灰口铸铁贝氏体化的机理及途径

灰口铸铁贝氏体化的机理及途径第1页，课件共56页，创作于2023年2月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。第2页，课件共56页，创作于2023年2月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）。第3页，课件共56页，创作于2023年2月研究目的将普通灰口铸铁基体进行贝氏体化，充分挖掘材料的内在潜力，拓宽应用范围，提高材料的力学性能，延长材料的使用寿命。第4页，课件共56页，创作于2023年2月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。第5页，课件共56页，创作于2023年2月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；第6页，课件共56页，创作于2023年2月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。第7页，课件共56页，创作于2023年2月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。第8页，课件共56页，创作于2023年2月贝氏体组织转变贝氏体转变特征：贝氏体转变是一个成核与长大的过程；存在Bs;产生表面浮突；铁素体与奥氏体存在共格关系；形成温度影响碳化物形态和分布。第9页，课件共56页，创作于2023年2月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。第10页，课件共56页，创作于2023年2月贝氏体转变影响因素含碳量；合金元素：Co、Al加速。Mn，Cr，Ni减缓。奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度；应力第11页，课件共56页，创作于2023年2月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。第12页，课件共56页，创作于2023年2月贝氏体化途径目前，灰口铸铁贝氏体化的途径一般有两种：一是通过铸件的重新加热热处理，二是通过合金化在凝固过程后直接冷却时得到。热处理工艺一般采用盐浴等温淬火；合金化元素一般有Ni、W、Mo、Cu、Mn、Si、Cr等。第13页，课件共56页，创作于2023年2月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。第14页，课件共56页，创作于2023年2月显微组织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×)。第15页，课件共56页，创作于2023年2月力学性能第16页，课件共56页，创作于2023年2月抗拉强度热处理后，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。第17页，课件共56页，创作于2023年2月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。第18页，课件共56页，创作于2023年2月冲击韧性冲击韧性数据离散度很大,这说明奥氏体化等温淬火对冲击韧性影响很小。灰铸铁铸态下的冲击韧性不高，等温淬火后仍无明显改善，主要是由于灰铸铁中仍然存在片状石墨割裂基体造成的。第19页，课件共56页，创作于2023年2月耐磨性

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。第20页，课件共56页，创作于2023年2月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。第21页，课件共56页，创作于2023年2月工艺参数对力学性能的影响此外，奥氏体化温度也影响铸铁力学性能。奥氏体化温度越高，保温时间越长，铸铁晶粒长大越显著，损坏了铸铁力学性能；同时，奥氏体化温度越高，其转变的相变潜热越大，需要更大的冷却速率以避开珠光体转变区，对贝氏体转变造成一定影响。第22页，课件共56页，创作于2023年2月等温淬火等温淬火：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。第23页，课件共56页，创作于2023年2月铸态工艺铸态工艺：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。第24页，课件共56页，创作于2023年2月显微组织铸态贝氏体组织第25页，课件共56页，创作于2023年2月力学性能

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。第26页，课件共56页，创作于2023年2月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。第27页，课件共56页，创作于2023年2月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第28页，课件共56页，创作于2023年2月合金化元素的影响研究表明，合金化元素Cr、Al、Ni、Cu有效地改变了灰口铸铁凝固和冷却过程中c曲线的形状和位置，使其能在铸态条件下连续冷却的过程中尽可能避开珠光体转变区而更有利于贝氏体组织的形成，而且还使灰口铸铁中片状石墨的大小、形状及分布得到改善，强度及韧性得到一定的提高。第29页，课件共56页，创作于2023年2月合金化元素的影响

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。第30页，课件共56页，创作于2023年2月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。第31页，课件共56页，创作于2023年2月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。第32页，课件共56页，创作于2023年2月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。第33页，课件共56页，创作于2023年2月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。第34页，课件共56页，创作于2023年2月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。第35页，课件共56页，创作于2023年2月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。第36页，课件共56页，创作于2023年2月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。第37页，课件共56页，创作于2023年2月显微组织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。第38页，课件共56页，创作于2023年2月力学性能第39页，课件共56页，创作于2023年2月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第40页，课件共56页，创作于2023年2月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。第41页，课件共56页，创作于2023年2月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。第42页，课件共56页，创作于2023年2月等温温度

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。第43页，课件共56页，创作于2023年2月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。第44页，课件共56页，创作于2023年2月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。第45页，课件共56页，创作于2023年2月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。第46页，课件共56页，创作于2023年2月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。第47页，课件共56页，创作于2023年2月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。第48页，课件共56页，创作于2023年2月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。第49页，课件共56页，创作于2023年2月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”。第50页，课件共56页，创作于2023年2月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。第51页，课件共56