高強(qiáng)度鑄鐵鍛造毛坯研究＊

于智宏，李承斌

（河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校 材料工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

球墨鑄鐵的成本低，并且具有高減振和減摩性能，在很多情況下能代替成本較高的鋼產(chǎn)品［1－3］。通過(guò)鑄造的方法制造的高強(qiáng)度球墨鑄鐵復(fù)雜制件相對(duì)較少，可通過(guò)改變成型工藝，采用塑性成形，來(lái)提高使用性能。具體可以通過(guò)在熔煉時(shí)調(diào)整化學(xué)成分，選擇合適的熱處理工藝，高溫塑性變形，來(lái)大大提高塑性，甚至能出現(xiàn)超塑性能［4－5］。

我們研究了變形的溫度和速度對(duì)球墨鑄鐵的組織和塑性的影響，并對(duì)球鐵類(lèi)材料的齒輪零件的鍛造基本過(guò)程進(jìn)行了研究。

1 材料的成分

由連續(xù)鑄造得到直徑為50～180mm 的球墨鑄鐵毛坯，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 球墨鑄鐵的化學(xué)成分（%）

2 鐓粗試驗(yàn)和結(jié)果

為了得到球墨鑄鐵最好的溫度—速度變形條件，我們采用等溫（700～950℃）變形，在液壓機(jī)上用試樣做鐓粗試驗(yàn)，試驗(yàn)的變形速率為10－3米／秒，變形程度為50%～70%，球鐵屈服強(qiáng)度和變形程度在不同溫度下的試驗(yàn)結(jié)果，在圖1 中列出。由圖1可看出，隨著溫度的增加，屈服強(qiáng)度降低。

在原始鑄件的基體內(nèi)，金屬基體為珠光體和鐵素體。球狀石墨夾雜物（約占總體積的10%）平均粒徑約為40μm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約15%（如圖2a）。同時(shí)在邊緣出現(xiàn)樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)，在中心出現(xiàn)了縮孔。

試樣在750～800℃（Ac1＝805℃）溫度下變形，發(fā)生了再結(jié)晶，形成了小晶粒（7～15μm）組織，它由鐵素體和珠光體組成。再結(jié)晶部分體積約占60%～70%。（如圖2b所示）。在變形時(shí)珠光體的量減少到20%左右，石墨夾雜物的形狀也發(fā)生了變化，球狀石墨的平均尺寸約40μm，沿變形方向拉長(zhǎng)100～200μm，橫向斷面尺寸減小到2～5μm珠光體尺寸約為15～20μm。

1 高強(qiáng)度球墨鑄鐵溫度－速度與屈服強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 球鐵的金相組織

3 熱處理

為了改變球墨鑄鐵的組織，在變形前需進(jìn)行反復(fù)的熱處理，其規(guī)范為：加熱到650 ℃，保溫30分鐘，然后移到250℃的爐內(nèi)，保溫30分鐘。再回到爐溫為650℃的爐內(nèi)保溫30分鐘，這樣反復(fù)進(jìn)行5次，最后在空氣中冷卻。多次反復(fù)熱處理減少珠光體含量，增大了鐵素體含量，石墨夾雜物的形狀和尺寸并未改變。由于鐵素體的產(chǎn)生，塑性提高了20%，變形抗力降低了15%～20%。為了得到均勻細(xì)小組織的球鐵（晶粒直徑d＝8μm），在預(yù)備循環(huán)熱處理后，要在750～800℃，以10－2～10－3米／秒的變形速度，進(jìn)行多次熱變形，而總的變形程度不超過(guò)70%。由鐓粗試驗(yàn)表明，在溫度750～800℃，變形速度為2×10－4～10－3米／秒，變形速度的敏感系數(shù)m 為0.37～0.46，這和金屬超塑狀態(tài)一致，極限延伸率為80%－100%，而流動(dòng)阻力為30～40Mpa，晶粒尺寸增加到12μm，并保持了組織的均勻性，如圖3。因此，可以認(rèn)為，在一定的溫度—速度條件下變形，球墨鑄鐵會(huì)表現(xiàn)出超塑狀態(tài)，會(huì)形成細(xì)小晶粒組織。

圖3 球鐵在100%超塑變形（730℃，速度＝5.3×10－4 m／s）的金相組織

4 鍛造和性能

我們用上述處理的棒料，采用不同的變形溫度（T變）模鍛出油馬達(dá)齒輪和汽車(chē)前橋、后橋齒輪毛坯，模鍛毛坯的金相組織，如圖4所示，它由層距為0.5～1μm 的片狀珠光體和層距為0.3～0.4μm 的索氏體及層距為0.2μm 的托氏體組成。對(duì)比可以看出樹(shù)枝狀組織消失，氣孔、裂紋被鍛合，內(nèi)部缺陷沒(méi)有出現(xiàn)在變形大的區(qū)域內(nèi)，石墨顆粒沿材料流動(dòng)方向被拉長(zhǎng)。經(jīng)試驗(yàn)和測(cè)試，不同熱處理規(guī)范和變形溫度，得到不同的力學(xué)性能，如表2所述。

圖4 模鍛毛坯的金相組織

表2 試件力學(xué)性能表

5 結(jié)語(yǔ)

1）球墨鑄鐵經(jīng)一定規(guī)范的熱處理后，可由脆性材質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌懿馁|(zhì)，完全可以進(jìn)行塑性成形。

2）球墨鑄鐵經(jīng)塑性成形后。組織由珠光體、鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的索氏體和托氏體。分布均勻，組織致密，消除了氣孔裂紋等缺陷，提高了力學(xué)性能。

3）對(duì)球墨鑄鐵采用不同的預(yù)備熱處理工藝和不同的塑性變形溫度可得到不同的力學(xué)性能。

［1］Francis Hanejko.粉末冶金齒輪材料進(jìn)展［J］.粉末冶金工業(yè)，2010，（6）：40－46.

［2］解生冕，葉廷東，鐘日鋒.用球墨鑄鐵代替合金模具鋼制造軋輥套［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2004，（3）：42－43.

［3］汪文高，彭崇信，倪平光.球鐵大齒輪毛坯的無(wú)冒口鑄造［J］.熱加工工藝，1993，（1）：48.

［4］劉貫軍.奧貝球鐵齒輪的金屬型鑄造［J］.熱加工工藝，2000，（2）：47－49.

［5］貴傳霞，張鵬，胡元軍.高強(qiáng)度球墨鑄鐵活塞環(huán)的鑄造工藝方法綜述［J］.內(nèi)燃機(jī)與配件，2011，（12）：16－19.