錳銅合金奧貝球鐵組織與力學性能研究

柳安民，劉生發

（1.武漢鑄造實業有限公司，武漢 430050；2.武漢理工大學 材料科學與工程學院，武漢 430070）

錳銅合金奧貝球鐵組織與力學性能研究

柳安民1，劉生發2

（1.武漢鑄造實業有限公司，武漢 430050；2.武漢理工大學 材料科學與工程學院，武漢 430070）

利用光學顯微鏡、掃描電鏡和性能測試等手段研究了錳銅合金奧貝球鐵標準試樣的顯微組織與力學性能。結果表明，錳銅合金奧貝球鐵標準試樣經等溫淬火和回火后的力學性能范圍為σb1007．4～1200MPa，δ5．2%～8．8%，HRC32～35，αk70～120J/cm2，達到了 EN1564-97/EN-CJS-1000-5 歐洲標準。

奧貝球鐵；銅；錳；顯微組織；力學性能

1977年 M．Johansson宣布芬蘭 Kymi Kymmene公司所屬的Karkkila鑄造廠發明了奧貝球鐵（ADI），并在美、英、法、加等13個國家申請了專利。這種球鐵以貝氏體型鐵素體和奧氏體為基體組織，其中含有20%～40%的奧氏體，賦予這種球鐵較高的塑性和韌性，具有優異的綜合力學性能。而且由于奧氏體具有加工硬化能力，能顯著提高其疲勞強度和耐磨性。這種材料特別適合于替代20CrMnTi合金鍛鋼制造齒輪，并具有重量輕、噪聲小、節省能源等優點[1-4]。

生產合格的奧貝球鐵通常需要加入Mo、Ni、Cu等合金元素提高材料的淬透性，此外，對原材料的錳量有嚴格限制（Mn＜0．3%）。目前國內外生產的合金奧貝球鐵主要是Mo-Cu系、Mo-Ni系和Mo-Cu-Ni系。近年來，由于鉬鐵和鎳板等原材料價格的暴漲，這三種類型的合金奧貝球鐵的制造成本大大提高，而且對錳量的嚴格要求限制了生鐵來源，嚴重制約了奧貝球鐵的推廣應用[5-7]。

本文研究了一種新型的錳銅合金奧貝球鐵，主要利用錳和銅保證材料的淬透性，并具有高的強度、塑性和韌性及好的耐磨性。

1 實驗過程

1.1 成分設計

錳銅合金奧貝球鐵的名義化學成分為：3．5C-2．5Si-xMn-0．04P-0．02S-yCu（質量分數，%）。其目的是利用Cu和Mn提供材料的淬透性，降低奧貝球鐵齒輪的生產成本。

1.2 鑄造工藝

采用山西生產的Q12生鐵為原料，工頻爐熔化后采用沖入法球化處理，球化劑為FeSiMn8Re3合金，加人量1．5%。FeSi75作為孕育劑，并進行了強化孕育處理，孕育總量為0．9%。采用FeSi75、FeMn65和電解銅板調整化學成分，濕型砂鑄型和標準25mmY型試塊。

1.3 熱處理工藝

等溫淬火處理：900℃±10℃×2h＋370±5℃×2h，回火處理：300～350℃×2～4h，力學性能試樣隨同齒輪一起熱處理。

1.4 組織與性能測試

在Y型試塊上加工?10mm標準拉伸試樣和l0mm×l0mm×55mm沖擊試樣用于力學性能檢測。在ETⅢ60噸液壓式萬能試驗機上進行拉伸實驗。在30/15沖擊試驗機上進行沖擊實驗。使用HR-150A型洛氏硬度計測定硬度。力學性能及洛氏硬度取3個試樣的平均值。

使用光學顯微鏡和掃描電鏡（型號為QUANTA-400）觀察并拍攝金相組織，對試樣進行能譜分析。金相檢測按GB/T9441—1988《球墨鑄鐵金相檢驗》評級。腐蝕劑為4%的硝酸酒精溶液。

2 結果與分析

2.1 顯微組織

圖1為錳銅合金奧貝球鐵試樣鑄態光學顯微組織。由圖1可知，鑄態試樣的石墨大部分成球狀，如圖1（a）所示。按照GB/T9441—1988球墨鑄鐵金相檢驗標準，球化級別為2級，測得球數為236個/mm2，球徑為2.60mm。石墨球周圍可觀察到牛眼狀的鐵素體，珠光體含量約為89%，見圖1（b）。其測量結果如表1所示。

表1 錳銅合金奧貝球鐵石墨球數與鑄態基體組織

表2 錳銅合金奧貝球鐵熱處理狀態下的顯微組織

圖2為錳銅合金奧貝球鐵試樣在等溫淬火狀態下的顯微組織。由圖2（a），可觀察到羽毛狀的上貝氏體組織，奧氏體分布在其周圍。由于Mn元素的含量較高，導致在晶界處的偏析，可觀察到組織中存在白亮區，見圖 2（b）。

