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什么是貝氏體球墨鑄鐵？
發(fā)布時(shí)間：2025-01-03
貝氏體球墨鑄鐵，由于具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，被譽(yù)為近30年來(lái)鑄鐵冶金方面的重大成就之一，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)部門。本文綜合介紹貝氏體球鐵的研究和發(fā)展概況及其主要生產(chǎn)方法，旨在推動(dòng)我國(guó)貝氏體球鐵的研究和應(yīng)用。
1 貝氏體球鐵的產(chǎn)生、發(fā)展與應(yīng)用
貝氏體球鐵主要分為兩大類：一類是以?shī)W氏體＋貝氏體為基體組織的貝氏體球鐵，稱為奧貝球鐵(Austempered Ductile Iron)，簡(jiǎn)稱ADI。這種材料具有較高的強(qiáng)度高同時(shí)具有一定的耐磨性。另一類是以貝氏體＋少量碳化物為基體組織的貝氏體球鐵，稱為貝氏體球鐵(Bainite Ductile Iron)，簡(jiǎn)稱BDI。這種材料具有很好的耐磨性，同時(shí)具有一定的強(qiáng)度和韌性。
1949年W.W.Braidwood就曾預(yù)言，針狀組織(貝氏體)鑄鐵可能是機(jī)械性能最好的鑄鐵。隨后，美國(guó)國(guó)際收割機(jī)公司于1952年曾用這種球鐵代替鑄造高錳鋼生產(chǎn)軍用履帶。但在此后的20年間，由于這種材料的需要有限，在工業(yè)生產(chǎn)中很少應(yīng)用，致使它的發(fā)展基本上處于停滯狀態(tài)。直至60年代末70年代初，國(guó)際上才重新開始這種材料的研究，1977年M.Johansson宣布芬蘭Kymi-kymmene公司所屬的Karkkila鑄造廠開發(fā)了一種使用性能優(yōu)異的新型球鐵，即奧氏體－貝氏體球墨鑄鐵，并在美、英、法、加等13個(gè)國(guó)家申請(qǐng)了專利。這一報(bào)導(dǎo)引起了廣泛重視，各國(guó)從不同角度進(jìn)行了規(guī)模巨大的研究工作。目前生產(chǎn)貝氏體球鐵的方法已由過(guò)去的等溫淬火單一方法發(fā)展到連續(xù)冷卻淬火和合金化鑄態(tài)等多種方法。
我國(guó)是最早研究和應(yīng)用貝氏體球鐵的國(guó)家之一，一些高等院校和科研單位相繼研制成功這種新材質(zhì)并將其應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。貝氏體球鐵優(yōu)異的綜合力學(xué)性使其具有非常廣泛的用途，如用在耐磨、耐沖擊、高強(qiáng)度、高韌性和耐疲勞的場(chǎng)合。在大齒輪方面，貝氏體球鐵甚至可以完全代替滲碳鋼，在某些條件下比滲碳鋼作用更好。在震動(dòng)和沖擊的情況下，貝氏體球鐵的減震、阻礙裂紋擴(kuò)展能力使?jié)B碳鋼無(wú)法比擬。此外，在潤(rùn)滑困難或無(wú)潤(rùn)滑的惡劣條件下，貝氏體球鐵的自潤(rùn)滑能力也表現(xiàn)出特殊的優(yōu)越性。
含有一定數(shù)量奧氏體的奧貝球鐵很適合應(yīng)用于機(jī)車車輪、碾輪、滑塊等場(chǎng)合，在這些場(chǎng)合中加工硬化大大提高了工件硬度，同時(shí)提高了耐磨性。不同于表面硬化處理的鋼件，奧貝球鐵始終維持著硬的表面層，而表層下面仍保持著原有的韌性。
由于高強(qiáng)度、高韌性和良好的低溫沖擊性能，奧貝球鐵還適用于曲軸、凸輪軸、鏈輪以及大型柴油機(jī)的卡盤扳手等。還能滿足破碎機(jī)、推土機(jī)、挖掘機(jī)和農(nóng)業(yè)機(jī)械等易磨損部位提出的抗磨損、抗沖擊和抗疲勞的要求。此外，奧貝球鐵還在模具、活塞環(huán)、軋鋼機(jī)導(dǎo)軌、起重臂、水泵等方面得到了應(yīng)用。
含有一定數(shù)量碳化物的貝氏體球鐵作為礦山球磨機(jī)磨球材料已經(jīng)得到普遍認(rèn)可，這種材料不僅由于具有一定的抗沖擊能力而避免了碎球，同時(shí)由于具有一定的耐腐蝕性能具有比高鉻鑄鐵更好的抗腐蝕耐磨性。此外，這種材料還適于生產(chǎn)濕磨條件下的抗磨鑄件，如泥漿泵等。
2 貝氏體球鐵的化學(xué)成分
