热处理工艺对等温淬火的影响范文

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等温淬火球墨铸铁被誉为近30年来铸铁冶金方面的重大成就之一，是材料领域的新科技产物，使用这种材料制备的铸件具有强度高、韧性好、强塑积较高、综合性能良好以及生产成本低等优点，因此具有良好的应用前景，已经成为人们关注的热点材料之一。等温淬火球墨铸铁一般通过将铸造状况良好的铸态球墨铸铁进行等温淬火，最后空冷至室温，等温淬火工艺可以较容易地在球墨铸铁中获得贝氏体和残余奥氏体的混合组织，较高的残余奥氏体含量使得这种材料相对其他铸铁材料来说有较好的塑性，而含量较高的贝氏体又使其有较高的强度，这使得等温淬火球墨铸铁具有相当优良的综合机械性能。等温淬火工艺是20世纪30年代学者在研究合金钢中等温奥氏体转变时移植过来的，此热处理工艺最初用于钢的奥氏体等温淬火处理，现已广泛用于球墨铸铁生产。典型的奥贝球墨铸铁等温淬火工艺为:首先将球墨铸铁进行完全奥氏体化，然后将其迅速淬入一定温度的盐浴中等温，以避免在高温发生珠光体转变，保温一定时间后出炉空冷至室温。本试验的目的在于通过合适的热处理工艺使得常规铸造得到的铸态球墨铸铁材料能够获得优良的综合力学性能。

1试验材料与方法

试验材料采用常见的铸态球墨铸铁，具体成分如表1。热处理试样制备采用手工砂型铸造得到的标准Y型试块(25mmY-Block)，从Y型试块底部切得标准拉伸试样各2个。拉伸试样采用ASTM_E8M-2004标准。将制备好的试样在箱式电阻炉中900℃保温，保温时间分别为20、30、50min，进行奥氏体化，然后将试样迅速放入硝盐浴(50%KNO3+50%NaNO3)中进行335、350、380℃等温，等温时间为1．5h，最后空冷至室温。热处理后的试样经过粗磨、细磨后使用高氯酸(80%)+冰醋酸(20%)电解液进行电解抛光10s左右，再使用X射线衍射仪测定残余奥氏体含量，并计算残余奥氏体的含碳量。

2试验结果及分析

2．1贝氏体等温温度对残余奥氏体量及其含碳量的影响根据X射线衍射图(图1)，并利用式(1)～式(3)计算残余奥氏体含量及其含碳量，残余奥氏体含量如图2、残余奥氏体含碳量如图3所示。从图2和图3可以看出，在335～380℃等温时，试验等温淬火球墨铸铁均获得了数量可观的残余奥氏体，且残余奥氏体含碳量均在1．75%～2．0%之间，这种含碳量的残余奥氏体在热力学上较为稳定，且在受应变时不容易转变成马氏体。从图2中可以看出，在试验温度范围内，随着贝氏体等温温度的升高，残余奥氏体的体积分数逐渐增多，最高时接近50%，而残余奥氏体含碳量有先上升后下降的趋势。这是因为，在等温温度较低情况下，碳原子在奥氏体中的扩散系数Dγ较小，碳原子从贝氏体中通过贝氏体和奥氏体晶界扩散到奥氏体的过程不能迅速充分且快速的进行，导致此时形成的残余奥氏体含碳量较低，无论是热力学还是在受应变时都不稳定，在空冷或者机加工时会形成一定量的马氏体夹杂在贝氏体组织中，且这种马氏体不易区分，使残余奥氏体含量较低，影响材料性能。随着贝氏体等温温度的升高，碳原子在奥氏体中的扩散系数Dγ增大，更多的碳原子会固溶到奥氏体中，使残余奥氏体含量提高，这时形成的残余奥氏体含碳量也较高，残余奥氏体也比较稳定。但当温度升高至380℃时，碳原子的扩散速度相对试验其他温度下的扩散速度要快，富碳残余奥氏体中多余的碳会在贝氏体奥氏体晶界处析出少量的碳化物，使得残余奥氏体含碳量又有一定程度的下降。

2．2贝氏体等温温度对等温淬火球墨铸铁组织和力学性能的影响从图4可以看出，试验处理后的组织主要为石墨、贝氏体、残余奥氏体以及少量的马氏体。等温温度低，形成针状下贝氏体。等温温度高，形成羽毛状上贝氏体，贝氏体形态较粗大。而残余奥氏体形态一直呈不规则形状。

2．2．1贝氏体等温温度对抗拉强度的影响在等温淬火球墨铸铁中，影响其强度的主要是组织中贝氏体的含量及其形态。从图5中可以看出，在试验温度范围内随着贝氏体等温温度的升高，抗拉强度逐渐减小。这是因为在温度较低时，碳原子的扩散速度较慢，而贝氏体的生长速度也较慢，此时形成的贝氏体形态上多为针状，尺寸较小，相界面结合力较高，因此强度较高。随着温度的升高，贝氏体生长速度增大，其形态也在发生改变，等温温度低，形成针状下贝氏体，等温温度高，形成羽毛状上贝氏体，贝氏体形态较粗大，使得抗拉强度逐渐降低。

2．2．2贝氏体等温温度对伸长率的影响影响伸长率的主要因素为基体中的残余奥氏体量及其含碳量，而残余奥氏体含碳量将决定残余奥氏体的稳定性。从图5中可以看出，在所试验温度范围内，随着贝氏体等温温度的升高，伸长率先增大后下降。这是因为温度较低时，碳原子扩散速度较慢，形成的残余奥氏体含量较少，且有部分含碳量较低，残余奥氏体稳定性较差，使得这些残余奥氏体在空冷、机加工、或拉伸受力时有部分会转变成马氏体，这部分马氏体对延伸率的影响极大，因此此时延伸率较低。随着贝氏体等温温度的升高，碳原子的扩散能力增强，有更多的碳原子从贝氏体中扩散并固溶到周围的残余奥氏体中，使得未转变的残余奥氏体含碳量增加，稳定性升高，冷却到室温后得以保存下来的残余奥氏体含量增加，因此延伸率上升。但同时，贝氏体逐渐长大，到380℃时贝氏体形态明显粗大，相界面结合能力减弱，因此延伸率会有一定程度的下降。此外温度较高时，贝氏体奥氏体晶界处析出极少量的碳化物，也是造成延伸率下降的原因之一。

2．3拉伸断口形貌一般来说，断口形貌是反映试样韧塑性优劣的一个标准。球墨铸铁中石墨相当于基体上的空洞，对强度产生较大影响，在拉应力作用下，容易从圆度不足的石墨球边缘产生裂纹。图6为试样等温淬火后拉伸断口形貌扫描图片，可以看出试样拉伸断口处存在大量韧窝，属于韧性断裂。

3结论

(1)在试验温度范围内，随着贝氏体等温温度的升高，材料的抗拉强度逐渐降低，伸长率先增大后下降。(2)试验球墨铸铁中均有较多的残余奥氏体，含量在17%～49%不等，其含碳量均在1．7%～1．9%之间，这些残余奥氏体均为富碳、稳定的奥氏体。(3)等温温度低时(335℃)，形成针状下贝氏体;等温温度高时(380℃)，形成羽毛状上贝氏体。(4)试样拉伸断口形貌呈现大量的韧窝状，韧性断裂明显。

作者：吴停 顾晓文 从永龙 史文 李麟 单位：上海大学材料科学与工程学院 上海上大热处理有限公司