球墨铸铁的强韧化处理

来源:无锡法福表面处理技术有限公司作者:周鼎华

详细论述了球墨铸铁的3种常用的强韧化处理工艺:一是珠光体型强韧化处理,是正火获得珠光体,以使球墨铸铁具有良好的综合性能;二是贝氏体型强韧化处理,是将球墨铸铁进行等温淬火,得到以针状铁素体和富碳奥氏体为主的混合组织,被称作等温淬火球墨铸铁(ADI);三是贝氏体、马氏体和珠光体(BMP)复合强韧化处理,这是一种能使球铁零件不同部位获得不同性能的新工艺。介绍了上述强韧化工艺应用于发动机连杆、柴油机曲轴等零件的实例。

现代球墨铸铁是美国国际镍公司(INCO)青年科技人员麦里斯(MillsKD)于1943年用镍镁合金作球化剂首先研究成功的。此后,INCO在保密状态下花了5年时间进行了系统的中间试验。1948年,INCO与Cooper-Bessemer公司签订了第一个技术转让合同,标志着现代球铁开始工业化应用。我国的球铁研究工作最早开始于1948年,1950年中国科学院上海冶金陶瓷所周仁研究员和清华大学王遵明教授分别在上海、抚顺进行试验,研究成功了球墨铸铁。1964年底,我国研制成功了符合国情的稀土镁球墨铸铁并在全国迅速推广,从而促进了球铁生产的大普及和大提高。2008年,我国球墨铸铁的产量已达800多万t,占世界球墨铸铁产量的1/3以上,球铁件的产量及在铸件中的比例迅速增长。应指出的是,没有球墨铸铁的强韧化处理,就不能发挥球铁材料的潜力。球墨铸铁的强韧化热处理工艺有很多种,下面简要介绍珠光体型强韧化、贝氏体型强韧化和BMP(贝氏体、马氏体和珠光体)复合强韧化及其应用。

1、珠光体型强韧化工艺

1.1、工艺

球墨铸铁的珠光体强化就是正火处理。球铁件奥氏体化并保温后,立即空冷(包括风冷或雾冷),使基体转变为珠光体,达到提高硬度、强度和耐磨的效果。众所周知,球墨铸铁是以铁、碳、硅为主的合金,其共析转变有一个临界温度范围,这个范围是三相区,存在γ-Fe、α-Fe和G(石墨)。球墨铸铁由室温加热至出现奥氏体(γ-Fe)的温度称作加热时临界温度范围的下限,用ASC1表示;而全部转变为奥氏体或铁素体(α-Fe)最后消失的温度称作加热时临界温度的上限,用AZC1表示。球墨铸铁的高温完全奥氏体化正火是将工件加热到AZC1+(30~50℃)保温,使基体全部转变为奥氏体并使奥氏体均匀化,而后空冷。正火加热温度一般为900~940℃,过高的温度不能增加珠光体数量,反而引起奥氏体晶粒粗大,使碳溶入奥氏体的数量过多,冷却时容易在晶界析出网状二次渗碳体,使球铁件的强度和韧性变差。提高正火的冷却速度可以增加珠光体量。当奥氏体化温度高于AZC1时,球墨铸铁组织会发生一系列的变化,奥氏体的平衡含碳量随温度上升而增加。奥氏体的增碳需要石墨碳的溶解和扩散,因此奥氏体的含碳量也是随时间的延续而逐步达到该温度下的平衡值的。提高加热速度和缩短保温时间,可以使奥氏体的实际含碳量低于该温度下的平衡碳量,得到低碳奥氏体。如果加热速度很快,则原始组织将会影响奥氏体的实际含碳量。铁素体基体的球墨铸铁在ASC1以上随炉升温时,吸收不多的碳量即可能转变为含碳量较低的奥氏体。珠光体基体的球墨铸铁,因其中碳的扩散距离较短,很容易转变为含碳量较高的奥氏体。奥氏体化温度、保温时间及加热速度甚至原始组织的不同,都会影响奥氏体的实际含碳量,使奥氏体的实际含碳量在一个很宽的范围内变化。奥氏体的含碳量对它在冷却时的转变过程和转变产物的性能有重要影响。据此原理,出现了部分奥氏体化正火和不平衡状态快速正火,也就是低碳奥氏体化正火。这些工艺就是球墨铸铁的珠光体强韧化正火工艺,简称珠光体型强韧化工艺。

