球铁等温淬火的组织与性能研究

forging

朱杰武　(汉中师范学院　汉中　723000)
【摘　要】　从一般铸造条件下的球墨铸铁标准梅花形试块制取试样, 进行一系
列等温淬火处理, 观察了金相组织, 测定了试样的力学性能, 讨论了各编组等温淬火
组织与性能的关系。在标准楔形试块制取试样试验的基础上, 确定了较合理的球铁等
温淬火工艺。
【关键词】　球铁; 标准梅花形试块; 等温淬火; 贝氏体
【分类号】　TG252
本文收到时间: 1996- 06- 11 作者: 男　44 岁　讲师　88 届毕业生马敬东、文副鹏、陈克参加了部分实验工作。
球铁与钢相比, 成分波动较大, 又由于铸造条件不易控制等原因而组织成分差异甚大。为了寻
求一般铸造条件下球铁工件(中小型) 大部分可满足的热处理工艺及参数, 在采用标准楔形试块制
取试样试验得到初步结果的基础上[ 1 ] , 本文拟就一般铸造条件下采用标准梅花形试块制取试样的
试验进行讨论, 以期解决这一生产实际问题。
1　试样制取工艺及设备
采用GW 中频感应炉熔炼本溪生铁, 通过两次孕育处理(即第一次加入0. 6à 的75siFe, 第二
次于浇注前再压入0. 04à A l+ 0. 2à 75SiFe) , 浇铸成标准梅花形试块[ 2 ]。试块加热(900±10) ℃
短时退火降低表层硬度。再把梅花形试块加工成标准拉伸和梅氏冲击试样, 并截取测定硬度和金相
试样。球铁化学成分见表1, 试样按表2 工艺处理, 加热设备为RYA - 25_ 8A 电极式盐浴炉, 等温
淬火在SG- 5- 10 型坩埚电阻炉中进行, 回火采用SX- 4- 10 型箱式电阻炉。
拉伸试验在W E- 30 型万能材料试验机上进行, 在JB30B147J 冲击试验机上测定冲击韧性
值。观察分析组织在XJL - 02 和XJG- 04 大型全相显微镜上进行。测定力学性能见表3, 组织见
图1。
表1　试验用球铁试样化学成份
元素C Si M g M n Re P S
成分(% ) 2. 67 2. 03 0. 034 0. 58 0. 065 0. 048 0. 026
表2　球铁试样热处理工艺及组织
工艺编号工艺参数及说明金相组织照片
A 100 (275±5) ℃等温30m in G+ B + M + C
R (a)
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A 110 (275±5) ℃等温45m in G球+ B + M + CR (b)
A 111 (275±5) ℃等温45m in; 300℃回火60m in B (F qA) + M 回+ G球+ C
R (c)
A 112 (275±5) ℃等温45m in, 40℃回火120m in T 回+ M 回)B (F qA) 少+ C
R (d )
A 120 (275±5) ℃等温60m in G球+ B F+ M + C
R (e)
A 121 (275±5) ℃等温60m in300℃回火60m in G球+ M 新B (F qA) + M 回(f )
A 122 (275±5) ℃等温60m in, 400℃回火120m in G球+ T 回+ B (F qA) + M 回+ C
R (g )
A 130 (275±5) ℃等温90m in G球+ B F+ M 少+ C
R (h)
A 140 (275±5) ℃等温120m in G球+ B F+ M 少+ C
R ( i)
B220 (250±5) ℃等温60m in G球+ B F+ M + C
R ( j )
B221 (250±5) ℃等温60m in, 300℃回火60m in G球+ B F (F qA) + M 回+ B 新(k )
B222 (250±5) ℃等温60m in, 400℃回火120m in G球+ T 回+ M 回+ B F (F qA) + C
R ( l)
　　说明: 所有试样(890±10) ℃加热, 保温45m in, 然后进行A 、B 两组工艺。
第4 期朱杰武　球铁等温淬火的组织与性能研究•65•
图1　球铁等温淬火金相组织
表3　球铁试样中温热处理后力学性能
工艺
编号
抗拉强度
R
b (M Pa)
淬火硬度
(HRC)
回火硬度
HRC
冲击韧性
O K (KJöm 2)
延伸率
D(5)
A 100 987 42. 2 ö 273 0. 9
A 110 1003 39. 8 ö 350 1. 2
A 111 1003 39. 8 38. 7 401 1. 3
A 112 998 39. 8 37. 8 421 1. 4
A 120 1012 39. 3 ö 370 1. 5
A 121 1096 39. 3 40. 1 431 1. 6
A 122 999 39. 3 38. 6 450 1. 65
A 130 1046 39. 1 ö 390 1. 8
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A 140 1065 39. 0 ö 395 1. 83
B220 1099 42. 3 43. 1 ö 1. 03
B222 1021 42. 3 4311 400 0193
