贝氏体球铁的研究现状与展望

yue426856

贝氏体球墨铸铁，由于具有优异的综合力学性能，被誉为近30年来铸铁冶金方面的重大成就之一，被越来越广泛地应用于各工业部门。本文综合介绍贝氏体球铁的研究和发展概况及其主要生产方法，旨在推动我国贝氏体球铁的研究和应用。

1     贝氏体球铁的产生、发展与应用

贝氏体球铁主要分为两大类：一类是以奥氏体＋贝氏体为基体组织的贝氏体球铁，称为奥贝球铁(Austempered Ductile Iron)，简称ADI。这种材料具有较高的强度高同时具有一定的耐磨性。另一类是以贝氏体＋少量碳化物为基体组织的贝氏体球铁，称为贝氏体球铁(Bainite Ductile Iron)，简称BDI。这种材料具有很好的耐磨性，同时具有一定的强度和韧性。
  1949年W.W.Braidwood就曾预言，针状组织(贝氏体)铸铁可能是机械性能最好的铸铁。随后，美国国际收割机公司于1952年曾用这种球铁代替铸造高锰钢生产军用履带。但在此后的20年间，由于这种材料的需要有限，在工业生产中很少应用，致使它的发展基本上处于停滞状态。直至60年代末70年代初，国际上才重新开始这种材料的研究， 1977年M.Johansson宣布芬兰Kymi-kymmene公司所属的Karkkila铸造厂开发了一种使用性能优异的新型球铁，即奥氏体－贝氏体球墨铸铁，并在美、英、法、加等13个国家申请了专利。这一报导引起了广泛重视，各国从不同角度进行了规模巨大的研究工作。目前生产贝氏体球铁的方法已由过去的等温淬火单一方法发展到连续冷却淬火和合金化铸态等多种方法。

我国是最早研究和应用贝氏体球铁的国家之一，一些高等院校和科研单位相继研制成功这种新材质并将其应用于生产实践。贝氏体球铁优异的综合力学性使其具有非常广泛的用途，如用在耐磨、耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的场合。在大齿轮方面，贝氏体球铁甚至可以完全代替渗碳钢，在某些条件下比渗碳钢作用更好。在震动和冲击的情况下，贝氏体球铁的减震、阻碍裂纹扩展能力使渗碳钢无法比拟。此外，在润滑困难或无润滑的恶劣条件下，贝氏体球铁的自润滑能力也表现出特殊的优越性。
  含有一定数量奥氏体的奥贝球铁很适合应用于机车车轮、碾轮、滑块等场合，在这些场合中加工硬化大大提高了工件硬度，同时提高了耐磨性。不同于表面硬化处理的钢件，奥贝球铁始终维持着硬的表面层，而表层下面仍保持着原有的韧性。
  由于高强度、高韧性和良好的低温冲击性能，奥贝球铁还适用于曲轴、凸轮轴、链轮以及大型柴油机的卡盘扳手等。还能满足破碎机、推土机、挖掘机和农业机械等易磨损部位提出的抗磨损、抗冲击和抗疲劳的要求。此外，奥贝球铁还在模具、活塞环、轧钢机导轨、起重臂、水泵等方面得到了应用。
  含有一定数量碳化物的贝氏体球铁作为矿山球磨机磨球材料已经得到普遍认可，这种材料不仅由于具有一定的抗冲击能力而避免了碎球，同时由于具有一定的耐腐蚀性能具有比高铬铸铁更好的抗腐蚀耐磨性。此外，这种材料还适于生产湿磨条件下的抗磨铸件，如泥浆泵等。
2 贝氏体球铁的化学成分
为了获得贝氏体组织，通常需要加入Mn、Mo、Ni、Cu、B等影响着球铁C曲线的合金元素。
碳具有稳定奥氏体，延缓贝氏体转变，改变上贝氏体的下限温度，并对残留奥氏体的稳定性有决定性的影响。而残留奥氏体的数量和含碳量对拉伸强度、韧性、加工硬化速度、抗应变马氏体转变的能力和低温组织的稳定性有着重要的影响。此外，碳是石墨形成元素，高的含碳量可阻碍渗碳体的析出。
硅能降低碳在奥氏体中的溶解度，降低过冷奥氏体的稳定性，加速相变，因而缩短珠光体和贝氏体转变的孕育期。硅还提高共析转变温度，扩大共析转变温度范围。此外，硅还是石墨化形成元素，不仅能抑制贝氏体转变过程中碳化物的析出，而且能细化石墨球，增加铁素体量，促进贝氏体转变形成细针状贝氏体，从而提高球铁的机械性能。但是，若硅的含量过高，则韧性急剧下降。