為了獲得貝氏體組織，通常需要加入Mn、Mo、Ni、Cu、B等影響著球鐵C曲線的合金元素。碳具有穩(wěn)定奧氏體，延緩貝氏體轉(zhuǎn)變，改變上貝氏體的下限溫度，并對(duì)殘留奧氏體的穩(wěn)定性有決定性的影響。而殘留奧氏體的數(shù)量和含碳量對(duì)拉伸強(qiáng)度、韌性、加工硬化速度、抗應(yīng)變馬氏體轉(zhuǎn)變的能力和低溫組織的穩(wěn)定性有著重要的影響。此外，碳是石墨形成元素，高的含碳量可阻礙滲碳體的析出。硅能降低碳在奧氏體中的溶解度，降低過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，加速相變，因而縮短珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變的孕育期。硅還提高共析轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大共析轉(zhuǎn)變溫度范圍。此外，硅還是石墨化形成元素，不僅能抑制貝氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中碳化物的析出，而且能細(xì)化石墨球，增加鐵素體量，促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變形成細(xì)針狀貝氏體，從而提高球鐵的機(jī)械性能。但是，若硅的含量過(guò)高，則韌性急劇下降。錳擴(kuò)大γ區(qū)，強(qiáng)烈降低共析轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，提高奧氏體的穩(wěn)定性，
使C曲線右移，顯著提高淬透性。錳還使高溫相變區(qū)和中溫相變區(qū)分離，并使上、下貝氏體相變區(qū)明顯分開。但錳是結(jié)晶正偏析元素，容易富集在共晶團(tuán)邊界，不完全淬火后，在該處形成馬氏體、奧氏體和碳化物的混合組織，顯著降低塑性和韌性，強(qiáng)度也有所下降。研究指明，通過(guò)適當(dāng)增加硅量、強(qiáng)化孕育等措施可使含錳量0.6～0.8%的球鐵獲得較理想的貝氏體組織和性能。
鉬是生產(chǎn)貝氏體球鐵最常用的合金元素。鉬是碳化物形成元素，偏析程度比錳更強(qiáng)烈，更容易產(chǎn)生共晶碳化物，而且這種碳化物非常穩(wěn)定。因此，鉬也降低球鐵的強(qiáng)度和塑韌性。但鉬的最大優(yōu)點(diǎn)是良好的淬透性，強(qiáng)烈抑制珠光體轉(zhuǎn)變而對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的影響微不足道。
鎳和銅都擴(kuò)大γ區(qū)，形成固溶體，阻礙奧氏體分解，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度，還能在等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程中抑制貝氏體中碳化物的形成，顯著地提高奧－貝球鐵的塑性和韌性，并且鎳提高淬透性和斷面均勻性。所以，鉬常和鎳、銅一起使用且能獲得理想的效果。
在實(shí)際生產(chǎn)中，合金成分的選擇主要從三個(gè)方面考慮：工件的組織性能，例如，生產(chǎn)以?shī)W氏體＋貝氏體組織的高強(qiáng)度、高韌性?shī)W貝球鐵，應(yīng)加入較高的Ni、Cu等穩(wěn)定奧氏體、抑制碳化物形成的元素；生產(chǎn)以貝氏體＋少量碳化物組織為主的高耐磨性貝氏體球鐵，應(yīng)加入較多的Mo、Mn等提高淬透性的元素。生產(chǎn)工藝，等溫淬火奧－貝球鐵可少加合金元素，以降低成本；而連續(xù)冷卻淬火，特別是鑄態(tài)貝氏體球鐵是在連續(xù)冷卻條件下發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，所以應(yīng)多加有利于提高淬透性的元素。工件的壁厚，合金元素的加入量應(yīng)隨壁厚的增大而增加。
3 貝氏體球鐵的生產(chǎn)工藝、組織與性能
目前貝氏體球鐵的生產(chǎn)工藝有主要有等溫淬火、連續(xù)冷卻淬火和鑄態(tài)合金化等。
1.等溫淬火工藝
