球墨铸铁的塑性变形及奥贝组织研究

张青来，王粒粒，胡永学，戴起勋

(江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江　212013)

摘  要：利用Gleeble-1500热力学模拟机、光学和透射电子显微镜对球墨铸铁变形前后以及等温淬火处理后的组织

进行了分析。结果表明，球铁热塑性变形最佳温度在750～800℃区间，此时流变应力接近950℃时的流变应力；变形后球铁为三层组织结构“球状石墨+蠕虫状石墨+流线型石墨”；在透射电镜下清楚地观察到不同形状的下贝氏体和上贝氏体形貌以及典型的隐“M”型马氏体形貌。

关键词：球墨铸铁；塑性变形；贝氏体；马氏体

奥贝球铁(austemperedductileiron，简称ADI)是一种综合力学性能优异的工程材料。由于它不仅具有高的强度、高的硬度、高的耐磨性能，而且还有较好的塑性与低温韧性，引起了世界范围内工程技术界的高度重视。除合金化和热处理方法来改善组织和提高铸铁性能之外，另一改善铸铁性能的方法—热压力加工于1931年首先由俄罗斯С.А.Барановым提出。20世纪80年代开始，水平连铸球铁棒材的生产使人们又开始着手球铁的变形和锻造工艺的研究，特别是热压力加工可减少化学不均匀性，变形铸铁热处理可提高力学性能，热处理后的高强度变形铸铁完全可取代钢制造轴、齿轮等汽车零件。ADI材料能够代替锻钢作为制造齿轮的材料[6-9]。国内尚未见到变形铸铁+热处理方法研究和生产ADI齿轮的报道。本文通过热力学模拟试验研究了球铁的热塑性变形参数，并对变形铸铁的组织及变形前后奥贝组织进行了研究和分析。

1　试验材料与方法

　　选用球墨铸铁QT50水平连铸棒材作为试验材料，其化学成分(质量分数，%)为：3.42C、2.48Si、0.11Mn、0.015S、0.027P、0.33Mo、0.37Cu、0.04Mg、0.038RE。棒材经热循环粒状珠光体化热处理后供试验用，热处理制度如下：在电炉中加热到650℃，保温30min，然后再放人750℃的炉中，保温30min，再返回到650℃的炉中，这样循环5个周期，最后空冷。

在Gleeble-1500热力学模拟试验机上进行压缩试验。试样尺寸为10mm×15mm，试验温度为700～950℃，压缩量为80%，以10℃/s的加热速度直接电加热至试验温度，保温1min，测其真应力-真应变曲线，获得球铁在不同温度下的流变应力情况。

球铁模锻工艺流程：连铸棒加工成70mm×80mm毛坯→加热至1000℃→自由模锻、冲孔、空冷→粗加工。

等温淬火处理工艺：M12标准拉伸试样加热至900℃，保温30min，待全部奥氏体化后，置入盐浴炉中(成分为55%的KNO3+45%的NaNO3)，盐浴温度为237～378℃，保温不同时间取出，水淬至室温，得到不同的贝氏体组织，然后用Neophot2l型光学显微镜观察显微组织，用透射电子显微镜对贝氏体种类、形貌进行分析。

2　试验结果与分析

2.1　热力学模拟试验结果

图1是球墨铸铁粒状珠光体化前后的显微组织。从图1可观察到，水平连铸球铁棒材具有细小球状石墨的珠光体型组织(如图1a和1b所示)。热循环退火处理可减少珠光体体积，增加铁素体数量，石墨形状以及晶粒尺寸实际上不发生变化(如图1c和1d所示)。由于片状珠光体转变为粒状珠光体的结果，塑性得到提高，这与参考文献的研究结果一致。

图1　球墨铸铁粒状珠光体化前后显微组织

(a)铸态(抛光)　×100　(b)铸态(腐蚀)　×100　(c)铸态　×500　(d)热处理后　×500

图2所示为不同温度下塑性变形的球铁流变应力(真应力)-真应变关系。从图2可见，随变形温度增加，流变应力降低，在750～800℃时的流变应力接近950℃时的流变应力。在850℃和900℃时最大屈服应力出现反常现象，反而升高，出现双颈现象。温度继续升高至950℃时，最大屈服应力又开始下降，双颈现象消失。双颈现象发生在相变共析临界温度范围内。

因此，球铁的热塑性变形最佳温度在750～800℃的区间，符合速率为10-2～10-3s-1、速度敏感系数m=0.37～0·46和总变形量为70%球铁超塑性等温锻造[5]的研究结果。