锰扩大γ区，强烈降低共析转变和马氏体转变温度，提高奥氏体的稳定性，

使C曲线右移，显著提高淬透性。锰还使高温相变区和中温相变区分离，并使上、下贝氏体相变区明显分开。但锰是结晶正偏析元素，容易富集在共晶团边界，不完全淬火后，在该处形成马氏体、奥氏体和碳化物的混合组织，显著降低塑性和韧性，强度也有所下降。研究指明，通过适当增加硅量、强化孕育等措施可使含锰量0.6～0.8%的球铁获得较理想的贝氏体组织和性能。
  钼是生产贝氏体球铁最常用的合金元素。钼是碳化物形成元素，偏析程度比锰更强烈，更容易产生共晶碳化物，而且这种碳化物非常稳定。因此，钼也降低球铁的强度和塑韧性。但钼的最大优点是良好的淬透性，强烈抑制珠光体转变而对贝氏体转变的影响微不足道。

镍和铜都扩大γ区，形成固溶体，阻碍奥氏体分解，降低冷脆转变温度，还能在等温转变过程中抑制贝氏体中碳化物的形成，显著地提高奥－贝球铁的塑性和韧性，并且镍提高淬透性和断面均匀性。所以，钼常和镍、铜一起使用且能获得理想的效果。
  在实际生产中，合金成分的选择主要从三个方面考虑： 工件的组织性能，例如，生产以奥氏体＋贝氏体组织的高强度、高韧性奥贝球铁，应加入较高的Ni、Cu等稳定奥氏体、抑制碳化物形成的元素；生产以贝氏体＋少量碳化物组织为主的高耐磨性贝氏体球铁，应加入较多的Mo、Mn等提高淬透性的元素。 生产工艺，等温淬火奥－贝球铁可少加合金元素，以降低成本；而连续冷却淬火，特别是铸态贝氏体球铁是在连续冷却条件下发生贝氏体转变，所以应多加有利于提高淬透性的元素。工件的壁厚，合金元素的加入量应随壁厚的增大而增加。
3 贝氏体球铁的生产工艺、组织与性能
  目前贝氏体球铁的生产工艺有主要有等温淬火、连续冷却淬火和铸态合金化等。
  1、等温淬火工艺
  等温淬火工艺最初主要用于铸钢件生产，后来才用于球铁的生产上。这种工艺的突出优点是：转变过程容易控制；避免了从奥氏体温度迅速冷却至室温可能产生的应力、畸变和脆裂现象，生产稳定。球铁与钢相比，因为它含有较高的碳和硅，基体上分布着大量的石墨，所以球铁的贝氏体转变有自己的特点：可以通过控制奥氏体化温度来调整奥氏体含碳量；球铁等温淬火贝氏体转变时铁素体板条的生核长大无渗碳体伴随，贝氏体型铁素体不断析出时碳向奥氏体扩散导致奥氏体富碳；富碳奥氏体一定条件下可在室温下稳定存在。最终得到基体为奥氏体－贝氏体混合组织的球墨铸铁。
  贝氏体球铁中晶粒大小，奥氏体含量的多少、稳定与否以及在一定条件下是否有碳化物析出等均影响其性能。若组织只是由铁素体和奥氏体细小共晶团形成的双重组织而没有其它脆性相组成时，则可获得最佳的强度和韧性的综合性能。化学成分一定时，则等温淬火贝氏体球铁的组织主要取决于三个因素：等温转变温度；在等温转变区域保温的时间；转变开始时的奥氏体状态，这取决于奥氏体化温度和等温转变前的冷却条件。这就是说，贝氏体球铁的组织取决于奥氏体含碳量和其它元素含量、偏析、晶粒大小以及由奥氏体化温度冷却至等温转变时的过程。下面分别讨论这三个因素。
