熱處理對(duì)變質(zhì)處理鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響

石小紅,詹傳明

(宜昌測(cè)試技術(shù)研究所,湖北宜昌 443003)

熱處理對(duì)變質(zhì)處理鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響

石小紅,詹傳明

(宜昌測(cè)試技術(shù)研究所,湖北宜昌 443003)

在熔煉過(guò)程中對(duì)成分為1號(hào):3.2C-1.0Si-0.6Mn-1.5Cr-2.0Ni;2號(hào):3.2C-1.0Si-0.6Mn-1.5Cr-4.0Ni-0.7Mo的鑄鐵進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理,制備變質(zhì)鑄鐵試樣。對(duì)試樣進(jìn)行球化退火、淬火及回火處理。觀察試樣各種狀態(tài)的微觀組織,測(cè)定其宏觀硬度和抗拉力學(xué)性能。結(jié)果表明:變質(zhì)處理能顯著破壞碳化物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),得到彼此孤立的塊狀碳化物。在950℃淬火后變質(zhì)試樣,分別在300℃、430℃、630℃回火,結(jié)果顯示,隨著回火溫度的升高,馬氏體完全分解的數(shù)量增多,硬度逐步下降。球化處理后,組織中出現(xiàn)了大量球粒狀珠光體和滲碳體,硬度下降;兩種鑄鐵抗拉強(qiáng)度分別為880 MPa和1 050 MPa,伸長(zhǎng)率為2.8%、2.4%。

白口鑄鐵;變質(zhì)處理;淬火回火;球化退火

在通常鑄造條件下,普通白口鑄鐵中的碳化物(Fe3C)多以共晶萊氏體組織存在,呈粗大的網(wǎng)狀、塊狀形態(tài),這不利于隨后熱處理過(guò)程中碳化物的溶解和組織的析出,嚴(yán)重降低了鑄鐵的韌性。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,人們通過(guò)加入合金化元素或變質(zhì)劑[1～3]以及通過(guò)后續(xù)的熱處理[4]來(lái)改善其組織,從而達(dá)到降低熱處理的難度和成本,提高使用性能的目的。

目前,人們?cè)诟纳瓢卓阼T鐵組織和性能方面已進(jìn)行了一定的研究,如符寒光等[5,6]研究了稀土和堿土金屬對(duì)低鎢合金白口鑄鐵共晶碳化物球團(tuán)化的影響,王仲任[7]研究了Re-A1-Bi-Mg對(duì)高鉻白口鑄鐵進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng),Bedolla-Jacuinde等[8]研究了 Ti-RE-Bi對(duì)低鉻白口鑄鐵共晶凝固過(guò)程的作用,這些研究都表明復(fù)合變質(zhì)劑能顯著改善白口鑄鐵的組織和性能。

變質(zhì)處理可以細(xì)化碳化物,改變碳化物的分布、形態(tài)。廖敏等[9]在實(shí)驗(yàn)中對(duì)普通白口鑄鐵進(jìn)行了變質(zhì)處理,顯著打碎了粗大的網(wǎng)狀的滲碳體,他指出了復(fù)合變質(zhì)劑的作用機(jī)理:復(fù)合變質(zhì)劑的加入,尤其是稀土等低熔點(diǎn)元素的加入,提高了初生奧氏體的析出溫度和擴(kuò)大其結(jié)晶溫度區(qū)間,有利于初生奧氏體的形核。稀土對(duì)碳化物的變質(zhì)作用機(jī)制是:幾種碳化物相的亞顆粒依附于同核心的多維析出,并與核心所處的能量狀態(tài)有關(guān)。懸浮于熔池液相內(nèi)的高熔點(diǎn)稀土化合物質(zhì)點(diǎn)具有極高的表面能,而在其高能表面上若有新相析出,即可使其轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軤顟B(tài)。

本文主要研究討論不同熱處理工藝對(duì)低Cr變質(zhì)白口鑄鐵的組織和性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用純鐵、石墨、硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵、鎳鐵等作原料,配制成白口鑄鐵的化學(xué)成分列于表1。熔煉在中頻感應(yīng)電爐中進(jìn)行,熔煉溫度為 1 450～1 500℃。熔體經(jīng)扒渣,除氣后,采用包內(nèi)沖入法(或鐘罩壓入)將用鋁箔包裹的變質(zhì)劑加入。變質(zhì)劑為稀土鎂等組成的自制的復(fù)合變質(zhì)劑。變質(zhì)熔體靜置45 s后,用金屬模澆鑄成尺寸Φ10×20的圓棒。試樣先在箱式電阻爐內(nèi)900℃×5 h均勻化退火,后隨爐冷卻。然后接著950℃×5 h深度退火,后隨爐冷卻。退火后試樣在箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行熱處理:(1)淬火+中高溫回火工藝:淬火加熱溫度為900℃,保溫時(shí)間是1 h,空冷。試樣回火溫度分別是300℃、430℃、630℃,保溫時(shí)間均為1 h,空冷;(2)球化處理工藝:不完全奧氏體化+等溫球化:900℃×1 h爐冷至700℃保溫1 h后空冷。

