等溫淬火球墨鑄鐵的特性、生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用
一、等溫淬火球鐵(ADI)的幾個(gè)基本認(rèn)識(shí)及性能特點(diǎn)
1. 幾個(gè)基本認(rèn)識(shí)
1)等溫淬火球鐵是把健全的球墨鑄鐵件進(jìn)行等溫?zé)崽幚?，以獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，因此其前提是健全的球墨鑄鐵件。
2)合金元素對(duì)球鐵力學(xué)性能有重要影響，但對(duì)等溫淬火球鐵(ADI)沒影響。等淬的目的是就是利用熱處理技術(shù)改變鑄鐵的基體組織，提高力學(xué)性能，節(jié)省合金元素。加入合金元素的目的是提高淬透性。
3)球鐵原始基體組織對(duì)等淬球鐵的力學(xué)性能沒影響，但對(duì)變形有影響，因鐵素體和珠光體變形量是不一樣的，其線性增長(zhǎng)量是鑄態(tài)基體組織和等溫溫度的函數(shù)(見下圖)。
為了提高加工刀具壽命和控制變形，美國(guó)通用汽車公司在生產(chǎn)ADI后橋齒輪時(shí)，鑄件經(jīng)退火以獲得100%的鐵素體。試驗(yàn)表明，在試樣熱透后保溫15分鐘，已足以使基體完全奧氏體化。
4)球化率、球數(shù)對(duì)ADI沖擊、疲勞等動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響很大，強(qiáng)度愈高，影響愈顯著。因此，對(duì)球化率及石墨球數(shù)的要求比普通球鐵高，球化率要求90%以上(見表1、表2)。
表1 石墨球化分級(jí)對(duì)稀土球墨鑄鐵疲勞極限和小能量多沖性能的影響
石墨球化分級(jí)對(duì)稀土球墨鑄鐵疲勞極限和小能量多沖性能的影響
表2 石墨球大小、球數(shù)對(duì)等溫淬火球墨鑄鐵彎曲疲勞強(qiáng)度的影響
石墨球大小、球數(shù)對(duì)等溫淬火球墨鑄鐵彎曲疲勞強(qiáng)度的影響
5)等溫淬火球鐵各牌號(hào)主要靠不同等溫溫度獲得，與化學(xué)成分關(guān)系不大，即同一成分球鐵用不同等溫淬火溫度可生產(chǎn)不同牌號(hào)ADI?；瘜W(xué)成分主要決定于鑄件大小，壁厚和結(jié)構(gòu)。
6)等溫淬火球鐵的某些組織也可通過加入合金元素、空氣中強(qiáng)化冷卻獲得，但因需要加入大量的Ni、Mo、Cu等合金元素，成本太高且不穩(wěn)定，因此不加以討論，主要討論經(jīng)鹽浴等溫淬火處理的ADI。
2. 性能特點(diǎn)
等溫淬火球墨鑄鐵具有以下性能特點(diǎn)：
(1)強(qiáng)度高、塑性好。在同等伸長(zhǎng)率情況下，ADI的抗拉強(qiáng)度是普通球鐵的2倍,而在同等抗拉強(qiáng)度情況下,伸長(zhǎng)率是普通球鐵兩倍以上,ADI抗拉強(qiáng)度也優(yōu)于調(diào)質(zhì)處理的碳鋼,與低合金鋼相當(dāng)。
(2)質(zhì)量輕。表3是一些材料的單位抗拉強(qiáng)度所需零件重量(w/y)。
表3 幾種材質(zhì)的w/y
幾種材質(zhì)的w/y
(3)彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度等動(dòng)載性能高。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度可達(dá)400～500MPa，與調(diào)質(zhì)處理低合金鋼相當(dāng);接觸疲勞強(qiáng)度可達(dá)1600～2100MPa，比低合金鋼氮化處理的接觸疲勞強(qiáng)度高。
(4)吸振性好。ADI由于彈性模量低，加上基體中存在石墨球，能迅速吸收振動(dòng)并增大噪聲阻尼，使部件的運(yùn)行更安靜和平穩(wěn)。
(5)極好的耐磨、抗磨性。試驗(yàn)表明，硬度為45～48HRC的等溫淬火球鐵齒輪，其壽命比具有馬氏體組織、硬度為58～62HRC的鍛鋼齒輪更長(zhǎng)。CADI(含碳化物18%)的耐磨性能勝過許多高合金耐磨鑄鐵(AR)，其無(wú)缺口沖擊韌性則是耐磨鑄鐵的2～10倍，適宜用于要求優(yōu)異耐磨性能和足夠韌性的場(chǎng)合。
(6)表面強(qiáng)化效果顯著。試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐均證明，ADI具有很好的表面強(qiáng)化效果，能顯著提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。例如2007年11月7日修訂的ASTM897M各牌號(hào)典型性能中，通過概率50%單齒彎曲疲勞強(qiáng)度噴丸的比不噴丸的提高50%左右(見表4)。
表4 噴丸對(duì)單齒彎曲疲勞的影響
噴丸對(duì)單齒彎曲疲勞的影響
曲軸經(jīng)圓角滾壓后彎曲疲勞強(qiáng)度也顯著提高。據(jù)美國(guó)聯(lián)合收割機(jī)的一項(xiàng)研究報(bào)告，型號(hào)為202重載貨車V-8柴油機(jī)ADI曲軸，滾壓前后彎曲疲勞強(qiáng)度分別為414MPa和986MPa，提高138%;而普通球鐵曲軸滾壓后的彎曲疲勞強(qiáng)度只提高50～60%左右。
此外，ADI的力學(xué)性能根據(jù)等溫淬火工藝的不同，可以在較大范圍內(nèi)變化，以滿足零件在不同工作條件的要求。
