等溫淬火球墨鑄鐵表面熱處理工藝的研究_圖文

1、 收稿日期 :2005-09-01收到初稿 , 2005-10-07收到修訂稿。作者簡介 :劉海明 (1980- , 男 , 河北省獻縣人 , 研究生 , 研究方向為新材料及材料加工工藝 ;通訊作者 :祖方遒教授 , E-mail:fangqiuzu等溫淬火球墨鑄鐵表面熱處理工藝的研究劉海明 , 祖方遒 , 余 瑾 , 趙 飛 , 孟慶一 , 孫其強 , 王 強(合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院 , 安徽合肥 230009摘要 :等溫淬火球墨鑄鐵 (ADI 具有多方面優(yōu)越的性能特點 , 然而 , 單純的等溫淬火難以同時具有高強度、高硬度及高的韌性與塑性。為了進一步擴大 ADI 的應用范圍 , 采

2、用不同的表面高頻淬火工藝考察了 ADI 表面熱處理的可行性 , 并著重探討了不同表面處理工藝對 ADI 表層組織及硬度的影響規(guī)律。研究表明 , 對 ADI 采用二步法表面熱處理可以得 到理想的效果。關鍵詞 :等溫淬火球墨鑄鐵 ; 表面熱處理 ; 表層組織 ; 表面硬度中圖分類號 :TG164.2文獻標識碼 :A 文章編號 :1001-4977(2006 02-0128-04The Investigation on Surface Heat Treatment Process of ADILIU Hai-ming, ZU Fang-qiu, YU Jin, ZHAO Fei, MENG Qing

3、-yi, SUN Qi-qiang, WANG Qiang(College of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology,Hefei 230009, Anhui, ChinaAbstract :Austempered ductile iron (ADIhas many exceptional properties. However, by single austempering process, it is hard to acquire the property that combines high

4、hardness, high strength with high toughness and high plasticity. In order to enlarge the applied range of ADI, we explored the feasibility of surface heat treatment by two different processes of high-frequency quenching for ADI. Especially, we discussed the effects of different surface heat treatmen

5、ts on the surface microstructure and hardness of ADI. It shows that the property is considerably improved by two-step high-frequency quenching process.Key words:ADI; surface heat treatment; microstructure of surface; surface hardness 等溫淬火球墨鑄鐵 (ADI 是 近年來國內外 一 直關注和不斷深入研究的一種應用面很廣的新型材料 1。 其具有優(yōu)異的力學性能 , 如

6、高的韌性、拉伸強度、硬 度、斷裂韌性、疲勞強度等 , 優(yōu)于鋼的耐磨性和減震 降噪性能 2-5。隨著現(xiàn)代工業(yè)競爭的不斷激烈 , 高性能 低成本的材料正是所追求的目 標 , ADI 可以很好地滿 足要求 , 并且在許多領域 中得到應用。比如 , 以 ADI 代替鍛鋼及鑄鋼生產(chǎn)汽車零部件 , 可減重 10%30%, 降低相對成本 15%30%, 從源頭上大幅度降低汽車噪 音 , 并可以降低能耗、減輕廢氣排放、提高驅動比。然而 , 球墨鑄鐵單純采用等溫淬火工藝難以同時 獲得高強度、高硬度及高的韌性與塑性。對于希望高 強度、高韌性并兼具高的耐磨性的應用場合就不能滿 足要求 , 比如汽車變速箱中硬質齒輪、

7、二軸凸元 , 要 求表面硬度達 HRC55以上 , 同時基體也要求很高的韌 性和強度。如果在高韌性 及塑性 ADI 的基礎上 , 采用 適當?shù)暮罄m(xù)表面熱 處理工藝 , 在 保 持 內 部 基 體 強 度 、 塑性及韌性不變的同時大幅提高表面硬度 , 則無疑能 夠進一步擴大 ADI 的應用范圍 , 充分發(fā)揮 ADI 降噪音、降重量、低成本的巨大優(yōu)勢。由于 ADI 的基體組織為奧 -鐵體 , 與傳統(tǒng)球鐵的 基體截然不同 , 其表面熱處理過程的組織轉變規(guī)律及 相應工藝與傳統(tǒng)球鐵相比也必然有所不同。本文采用 不同的表面高頻淬火工藝探索了 ADI 表面 熱處理的可 行性 , 對所可能產(chǎn)生的缺陷進行了研究

