新型铸态高强度珠光体球墨铸铁的研究[1]

材 料 热 处 理 学 报

TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT

Vol .28 No .2April 2007

新型铸态高强度珠光体球墨铸铁的研究

朱先勇1

, 刘耀辉2

, 张英波1

, 宋雨来1

, 于思荣

2

(1.吉林大学材料科学与工程学院,长春 130025; 2.吉林大学教育部汽车材料重点实验室,长春 130025)

摘 要:采用Cu 、Sb 合金化元素和余温正火工艺获得铸态高强度和具有良好韧性的珠光体球墨铸铁。该铸铁的珠光体含量 94%,渗碳体 6%,抗拉强度可达800MPa,硬度为280~350HB W,伸长率为3%~5%。利用扫描电镜及透射电镜对珠光体组织形态进行分析,结果表明,铸态珠光体中渗碳体的层片间距大小、宽窄、厚薄有很大的差别。当加入0 5%Cu 、0 02%Sb 时,由于合金元素在相界面上富集,阻止了牛眼状铁素体的出现。关键词:铸态球墨铸铁; 珠光体形态; 铜锑合金化

中图分类号:TG143.5 文献标识码:A 文章编号:1009-62(2007)02-0085-04

Study on as -cast high strength pearlite ductile iron

ZHU Xian -yong 1

, LI U Yao -hui 2

, ZHANG Ying -bo 1

, Song Yu -lai 1

, YU S-i rong

2

(1.Department of Materials Science and Engineering,Jilin University,Changc hun 130025China;2.Ke y Laboratory of Automobile Materials,Ministry of Education,Jilin University,Changchun 130025,China)

Abstract :An as -cas t high -strength pearlite ductile iron with good toughness was fabricated by method of the addi tion of Cu,Sb alloying elements in conventional nodular cast iron.The con ten t of pearlite in the alloy exceeds 94%and the content of cementite is under 6%.The tensile strength of this cast iron is up to 800MPa,hardness is 280~350HBW and the elongation is 3%~5%.The morphology of pearlite in Cu,Sb pearli te as -cast ductile iron was studied by transmission electron microscopy and scannin g electron microscopy.The results show that the lamellar spacing of cementite is different in the pearlite colony.When content of Cu is 0 5%and Sb is 0 02%,the alloyi ng elements are enriched at the interphase boundary and the appearance of ferrite with bull s eye is impeded.Key words :as -cast ductile iron;morphology of pearlite;Cu -Sb alloying

收稿日期: 2006-08-28; 修订日期: 2007-01-19基金项目: 长春市科技局资助项目(2004176)

作者简介: 朱先勇(1968 ),男,吉林大学材料科学与工程学院博士研究生,高级工程师,研究方向为高机能薄壁铸铁及金属基复合材料,发表论文20余篇。E -mail:zhuxy1226@163.com 。

珠光体球墨铸铁具有较高的强度、硬度和良好的韧性[1,2]

,在机械制造业中的用途日趋广泛。制备珠

光体高强度球墨铸铁一般有两种方法:一是通过热处理工艺,二是通过加入合金化元素在铸态下直接获得珠光体球铁

[3,4]

。

关于通过热处理工艺获得珠光体球墨铸铁,国内

外已开展了大量研究[5-6]

,但是热处理工艺复杂、耗电、耗力。生产铸态珠光体球墨铸铁一般常用Cu 、Mo 、Ni 、Zn 等合金元素[7,8]

,对四种成分搭配要求严格,且都较贵,对降低成本,简化工艺不利。同时对铸态珠光体球墨铸铁及珠光体形态研究较少见,本研究

旨在寻求加入低成本的合金元素Cu 、Sb 及余温正火工艺取代Cu 、Mo 、Ni 、Zn 等组合,并分析铸态球铁珠光体的形态及形成过程。该材质已用于生产轿车曲轴,累计达51万多根。

1 试验方法

实验用原材料(wt%)分别为Q10生铁(4 0~4 25C 、0 8~1 0Si 、Mn 0 1、S 0 03、P 0 07其余为Fe)、45号废钢、合金炉料(75Mn -Fe 、75S-i Fe),纯Cu 、纯Sb,试验中固定3 4~3 8C 、2 2~2 8Si 、0 2~0 7Mn 元素,Cu 、Sb 加入量示于表1。

试验合金在12kg 碱性中频感应电炉中熔炼,用光学高温计测量温度,铁水出炉温度为1450 ,浇铸温度在1350 。采用充入法加入孕育剂和球化剂,孕育剂和球化剂分别为1 0%75S-i Fe 和1 4%稀土镁

