合金元素對復相球墨鑄鐵磨球組織和性能的影響

■梁冰利，李志翔

合金元素對復相球墨鑄鐵磨球組織和性能的影響

■梁冰利，李志翔

正確分析合金元素對球墨鑄鐵磨球組織和性能的影響，對我們確定化學成分合理匹配，優化各項性能最佳值，以及制訂磨球最合理生產方案都具非常重要的現實意義。

1. 各元素的影響

（1）錳 圖1中曲線1為隨錳含量變化，鑄態試樣硬度的變化規律。隨著錳量的增多，首先表現為硬度的提高，這是由于錳使鐵素體和珠光體的含量減少，而貝氏體量增加所致。當錳量繼續增加時，奧氏體和馬氏體逐漸增加，由于奧氏體的增加硬度有所下降。但當錳進一步提高時，形成部分碳化物，使硬度又有所回升，出現第二個峰。錳含量再提高，對奧氏體的穩定性起主要作用，錳大部分溶于奧氏體中，小部分形成碳化物，這樣奧氏體的含量增多，硬度值也隨之下降。

當控制化學成分時，可抑制由于錳含量高而形成的碳化物。如當wSi＝3.1%時，硬度值則表現出曲線2所示的變化規律，此時沒有第二峰的出現。這是由于硅含量較高，抑制了碳化物的形成。試驗結果表明，隨錳含量的增加，奧氏體含量不斷增加。錳雖然有形成碳化物的可能性，但卻不能在奧氏體中達到飽和。也就是說，隨著錳含量的提高，錳在奧氏體中的溶解量也是增加的，即錳在形成碳化物的同時，還使奧氏體量不斷增加。

（2）硅 對錳的碳化物形成有較好的抑制作用。在wSi＝2.8%時，wMn＝2.0%即出現了碳化物；當wSi＝3.1%時，wMn＝3.0%才有極少量碳化物出現；當wSi＝3.4%時，wMn＞3.5%才有部分碳化物析出。

圖1　錳含量對硬度的影響

硅對碳化物的抑制作用可以歸結為：在貝氏體型鐵素體析出時，使其周圍的奧氏體富碳，增加了奧氏體的穩定性，又減少了碳與錳形成化合物，從而使錳減少了形成碳化物的趨勢，使錳大都溶于奧氏體和鐵素體中。但硅含量過高，特別是在磷高的條件下，使固溶的磷量降低，導致磷共晶數量增多，從而降低材質的韌度。在所試驗成分范圍內，當

wSi＜3.1%時，硅含量的增加使奧氏體的含量增加，但當wSi＞3.1%時，隨硅含量的增加，奧氏體含量降低。因此，在能抑制錳形成碳化物的情況下，硅應盡可能低些。

（3）硼 在基體組織中的作用是提高淬透性，微量的硼（0.0007%）就可以使基體的淬透性有明顯的提高。但是硼含量增加到0.001%以上，淬透性就不再提高了。因此，硼只能微量加入，在考慮燒損的情況下，控制wB＝0.01%～0.02%。這一微量的硼對淬透性的作用相當于0.3%的鉻或0.2%的鉬。由此可見，采用硼來提高磨球的淬透性是十分經濟的。

對于硼提高淬透性可以解釋為：以原子狀態溶解于奧氏體中的硼，具有優先分布在晶界上的傾向，它降低了晶界的能量并抑制鐵素體及上貝氏體在晶界上成核。因此，奧氏體的分解速度減慢，從而提高了淬透性。因為硼主要是改變晶界的特性，因此對已形成的鐵素體晶粒的長大速率沒有影響。根據鐵-硼狀態圖，硼在基體中的溶解度是十分有限的， 910℃時硼在奧氏體中的最大溶解度為0.0021%，而在鐵素體中溶解度為0.0018%。過量的硼將在鋼中以Fe2B的形態存在，它不能提高淬透性并強烈地影響材質的韌性。因此只有固溶狀態的硼才能提高淬透性。

2. 力學性能分析

圖2為wSi＝3.0%時錳對力學性能的影響。抗拉強度隨錳含量的增加，先增大而后下降，特別在wMn＞2.5%以后，下降幅度較大，當wMn＝1.5%～2.5%時，強度值最大（1000MPa以上）。沖擊韌度隨錳含量增加而呈下降趨勢；在wMn＝2.0%～3.0%時，變化較平緩，或略有提高。硬度值也是在wMn＝2.0%～3.0%時取得最大值。

硅對力學性能的影響表現為：硅由3.0%增至3.3%（質量分數）時，對抗拉強度、硬度變化規律的影響不大，但對沖擊韌度的變化趨勢改變，在wMn＝1.5%～2.0%之間出現一峰值,并且在wMn＝1.5%～2.5%時，沖擊韌度都在14.7J/cm2以上，硬度在50HRC左右。當wSi＝3.6%時，抗拉強度相對增加，并且隨錳含量的增加變化強烈，強度降低很快，沖擊韌度則都在很低的水平，變化趨勢平緩。

考察Si/Mn比對抗拉強度、沖擊韌度和硬度值的影響，得出抗拉強度隨Si/Mn比的增加而增大，在Si/Mn＝1.6～1.8時達最大值，且都在1000MPa以上，之后隨Si/Mn比的增加而下降。沖擊韌度都在13.7J/cm2以上。硬度值隨Si/Mn比變化同樣出現一峰值，Si/Mn＝1.2～1.5時，硬度值為50HRC以上，在Si/Mn＞1.5時，隨Si/Mn的增大而降低。金相組織見圖3～圖7。

圖2　wsi＝3.0%時錳對力學性能的影響　

圖3　石墨評級（100×）

圖4　高碳隱針馬氏體（1000×）　

圖5　貝氏體形態

圖6　基體馬氏體＋貝氏體＋殘留奧氏體＋碳化物＋石墨（500×）

圖7　馬氏體＋殘留奧氏體（500×）

20150410

作者簡介：梁冰利、李志翔，陜西華縣金堆城鉬業集團有限公司機修廠。