灰口铸铁贝氏体化的机理及途径课件

灰口铸铁贝氏体基体贺跃辉湖南.长沙.410083研究目的灰口铸铁的含碳量一般为2.5-4.0%，具有良好的铸造性和切削加工性，广泛应用于机械制造、冶金、矿山、石化、交通运输及国防等诸多工业部门。灰口铸铁的组织为钢基体+片状石墨。一般情况下，钢基体可以为铁素体、铁素体+珠光体或珠光体。通过热处理，可以改变灰口铸铁的基体组织。研究目的在各种铸铁的基体中，贝氏体被认为是综合性能较佳的组织。对普通灰口铸铁进行贝氏体化后，其综合力学性能大幅度提升（抗拉强度可达600MPa以上）。贝氏体相变钢中的贝氏体是过冷奥氏体在中温区域分解后所得产物，是由铁素体和碳化物组成的非层片状组织。贝氏体转变兼有扩散型的珠光体转变和无扩散型马氏体转变的动力学和组织特征。贝氏体组织贝氏体按组织形态分为：上贝氏体；下贝氏体；无碳化物贝氏体；粒状贝氏体；柱状贝氏体；反常贝氏体；上贝氏体组织上贝氏体是一种两相组织，由铁素体和渗碳体所组成。即由成束的、大致平行的铁素体板条，和分布在铁素体板条之间的非连续渗碳体组成。整体呈羽毛状。钢中含碳量和等温温度会影响上贝氏体的形态。下贝氏体组织下贝氏体也是由铁素体和渗碳体两相组成，其中，铁素体呈片状（针状、透镜状），碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，约以55°~60°的角度与下贝氏体的长轴相交，并且，碳化物仅分布在铁素体的内部。贝氏体转变特点贝氏体转变速度比马氏体转变速度慢得多；贝氏体转变量与时间相关；贝氏体转变的不完全性；可能与珠光体转变或马氏体转变重叠。贝氏体化机理奥氏体化后直接进入贝氏体区，进行等温保持，从而得到贝氏体。合金化元素使C曲线右移，从而，奥氏体化的材料可以避开珠光体转变，而进入贝氏体转变区，从而得到贝氏体，而不发生奥氏体分解。等温淬火工艺等温淬火：在800~900℃(Ac1线以上)温度范围内加热，保温0.5~1.5hr，使其奥氏体化。然后迅速移入250~400℃(Ms线以上贝氏体转变温度范围)的盐浴中，等温保持0.5~1.5hr，取出空冷至室温。显微组织HT200灰口铁，900℃保温时间1h，在50%KNO3、50%NaNO3的盐浴中保温1h，温度分别为370℃、280℃、320℃时得到的金相照片(400×)。力学性能抗拉强度热处理后，随等温淬火温度降低，抗拉强度增高。等温处理后的基体由铸态下珠光体、铁素体的混合组织转变为贝氏体组织，从而增强铸铁的强度。随着等温温度的降低,贝氏体针变细变密,过饱和碳增加,位错密度提高,因而强度随之增强。硬度热处理后随着等温温度的降低，下贝氏体量增加，铸铁的硬度增大。在下贝氏体中存在着很硬的弥散碳化物，这是硬度升高的主要原因。在相同的等温淬火温度下，随着牌号的不同，硬度随之变化趋势不同，这是由于显微组织和石墨形态造成的。耐磨性

由一定数量稳定的残余奥氏体和下贝氏体组成的基体受磨损时，表面层的残余奥氏体发生冷作硬化和形变效应引起马氏体形成，使表面层在工作过程中不断强化。另一方面，由于下贝氏体组织硬度高，较其它组织更为耐磨，对提高奥贝灰铸铁耐磨性起到了一定作用。工艺参数对力学性能的影响影响贝氏体灰口铸铁力学性能的主要工艺参数是等温淬火温度。等温淬火温度越低，贝氏体针变细变密，过饱和碳增加，位错密度提高，抗拉强度越高；同时，下贝氏体量也增加，导致硬度增大，耐磨性提高。但等温淬火温度对冲击韧性影响不明显。灰口铸铁的韧塑性指标主要取决于石墨形态。等温淬火等温淬火：工艺耗能、耗时，对铸件尺寸大小和形状也有种种限制，铸件在高温加热的过程中表面易氧化脱碳，增加了铸件生产成本。但是，组织形态可以有效地控制。铸态工艺铸态工艺：是指在铸态条件下通过加入一定数量的Ni、Mo、Cu等合金元素，借以改变C曲线的形状和位置，降低铸件的临界冷却速度、扩大奥氏体区、提高铸件的淬透性，从而保证铸件在连续冷却的条件下直接获得以贝氏体为主的基体组织。节能，省时；但是，组织形态难以精确控制；白口化倾向严重。力学性能