等溫淬火工藝最初主要用于鑄鋼件生產(chǎn)，后來(lái)才用于球鐵的生產(chǎn)上。這種工藝的突出優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)變過(guò)程容易控制；避免了從奧氏體溫度迅速冷卻至室溫可能產(chǎn)生的應(yīng)力、畸變和脆裂現(xiàn)象，生產(chǎn)穩(wěn)定。球鐵與鋼相比，因?yàn)樗休^高的碳和硅，基體上分布著大量的石墨，所以球鐵的貝氏體轉(zhuǎn)變有自己的特點(diǎn)：可以通過(guò)控制奧氏體化溫度來(lái)調(diào)整奧氏體含碳量；球鐵等溫淬火貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)鐵素體板條的生核長(zhǎng)大無(wú)滲碳體伴隨，貝氏體型鐵素體不斷析出時(shí)碳向奧氏體擴(kuò)散導(dǎo)致奧氏體富碳；富碳奧氏體一定條件下可在室溫下穩(wěn)定存在。最終得到基體為奧氏體－貝氏體混合組織的球墨鑄鐵。
貝氏體球鐵中晶粒大小，奧氏體含量的多少、穩(wěn)定與否以及在一定條件下是否有碳化物析出等均影響其性能。若組織只是由鐵素體和奧氏體細(xì)小共晶團(tuán)形成的雙重組織而沒(méi)有其它脆性相組成時(shí)，則可獲得最佳的強(qiáng)度和韌性的綜合性能�；瘜W(xué)成分一定時(shí)，則等溫淬火貝氏體球鐵的組織主要取決于三個(gè)因素：等溫轉(zhuǎn)變溫度；在等溫轉(zhuǎn)變區(qū)域保溫的時(shí)間；轉(zhuǎn)變開始時(shí)的奧氏體狀態(tài)，這取決于奧氏體化溫度和等溫轉(zhuǎn)變前的冷卻條件。這就是說(shuō)，貝氏體球鐵的組織取決于奧氏體含碳量和其它元素含量、偏析、晶粒大小以及由奧氏體化溫度冷卻至等溫轉(zhuǎn)變時(shí)的過(guò)程。下面分別討論這三個(gè)因素。
（1）奧氏體化溫度與時(shí)間
奧氏體化溫度越高，則奧氏體含碳量越高。如果奧氏體化溫度太低或時(shí)間太短，碳化物不能完全溶解，奧氏體含碳量偏低，經(jīng)等溫淬火后冷卻至室溫容易轉(zhuǎn)變成馬氏體。這樣將得到強(qiáng)度、硬度高，而塑性、韌性和抗拉強(qiáng)度低的組織。如果奧氏體化溫度太高或時(shí)間太長(zhǎng)，則導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大，延緩等溫轉(zhuǎn)變開始，促進(jìn)二次碳化物的形成。綜合考慮這兩方面的因素，通常奧氏體化溫度選擇在930℃左右。
（2）等溫轉(zhuǎn)變溫度
隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低，針狀鐵素體量減少，組織細(xì)化，抗拉、屈服強(qiáng)度以及硬度均逐漸提高。當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度在350～470℃時(shí)，則首先析出針狀的過(guò)飽和鐵素體，鐵素體中不能再溶解的碳則富集在奧氏體中，這是因?yàn)檩^高的含硅量抑制了碳化物的析出。這時(shí)組織中奧氏體的含碳量可高達(dá)2％，延伸率達(dá)最高值，相應(yīng)的沖擊韌性也達(dá)到最高值。當(dāng)超過(guò)與最高延伸率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)組織粗化，并逐漸轉(zhuǎn)變成鐵素體－碳化物，即珠光體組織，不僅降低了強(qiáng)度而且也降低韌性。若轉(zhuǎn)變溫度太低，處于下貝氏體形成溫度范圍時(shí)，則碳在奧氏體內(nèi)擴(kuò)散緩慢，不易形成均勻的高碳奧氏體，冷卻至室溫得到下貝氏體、馬氏體和殘留奧氏體。由于馬氏體的形成，在提高強(qiáng)度和硬度的同時(shí)卻降低了延伸率和抗拉強(qiáng)度。
（3）等溫轉(zhuǎn)變的保溫時(shí)間
