合金元素對(duì)復(fù)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(duì)復(fù)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(duì)球墨鑄鐵磨球組織和性能的影響，對(duì)我們確定化學(xué)成分合理匹配，優(yōu)化各項(xiàng)性能最佳值，以及制訂磨球最合理生產(chǎn)方案都具非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1. 各元素的影響

（1）錳 圖1中曲線(xiàn)1為隨錳含量變化，鑄態(tài)試樣硬度的變化規(guī)律。隨著錳量的增多，首先表現(xiàn)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(dāng)錳量繼續(xù)增加時(shí)，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(dāng)錳進(jìn)一步提高時(shí)，形成部分碳化物，使硬度又有所回升，出現(xiàn)第二個(gè)峰。錳含量再提高，對(duì)奧氏體的穩(wěn)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(dāng)控制化學(xué)成分時(shí)，可抑制由于錳含量高而形成的碳化物。如當(dāng)wSi＝3.1%時(shí)，硬度值則表現(xiàn)出曲線(xiàn)2所示的變化規(guī)律，此時(shí)沒(méi)有第二峰的出現(xiàn)。這是由于硅含量較高，抑制了碳化物的形成。試驗(yàn)結(jié)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(dá)到飽和。也就是說(shuō)，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(shí)，還使奧氏體量不斷增加。

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

圖1　錳含量對(duì)硬度的影響

硅對(duì)碳化物的抑制作用可以歸結(jié)為：在貝氏體型鐵素體析出時(shí)，使其周?chē)膴W氏體富碳，增加了奧氏體的穩(wěn)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(shì)，使錳大都溶于奧氏體和鐵素體中。但硅含量過(guò)高，特別是在磷高的條件下，使固溶的磷量降低，導(dǎo)致磷共晶數(shù)量增多，從而降低材質(zhì)的韌度。在所試驗(yàn)成分范圍內(nèi)，當(dāng)

wSi＜3.1%時(shí)，硅含量的增加使奧氏體的含量增加，但當(dāng)wSi＞3.1%時(shí)，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(yīng)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(duì)淬透性的作用相當(dāng)于0.3%的鉻或0.2%的鉬。由此可見(jiàn)，采用硼來(lái)提高磨球的淬透性是十分經(jīng)濟(jì)的。

對(duì)于硼提高淬透性可以解釋為：以原子狀態(tài)溶解于奧氏體中的硼，具有優(yōu)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?yàn)榕鹬饕歉淖兙Ы绲奶匦裕虼藢?duì)已形成的鐵素體晶粒的長(zhǎng)大速率沒(méi)有影響。根據(jù)鐵-硼狀態(tài)圖，硼在基體中的溶解度是十分有限的， 910℃時(shí)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(guò)量的硼將在鋼中以Fe2B的形態(tài)存在，它不能提高淬透性并強(qiáng)烈地影響材質(zhì)的韌性。因此只有固溶狀態(tài)的硼才能提高淬透性。

2. 力學(xué)性能分析

圖2為wSi＝3.0%時(shí)錳對(duì)力學(xué)性能的影響。抗拉強(qiáng)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(dāng)wMn＝1.5%～2.5%時(shí)，強(qiáng)度值最大（1000MPa以上）。沖擊韌度隨錳含量增加而呈下降趨勢(shì)；在wMn＝2.0%～3.0%時(shí)，變化較平緩，或略有提高。硬度值也是在wMn＝2.0%～3.0%時(shí)取得最大值。

硅對(duì)力學(xué)性能的影響表現(xiàn)為：硅由3.0%增至3.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，對(duì)抗拉強(qiáng)度、硬度變化規(guī)律的影響不大，但對(duì)沖擊韌度的變化趨勢(shì)改變，在wMn＝1.5%～2.0%之間出現(xiàn)一峰值,并且在wMn＝1.5%～2.5%時(shí)，沖擊韌度都在14.7J/cm2以上，硬度在50HRC左右。當(dāng)wSi＝3.6%時(shí)，抗拉強(qiáng)度相對(duì)增加，并且隨錳含量的增加變化強(qiáng)烈，強(qiáng)度降低很快，沖擊韌度則都在很低的水平，變化趨勢(shì)平緩。

考察Si/Mn比對(duì)抗拉強(qiáng)度、沖擊韌度和硬度值的影響，得出抗拉強(qiáng)度隨Si/Mn比的增加而增大，在Si/Mn＝1.6～1.8時(shí)達(dá)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(xiàn)一峰值，Si/Mn＝1.2～1.5時(shí)，硬度值為50HRC以上，在Si/Mn＞1.5時(shí)，隨Si/Mn的增大而降低。金相組織見(jiàn)圖3～圖7。

圖2　wsi＝3.0%時(shí)錳對(duì)力學(xué)性能的影響　

圖3　石墨評(píng)級(jí)（100×）

圖4　高碳隱針馬氏體（1000×）　

圖5　貝氏體形態(tài)

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(jiǎn)介：梁冰利、李志翔，陜西華縣金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司機(jī)修廠。