8、分析 , 并著重 探討不同表面處理工藝對 ADI 組織及硬度的影響規(guī)律。 研究表明 , 對 ADI 采用二步法表面熱 處理可以得到理 想的效果。試驗材料為本溪生鐵、純銅、純鎳、鉬鐵 , 材質成 分 (質 量 分 數(shù) , % :3.53.7C 、 2.02.7Si 、 <0.3Mn 、 0.150.3Mo 、 0.51.0Cu 、 1.31.6Ni ; 在 此 范 圍內通過成分優(yōu)化 6取定值 (3.6%C , 2.5%Si , 0.2%Mn , 0.2%Mo , 0.8%Cu , 1.5Ni。采用感應電爐熔煉 , 球化 劑為稀土鎂硅合金 (3%RE-10%Mg-44%Si, 球化處理 采用

9、沖入法 , 孕育劑采用 75SiFe , 進行澆包瞬時孕育。 采用砂型鑄造獲得試樣。鑄態(tài)微觀結構如圖 1所示。試樣尺寸為 10mm ×10mm ×55mm , 奧氏體化在電 阻爐中進行 , 奧氏體化溫度為 900 , 保溫時間為 1h 。1試驗內容與方法Feb. 2006Vol.55No.2鑄造FOUNDRY128 等溫淬火在 鹽 浴 爐 內 進 行 , 等 溫 淬 火 溫 度 分 別 為 340 、 355 、 370 , 保 溫 時 間 分 別 為 60、 90、 120、 150、 180、 210min 等 , 淬 火 介 質 為 50%NaNO 3+50%KNO

10、3混合鹽。經(jīng)過等溫淬火熱處理后再對試樣進行高頻感應淬 火 , 對其進行表面強化。高頻淬火在高頻感應設備中進行 , 加熱至 860 , 分別采 用兩種不同的高頻淬 火 工藝 :一種是一次高頻淬火工藝 , 通過快速加熱奧氏 體化同時進行水淬 ; 第二種為二步高頻淬火工藝 , 先 快速加熱后空冷得到珠光體組織 , 然后再進行快速加 熱奧氏體化 , 同時進行水淬。在相同的熱處理工藝條件下 , 所得試驗數(shù)據(jù)取三個試樣的平均值。2.1等溫淬火后的組織 、 硬度變化圖 2是在 340 等溫淬火轉變過程中的組織。圖中黑色球狀為石墨 , 黑色針狀組織為鐵素體 , 白色為殘 余奧氏體。從圖中可以看到在保溫時間很短

11、時 , 組織 中奧氏體含量比較少 , 隨著時間的延長殘余奧氏體的 含 量 逐 漸 增 大 , 到 達 120min 時 達 到 最 多 , 在 保 溫 到210min 時殘余奧氏體含量有所降低。圖 1球鐵鑄態(tài)組織 (酒精腐蝕 Fig.1Microstructure of the ductile iron in as-cast state(a 50×(b 200×2試驗結果與分析圖 2340 下金相組織Fig.2Microstructure after austempering at 340(a 60min (b 80min (c 100min(d 120min(e 210m

12、in 圖 3的奧氏體等溫轉變過程表示了圖 2的組織變化 規(guī)律 , 其橫坐標為等溫淬火保溫時間 , 縱坐標為相組 成 , 圖中 A 為奧氏體 , F 為鐵素體 , M 為馬氏體 , e 為碳 化物。可以看出在等溫淬火保溫 120min 前奧氏體轉變 不完全 , 組織中含有奧氏體、鐵素體和馬氏體。隨著 等溫淬火保溫時間的延長 , 組織轉變繼續(xù)進行 , 鐵素 體和殘余奧氏體的含量逐漸增多 , 馬氏體的含量降低。 當殘余奧氏體含量達到最大時表明等溫轉變第一階段 完畢 , 并且在隨后的保溫時間內殘余奧氏體含量基本 不變。再繼續(xù)保溫則進入第二階段如圖 3中 所示 , 殘 余奧氏體開始分解 , 生成鐵素體和

