我国奥_贝球铁的研究进展及其应用

我国奥-贝球铁的研究进展及其应用上海工程技术大学(上海市200335)　沈利群 摘要:奥贝球铁是70年代发展起来的一种新型工程材料,具有优良的综合机械性能.通过文献调研,综述了我国近年来奥贝球铁的研究进展和应用实例.关键词:　奥贝球铁　研究　应用The Research Progression and Application Examples of Austenite-bainite Ductile IronShen L iqun(Shanghai U niver sity of Engneer ing Science) Abstract:A ust enite-bainite ductile iro n is a new engineer ing mat reial developed in the y ear o f1970s′.It has ex cellent sy nt hetic m echanical pr opert ies.T he resear ch pr o gr ession and a pplicatio n ex amples,in this co untr y,of austenite-bainite ductile ir on w ere r eviwed thr ough liter atur es investig atio n.Key words:　A ustenite-bainite ductile ir on,　Resear ch,　A pplicat ion1　前　言奥氏体-贝氏体球铁(简称奥-贝球铁)是球铁经等温淬火后获得的.其基体为贝氏体和残余奥氏体,具有强度、塑性和韧性都很高的综合机械性能,抗拉强度1000M P a以上,延伸率10%以上[1],特别是具有很高的弯曲疲劳强度和良好的耐磨性,显著地优于其它基体球铁,是一种优良的工程结构材料.奥-贝球铁自1977年问世以来,受到国内外材料工作者的广泛重视,并对其进行了深入研究.本文通过文献调研,归纳总结了近年来我国有关人员对奥-贝球铁的研究进展,并介绍了一些应用实例,以期使这种性能优良的廉价材料得到进一步推广应用.2　研究进展2.1　影响奥-贝球铁组织与性能的因素[2、3、4、5]可归纳为以下几种:(1)原始组织:理想的基体组织是无碳贝氏体和30%～40%的高碳奥氏体,应避免渗碳体的存在;(2)化学成分:对于未经合金化的奥-贝球铁,Si、M n是重要元素,Si抑制碳化物的析出,最终形成奥氏体-贝氏体复合基体,M n能提高淬透性,但要注意其偏析倾向;(3)热处理工艺:提高奥氏体化温度,可增加残余奥氏体的体积百分数,但要注意奥氏体晶粒长大,以避免塑性、韧性下降,在(900±20)℃可获得较好的综合机械性能.为了获得奥氏体-贝氏体基体,等温温度必须高于上贝氏体形成的下限温度.在上贝氏体区等温淬火,随等温温度升高,组织趋于粗化,塑性、韧性升高而强度、硬度下降.在350～370℃等温可获得良好的综合性能.等温淬火后在280℃×24h回火,组织不变;在300～380℃回火,抗拉强度下降,延性很好;在380℃以上回火,组织完全转变,延性下降.2.2　奥-贝球铁合金化　奥-贝球铁的用途不同,对机械性能的要求也不同.但要获得奥-贝组织,就必须为提高它的淬透性而加入一定量的合金元素.2.2.1　Cu-N b合金化[6]　N b能形成稳定的C、N化合物,N b化合物的存在能细化奥氏体晶粒和等温后的贝氏体,抑制C的扩散而阻止贝氏体和残余奥氏体的分解.Cu能扩大贝氏体化的壁厚,在不过量时不产生偏析,还能使M n、Si更加均匀化.化学成分:0.06%～0.15%N b,0.7%～1.3%Cu,<0.5%M n, 2.7%～3%Si的奥-贝球铁,在(900±10)℃奥氏体化后350℃×1.5h等温淬火,可获得最佳的综合机械性能.2.2.2　Cu-M o合金化[7]　M o是碳化物形成元素,具有良好的淬透性,可保证25m m以上的厚断面全部淬透.Cu的加入,有助于提高奥-贝球铁的塑性和韧性,阻止奥氏体分解,减少贝氏体等温转变产物对时间的敏感性.Cu、M o合理搭配,有助于奥-贝球铁综合机械性能的提高.2.2.3　Si-M n合金化[8]　奥-贝球铁当含M n量小于1.0%时具有较好的综合机械性能,R b可达1080M P a、D达16%、A k达94J/cm2、HR C40,已能满足高强度又要有一定塑、韧性及耐磨性的场合使用.此后随含M n 量增加机械性能下降而硬度提高,可用于要求高耐磨的场合.Si量从2.60%增加到3.86%时,机械性能明显提高.