（1）奥氏体化温度与时间
  奥氏体化温度越高，则奥氏体含碳量越高。如果奥氏体化温度太低或时间太短，碳化物不能完全溶解，奥氏体含碳量偏低，经等温淬火后冷却至室温容易转变成马氏体。这样将得到强度、硬度高，而塑性、韧性和抗拉强度低的组织。如果奥氏体化温度太高或时间太长，则导致奥氏体晶粒粗大，延缓等温转变开始，促进二次碳化物的形成。综合考虑这两方面的因素，通常奥氏体化温度选择在930℃左右。
（2）等温转变温度
  随着转变温度的降低，针状铁素体量减少，组织细化，抗拉、屈服强度以及硬度均逐渐提高。当转变温度在350～470℃时，则首先析出针状的过饱和铁素体，铁素体中不能再溶解的碳则富集在奥氏体中，这是因为较高的含硅量抑制了碳化物的析出。这时组织中奥氏体的含碳量可高达2％，延伸率达最高值，相应的冲击韧性也达到最高值。当超过与最高延伸率对应的转变温度时，会出现组织粗化，并逐渐转变成铁素体－碳化物，即珠光体组织，不仅降低了强度而且也降低韧性。若转变温度太低，处于下贝氏体形成温度范围时，则碳在奥氏体内扩散缓慢，不易形成均匀的高碳奥氏体，冷却至室温得到下贝氏体、马氏体和残留奥氏体。由于马氏体的形成，在提高强度和硬度的同时却降低了延伸率和抗拉强度。
（3）等温转变的保温时间
  当确定等温转变温度后，等温转变的保温时间对组织和性能的影响是很密切的。保温时间太短则只有少量贝氏体型铁素体析出，周围未转变的奥氏体含碳量仍不高，冷却至室温时大部分转变成马氏体，造成延伸率低、硬度高、发生脆化以及抗拉强度也低的性能；保温时间太长则由于奥氏体成分趋向均匀化，硅的作用不足以抑制碳化物的析出，因而奥氏体转变成铁素体加碳化物，使奥氏体含量和延伸率降低；当保温时间合适，析出一定量的贝氏体型铁素体后，周围奥氏体富碳且均匀、稳定，最终可得奥贝组织，甚至可获得最高的奥氏体含量和最高的延伸率，而且由于高奥氏体含量可减轻由于马氏体存在而引起的脆化程度，从而提高抗拉强度。
  因此，适当的等温淬火工艺不仅可以增加铁素体量，而且也因此提高了奥氏体中的含碳量而使残留奥氏体更加稳定，还能细化铁素体－奥氏体组织，获得理想的组织和性能。但是，等温淬火工艺由于设备多、对设备的依赖性强，工艺复杂，生产周期长，目前应用开始减少。
2、合金化铸态工艺
合金化铸态工艺与等温淬火工艺相比具有以下优点： 大大降低了能源的消耗； 避免了由于脆裂、氧化或变形等引起的成本增加；减少了对设备的依赖性，缩短了生产周期； 减少了辅助工序，改善了劳动条件。

要想在铸态条件下获得理想的贝氏体组织，必须要求铸件在冷却过程中避开珠光体转变鼻子温度，以防转变成珠光体；然后又能连续地通过贝氏体区，使之形成贝氏体。所以目前生产铸态奥－贝球铁主要的途径是加入较多的提高球铁淬透性的合金元素，通过合金化来改变C曲线的位置和形状，从而控制贝氏体球铁的最终组织。通常加入的合金元素有镍和钼等。