13、碳化物 , 使殘余奧 氏體的含量降低 , 直到組織比較穩(wěn)定。這樣就會在轉變過程中出現(xiàn)材料的力學性能的變化3-4。圖 3奧氏體等溫轉變過程示意圖Fig.3Schematic diagram of phase transformation in the matrixduring austempering鑄造劉海明等 :等溫淬火球墨鑄鐵表面熱處理工藝的研究129 圖 4所示是等溫淬火保溫溫度為 340 、 370 的 保溫時間對硬度的影響 , 可以看出硬度隨保溫時間延 長而下降 , 然后達到最低值 , 此時為第一階段轉變結 束。隨保溫時間的繼續(xù)延長 , 硬度轉而增加。這是由 于殘余奧氏體分 解成鐵素

14、體和 碳 化 物 使 得 硬 度 提 高 。 等溫淬火溫度 340 時最低硬度為 40.4HRC 、 370 時 的最低硬度為 34.3HRC , 隨等淬溫度降低硬度提高。2.2一次高頻加熱淬火工藝僅僅依靠等溫淬火熱 處理 , ADI 的硬度可以達到很高 , 如圖 4所示在 340 時的硬度可以達到 40HRC 以 上 , 并 且 隨 著 等 溫 淬 火 溫 度 的 降 低 硬 度 可 以 達 到 更 高 7。當 ADI 的硬度很高時塑性和韌性都會大大降低 , 將不能得到高強度和強韌性的綜合性能。若對 ADI 工 件進行表面強化熱處理 (如采用高頻感應淬火 , 即對 試樣快速感應加熱同時進行水

15、冷 , 使其表面形成一層 馬氏體組織 , 在不影響內部韌性的情況下大大提高表 面硬度 , 那么就可以在一些高沖擊、高硬度、高耐磨 性的工況條件下得到推廣應用。圖 5是等溫淬火和等淬后又經(jīng)一次高頻感應淬火后 的硬度對比 , 可以看出在經(jīng)過高頻感應淬火后硬度顯 著提高 , 達到 55HRC 以上。 340 、 370 等淬加一次 高頻淬火所得到的硬度變化趨勢和只經(jīng)等淬的硬度變 化趨勢相同 , 轉折點基本相同。說明原始組織對一次 高頻淬火有很大影響。由于在等溫淬火后基體的組織、 晶粒大小有所差異 , 所以在經(jīng)過一次高頻淬火后所得 到的組織不同 , 硬度也不同。圖 6是 370 等淬加一次高頻淬火的金

16、相組織 , 圖6a 是試樣表面區(qū)組織 , 由較細小的馬氏體和球狀石墨組成 ; 圖 6b 是中間過渡區(qū)組織 , 由石墨、針狀馬氏體和片 狀混合組成 ; 圖 6c 是中心區(qū)組織。因此形成了表面區(qū)硬 度高中心區(qū)韌性好的特點 , 具有良好的綜合性能。但是 ADI 基體的鐵素體含 量很高 , 在一次高頻淬 火的瞬時加熱過程中 , 部分基體增碳來不及進行 , 因 而在快冷后得不到均勻的淬火組織 , 容易在局部出現(xiàn) 軟點 , 為了克服這一弊端 , 可采用二步高頻淬火工藝。圖 4等溫熱處理后的硬度Fig.4The hardness of ADI austempered at different austemp

17、ering temperature(a 340(b 370圖 5等溫熱處理與一次高頻淬火后硬度的對比Fig.5The comparison of hardness by different austempering and single high-frequency quenching processes at different austempering temperature(a 340(b 370圖 6一次高頻感應淬火工藝的金相組織Fig.6Microstructure of ADI quenched by single high-frenquency quenching process