图2　球墨铸铁真应力-应变曲线

2.2　模锻试验结果

图3是球铁模锻并粗加工后的毛坯。图4是球铁锻、冲后毛坯的石墨形状分布情况。从图4a到图4d可看出锻件断面的石墨形状变化规律，石墨形状由圆形逐渐向流线型过渡。边缘部分石墨形状基本保持球形，其尺寸较小，数量较多，如图4a；中间部分石墨形状稍微被拉长，球状石墨两端出现“尾巴”，其形状介于钝形和尖形之间，类似于蠕虫状石墨，均匀分布，见图4b；心部石墨形状基本呈流线型，其两端为钝形，不同于片状石墨的两端尖形，如图4c和4d。因此，变形球铁组织完全区别于球铁、蠕墨铸铁和灰铸铁的组织，呈三层组织结构(球状石墨+蠕虫状石墨+流线型石墨)，变形石墨周围的铁素体和珠光体相应被拉长。

图3　球铁模锻和粗加工后的试样

(a)模锻　　(b)机加工

　　众所周知，石墨的形状对铸铁材料的性能有着重要影响，无论在强度上还是在塑性方面，球墨铸铁都高于灰口铸铁，而且片状石墨对基体有切割作用。

关于变形铸铁的力学性能，Л.А.Солнцев指出：热压力加工减少化学不均匀性，与变形前铸铁相比，变形铸铁热处理可提高力学性能，其冲击韧度和塑性提高2～3倍。Л.Н.Козлов[3]的研究结果表明，铸铁棒材经塑性变形后，强度增加12%～40%，硬度增加5～142HB，在锻件中心部分石墨沿轴心被拉长。

Н.И.Бех[4-5]博士研究了汽车齿轮零件锻造工艺制度，于1995年获初步成果，开发出“КАМАЗ”汽车经锻造的后桥球铁齿轮，与原始铸态比较，强度增加到130%～250%，塑性和硬度也相应提高，在变形最大位置石

墨沿材料流动方向被拉伸。С.В.Моцигин博士在1991年学术报告上介绍了采用超塑性等温锻造球墨铸铁齿轮毛坯，然后滚压齿轮，其齿轮硬度和强度可提高20%～30%。由于塑性变形和动态再结晶的结果，晶粒得到细化，基体得到强化，基体的强化作用大于变形石墨尖端对基体的负作用。因此变形球墨铸铁是有发展前途的汽车传动齿轮零件材料。

图4　球铁变形后的金相组织　×100

(a)边缘　(b)中间　(c，d)心部

2.3　等温淬火及组织分析

图5是球墨铸铁塑性变形前后的奥贝氏体显微组织。从图5可观察到，过冷奥氏体在450～200℃之间转变成不同类型贝氏体。等温温度在378℃左右获得(A+B上)组织，贝氏体是由羽毛状上贝氏体和少量下贝氏体组成，如图5a、c、d所示；等温温度在276℃左右获得(A+B下)组织，贝氏体则由黑针状下贝氏体和少量上贝氏体组成，见图5b、d、f。

图5　不同等温淬火处理下奥贝球铁的金相组织(a，b-变形；c～f-非变形)　×500

(a，d)900℃×30min+378℃×0·5h　(c)900℃×30min+378℃×15min

(b，f)900℃×30min+276℃×0·5h　(e)900℃×30min+276℃×15min

　　非变形球墨铸铁经不同等温淬火处理后获得不同类型贝氏体形状，见图6所示。从图6清晰可见高倍显微镜下的贝氏体、铁素体、马氏体形状。铁素体呈短而粗的板条状，且铁素体内没有渗碳体析出的上贝氏体，奥氏体内有针状和“M”型马氏体存在，见图6a；有的渗碳体不连续分布在铁素体条边界的羽毛状上贝氏体上，有的上贝氏体形貌是混合型的，晶界内贝氏体呈细长铁素体和渗碳体平行分布，在另一晶界内分布着短粗板条状铁素体型上贝氏体，见图6b；细长而平行的铁素体与渗碳体两相混合构成了典型羽毛状贝氏体形状，奥氏体晶内有“M”型马氏体析出；晶界内贝氏体由细长铁素体及其间不连续分布渗碳体组成，而在另一晶界内则由针状下贝氏体、细长羽毛状贝氏体和针状及“M”型马氏体混合组成，见图6c；还可观察到不规则排列的针状下贝氏体和规则排列的细长羽毛状上贝氏体形貌，见图6d。从图6c可清晰观察到典型的隐“M”型马氏体形貌。

图6　不同等温淬火处理下奥贝球铁的TEM像

(a)900℃×30min+378℃×60min　(b)900℃×30min+355℃×45min

(c)900℃×30min+378℃×30min　(d)900℃×30min+276℃×40min

3　结论

(1) 球铁热塑性变形最佳温度在750～800℃区间，其流变应力接近950℃时的流变应力。

(2) 变形球铁为三层组织结构：球状石墨+蠕虫状石墨+流线型石墨，变形石墨周围的铁素体和珠光体相应也被拉长，基体的强化作用大于变形石墨尖端对基体的负作用。

(3) 球铁等温淬火处理后，在高倍显微镜下可观察到不规则排列的针状下贝氏体和规则排列的细长羽毛状上贝氏体形貌以及典型的隐“M”型马氏体形貌。