B222 1021 4213 4210 412 1105
2　试验结果讨论
2. 1　贝氏体形成温度对组织性能的影响
由实验结果可以看出, 在形成贝氏体温度区间, 随着等温温度的提高, 组织的硬度逐渐降低, 而
冲击韧法值则升高, 约在280℃附近基本趋于稳定。结合已有的工作[ 1 ]可知, 组织的抗拉强度随等
温温度的提高而呈抛物线变化, 在240℃～ 280℃范围内随等温温度的提高, 组织的抗拉强度急剧
升高, 约在300℃组织的求拉强度达到峰值, 在300℃以上组织的抗拉强度降低, 这是因为在250℃
～ 270℃区间等温淬火时, 过冷奥氏体基本形成下贝氏体, 而等温温度偏高, 贝氏体条片平均尺寸较
大, 残留奥氏体呈较大的厚片块状[ 3 ] , 且淬火内应力较小, 故而组织硬度逐渐降低, 韧性和抗拉强
度上升幅度较大。在280℃～ 300℃区间等温, 由于过冷奥氏体形成贝氏体相当充分, 即组织中贝氏
体数量变化不大, 仅是下贝氏体由光滑的针片向边界稍平直的束排状转变[ 2 ] , 在320℃等温时, 组
织中出现上贝氏体, 抗拉强度和硬度降低, 冲击韧性因内应力较小仍有所升高。形成贝氏体等温温
度对组织的延伸率影响不显著, 这是因为整体组织构成属于强度高塑性较低形态, 在等温区间, 贝
氏体马氏体分解析出碳化物细小, 强度变化对延伸率影响不大。
纵观形成贝氏体温度区间等温淬火结果, 在(265±10) ℃等温效果较好, 所得组织是以下贝氏
体为主的贝氏体与马氏体混合组织, 且贝氏体与马氏体条片的平均尺寸适中, 残留奥氏体已趋近于
较薄的条片状, 组织的内应力相对较小, 故而整体综合力学性能最好。
2. 2　等温时间对组织性能的影响
随着等温时间的延长, 贝氏体形成数量为Logist ic 生长。即在同一等温温度下, 随等温时间由
30 分钟逐渐延长到120 分钟, 贝氏体形成数量的速率为慢→快→慢; 等温30～ 45 分钟, 据贝氏体
形成动力学曲线可知, 只有部分过冷奥氏体转变为贝氏体, 45～ 60 分钟, 大部分过冷奥氏体转变为
贝氏体, 转变速率达到最大; 在_d揰___60 分钟以上, 未转变的过冷奥氏体受压应力增大而逐渐失去转变活
性, 成为残留奥氏体, 贝氏体总数量虽有增加, 但转变速率愈来愈慢, 实际上贝氏体转变已经基本结
束。
由于组织形成特征, 随着等温时间的延长, 组织的冲击韧性值逐渐升高并趋于稳定值, 而硬度
的变化恰好与冲击韧性相反; 原因很明显, 等温时间较短时, 只有少部分过冷奥氏体转变为贝氏体,
剩余未来得及转变成贝氏体的奥氏体在试样从等温浴炉中出炉空冷过程转变为马氏体和少量残留
奥氏体, 组织中淬火马氏体数量偏多, 故而反映为硬度高而冲击韧性低; 随等温时间延长, 过冷奥氏
体转变为贝氏体的数量增多, 转变为马氏体的数量相对减少, 所以表现为硬度降低而冲击韧性值升
高; 当等温时间继续延长, 因过冷奥代体转变为贝氏体进行得较为充分, 剩余奥氏体数量有限, 形成
马氏体数量趋于稳定值, 整体组织构成变化甚微, 故而硬度和冲击韧性均各自趋近于稳定。
因此, 球铁贝氏体等温淬火的等温时间以60 分钟为宜。等温时间少于45 分钟, 组织中贝氏体
第4 期朱杰武　球铁等温淬火的组织与性能研究•67•
数量偏少; 等温时间超过75 分钟, 则降低生产率, 并且有可能导致奥氏体稳定化程度增加, 使组织
中残留奥氏体量增多, 性能变差。
3　等温淬火后回火对组织性能的影响
与未回火组织及性能比较可知, 等温淬火后回火, 组织的稳定性增加, 其抗拉强度和冲击韧性
进一步提高。这是因为在回火过程中, 贝氏体折出细小碳化物而成为过饱和的铁素体条片FAq, 马
氏体转变为回火马氏体, 部分残留奥氏体回复活性而在试样出炉空冷时转变为马氏体, 组织内应力
减小, 这些变化共同作用的结果, 使整体组织的抗拉强度提高10à 左右, 冲击韧性上升15à 左右;
而由于硬度取决于两个方面的变化, 即贝氏体与马氏体回火和残留奥氏体部分转变为马氏体, 这两
方面相互作用, 使组织的硬度变化不多或稍有升高。
综上所述, 一般浇铸条件下球铁在(890±10) ℃加热部分奥氏体化后, 选择(265±10) ℃等温
淬火60 分钟, 使过冷奥氏体转变为以下贝氏体为主的贝氏体马氏体较均匀的混合组织, 淬火后立
即进行300℃回火60 分钟, 稳定组织而消除内应力, 从而保证球铁等温淬火组织具有良好的综合
力学性能。
4　结论
4. 1　由标准梅花试块制取的球铁试样接近一般生产浇铸条件, 等温淬火获得优良的综合力学性
能, 对生产中小工件的热处理有直接参考价值。
4. 2　合理可行的球铁等温热处理工艺为: (890±10) ℃加热45 分钟, (265±10) ℃等温淬火60
分钟后立即300℃回火60 分钟出炉空冷。
4. 3　等温淬火温度对球铁浇铸的原始组织要求不高, 等温淬火温度在(250—270) ℃范围波动对
球铁组织及性级影响不大, 因而等温淬火工艺在实际生产中容易掌握和实施。
参考文献
1　朱杰武等. 热处理工艺对球墨铸铁组织形态及力学性能的影响, 陕西工学院学报. 1989.
2　铸铁手册. 北京: 机械工业出版社, 1978.
3　宋余九等. 马氏体贝氏体复合组织的强度与韧性、西安交通大学科技报告. 1981.