铸态贝氏体灰口铸铁的耐冲蚀磨损性能是普通灰口铸铁的4.83倍，是硼铜合金铸铁的1.65倍，与等温淬火贝氏体球铁相当。铸态贝氏体灰口铸铁的主要性能指标

从表中可以看出，该铸铁的综合机械性能已远远超出目前世界各国灰口铸铁标准中最高牌号的范围。工艺参数对铸态贝氏体灰口铸铁的影响1、合金化元素的影响2、冷却速度和冷却方式对组织和性能的影响3、高温过热对组织和性能的影响4、孕育处理对组织和性能的影响合金化元素的影响但是，合金元素的上述影响需要其它工艺因素与之配合，否则其作用仍然只能保持在较低的水平上。并且虽然某些合金元素继续加大用量可望使上述作用加强，但将导致铸件成本的急剧增加。冷却速度和冷却方式对组织和性能的影响

研究表明，铸件随型自然冷却的条件下，铸件直径或厚度越大，贝氏体的转化率越低。也就是说，铸件的冷却速度对贝氏体的转化率有着非常重要的影响。高温过热对组织和性能的影响

从表看出，铸态贝氏体灰口铸铁的过热温度选用1480℃是合适的。三者相比，当铁水过热温度从1400℃提高到1480℃时，试棒的强度和延伸率分别提高7.9％和27％，硬度下降了1.9％，石墨细化了一个级别，共晶团数提高了一个级别。而过热温度再从1480℃升高到1560℃时，强度和延伸率几乎又都降低到原来的水平。孕育处理对组织和性能的影响

在现代铸造生产中，孕育处理作为细化组织、提高铸件力学性能、减小铸件白口倾向和提高铸件材料均一性的有力手段已被广泛用于各种具有较高性能要求的铸铁件生产中。孕育处理对组织和性能的影响研究者采用国内常用的75硅铁、硅钙合金、一号稀土硅铁合金、含锶硅铁和合钡硅铁等五种不同孕育剂，加入灰口铸铁中。孕育处理对组织和性能的影响研究表明，对于包内一次孕育处理而言，孕育剂的加入量都是0.6％为好；在一次孕育和二次孕育对比实验中，五种孕育剂都是二次孕育的效果比一次孕育好；在上述孕育剂中，含锶硅铁和含钡硅铁的孕育效果最好，可用最少的加入量获得最佳的孕育效果，特别是用这两种孕育剂进行二次孕育，可使综合力学性能明显提高。准铸态工艺准铸态工艺：直接利用铸件浇注后的高温余热，在预定的时间(温度)下打箱使铸件快冷，当冷却到预定的时间(温度)立即进行回火保温处理，使其在加入较为便宜的Si-Mn-Cr-Cu合金，并取消高温奥氏体化加热和硝盐等温淬火后，仍然较好地实现不同种类铸铁中奥-贝组织的转变，使铸件的综合力学性能得到较大幅度的提高。准铸态工艺在铸态工艺中要加入较多且较昂贵的合金化元素，加大了铸件生产成本。并且，与经过等温淬火的奥-贝球铁相比，铸态贝氏体球铁的力学性能指标较为分散，总体水平也较低。显微组织950℃打箱→盐碱水玻璃溶液淬火→360℃电炉等温1h，得到的准铸态贝氏体灰铸铁的SEM照片(1000×)。62.5~31.4%贝氏体+56.5~28.3%残余奥氏体+片状石墨+少量马氏体-奥氏体白亮区。力学性能工艺参数对力学性能的影响准铸态工艺的具体工艺过程，即：浇注后的铸件一定的打箱温度一定的等温温度

等温一定的时间准铸态贝氏体铸铁确定以下工艺参数对准铸态贝氏体铸铁力学性能的影响：打箱温度淬火介质等温温度保温条件砂箱淬火介质保温条件打箱温度铸件浇注温度为1400℃左右时，湿型浇注的情况下，打箱温度为950℃时，铸铁的强度和韧塑性最佳，综合性能最好，910℃次之，870℃较差。淬火介质三种冷却介质均具有较好的淬火效果，高压水雾淬火或水玻璃盐碱水溶液淬火的经济性、安全性和可操作性较好。机油闪点较低，一般需要配备循环冷却水箱和专门的冷却装置对淬火过程中的机油进行降温处理,难以保证安全,容易着火。等温温度

