錳銅合金奧貝球鐵組織與力學(xué)性能研究

柳安民，劉生發(fā)

（1.武漢鑄造實(shí)業(yè)有限公司，武漢 430050；2.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070）

錳銅合金奧貝球鐵組織與力學(xué)性能研究

柳安民1，劉生發(fā)2

（1.武漢鑄造實(shí)業(yè)有限公司，武漢 430050；2.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070）

利用光學(xué)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(biāo)準(zhǔn)試樣的顯微組織與力學(xué)性能。結(jié)果表明，錳銅合金奧貝球鐵標(biāo)準(zhǔn)試樣經(jīng)等溫淬火和回火后的力學(xué)性能范圍為σb1007．4～1200MPa，δ5．2%～8．8%，HRC32～35，αk70～120J/cm2，達(dá)到了 EN1564-97/EN-CJS-1000-5 歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

奧貝球鐵；銅；錳；顯微組織；力學(xué)性能

1977年 M．Johansson宣布芬蘭 Kymi Kymmene公司所屬的Karkkila鑄造廠發(fā)明了奧貝球鐵（ADI），并在美、英、法、加等13個(gè)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(yōu)異的綜合力學(xué)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(qiáng)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(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。

生產(chǎn)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(yán)格限制（Mn＜0．3%）。目前國內(nèi)外生產(chǎn)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(jià)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(yán)格要求限制了生鐵來源，嚴(yán)重制約了奧貝球鐵的推廣應(yīng)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(qiáng)度、塑性和韌性及好的耐磨性。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 成分設(shè)計(jì)

錳銅合金奧貝球鐵的名義化學(xué)成分為：3．5C-2．5Si-xMn-0．04P-0．02S-yCu（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）。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(chǎn)成本。

1.2 鑄造工藝

采用山西生產(chǎn)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(jìn)行了強(qiáng)化孕育處理，孕育總量為0．9%。采用FeSi75、FeMn65和電解銅板調(diào)整化學(xué)成分，濕型砂鑄型和標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和l0mm×l0mm×55mm沖擊試樣用于力學(xué)性能檢測。在ETⅢ60噸液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。在30/15沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)。使用HR-150A型洛氏硬度計(jì)測定硬度。力學(xué)性能及洛氏硬度取3個(gè)試樣的平均值。

使用光學(xué)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(jìn)行能譜分析。金相檢測按GB/T9441—1988《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》評級。腐蝕劑為4%的硝酸酒精溶液。

2 結(jié)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(tài)光學(xué)顯微組織。由圖1可知，鑄態(tài)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，球化級別為2級，測得球數(shù)為236個(gè)/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(jié)果如表1所示。

表1 錳銅合金奧貝球鐵石墨球數(shù)與鑄態(tài)基體組織

表2 錳銅合金奧貝球鐵熱處理狀態(tài)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(tài)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(dǎo)致在晶界處的偏析，可觀察到組織中存在白亮區(qū)，見圖 2（b）。

圖3為錳銅合金奧貝球鐵試樣等溫淬火后進(jìn)行回火后的顯微組織。由圖3可知，回火后組織中的白亮區(qū)基本消失。在回火過程中，殘余奧氏體會進(jìn)一步轉(zhuǎn)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(qū)和基體組織進(jìn)行了微區(qū)成分分析，見圖4（a）中A點(diǎn)和B點(diǎn)。由圖4（b）可知，硅形成負(fù)偏析，而錳在晶界處產(chǎn)生正偏析，易在組織中形成白亮區(qū)，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(qū)偏析示意圖，一般情況下，Mn為正偏析元素，Si、Cu為負(fù)偏析元素[8-9]。

表3 錳銅合金奧貝球鐵標(biāo)準(zhǔn)試樣在不同狀態(tài)下的力學(xué)性能

2.3 力學(xué)性能

對Y型試塊加工的標(biāo)準(zhǔn)拉伸和沖擊試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，其結(jié)果見表3所示。由表可知，鑄態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度僅為430MPa，伸長率高達(dá)16.5%，硬度僅為263HB。經(jīng)等溫淬火后再進(jìn)行回火處理，力學(xué)性能的范圍為：抗拉強(qiáng)度高達(dá)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(xué)性能指標(biāo)達(dá)到EN1564-97/EN-CJS-1000-5歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

（1）錳銅合金奧貝球鐵齒輪的球化率97%，球數(shù)為480個(gè)/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(qū)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(biāo)準(zhǔn)試樣經(jīng)等溫淬火和回火后的力學(xué)性能范圍為σb1007.4～1200MPa，δ5.2%～8.8%，HRC32～35，αk70～120J/cm2，達(dá)到了 EN1564-97/EN-CJS-1000-5歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

[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(xué)賢.等溫淬火球墨鑄鐵的發(fā)展及應(yīng)用.見：第三屆全國等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）技術(shù)研討會論文集[C].無錫:現(xiàn)代鑄鐵雜志社，2002：9-13.

[4]趙紅，徐衛(wèi)平，周繼揚(yáng).奧氏體等溫轉(zhuǎn)變鑄鐵研究的新進(jìn)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(xiàn)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(fā)展概況及生產(chǎn)應(yīng)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(jī)械工業(yè)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