贝氏体球铁

贝氏体球铁的研究现状与展望

时间:2008-10-07

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[7]。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