當(dāng)確定等溫轉(zhuǎn)變溫度后，等溫轉(zhuǎn)變的保溫時(shí)間對(duì)組織和性能的影響是很密切的。保溫時(shí)間太短則只有少量貝氏體型鐵素體析出，周圍未轉(zhuǎn)變的奧氏體含碳量仍不高，冷卻至室溫時(shí)大部分轉(zhuǎn)變成馬氏體，造成延伸率低、硬度高、發(fā)生脆化以及抗拉強(qiáng)度也低的性能；保溫時(shí)間太長(zhǎng)則由于奧氏體成分趨向均勻化，硅的作用不足以抑制碳化物的析出，因而奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體加碳化物，使奧氏體含量和延伸率降低；當(dāng)保溫時(shí)間合適，析出一定量的貝氏體型鐵素體后，周圍奧氏體富碳且均勻、穩(wěn)定，最終可得奧貝組織，甚至可獲得最高的奧氏體含量和最高的延伸率，而且由于高奧氏體含量可減輕由于馬氏體存在而引起的脆化程度，從而提高抗拉強(qiáng)度。
因此，適當(dāng)?shù)牡葴卮慊鸸に嚥粌H可以增加鐵素體量，而且也因此提高了奧氏體中的含碳量而使殘留奧氏體更加穩(wěn)定，還能細(xì)化鐵素體－奧氏體組織，獲得理想的組織和性能。但是，等溫淬火工藝由于設(shè)備多、對(duì)設(shè)備的依賴性強(qiáng)，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，目前應(yīng)用開始減少。
2.合金化鑄態(tài)工藝
合金化鑄態(tài)工藝與等溫淬火工藝相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： 大大降低了能源的消耗； 避免了由于脆裂、氧化或變形等引起的成本增加；減少了對(duì)設(shè)備的依賴性，縮短了生產(chǎn)周期； 減少了輔助工序，改善了勞動(dòng)條件。
要想在鑄態(tài)條件下獲得理想的貝氏體組織，必須要求鑄件在冷卻過(guò)程中避開珠光體轉(zhuǎn)變鼻子溫度，以防轉(zhuǎn)變成珠光體；然后又能連續(xù)地通過(guò)貝氏體區(qū)，使之形成貝氏體。所以目前??鑄態(tài)奧－貝球鐵主要的途徑是加入較多的提高球鐵淬透性的合金元素，通過(guò)合金化來(lái)改變C曲線的位置和形狀，從而控制貝氏體球鐵的最終組織。通常加入的合金元素有鎳和鉬等。
合金化鑄態(tài)工藝下合金元素的作用和行為與等溫淬火工藝中的作用和行為基本相同，但由于鑄態(tài)貝氏體是在連續(xù)冷卻的條件下，跨過(guò)一個(gè)溫度范圍形成的，因此它在形成過(guò)程中，合金起作用的程度與等溫淬火工藝時(shí)又有一定的不同。合金元素的最佳加入量也隨鑄件的壁厚和冷卻條件而異，鑄件壁厚增加或冷卻速度降低，合金的加入量應(yīng)相應(yīng)增加。一般情況下，合金化鑄態(tài)貝氏體球鐵中鎳的含量為3.0～4.0%，鉬的含量為0.6～1.0%。
在鑄態(tài)下獲得貝氏體組織除了合金化以外，還應(yīng)考慮其他因素的影響。當(dāng)成分一定時(shí)，冷卻條件具有決定性的影響，冷卻速度太快將得到馬氏體，太慢則會(huì)轉(zhuǎn)變成珠光體。另外，鑄態(tài)貝氏體球鐵的碳當(dāng)量在不出現(xiàn)石墨漂浮的前提下應(yīng)盡量提高，因?yàn)楦咛籍?dāng)量可抑制碳化物的形成，而且能細(xì)化組織，石墨球增多。而研究表明上貝氏體是在晶界形核長(zhǎng)大、下貝氏體是在奧氏體/石墨界面上形核長(zhǎng)大，所以高碳當(dāng)量還有利于貝氏體的轉(zhuǎn)變。
3.連續(xù)冷卻淬火工藝
連續(xù)冷卻淬火工藝是將高溫奧氏體化后的鑄件立即淬入特定的淬火介質(zhì)中，經(jīng)連續(xù)冷卻獲得奧－貝組織的生產(chǎn)方法。與等溫淬火工藝相比，工藝簡(jiǎn)便；與鑄態(tài)工藝相比，合金加入量大幅度降低，生產(chǎn)成本較低。但是，經(jīng)連續(xù)淬火后的工件具有復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力，而且組織不穩(wěn)定，所以回火是必要的后續(xù)工序。
目前，生產(chǎn)連續(xù)淬火貝氏體球鐵主要通過(guò)兩個(gè)途徑： 加入提高球鐵淬透性的合金元素，合金元素的作用與選擇同鑄態(tài)工藝一致，但其加入量大幅度降低； 選擇合適的淬火介質(zhì)。
通常是兩種手段同時(shí)采用。化學(xué)成分一定時(shí)，貝氏體球鐵的組織和性能主要取決于以下三個(gè)因素： 奧氏體化溫度與時(shí)間； 淬火介質(zhì)及其冷卻性能； 回火溫度與時(shí)間。下面介紹這三個(gè)因素。
（1）奧氏體化溫度與時(shí)間