(Re3-Mg6)。将铁水浇注到契形的砂型。将铸锭机械加工成拉伸试样,试样尺寸为 24mm 260mm 。

表1 加入合金元素成分(wt%)

Table 1 Amount of alloying elements (wt%)

Sa mples number

Cu Sb 10020 25030 50040 75050 250 0160 500 0170 750 0180 250 0290 500 02100 750 0211

0 02

图1 合金的光学金相组织。(a)0 25%Cu;(b)0 75%Cu,0 02%Sb;(c)0 5%Cu 和0 02%Sb;

(d)是图(c)0 5%Cu 和0 02%Sb 局部放大Fig 1 Microstructure of the alloys with different

alloying elemen ts (a)0 25%Cu;(b)0 75%Cu and 0 02%Sb;

(c)0 5%Cu and 0 02%Sb;(d)magni fication of (c)

硬度测试在HB -3000型硬度计上进行,压头直径 5m m,载荷750kg,保压时间为30s 。测试结果取5个测试值的平均值。抗拉强度的测试在液压式万能力学试验机上进行。采用光学显微镜观察,腐蚀前观察石墨球的形态、数量、大小及分布。用3%酒精腐蚀后观察金属基体组织,包括铁素体、珠光体及碳化物的数量、大小和分布。将样品切成薄片,经砂纸磨制,再经电解抛光,电解双喷穿孔,最后在氩气保护条件下用离子溅射薄化,最终制成供电镜观察用的薄膜样品,采用JE M -100CX 型透射电镜观察珠光体形态。

2 结果与分析

2 1 Cu 、Sb 合金元素对组织的影响

合理搭配Cu 、Sb 合金元素的加入量是获得高强度珠光体组织的关键。当C u 加入量为0 5%以下,

Sb 为0 01%以下时,石墨周围仍然存在大量的白色衬度状圆环的铁素体(简称牛眼状铁素体,见图1a),当加入0 75%Cu 、0 02%Sb 时,则出现白亮的渗碳体(如图1b 所示)。而加入0 5%Cu 、0 02%Sb 时,组织为球状石墨+珠光体组织以及少量的铁素体,合金化球墨铸铁的球状石墨球的形状更加圆整,尺寸普遍小于10 m (如图1c 和图1d 所示)。

图2表明铸态珠光体球墨铸铁的基体主要有板条状Fe 3C 和铁素体组成,同一球团中珠光体的层片间距和Fe 3C 宽窄存在很大差别。这是由于C u 、Sb 元素富集在某个珠光体球团的界面前沿(见图3),必然会使该球团中珠光体片层的生长出现与其它球团不同步的现象。

从图1、图2可以明显看出,铸态珠光体球墨铸铁组织中存在均匀分布、圆整和细小的石墨球。当加入0 5%Cu 、0 02%Sb 时,使球铁中的石墨球与传统球铁中的石墨球不大一样,石墨球界面上的情况也不相同。在石墨球周围的珠光体,其形核为:Fe 3C 片直接在石墨球的界面上形核和生长,在此情况下,珠光体转变的先共析相是Fe 3C,这种情况在传统球铁中很难出现。按理,随着石墨球的结晶和长大,在石墨球周围必然引起贫碳而出现一层贫碳的奥氏体外壳,也即通常出现在球铁中石墨球周围的牛眼状

86

材 料 热 处 理 学 报第28卷

铁素体[9]

。而图1、图2中石墨球周围没有出现铁素

体外围层,显然这与表面Cu 、Sb 元素在石墨球界面

上的富集有直接关系。

图2 0 5%Cu -0 02%Sb 球墨铸铁的TEM 形貌Fig 2 TEM images showing the microstructure of as -cast

0 5%Cu -0 02%Sb nodular iron

2 2 Cu 和Sb 元素对力学性能的影响

在同一工艺条件下,不同化学成分球墨铸铁抗拉强度和硬度以及伸长率的试验数据见表2和图4。结果表明,随着Sb 含量的增加,球墨铸铁的强度和硬度明显增加;而随着Cu 含量的增加,球墨铸铁的强度和硬度增加,当Cu 含量过高时,球墨铸铁的强度和延伸率反而下降。当加入含量为0 5%Cu,0 02%Sb 时,球墨铸铁的铸态拉伸强度和硬度性能达到最佳值,分别为785MPa 和280HB W,相当于QT800-2

