铸态奥-贝球铁组织性能控制技术研究

摘要

奥氏体贝氏体球墨铸铁（简称奥贝球铁，英文简称ADI）又称等温淬火球铁，是二十世纪钢铁冶金的重大发现之一，因其具有较高的强度，良好的塑韧性，在某些方面甚至优于钢的性能，而成本比钢要低很多，具有良好的经济效益，因此在汽车、船舶重工、轨道交通等领域的应用越来越广泛。目前ADI的获取途径主要是通过等温淬火热处理，但是等温淬火热处理会使得生产周期加长，有时候还需要使用大型的热处理设备，这会使得生产成本大幅度增加，而且淬火使用的NaNO2和KNO3熔盐也会对环境造成污染，这些缺点在一定程度上限制了奥贝球铁的发展。所以，在铸态下制备奥-贝球铁就具有很重要的工程价值。 本文主要研究了不同的合金元素和冷却工艺（冷却方式、保温温度和保温时间）对铸态奥贝球铁组织和性能的影响，优化了制备铸态奥贝球铁的工艺。其中合金元素主要有Mo、Ni、Cu和Si，它们的综合作用用合金当量来表示：合金当量=1/10(ωNi+3.5ωMo)2+0.35Cu-0.27ωSi；铸件的模数m（m=V/F，V-铸件的体积，F-铸件的表面积，量纲为cm）表示它的冷却能力。本文主要根据合金当量-模数-基体组织之间的近似关系，改变合金元素添加量和冷却工艺来改变合金当量-模数-基体关系图的形状和位置，从而影响铸态下球铁组织的组成、奥贝组织的均匀性、贝氏体组织的形态和分布、奥氏体和贝氏体的比例，从而优化制备铸态奥贝球铁的工艺。 本课题在空冷，400℃保温1h条件下（模数m＜1.84，下同），研究了四种合金当量（0.150、0.400、0.704、1.054）对铸态奥贝组织和性能的影响，试验表明：合金当量为0.704和1.054时能够得到奥贝组织且不含有珠光体和马氏体，其中抗拉强度最大能达到825MPa、伸长率3.1%、硬度310HBW。在此合金元素基础上又研究了冷却工艺（冷却方式、保温温度和保温时间）对铸态奥贝球铁组织和性能的影响，其中对比风冷和空冷两种冷却方式，风冷所得的组织更加均匀，残余奥氏体较少，抗拉强度最高能达到1106MPa，伸长率最好为7.5%，硬度最好为362HBW，冲击功最好为96J；另外也研究了不同保温温度（425℃和375℃）和不同保温时间（1h和2h）对铸态奥贝组织和性能的影响，结果表明：375℃保温2h时奥贝组织均匀性、致密性最好，综合性能最好，其中最好性能为抗拉强度974MPa、伸长率6.7%、冲击功96J以及布氏硬度274HBW。通过综合对比各组实验结果得出：在合金当量为0.704（Mo、Ni、Cu的含量分别为0.5%、0.99%、0.80%），800-900℃开箱，风冷+雾冷，375℃保温的工艺条件下，铸件获得了974MPa的抗拉强度、6.7%的伸长率、96J的冲击功以及274HBW的布氏硬度。 在实验室获得良好实验结果的基础上，将上述工艺应用于工厂条件下曲轴生产试验，初步探究该工艺在曲轴生产上的应用情况。对曲轴不同部分进行研究，结果显示：曲轴各部分都能够得到完全的奥贝组织，抗拉强度几乎都能达到850MPa以上，伸长率都在6%左右。

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