圖3為錳銅合金奧貝球鐵試樣等溫淬火后進行回火后的顯微組織。由圖3可知，回火后組織中的白亮區基本消失。在回火過程中，殘余奧氏體會進一步轉化成上貝氏體，且上貝氏體也會略微長大，其熱處理組織的測量值見表2所示。

2.2 能譜分析

對白亮區和基體組織進行了微區成分分析，見圖4（a）中A點和B點。由圖4（b）可知，硅形成負偏析，而錳在晶界處產生正偏析，易在組織中形成白亮區，多為碳化物、馬氏體和殘余奧氏體的混合物，顯著降低材料的塑性和韌性。在基體中硅和錳的含量正常，如圖 4（c）所示。

圖5為錳銅合金球墨鑄鐵中各元素的微區偏析示意圖，一般情況下，Mn為正偏析元素，Si、Cu為負偏析元素[8-9]。

表3 錳銅合金奧貝球鐵標準試樣在不同狀態下的力學性能

2.3 力學性能

對Y型試塊加工的標準拉伸和沖擊試樣進行力學性能測試，其結果見表3所示。由表可知，鑄態試樣的抗拉強度僅為430MPa，伸長率高達16.5%，硬度僅為263HB。經等溫淬火后再進行回火處理，力學性能的范圍為：抗拉強度高達1007.4～1200MPa，伸長率為5.2%～8.8%，硬度為32～35HRC，沖擊值為70～120J/cm2。由此可以看出，新研制的錳銅合金奧貝球鐵的力學性能指標達到EN1564-97/EN-CJS-1000-5歐洲標準。

3 結論

（1）錳銅合金奧貝球鐵齒輪的球化率97%，球數為480個/mm2，球徑為1.5μm。等溫淬火后殘余奧氏體含量為27.8%，上貝氏體含量為71.5%，白亮區含量為0.7%，上貝氏體長度和寬度分別為27.8μm和3.6μm。

（2）錳銅合金奧貝球鐵標準試樣經等溫淬火和回火后的力學性能范圍為σb1007.4～1200MPa，δ5.2%～8.8%，HRC32～35，αk70～120J/cm2，達到了 EN1564-97/EN-CJS-1000-5歐洲標準。

[1]M.Johansson.Austenitic-Bainitic Ductile Iron [J].AFS Transaction，1977，l85:117-122.

[2]趙伯播，王從祥.奧氏體-貝氏體球鐵齒輪[J].鑄造，1990（4）:5-8.

[3]葉學賢.等溫淬火球墨鑄鐵的發展及應用.見：第三屆全國等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）技術研討會論文集[C].無錫:現代鑄鐵雜志社，2002：9-13.

[4]趙紅，徐衛平，周繼揚.奧氏體等溫轉變鑄鐵研究的新進展[J].鑄造，2001（5）:243-248.

[5]張忠仇，李克銳，吳建基.我國等溫淬火球鐵的現狀及前景[J].鑄造，2004，（2）:87-92.

[6]吳德海.奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵的發展概況及生產應用[J].汽車工藝，1990（5）:19-21.

[7]魏秉慶，梁吉，吳德海.貝氏體球墨鑄鐵[M].北京:機械工業出版社，2001.

[8]W.T.Dubensky，K.B.Rundman.An Electron Microscope study of Carbide Formation in Austempered Ductile Iron [J].AFS Transactions，1985，193:389-394.

[9]Olivera Eric，Milan Jovanovic，Leposava Sidanin，etc.The austempering study of alloyed ductile iron [J].Materials and Design，2006，27:617-622.

Research on Microstructure and Mechanics Properties of Mn-Cu Alloyed Austempered Ductile Iron

LIU AnMin1,LIU ShengFa2
（1.Wuhan Foundry Industry Co.Ltd.，Wuhan 430050，Hubei China；2.School of Materials Science and Engineering Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei China）

The microstructure and mechanics properties of standard sample of Mn-Cu alloyed austempered ductile iro （ADI） have beeninvestigated using optical microscope（OM），scanning electron microscope（SEM）and performance measurement.The experimental results showed that mechanics properties（σb1007.4～1200MPa，δ5.2～8.8%，HRC32～35，αk70～120J/cm2）of standard sample have reached that in European standard EN1564-97/EN-CJS-1000-5.

Austempered ductile iron；Mn；Cu；Microstructure；Mechanics properties

TG255;

A；

1006－9658（2010）02－3

2009－12－08

2009－158

柳安民，男，高級工程師，從事鑄造合金及工藝研究工作