当Si/M n比大于5.0时,具有较好的强韧性.所以在等淬条件下,采用适量的Si、M n可得到强韧性较好的奥-贝球铁,而无需加入贵重的合金元素.2.2.4　M n-Cu合金化[9]　制造壁厚大于25mm等温淬火球铁件,均要添加Ni、M o或Cu、M o等合金元素,以保证淬透.M n在球铁中偏析严重,致使韧性降低而限制了它的含量.若要以M n代M o合金化,则必须克服M n偏析造成的不利影响.研究表明0.6%F eSi、0.02%Bi复合孕育,可削弱M n的严重偏析的不利影响,扩大M n的含量范围,再配加0.8%Cu形成适合≤40mm中等壁厚的M n-Cu奥-贝球铁,其合适的化学成分:3.3%～3.7%C, 2.6%～2.8%Si,0.7%～0.8%M n,<0.035%S,<0.07%P,≈0.8%Cu,上述成分的奥-贝氏球用T A900℃×60min,在300℃等温淬火60min,可使壁厚≤40m m的铸件达R b>1 200M Pa.M n-Cu奥-贝球铁既使M n代M o,又使原来难以满足的低M n限制大大放宽.2.3　铸态奥-贝球铁为了克服等温淬火易变形、中心部位淬不透的弊病,通过加入适量提高淬透性的N i元素,使之铸态形成上贝氏体加奥氏体为主基体的球铁,它省去了热处理过程,适合于制造结构复杂、形变大、壁厚大的铸件,扩大了奥-贝球铁的生产和应用范围.经反复研究,效果较好的奥-贝球铁的化学成分: 3.4%～3.7%C, 2.3%～2.7%Si,≤0.3%M n,<0.06%P,<0.03% S,0.03%～0.04%RE残,0.03%～0.05%M g残, 1.0%～1.2%Cu,0.5%～0.7%M o,0.7%～0.9% N i[10].为了在低N i含量下获得较高强度的铸态奥-贝球铁,探讨了加入微量B提高基体淬透性以获得以下贝氏体为主基体的可能性.研究认为微量B可降低N i的加入量,较大幅度提高球铁强度和硬度,0.001%B的作用相当于0.4%～0.6%N i的作用.通过四元两水平正交实验法,得出Ni、Cu、M o、B在一定配比下可获得高强度的铸态奥-贝球铁,优选出N i1M o1Cu2B1组的R b能超过940M Pa,N i1M o1Cu1B1组的硬度值能超过HRC62[11].2.4　低合金奥-贝球铁焊条[12]随着奥-贝球铁生产应用的日益广泛,奥-贝球铁的焊补便成为急待解决的问题之一.为了提高焊缝金属的奥-贝化能力并使其具有较高的综合机械性能,研究了Cu、N i、M o对焊缝金属等温转变、奥-贝化能力、机械性能的影响以及奥-贝球铁焊缝的基本结构,目的是研制低合金奥-贝球铁新焊条以满足焊补大缺陷的需要.研究表明Cu、N i、M o可不同程度地提高焊缝金属的奥-贝化能力,其中以M o的作用最为明显,但过多M o含量会降低焊缝机械性能.采用Ni-M o复合加入可改善焊缝机械性能.N i-M o低合金奥-贝球铁新焊条与非合金化奥贝球铁焊条相比,焊缝金属的奥-贝化能力提高2.5倍.N i-M o奥贝球铁焊缝的机械性能为:R b1148M P a,D9.0%,A k130J/cm2;焊接接头的机械性能为:R b1140M P a,D9.2%.焊缝及焊接接头的机械性能均能满足奥-贝球铁的要求.2.5　奥-贝球墨可锻铸铁[13]70年代初发展了一种新型材料球墨可锻铸铁,使石墨呈球状,提高了力学性能,大大缩短了石墨化退火时间,并保留了可锻铸铁的各种优点.为了克服奥-贝球铁对原材料中M n、P及球化干扰元素限制较严和要求严格控制熔铸和热处理工艺等弊病,于是在奥-贝球铁和球墨可锻铸铁的基础上,研制了奥-贝球墨可锻铸铁.它是将球墨可锻铸铁的白口毛坯,加热至(900±10)℃,保温2h,使渗碳体完全分解,完成第一阶段石墨化,并使基体组织转变为均一的奥氏体,然后在(370±5)℃等淬1.5h,获得奥-贝组织.它有以下特点: (1)具有很高的综合力学性能,优良的抗弯曲和抗接触疲劳性能,并具有良好的耐磨性,适于制造齿轮、各种重要受力零件和抗磨件.(2)组织和性能比较稳定,质量易于保证,生产工艺易于掌握,特别适合生产水平不高的中、小厂采用.(3)生产成本较奥-贝球铁低,用其代替钢材20CuM nT i等制造齿轮等零件时,可大大降低生产成本,取得较好的经济效益.(4)可放宽对原材料成分要求,允许含有较高的M n、P、S和球化干扰元素,因而可采用地方生铁熔炼.2.6　奥-贝球铁零件的等淬尺寸变形[14]从目前奥-贝球铁推广情况来看,尚需解决等淬过程中引起的产品变形问题.以目前奥-贝球铁应用最多的典型零件齿轮为例,作了奥-贝球铁等温淬火变形问题控制的试验.