1.2、部分奥氏体化正火

球墨铸铁的部分奥氏体化正火是将工件加热到ASC1+(30~50℃),保温1~2h后空冷(包括风冷和雾冷)。这个温度范围内是三相区,有奥氏体、铁素体、石墨,只有一部分组织转变为奥氏体,剩余的部分铁素体则以分散形式分布。该工艺的特点是奥氏体化的温度较低,基体中存在少量分散分布的铁素体,具有较高的综合力学性能。在共析转变温度范围内,不同的温度对应着不同的铁素体和奥氏体的平衡量。正火温度愈接近AZC1,珠光体数量愈多,因此可以通过控制正火温度来控制球墨铸铁的力学性能。部分奥氏体化正火的加热保温时间也有讲究,延长保温时间,使部分石墨溶解到奥氏体中,提高了奥氏体的含碳量,从而增加了奥氏体的稳定性,使珠光体量增加,反之则减少珠光体量。

1.3、不平衡状态快速正火

球墨铸铁的不平衡状态快速正火就是低碳奥氏体化正火。球墨铸铁的总含碳量很高,由于碳以石墨形式析出,所以基体中的含碳量可能很低。球墨铸铁基体中的含碳量可类似于高碳钢,也可类似于低碳钢。同一化学成分的球墨铸铁,在不同的加热和保温条件下,奥氏体及其转变产物中的含碳量可在很大范围内变化。在钢中,奥氏体化完成后,奥氏体的含碳量通常就是钢的原始含碳量。而在球墨铸铁中,奥氏体化完成后,奥氏体中的平均含碳量还与加热速度、加热时间有关。不平衡状态快速正火工艺是将球墨铸铁件加热到稍低于ASC1的温度保温,即得到铁素体;然后加热到AZC1以上的温度,不保温立即出炉空冷、风冷或喷雾冷。铁素体转变成奥氏体的速度很快,不保温即出炉冷却,碳还来不及扩散到奥氏体中,奥氏体仍保持较低的含碳量(不平衡状态),达到低碳奥氏体化的效果。更先进的工艺是球墨铸铁一步加热快速正火,简单地说就是不保温正火。球墨铸铁随炉加热时,铁素体向奥氏体转变的温度将提高,从瞬时、局部平衡的观点看,在铁素体包围石墨球的情况下形成的奥氏体可以保持低碳状态。铁素体向奥氏体的转变速度远大于碳自石墨向基体扩散的速度,也可以使奥氏体处于低碳状态。当奥氏体化达到所需的程度时,应及时出炉快速冷却,使球铁获得良好的强韧化效果。

1.4、球墨铸铁连杆的热处理

连杆是发动机的关键零件之一,其功用是将活塞承受的气体压力传递给曲轴,并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动,其运动情况和受力状态都比较复杂,因此对连杆的使用寿命、可靠性、安全性要求很高。如果连杆在使用中断裂,会使整机损坏,甚至可能发生伤亡事故。笔者前工作单位无锡县柴油机厂就是采用球墨铸铁制造单缸高速柴油机连杆的。

1.4.1、技术要求

材料为QT700-2球铁,化学成分(质量分数,%):3.6~4.0C;2.6~3.0Si;0.4~0.6Mn;<0.10P;<0.025S;0.03~0.045Mg;0.025~0.040RE。铸态组织:石墨球化级别符合GB/T9441-2009的1级或2级,石墨球的数量不低于100个/mm2。热处理后,基体组织为75%~90%珠光体,硬度230~270HBW,抗拉强度Rm≥700MPa,断后伸长率A≥2%,冲击吸收能量αk≥15J/cm2。

