性能显著 好于钢，可提高工效和减少刀具消耗【2 3 】：此外，由于铸铁的流动性好，更容易 生产近净形构件，材料利用率高，降低能耗节约成本；一般来说生产出一个典 型a d i 铸件，其能耗比铸钢件节约5 0 ，比锻钢件节约8 0 ；如锻钢曲轴改为 a d i ，成本降低3 0 左右，相对于其它材料，a d i 的生产成本比较低，如图1 7 所示： 1 绪论 图1 7 不同材料的单位成本 ；l 锻造戮 l2 铸锅 l3 铸锕 l4 锻钢 5 热处理钢 6 球铁 ；7 a d i 由于a d i 具有更高的抗拉强度、疲劳强度、断裂韧度和更好的耐磨性，加 工尺寸更近无余量，可1 0 0 回用，价格比铸钢、锻钢便宜，轻量化比较明显， 因此具有经济效益高、节能、节材、减轻环境污染、社会效益好等特点，具有 比较高的推广价值和市场应用前景。 1 3 研究背景及意义 目前，国内外提高等温淬火球墨铸铁淬透性主要是加入钼、铜、镍等元素 来实现，对于其他元素的研究较少【2 4 。2 5 】。并且大多是研究等温淬火球墨铸铁的 耐磨性，对其高强高韧性能研究较少，即使有文献研究a d i 材料强韧性方面的， 但其试验结果中强度足够高，韧性并不是特别理想。硼可以显著提高合金钢的 淬透性f 2 6 铘】，但是硼在铸铁中是强烈的反石墨化元素，能够显著增加白口深度， 目前研究硼对铸铁淬透性影响的试验不多，本课题在加入合金元素m o 、c u 的 基础上添加不同含量的硼( b ) ，研究不同硼含量对a d i 组织和性能的影响，并 通过优化设计热处理工艺，使材料达到高强高韧的目的。 a d i 具有高的强度，又有高的韧性和耐磨性，综合力学性能好，应用前景 非常广泛。本课题通过研究硼元素和等温淬火温度对a d i 组织及性能的影响， 综合考虑各因素对a d i 铸件质量的影响，最终得到一个最佳方案。高强高韧球 墨铸铁的应用方面比较广阔，比如齿轮、曲轴、磨球、汽车零部件等。所以对 高强高韧a d i 的试验研究，具有很高的理论意义和实用价值。 1 2 0 8 6 4 2 0 篁n魁骠誉一每2辞持簪乏苷 1 绪论 1 4 研究内容、研究目标和创新点 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 研究硼对等温淬火球墨铸铁铸态及热处理后组织的影响； ( 2 ) 研究硼对等温淬火球墨铸铁力学性能及耐磨性能的影响： ( 3 ) 研究等温淬火温度对含硼等温淬火球墨铸铁组织和性能的影响。 1 4 2 研究目标 ( 1 ) 调整硼的加入量和热处理工艺，使a d i 的铸态组织为珠光体8 5 ， 碳化物 一4 5 0 h b ，磨损率 1 5 m g m 。 1 4 3 创新点 ( 1 ) 优化硼的含量：研究硼对等温淬火球墨铸铁球化的影响、硼在等温淬 火球墨铸铁中的存在形式和硼对等温淬火球墨铸铁性能的影响规律，确定合适 的含硼量。 ( 2 ) 优化含硼等温淬火球墨铸铁热处理工艺：研究了热处理工艺对含硼等 温淬火球墨铸铁组织及性能的影响，确定了合适的热处理工艺。 1 5 技术路线 本课题以等温淬火球墨铸铁为研究对象，在加入合金元素m o 、c u 的基础 上添加不同含量的硼( b ) ，系统的研究不同的含硼量和等温淬火温度对a d i 组 织及性能的影响。采用的具体工艺技术路线如图1 8 所示： 1 3 l 绪论 图1 8 工艺技术路线 1 4 2 试验方法及实验过程 2 试验方法及试验过程 2 1化学成分设计及原材料的选择 2 1 1 化学成分设计 要想获得良好的等温淬火球墨铸铁组织，化学成分的设计和合金元素的加 入是非常关键的。 碳：碳含量对球墨铸铁的铸造性能和球化效果有一定程度的影响。含碳量 高时，析出的石墨球数就多，球径尺寸小且圆整度增加；提高碳含量可以减少 缩松面积，减小缩孔体积，使铸件致密，碳含量为4 o 4 3 时，缩松倾向最 小，含碳量继续增加则会出现严重的石墨漂浮【2 9 1 。含碳量对球化效果的影响见 图1 2 ，