的水图3 含0 5%Cu -0 02%Sb 球墨铸铁的EDS 线形分析

Fig 3 EDS linear analyses of the nodular cast iron

containing 0 5%Cu and 0 02%Sb

平。

表2 不同合金成分球墨铸铁的力学性能Table 2 Mechanical properties of the alloys with

different composition

Samples No

Strength MPa

Hardness HBW

%155019011260519510 537002351046802309 557002403 267202453 076502353 187102304 097852803 010******* 811

600

210

3 0

87

第2期朱先勇等:新型铸态高强度珠光体球墨铸铁的研究

图4 不同成分球墨铸铁的抗拉强度和硬度曲线

(a)抗拉强度;(b)硬度

Fig 4 Curves of the tensile strength and hardness for the alloys

wi th different composition.(a)tensile strength;(b)hardness

Cu 是非碳化物形成元素,它可以降低Fe -C 原子之间结合力。同时Cu 为促进石墨化元素,在共晶阶段促进石墨化,改善石墨形态。在共析阶段由于Cu 原子在奥氏体中的固溶度较高,Cu 原子在基体-石墨之间的界面富集,Cu 富集层的存在使得C 原子扩散受阻,其扩散析出变得困难。当Cu 含量达到0 5%时,将破坏牛眼状铁素体的生核基底和阻碍碳向石墨球的扩散,阻碍了铁素体形成,从而促进球铁基体珠光体化。Sb 是促进珠光体形成的元素[10]

,在共析转变范围内阻止铁素体从奥氏体中析出,Sb 原子附着在石墨与金属的相界面上形成富集层,对碳原子的迁移起阻碍作用,因而使石墨球径变小,珠光体数量增加。当加入0 5%Cu 、0 02%Sb 时,珠光体球墨铸铁不会出现传统球铁中石墨球周围牛眼状的铁素体,同时珠光体球铁性能最佳。

3 结论

在普通球墨铸铁中加入0 5%Cu 、0 02%Sb 时,能保证铸态珠光体数量90%以上,抗拉强度达到785MPa,硬度可达230-280HBW 。当加入0 5%Cu 、0 02%Sb 时,珠光体球墨铸铁不会出现传统球铁中

石墨球周围牛眼状的铁素体。珠光体的片层结构与片间宽窄大小不一致。

参

考

文

献

[1] Misaka Yoshi taka,Kawasaki Kazuhiro,Komotori Jun.Fatigue strength of ferritic ductile cast iron hardened by s uper rapid induc tion heating and quenchi ng[J].

Materials Trans actions,2004,45:2930-2935.

[2] Sunada Hisakic hi,Fukaura Kenzo.Relati onship bet ween mic rostructure and i mpac t strength of ferritic ductile cast iron for cas k use[J].Zairyo Journal of the

Society of Materials Science,1996,45:316-320.

[3] Bos njak B,Radulovic B,Pop -Tonev K.Influence of microalloyi ng and heat treatment on the kine tics of bai nitic reac tion in aus tempered ductile iron[J].Journal

of Materials Engineering and Performance,2001,10:203-211.

[4] Refae y A,Fatahalla N.Effect of micros tructure on properties of ADI and low alloyed ductile iron[J].Journal of Materi als Science,2003,38:351-362.[5] Hayrynen Kathy L.ADI:another avenue for ductile iron foundries[J].Modern Cas ti ng,1995,85:35-37.

[6] Salzbrenner Richard,Crensha w Tho mas B.Effects of sa mple si ze and loading rate on the transition behavior of a ductile i ron (DI)alloy[J ].ASTM Special

Tec hnical Publication,1993,n11:840-857.

[7] Caldera M,Rivera G L,Boeri R E,e t al.Preci pitation and diss olution of carbides in lo w alloy ducti le iron plates of varied thic kness[J].Materials Science and

Tec hnology,2005,21:1187-1191.

[8] E-l Di n H,Nofal A,Is mail A.Hot worki ng of duc tile iron alloyed wi th mol ybdenum[J].Canadi an Metallurgical Quarterl y,2000,39:345-360.[9] Labrecque C,Gagn M.Review duc tile iron:fifty years of continuous development[J].Canadian Metallurgical Quarterly,1998,37:343-378.[10] LI Zhen -hua,LI Yan -xi ang.Effect of Sb on the graphite morphology and mechanical properties in heavy sec tion ductile iron [J].Materials Science Forum,

2005,5:2769-2772.

88材 料 热 处 理 学 报第28卷