18、(a 表面組織(b 中間過渡組織 (c 基體組織2.3二步高頻感應加熱淬火工藝二步法高頻感應淬火工藝是在感應加熱后先空冷至室溫 , 使表面硬化層生成珠光體組織 , 然后再一次 快速加熱至奧氏體化溫度 , 這樣就可以在此次感應加 熱過程中容易實現(xiàn)快速奧氏體化和增碳 , 同時快速水 冷。經(jīng)過這種工藝處理后的 ADI 就可以獲得比 較好的 微觀組織和力學性能。圖 7為等淬后分別經(jīng)過一次和二次高頻淬火后的硬 度對比 , 兩種工藝達到的表面硬度 5663HRC 。結果顯 示不同等淬溫度下的試樣經(jīng)二步高頻淬火后 , 表面硬度 可提高 2025HRC , 均比一次高頻淬火高 , 這是由于經(jīng) 過了一次空冷的正

19、火 , 組織得到細化。并且在第二步的 快速感應加熱中組織中的奧氏體較易增碳 , 含碳量較高 的奧氏體水冷后馬氏體組織細化、均勻 , 見圖 8。FOUNDRY Feb. 2006Vol.55No.2130 圖 7兩種高頻感應淬火工藝后的硬度比較Fig.7Comparison of two high-frequency quenching processes after different austempering temperature on hardness(a 340(b 355(c 370圖 8兩種高頻淬火工藝的微觀組織比較Fig.8Microstructure of ADI after

20、high-frequency quenching processes(a 一次高頻淬火(b 二步高頻淬火雖然經(jīng)兩種工藝處理后的硬度相差不大 , 但兩種 感應淬火工藝下所得到的金相組織明顯不同 , 如圖 8所 示。在二步高頻淬火工藝下 , 由于進行了反復兩次高 頻感應加熱后淬火 , 所得到的淬硬層較厚 , 硬度較高 , 表面組織細小致密。試驗表明 , 在兩種高頻淬火工藝所采用的加熱溫 度 860880 之 間 , 均 沒 有 產(chǎn) 生 淬 裂 、 過 燒 等 缺 陷 。 從 金 相 組 織 和 硬 度 說 明 二 步 高 頻 淬 火 工 藝 可 以 獲 得ADI 表面強化的預期效果 , 優(yōu)于一次感

21、應淬火。(1 在不同等溫淬火溫度下 , 通過將等溫時間增加至某一溫度時 , 硬度會降低到最低點 , 而后隨著時 間的延長有碳化物析出而有所上升。相比高溫而言在 低溫下的等溫淬火組織較細 , 可獲得較高的硬度。(2 表面高頻淬火對表層以下本體的基體組織不 產(chǎn) 生 改 變 , 卻 顯 著 提 高 表 面 硬 度 , 可 以 達 到 5560HRC 。原有等溫處理工 藝得到的 ADI 原始組織對 表面高頻淬火效果有一定影響。(3 二步法表面高頻淬火熱處理工藝容易實現(xiàn)在 短時間內奧氏體化及碳的均勻擴散 , 可以有效地獲得 高的表面硬度和細化及均勻的淬火組織。相比于單次 高頻淬火工藝 , 二步法表面熱處理工藝可以得到較厚的淬硬層 , 獲得更高的硬度 (最高達到 62.1HRC , 有 利于獲得高耐磨性。表面高頻淬火沒有產(chǎn)生淬裂及其 他缺陷 , 表明對 ADI 采取表面熱處理是可行的。3結論(編輯 :張允華 , zyh 1234567參考文獻 :范志康 , Harding R A. 發(fā)達國家奧貝球鐵的研究與進展 J. 鑄造技術 , 1994(3 :37-42劉金城 , 孫國雄 . 國外 ADI 的最新進展 J. 現(xiàn)代鑄鐵 , 2003(3:1-5Lin C K , Hung T P. Influence of