球化處理后的試樣用線(xiàn)切割法加工成標(biāo)準(zhǔn)靜拉伸試樣,在Instron1195材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),拉伸速率為2 mm/min,然后測(cè)量其拉伸強(qiáng)度和延伸率。

表1 材料的化學(xué)成分 %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同回火溫度對(duì)變質(zhì)后鑄鐵組織和力學(xué)性能的影響

1號(hào)試驗(yàn)回火后的金相組織如圖1所示。圖1 (a)、(b)、(c)為1號(hào)試樣在950℃保溫1 h后淬火,然后在300℃、430℃、630℃回火后的組織。圖1 (d)為1號(hào)試樣在950℃保溫1 h后,爐冷到700℃保溫1 h,然后空冷后的顯微組織。1號(hào)試樣300℃回火后,組織由回火馬氏體(暗黑色粒狀)+殘余奧氏體+滲碳體組成。其中回火馬氏體應(yīng)該是由片狀馬氏體和分布在其上的細(xì)小的過(guò)渡碳化物組成。430℃回火后,過(guò)渡碳化物變?yōu)榧?xì)小的滲碳體,球粒狀。顏色較深者為α固溶體(鐵素體)和殘余奧氏體。同時(shí)可以看到,原來(lái)滲碳體的薄弱連接處斷裂,塊狀的滲碳體球化;630℃回火后,圖1b中的粒狀滲碳體反而變少,取而代之的是光鏡下不易分辨的珠光體,如圖1d中珠光體片層變厚,500倍下可以明顯分辨,同時(shí)還保留了少量的粒狀滲碳體,形成混合珠光體。

圖1 1號(hào)試樣回火后的金相組織(500倍)

2號(hào)試樣回火后的金相組織如圖2所示。圖2 (a)、(b)、(c)為2號(hào)試樣在950℃保溫1 h后淬火,然后在300℃、430℃、630℃回火后的組織。圖2 (d)為2號(hào)試樣在950℃保溫1 h后,爐冷到700℃保溫1 h,然后空冷后的顯微組織。如圖2(a),試樣在300℃回火后,組織由馬氏體(白的針狀物)+殘余奧氏體+殘余滲碳體組成,由于奧氏體化溫度較低,所以殘余滲碳體的含量較多,只是在一定程度上打斷了滲碳體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);430℃回火后,回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w(球粒狀滲碳體+α固溶體)。殘余馬氏體含量變少、細(xì)化。原來(lái)的滲碳體更加孤立成更小的塊狀。630℃回火后,圖2(b)中的細(xì)小針狀馬氏體基本上消失,只保留了較大塊的呈長(zhǎng)條狀的馬氏體組織。如圖2(d)圖中滲碳體相比于(a)、(b)、(c)分布要均習(xí),但是其尺寸卻有大有小。淬火后回火,組織的轉(zhuǎn)變過(guò)程包括:(1)馬氏體分解及碳化物的析出和長(zhǎng)大:淬火馬氏體是碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體。一旦加熱,馬氏體就會(huì)分解(析出過(guò)飽和的碳),碳偏聚繼而形成過(guò)渡碳化物;溫度足夠高時(shí),形成碳化物,馬氏體最終轉(zhuǎn)變成平衡態(tài)的鐵素體和碳化物,并引起碳化物的長(zhǎng)大和球化;(2)殘余奧氏體分解:溫度較高時(shí),殘余奧氏體分解為過(guò)飽和的α固溶體和碳化物,是回火馬氏體的一部分組成; (3)α固溶體基體的回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。

圖2 2號(hào)試樣回火后的金相組織(500倍)

2.2 不同回火溫度對(duì)變質(zhì)后鑄鐵硬度的影響

1號(hào)、2號(hào)試樣隨回火溫度的升高,硬度的變化趨勢(shì)如圖3所示。1號(hào)、2號(hào)試樣的硬度隨著回火溫度的升高而降低。這是因?yàn)榛鼗疬^(guò)程中,一直伴隨著馬氏體的分解。碳偏聚繼而形成過(guò)渡碳化物和滲碳體,馬氏體失去了原本的固溶強(qiáng)化作用。同時(shí)回火過(guò)程中有殘余奧氏體的分解,析出滲碳體,使硬度增高。但這種趨勢(shì)抵不過(guò)馬氏體分解對(duì)硬度降低的趨勢(shì)。同時(shí),2號(hào)試樣硬度下降沒(méi)有1號(hào)試樣那么明顯,結(jié)合組織分析可知:這是因?yàn)?號(hào)試樣在回火時(shí),馬氏體轉(zhuǎn)變速度比較慢,金相組織中可看到殘余的馬氏體。另一方面,在630℃回火時(shí),馬氏體分解完后,接著由于溫度過(guò)高,滲碳體的粗化和球化、鐵素體的回復(fù)和等軸化也引起硬度的進(jìn)一步降低。