合金化铸态工艺下合金元素的作用和行为与等温淬火工艺中的作用和行为基本相同，但由于铸态贝氏体是在连续冷却的条件下，跨过一个温度范围形成的，因此它在形成过程中，合金起作用的程度与等温淬火工艺时又有一定的不同。合金元素的最佳加入量也随铸件的壁厚和冷却条件而异，铸件壁厚增加或冷却速度降低，合金的加入量应相应增加。一般情况下，合金化铸态贝氏体球铁中镍的含量为3.0～4.0%，钼的含量为0.6～1.0%。
  在铸态下获得贝氏体组织除了合金化以外，还应考虑其他因素的影响。当成分一定时，冷却条件具有决定性的影响，冷却速度太快将得到马氏体，太慢则会转变成珠光体。另外，铸态贝氏体球铁的碳当量在不出现石墨漂浮的前提下应尽量提高，因为高碳当量可抑制碳化物的形成，而且能细化组织，石墨球增多。而研究[13]表明上贝氏体是在晶界形核长大、下贝氏体是在奥氏体/石墨界面上形核长大，所以高碳当量还有利于贝氏体的转变。
3、连续冷却淬火工艺
  连续冷却淬火工艺是将高温奥氏体化后的铸件立即淬入特定的淬火介质中，经连续冷却获得奥－贝组织的生产方法。与等温淬火工艺相比，工艺简便；与铸态工艺相比，合金加入量大幅度降低，生产成本较低。但是，经连续淬火后的工件具有复杂的内应力，而且组织不稳定，所以回火是必要的后续工序。
目前，生产连续淬火贝氏体球铁主要通过两个途径： 加入提高球铁淬透性的合金元素，合金元素的作用与选择同铸态工艺一致，但其加入量大幅度降低； 选择合适的淬火介质。

通常是两种手段同时采用。化学成分一定时，贝氏体球铁的组织和性能主要取决于以下三个因素： 奥氏体化温度与时间； 淬火介质及其冷却性能； 回火温度与时间。下面介绍这三个因素。
（1）奥氏体化温度与时间
  奥氏体化温度与时间对连续淬火贝氏体球铁的影响与等温淬火中影响基本相同，但是由于连续淬火工艺要求铸件在冷却过程中避开珠光体转变鼻子温度，又能连续地通过贝氏体区，所以希望贝氏体转变孕育期短一些，因此奥氏体化温度应略低于等温淬火的奥氏体化温度，选在900℃左右。
（2）淬火介质及其冷却性能
  理想的淬火介质应在淬火初期冷却能力强，使工件快速冷却至中温区；到达中温区后，冷却能力较弱，工件冷却较慢，接近于等温淬火。
研究表明，淬火液的浓度对球铁的组织与性能有重要的影响。随淬火液浓度的提高，组织中白脆相及游离碳化物明显减少，贝氏体量增多，组织均匀，综合性能得到改善。
（3）回火温度与时间
  回火的目的是消除内应力，并使残留奥氏体进一步转变成下贝氏体。研究表明，较低的温度(200℃)回火时，残留奥氏体向下贝氏体转变的驱动力很大，下贝氏体转变较密集，基本上保持了高硬度。随回火温度的升高，基体中"A＋M"组织及游离碳化物数量变化不大，但由于残留奥氏体向贝氏体转变的驱动力降低及应力松驰，使硬度降低，强度、韧性提高。所以回火温度选在200℃左右。随回火时间的延长，硬度逐渐升高至最大值，这是回火时间充足，残留奥氏体分解的结果。而后，因应力松驰，硬度逐渐下降。
4     贝氏体球铁的前景展望
由于贝氏体球铁具有良好的综合机械性能，而且可以通过改变合金成分、奥氏体化温度、等温转变温度和时间等工艺参数的措施，以满足不同工作条件下所要求的特殊性能。就目前应用情况看，还远未发挥贝氏体球铁的特点与潜力。值得注意的是，贝氏体球铁的研究日趋成熟，将来会得到更广泛的应用。
  另外，目前贝氏体球铁的生产基本上都需向其中加入Ni、Mo、Cu等合金元素，而Ni、Mo、Cu是我国稀有的昂贵金属，这样贝氏体球铁的生产成本较高。降低生产成本，提高经济效益是每个生产厂家追求的目标。根据我国资源特点，利用钒钛生铁生产贝氏体球铁可望是实现这一目标的有效途径。这是因为：钒钛是强碳化物形成元素，溶入固溶体时延缓相变，使C曲线右移，提高淬透性，并使珠光体和贝氏体转变明显分开，在球铁中具有某些与Ni、Mo、Cu相似的作用。而且钒能抑制晶界移动和晶粒长大，细化组织。所以采取适当的工艺措施消除钒钛的不利作用，生产钒钛贝氏体球铁是可能的；利用钒钛生铁生产贝氏体球铁将省去复杂的除钒、除钛过程，而且原材料来源广泛，生产工艺简便；可节约稀有的昂贵金属Ni、Mo、Cu等。从而大大降低生产成本，提高企业经济效益。