1.4.2、热处理工艺

采用部分奥氏体化正火。在箱式炉中装入同一炉号的连杆,装炉量为90~100件。加热温度视含Si量的高低而定,Si量高,加热温度高,反之则低。在球墨铸铁化学成分稳定的情况下,加热温度可以固定不变。我们确定的加热温度为860~870℃,总加热时间为3h,出炉后在45s内散开空冷(不用风冷或雾冷),连杆不能相互叠在一起。即使在夏天高温季节,也禁止风冷或雾冷。因为连杆杆身截面不大,若采用风冷或雾冷,会导致硬度不均匀。回火温度根据正火后的硬度确定,应避免在500℃回火,以免产生回火脆性。过高的回火温度会使珠光体分解即铁素体化,大大降低硬度。一般回火温度不超过620℃。当珠光体量超过90%时,可通过回火调整。

采用低碳奥氏体化正火工艺时,正火温度应提高到880℃,不保温,空冷,总加热时间为2h。回火工艺同上。

2、贝氏体型强韧化工艺

贝氏体强韧化工艺是将优质球墨铸铁件进行等温淬火,得到以针状铁素体和富碳奥氏体混合组织为主的球墨铸铁,称为等温淬火球墨铸铁(austemperedductileiron,ADI)。美国材料试验协会(ASTM)将这种针状铁素体和富碳奥氏体混合组织命名为奥铁体(ausferrite)。关于等温淬火球铁组织的命名问题,我国曾有多种说法,国家标准GB/T24733-2009等温淬火球墨铸铁件采用了奥铁体(ausferrite)这一名称。

球墨铸铁等温淬火的过程实质上就是贝氏体相变的过程。球铁的等温淬火源于钢的等温淬火。1977年芬兰的JohanssonM宣布开发了一种性能优异的奥氏体-贝氏体球墨铸铁,并于1978年在第45届国际铸造年会上宣读了论文,引起广泛重视。他们还在英、美、法、德等13国申请了专利。在此前后,美国通用汽车公司也用贝氏体-马氏体球铁制造汽车后桥螺旋伞齿轮。其实我国是最早研究和应用贝氏体球铁的国家,早就对普通球铁零件进行等温淬火以获得下贝氏体组织。由于信息闭塞,等外国宣布获得专利时,我国此前已有多家工厂坚持用下贝氏体球铁生产310轴承、拖拉机齿轮和汽车用螺旋伞齿轮。球铁下贝氏体等温淬火后,组织中必然残留较多奥氏体,所以我国生产的就是奥氏体-贝氏体球铁。无锡柴油机厂从1965年开始将等温淬火球铁(ADI)用于柴油机凸轮轴,至今仍有许多机型使用该材料的凸轮轴,ADI作为一种工程材料正日益受到人们的关注。图1为几种常用材料与ADI的屈服极限与断后伸长率的对比。图1表明,在一定的塑性条件下,ADI的强度与钢相当。由于石墨的存在,球墨铸铁和ADI的密度比钢低8%~10%。如果零件的刚性足够,用相同尺寸的ADI替代钢件可使零件质量降低8%~10%。

ADI与其他几种工程材料的屈服强度对比

图1 ADI与其他几种工程材料的屈服强度对比

结束语

美国著名的ADI专家JohnRKeough关于球铁铸件质量对ADI质量的影响有过一段精辟透彻的论述:我们必须认识到,等温淬火能将一个好的球铁件变得更卓越,但它却不能把一个劣质的球铁件变好,ADI需要稳定的、高质量的球铁铸件。这句话不难理解,球墨铸铁件通过热处理可以获得高强度和高韧性,其基础是优质的球铁铸件。优质球墨铸铁件的定义为:石墨球数>100个/mm2;球化率>90%;碳化物和夹杂物<0.5%;显微缩松和缩孔<1%;珠光体/铁素体比例稳定;化学成分稳定。近年来,我国的球铁产量、原材料的质量、生产技术和装备水平、检测技术与仪器、管理水平等都取得了较大的提高,但具备或者通过努力能稳定生产优质球铁件的企业并不多,这是现状。因此,根据零件的服役条件,对不同的球墨铸铁进行不同的强韧化处理就显得非常重要。我们的目标是清楚的,就是把好的球铁件,通过热处理使其变得更加卓越。