2.3 球化處理工藝對(duì)變質(zhì)后鑄鐵組織和性能的影響

由圖1(d)的金相組織可看出,1號(hào)變質(zhì)后的鑄鐵變質(zhì)后的超高碳鋼經(jīng)過(guò)球化處理后,珠光體得到球化,原來(lái)的部分滲碳體也得到球化。

圖3 試樣硬度隨回火溫度的變化關(guān)系

球化退火之所以能獲得球粒狀珠光體,主要是由于:在加熱保溫、隨爐緩冷及稍低于Ar1的等溫停留過(guò)程中,珠光體的滲碳體片和網(wǎng)狀滲碳體片(特別是其中最薄弱的部分),會(huì)沿著亞晶界逐漸溶解,并斷裂成不規(guī)則形狀的點(diǎn)狀碳化物,然后為了降低界面能,這種點(diǎn)狀碳化物就逐漸球化。同時(shí),加熱過(guò)程中,未溶碳化物就會(huì)由片狀逐漸變?yōu)榍驙?而在隨后的慢冷或等溫保持中,不均勻奧氏體中的高碳處,會(huì)成為碳化物的形核位置,從而使一部分碳化物直接長(zhǎng)成球狀。另一部分仍以片狀成長(zhǎng)的碳化物則在隨后的慢冷或等溫過(guò)程中逐漸球化。第二相顆粒在基體中的溶解度與其曲率半徑有關(guān),曲率半徑越小的顆粒在基體中的溶解度越大。根據(jù)這一原理小顆粒會(huì)溶解,大顆粒會(huì)長(zhǎng)大。這一原理可以解釋片狀碳化物發(fā)生破解和變圓的過(guò)程。

由圖3可看出,1號(hào)變質(zhì)后鑄鐵球化處理后硬度均大幅降低。這是因?yàn)槠瑺钪楣怏w的硬度比球粒狀珠光體的硬度要高。在片狀珠光體中,片狀滲碳體將鐵素體分割開(kāi),從而能有效地阻止形變。因此,片狀的珠光體硬度較高,強(qiáng)度較高。圖3中顯示:2號(hào)變質(zhì)后鑄鐵在這種熱處理工藝下,硬度變大。這由金相照片中的組織可得到解釋。如圖2(d),球化滲碳體的含量比較少,出現(xiàn)了針狀物。這種針狀物可能是未發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體過(guò)冷至550℃至Ms點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。對(duì)1號(hào)和2號(hào)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),測(cè)得其拉伸強(qiáng)度分別是1 050 MPa,880 MPa;延伸率分別是2.4%,2.8%。

3 結(jié) 論

1.采用自制的復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)普通鑄鐵進(jìn)行變質(zhì)處理,能顯著破壞碳化物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使碳化物更加孤立,得到破碎的塊狀碳化物。

2.試樣在950℃淬火后,分別在300℃、430℃、630℃回火,隨著回火溫度的升高,硬度逐漸減小。

3.試樣在950℃保溫1 h爐冷至700℃保溫1 h后空冷,這樣球化處理后得到球粒狀的珠光體和滲碳體,硬度比淬火+回火工藝后低很多。

4.因試樣含碳量很高,球化處理的溫度太低不足以使?jié)B碳體完全溶入奧氏體,進(jìn)而冷卻時(shí)不能完全球化。因此,試樣球化處理后伸長(zhǎng)率很低,塑性不好。

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The Effects of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Modified Cast Iron

SHI Xiao-hong,ZHAN Chuan-ming
(Testing Technology Institute of Yichang,Yichang443003,China)

The modified cast iron specimens were prepared by bringing the multi-modification into the melt during melt-casting process.Alloy 1:3.2C-1.0Si-0.6Mn-1.5Cr-2.0Ni;Alloy 2:3.2C-1.0Si-0.6Mn-1.5Cr-4.0Ni-0.7Mo.The specimens are annealed.The optical images shows that the lattice structure of carbides were broken and the carbides became isolated after modification.The specimens were quenched at 950℃,then tempered alternatively at 300℃,430℃,630℃,the optical images shows that the martensite decreased and the hard-ness decreased with the increase of temperature.A spheroidizing technology was applied to the specimens.There is some spherical pearlite and cementites appeared,and the hardness is lower than the tempered specimens.The tensile strength of the modified cast iron 1 and 2 are 880 MPa and 1 050 MPa respectively,while the elongation is poor,2.8%and 2.4%.The probable reason is that the temperature of spheroidizing anneal is low that there are still unspherical cementites.

white cast iron;modification;tempering;spheroidization anneal

TG143

A

1003-5540(2010)06-0034-05

石小紅(1966-),女,高級(jí)工程師,主要從事高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料研究工作。

2010-09-12