三个等温温度中，360℃的等温效果较好，320℃次之，280℃的效果较差。这一结果与等温淬火工艺是相反的。保温条件三种等温工艺方法中，等温效果最好的是预热过的保温箱，其次是预先设置好温度的电炉，热砂的保温效果较差。从经济实用的角度考虑,保温箱应作为首选。合金化工艺加入合金化元素的目的，在于推迟奥氏体向珠光体的转变，以便在铸态下使奥氏体直接转变为贝氏体。常用的合金化元素有：Ni、W、Mo、Cu、Mn、Al、Cr等。Ni、W元素的比较Ni有较强的推迟贝氏体转变的作用，Ni的价格较高；相比之下，W溶于奥氏体中抑制珠光体转变的作用强于Ni，推迟贝氏体转变的作用则小于Ni，并且W促进白口的作用平缓，同时由于W是我国富产元素之一，在价格上，W仅为Ni的1／3左右。因此以W代Ni，再配入适量的Mo、Cu元素，生产铸态贝氏体灰口铸铁是可行的。W、Mo元素对组织的影响W、Mo元素的综合加入量是获得贝氏体组织的关键。当W、Mo加入量不足，铸态组织中会出现一定量的珠光体；当W、Mo加入量过高，虽可以避免产生珠光体，但却出现了较多的白亮区，减少了贝氏体的数量；当W、Mo加入量适当时，铸态贝氏体的数量最多，其组织为细小片状石墨+贝氏体基体兼有少量白亮区。W、Mo元素对组织的影响W、Mo都是使C曲线右移的元素，但对C曲线中珠光体转变和贝氏体转变的推迟作用不同。当W、Mo加入量较低时它们对C曲线的右移作用较小，铸造状态的冷却速度曲线仍与珠光体转变的C曲线相交，因此组织中出现珠光体。W、Mo元素对组织的影响随W、Mo含量的提高，C曲线的右移程度增大，尤其是W元素使C曲线中珠光体转变的右移程度超过贝氏体转变的右移程度，导致铸造冷却曲线绕开珠光体转变而进入贝氏体转变区，而不出现珠光体。W、Mo元素对组织的影响若进一步增加W、Mo含量，一方面右移C曲线的作用增强，同时也极大地提高了奥氏体稳定性，导致铸造冷却曲线与贝氏体转变曲线的鼻尖部位相交，贝氏体量减少，残余奥氏体增加。这些残余奥氏体在随后的冷却中部分转变为马氏体，形成由残余奥氏体+马氏体+碳化物的所谓“白亮区”。W、Mo元素对组织的影响研究表明,当W和Mo的加入量分别为1.50％和0.60％时,贝氏体量最多。W、Mo元素对力学性能的影响

固定W为1.5％,随Mo含量的提高,力学性能的变化。W、Mo元素对力学性能的影响固定Mo为0.6％,随W含量的提高,力学性能的变化。Cr、Al、Cu对铸铁组织的影响Cr是白口倾向很强的合金元素，当含Cr量为1%时，组织中碳化物很少，随Cr含量增加，碳化物数量急剧增加，如表所示。含l.0％Cr的铸铁组织为珠光体基体上分布着细小的A型石墨，如图所示。Cr、Al、Cu对铸铁组织的影响

Al在0.5~1.5％含量范围内，促进铸铁的石墨化。随含Al量增加,试样白口宽度逐渐减小,当加入量为1.0％时,白口消失。加入0.5~1.5％Al,对组织中石墨形态影响不大。Cu是促进石墨化元素,在白口宽度为2mm的灰铁中加入1.0~2.0％Cu，白口消失。Cu使铸铁中的石墨细化。因此，在铸铁贝氏体化过程中,可适量添加Al、Cu含量，而减少Cr含量。存在的问题及展望目前，广泛用于灰口铸铁贝氏体化的工艺有：等温淬火工艺、铸态工艺和准铸态工艺。等温淬火工艺所得到的组织和力学性能较稳定，但其耗能、耗时严重，虽然其热处理的费用可以由采用这种材料从而减轻产品重量所带来的收益补偿；存在