1. 幾個(gè)基本認(rèn)識(shí)
1)等溫淬火球鐵是把健全的球墨鑄鐵件進(jìn)行等溫?zé)崽幚?，以獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，因此其前提是健全的球墨鑄鐵件。
2)合金元素對(duì)球鐵力學(xué)性能有重要影響，但對(duì)等溫淬火球鐵(ADI)沒影響。等淬的目的是就是利用熱處理技術(shù)改變鑄鐵的基體組織，提高力學(xué)性能，節(jié)省合金元素。加入合金元素的目的是提高淬透性。
3)球鐵原始基體組織對(duì)等淬球鐵的力學(xué)性能沒影響，但對(duì)變形有影響，因鐵素體和珠光體變形量是不一樣的，其線性增長(zhǎng)量是鑄態(tài)基體組織和等溫溫度的函數(shù)(見下圖)。
為了提高加工刀具壽命和控制變形，美國(guó)通用汽車公司在生產(chǎn)ADI后橋齒輪時(shí)，鑄件經(jīng)退火以獲得100%的鐵素體。試驗(yàn)表明，在試樣熱透后保溫15分鐘，已足以使基體完全奧氏體化。
4)球化率、球數(shù)對(duì)ADI沖擊、疲勞等動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響很大，強(qiáng)度愈高，影響愈顯著。因此，對(duì)球化率及石墨球數(shù)的要求比普通球鐵高，球化率要求90%以上(見表1、表2)。
表1 石墨球化分級(jí)對(duì)稀土球墨鑄鐵疲勞極限和小能量多沖性能的影響
石墨球化分級(jí)對(duì)稀土球墨鑄鐵疲勞極限和小能量多沖性能的影響
表2 石墨球大小、球數(shù)對(duì)等溫淬火球墨鑄鐵彎曲疲勞強(qiáng)度的影響
石墨球大小、球數(shù)對(duì)等溫淬火球墨鑄鐵彎曲疲勞強(qiáng)度的影響
5)等溫淬火球鐵各牌號(hào)主要靠不同等溫溫度獲得，與化學(xué)成分關(guān)系不大，即同一成分球鐵用不同等溫淬火溫度可生產(chǎn)不同牌號(hào)ADI?；瘜W(xué)成分主要決定于鑄件大小，壁厚和結(jié)構(gòu)。
6)等溫淬火球鐵的某些組織也可通過加入合金元素、空氣中強(qiáng)化冷卻獲得，但因需要加入大量的Ni、Mo、Cu等合金元素，成本太高且不穩(wěn)定，因此不加以討論，主要討論經(jīng)鹽浴等溫淬火處理的ADI。
2. 性能特點(diǎn)
等溫淬火球墨鑄鐵具有以下性能特點(diǎn)：
(1)強(qiáng)度高、塑性好。在同等伸長(zhǎng)率情況下，ADI的抗拉強(qiáng)度是普通球鐵的2倍,而在同等抗拉強(qiáng)度情況下,伸長(zhǎng)率是普通球鐵兩倍以上,ADI抗拉強(qiáng)度也優(yōu)于調(diào)質(zhì)處理的碳鋼,與低合金鋼相當(dāng)。
(2)質(zhì)量輕。表3是一些材料的單位抗拉強(qiáng)度所需零件重量(w/y)。
表3 幾種材質(zhì)的w/y
幾種材質(zhì)的w/y
(3)彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度等動(dòng)載性能高。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度可達(dá)400～500MPa，與調(diào)質(zhì)處理低合金鋼相當(dāng);接觸疲勞強(qiáng)度可達(dá)1600～2100MPa，比低合金鋼氮化處理的接觸疲勞強(qiáng)度高。
(4)吸振性好。ADI由于彈性模量低，加上基體中存在石墨球，能迅速吸收振動(dòng)并增大噪聲阻尼，使部件的運(yùn)行更安靜和平穩(wěn)。
(5)極好的耐磨、抗磨性。試驗(yàn)表明，硬度為45～48HRC的等溫淬火球鐵齒輪，其壽命比具有馬氏體組織、硬度為58～62HRC的鍛鋼齒輪更長(zhǎng)。CADI(含碳化物18%)的耐磨性能勝過許多高合金耐磨鑄鐵(AR)，其無(wú)缺口沖擊韌性則是耐磨鑄鐵的2～10倍，適宜用于要求優(yōu)異耐磨性能和足夠韌性的場(chǎng)合。
(6)表面強(qiáng)化效果顯著。試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐均證明，ADI具有很好的表面強(qiáng)化效果，能顯著提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。例如2007年11月7日修訂的ASTM897M各牌號(hào)典型性能中，通過概率50%單齒彎曲疲勞強(qiáng)度噴丸的比不噴丸的提高50%左右(見表4)。
表4 噴丸對(duì)單齒彎曲疲勞的影響
噴丸對(duì)單齒彎曲疲勞的影響
曲軸經(jīng)圓角滾壓后彎曲疲勞強(qiáng)度也顯著提高。據(jù)美國(guó)聯(lián)合收割機(jī)的一項(xiàng)研究報(bào)告，型號(hào)為202重載貨車V-8柴油機(jī)ADI曲軸，滾壓前后彎曲疲勞強(qiáng)度分別為414MPa和986MPa，提高138%;而普通球鐵曲軸滾壓后的彎曲疲勞強(qiáng)度只提高50～60%左右。
此外，ADI的力學(xué)性能根據(jù)等溫淬火工藝的不同，可以在較大范圍內(nèi)變化，以滿足零件在不同工作條件的要求。
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