奧氏體化溫度與時(shí)間對(duì)連續(xù)淬火貝氏體球鐵的影響與等溫淬火中影響基本相同，但是由于連續(xù)淬火工藝要求鑄件在冷卻過(guò)程中避開珠光體轉(zhuǎn)變鼻子溫度，又能連續(xù)地通過(guò)貝氏體區(qū)，所以希望貝氏體轉(zhuǎn)變?cè)杏诙桃恍�，因此奧氏體化溫度應(yīng)略低于等溫淬火的奧氏體化溫度，選在900℃左右。
（2）淬火介質(zhì)及其冷卻性能
理想的淬火介質(zhì)應(yīng)在淬火初期冷卻能力強(qiáng)，使工件快速冷卻至中溫區(qū)；到達(dá)中溫區(qū)后，冷卻能力較弱，工件冷卻較慢，接近于等溫淬火。
研究表明，淬火液的濃度對(duì)球鐵的組織與性能有重要的影響。隨淬火液濃度的提高，組織中白脆相及游離碳化物明顯減少，貝氏體量增多，組織均勻，綜合性能得到改善。
（3）回火溫度與時(shí)間
回火的目的是消除內(nèi)應(yīng)力，并使殘留奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成下貝氏體。研究表明，較低的溫度(200℃)回火時(shí)，殘留奧氏體向下貝氏體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力很大，下貝氏體轉(zhuǎn)變較密集，基本上保持了高硬度。隨回火溫度的升高，基體中"A＋M"組織及游離碳化物數(shù)量變化不大，但由于殘留奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力降低及應(yīng)力松馳，使硬度降低，強(qiáng)度、韌性提高。所以回火溫度選在200℃左右。隨回火時(shí)間的延長(zhǎng)，硬度逐漸升高至最大值，這是回火時(shí)間充足，殘留奧氏體分解的結(jié)果。而后，因應(yīng)力松馳，硬度逐漸下降。
4 貝氏體球鐵的前景展望
由于貝氏體球鐵具有良好的綜合機(jī)械性能，而且可以通過(guò)改變合金成分、奧氏體化溫度、等溫轉(zhuǎn)變溫度和時(shí)間等工藝參數(shù)的措施，以滿足不同工作條件下所要求的特殊性能。就目前應(yīng)用情況看，還遠(yuǎn)未發(fā)揮貝氏體球鐵的特點(diǎn)與潛力。值得注意的是，貝氏體球鐵的研究日趨成熟，將來(lái)會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。
另外，目前貝氏體球鐵的生產(chǎn)基本上都需向其中加入Ni、Mo、Cu等合金元素，而Ni、Mo、Cu是我國(guó)稀有的昂貴金屬，這樣貝氏體球鐵的生產(chǎn)成本較高。降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益是每個(gè)生產(chǎn)廠家追求的目標(biāo)。根據(jù)我國(guó)資源特點(diǎn)，利用釩鈦生鐵生產(chǎn)貝氏體球鐵可望是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑。這是因?yàn)椋衡C鈦是強(qiáng)碳化物形成元素，溶入固溶體時(shí)延緩相變，使C曲線右移，提高淬透性，并使珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變明顯分開，在球鐵中具有某些與Ni、Mo、Cu相似的作用。而且釩能抑制晶界移動(dòng)和晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化組織。所以采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┫C鈦的不利作用，生產(chǎn)釩鈦貝氏體球鐵是可能的；利用釩鈦生鐵生產(chǎn)貝氏體球鐵將省去復(fù)雜的除釩、除鈦過(guò)程，而且原材料來(lái)源廣泛，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便；可節(jié)約稀有的昂貴金屬Ni、Mo、Cu等。從而大大降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
來(lái)源：鑄造工業(yè)網(wǎng)
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