球铁经等淬处理后,会发生不同程度的膨胀变化,但尺寸变形方向基本一致,可以通过控制等淬前的加工尺寸而使零件尺寸符合技术要求;但对于不再进行磨削加工的零件,等淬后可能降低精度等级.等淬后的奥-贝球铁变形与残余奥氏体量有关,增加残余奥氏体量,不但有利于材料获得良好的塑性、韧性,也有利于尺寸变形的减小.2.7　奥-贝球铁的疲劳特性及其影响因素2.7.1　接触疲劳破坏形式及其影响因素[15]　应用奥-贝球铁生产齿轮具有加工性好、成本低、重量轻、噪声小等优点.齿轮的主要失效形式是接触疲劳破坏,故有必要对其进行研究并得出相应的强化措施.应用铁谱技术分析了接触疲劳过程,试验表明:奥-贝球铁接触疲劳破坏形式取决于载荷大小.在重载荷下(疲劳寿命小于5×106次)破坏形式为片状剥落;在轻载荷下破坏形式为麻点剥落.疲劳裂纹是在表面石墨空穴的边角处萌生,并向深处扩展.接触疲劳磨损分三个阶段:磨合阶段;正常磨损阶段及疲劳磨损阶段.应用铁谱技术可以预测寿命.奥氏体对奥-贝球铁接触疲劳性能有正反两方面的作用,只有当奥-贝球铁中奥氏体分布均匀,板条密集,奥-贝球铁才能硬度高、韧性好,具有较好的接触疲劳性能.2.7.2　应变疲劳性能及其影响因素[16、17]用x射线衍射分析方法测定奥-贝球铁在不同应变幅下循环后残余奥氏体量的变化,并联系奥-贝球铁应变疲劳特性的关系研究了残余奥氏体的作用.结果表明:奥-贝球铁应变疲劳中应变诱发残余奥氏体转变为马氏体,相变加速了疲劳裂纹的形核和扩展,降低了疲劳寿命;应变疲劳诱发残余奥氏体相变存在一个临界应变幅,低于此临界值残余奥氏体不发生转变;残余奥氏体的机械稳定性还影响着应变疲劳寿命,稳定性较高的材料应变疲劳寿命长于稳定性较低的材料.此外石墨球化状态对奥-贝球铁应变疲劳性能有着重要影响,球化不良的石墨加速了奥-贝球铁的失效.2.7.3　影响疲劳强度的因素[18]为使奥-贝球铁能应用于齿轮、曲轴、车轮等零件达到取代锻钢件的目的,必须改善其疲劳强度.研究指出影响奥-贝球铁疲劳强度的主要因素是:球铁铸件的铸态质量、热处理工艺和表面处理这三个方面的最佳结合.改善奥-贝球铁疲劳性能的途径是:通过金属型铸造、定向凝固、快速冷却加低温浇注、型内球化处理等措施提高球化率;降低球铁的碳当量;通过合金元素的复合加入,提高奥氏体化温度和等温淬火温度来增加奥-贝球铁中的残余奥氏体量;选择合理的喷丸处理工艺参数.3　应用实例3.1　齿轮第二汽车厂铸造二厂采用成分: 3.6%～3.9%C, 2.2%～2.8%Si,≤0.3%M n,≤0.07%P,≤0.03% S,0.03%～0.05%M g,0.02%～0.04%RE的奥-贝球铁,生产EQ153汽车上的齿轮件,热处理工艺采用分步等淬法,奥氏体化后在略低于等温淬火油槽中淬火3min,保证已形成的奥氏体不会在等温淬火时间内向珠光体转变,然后等温淬火120min后空冷.经上述处理后齿轮的机械性能可达到R b1010～1380M Pa,D2%～8%,A k42～97J/cm2,HR C36～48.3.2　曲轴化学成分3.5%～3.8%C, 2.5%～2.8%Si,≤0.3%M n,≤0.07%P,≤0.03%S,0.2%～0.25%M o, 0.8%～1.7%Cu,≤0.04%M g,≤0.03%RE的Cu-M o奥-贝球铁制作170F曲轴已投产多年,采用890～920℃×2h和350～370℃×2h等温出炉空冷的处理工艺,可保证机械性能达到R b≥880M Pa,D≥4%,A k ≥80J/cm2[7].浙大与杭州柴油机总厂对奥-贝球铁应用于480柴油机曲轴研究表明,在适当的保护措施下,等温淬火后曲轴总体变形在精加工余量范围内,不影响成品曲轴精度,螺纹、链槽等在等温淬火后也不变形.可用先完成除粗-精磨外的所有机加工,再等温淬火,而后粗、精磨的方法生产奥贝球铁曲轴.Cu-M n合金奥-贝球铁(<0.5%M n,0.6%～1.0%Cu,0.2%～0.3% M o)可使直径60mm的曲轴淬透,经380℃×60min淬火后机械性能达R b1101M Pa,A k141J/cm2, D512.2%[20].3.3　汽车后拖钩支承座及衬套[21]CA141载货车后拖钩的支承座、衬套原采用铸态铁素体球铁制造.投产不久,发现这两个零件一般行驶3000公里左右即损坏失效.支承座、衬套承受较大的冲击载荷和由冲击形成的凿削式磨损,处于货车尾部,汽车扬起的粉尘形成了严重的磨料磨损,工况恶劣.使用非合金奥-贝球铁制造支承座及衬套,行车试验表明,使用寿命是铁素体球铁的70倍以上.其最佳的热处理工艺参数为:奥氏体化温度(900±10)℃、时间(30±5)min,等温温度(360±10)℃、时间(30±5) min.目前奥-贝球铁支承座、衬套已投入生产.3.4　汽车后拖曳钩[22]对用奥-贝球铁制CA1091车的后拖曳钩进行了研究和行车试验,并得出了合适的奥-贝球铁成分和热处理工艺.后拖曳钩材料应具有较好综合机械性能和耐磨性能,选择了Cu-N b奥-贝球铁,其热处理规范为:900℃×1.5h,240℃×5min,360℃×1h.行车试验寿命达8万公里后状况仍很好,原锻钢后曳钩行驶3.7～4.5万公里即磨损严重甚至造成断裂.用奥-贝球铁取代锻钢生产拖曳钩,每件可节约材料1/3左右,减重1kg.・管　理Management・铸造废品分析与制订对策的方法成都机车车辆厂(四川省成都市610051)　黎觉仪 摘要:分析了铸造废品的类型与产生特点,总结现场经验,将防止废品采取的对策归纳为四种方法:对症下药法;系统对策法;材料隔离法;小步骤法.通过实例,说明如何对废品情况进行宏观分析,并从方法论的角度对制订对策的思路进行了探讨.关键词:　铸造废品　铸件质量分析　对策Rejected Casting Analysis and thier Prevention MeasuresL i Jueyi(Cheng du L ocomo tiv e and R olling Sto ck W or ks) Abstract:In this paper the author analy zes the ty pe and feat ur es o f reject ed casting s,and sum up the ex peri-ence fr om site.T he author sugg ested four kinds o f method fo r avo id cast ing lo ssing.T hen by w ay of exam ples, the author descr ibes how to analyse the r ejected castings,it also discusses the measur es of avo id casting defects fr om the v iew of metho lo gy.Key words:　Cast ing r ejection　Q ualit y anlaysis of casting　M easures 铸造生产是一项系统性很强的生产工程,任何一道工序离开了节奏,某种原辅材料脱离了标准,都可能产生质量问题.由于影响废品的因素几乎是无限的,而我们掌握的现场实际情况及可能采取的手段却是有限的,分析与选择对策的时间必须紧张而及时.因此,本文对废品出现的几率及选择对策的方法进行了认真的分析.本文是资料[1]的继续与发展.从废品出现的几率来看,有两种性质完全不同的废品.一种是偶然性废品,一种是长期性废品.偶然性废品是由生产中偶发性原因造成的.例如,由于生产线临时发生故障造成停顿,工人注意力分散造成操作一次性失误.这些都不足为怪,暂时可不予理会.但是有些偶发性因素包含有某种必然,有些变化虽属偶然,却显示出警报信号,如金属化学成分暂时脱离标准,型砂性能的波动等,应密切观察,防止成为有一定倾向的:脱标F,由偶然性废品转化为惯性废品.长期性废品是由造型材料、炉料、模具、造型、熔炼等工艺设备方面的原因造成的.废品是成批性、阶段性的发生,往往是重复出现,在未采取有效措施前,废品不会自行消失,而是由其内在规律性的作用,继续发生,直至其根源被排除为止.从废品产生的原因及必须采取的手段来看有两种参考文献1　王怀林等.汽车工艺,1990(2),172　刘光华等.球铁,1991(2),63　郭戟荣等.汽车工艺,1990(5),304　申澎运等.现代铸铁,1989(3),195　沈百令等.兵器材料科学与工程,1993(3),49 6　王环林等.球铁,1989(3),67　徐　雍等.球铁,1990(2),78　徐　铮等.球铁,1991(1),79　谭宋勤等.河北机械,1991(2-3),4110　张金山等.山西机械,1992(4),1611　李子全等.甘肃工业大学学报,1993(3),2012　孙大谦.焊接学报,1994(2),13113　赵伯王番等.铸造,1992(8),1914　王立人等.球铁,1991(1),1115　范鹤立等.大连理工大学学报,1989(3),295 16　梅　志等.理化检验(物理分册),1992(1),8 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