一、等温淬火球铁（ADI）的几个基本认识及性能特点
1． 几个基本认识
1）等温淬火球铁是把健全的球墨铸铁件进行等温热处理，以获得优异的综合力学性能，因此其前提是健全的球墨铸铁件。
2）合金元素对球铁力学性能有重要影响，但对等温淬火球铁（ADI）没影响。等淬的目的是就是利用热处理技术改变铸铁的基体组织，提高力学性能，节省合金元素。加入合金元素的目的是提高淬透性。
3）球铁原始基体组织对等淬球铁的力学性能没影响，但对变形有影响，因铁素体和珠光体变形量是不一样的，其线性增长量是铸态基体组织和等温温度的函数（见下图）。
为了提高加工刀具寿命和控制变形，美国通用汽车公司在生产ADI后桥齿轮时，铸件经退火以获得100%的铁素体。
试验表明，在试样热透后保温15分钟，已足以使基体完全奥氏体化。
4）球化率、球数对ADI冲击、疲劳等动态力学性能影响很大，强度愈高，影响愈显著。因此，对球化率及石墨球数的要求比普通球铁高，球化率要求90%以上（见表1、表2）。
表1 石墨球化分级对稀土球墨铸铁疲劳极限和小能量多冲性能的影响
球化分级
力学性能
1级(>95%)
2级(>90%)
3级(>80%)
4级(>70%)
5级(>60%)
疲劳极限/MPa
286
274
265
251
222
不同冲击功的冲断次数×103
冲击吸收功为2.453J
8.0
6.05
3.89
2.51
1.02
冲击吸收功为1.962J
11.7
10.5
8.8
4.7
0.99
冲击吸收功为1.472J
17.7
16.0
15.8
9.8
3.5
冲击吸收功为0.981J
94.3
99.0
74.9
29.7
6.66
表2 石墨球大小、球数对等温淬火球墨铸铁弯曲疲劳强度的影响
炉号
500个石墨球中大小分布（％）
平均球径/×10-3 mm
球数/mm2
奥铁体显微硬度HV
弯曲疲劳极限/Mpa
<0.01mm
0.01～0.02mm
0.02～0.03mm
0.03～0.04mm
0.04～0.05mm
0.05～0.06mm
>0.06 mm
63
1
14.7
48
22
14
0.3
28.43
170.69
512
250～260
64
2.2
36.3
42.8
10.2
5.3
1.7
1.5
25.88
172.01
551
280
65
12.8
38.2
39.8
8.5
0.7
19.64
262.08
548
350
5）等温淬火球铁各牌号主要靠不同等温温度获得，与化学成分关系不大，即同一成分球铁用不同等温淬火温度可生产不同牌号ADI。化学成分主要决定于铸件大小，壁厚和结构。
6）等温淬火球铁的某些组织也可通过加入合金元素、空气中强化冷却获得，但因需要加入大量的Ni、Mo、Cu等合金元素，成本太高且不稳定，因此不加以讨论，主要讨论经盐浴等温淬火处理的ADI。
2. 性能特点
等温淬火球墨铸铁具有以下性能特点：
（1）强度高、塑性好。在同等伸长率情况下，ADI的抗拉强度是普通球铁的2倍,而在同等抗拉强度情况下,伸长率是普通球铁两倍以上,ADI抗拉强度也优于调质处理的碳钢,与低合金钢相当。
（2）质量轻。表3是一些材料的单位抗拉强度所需零件重量（w/y）。
表3 几种材质的w/y
材料
铝合金(普通)
铝合金(高强度)
ADI
普通球铁
20CrMnTi调质
ZnAl合金
普通锻钢
密度/抗拉强度
0.022～0.095
0.0056
0.0044～0.0084
0.010～0.018
0.0072
0.017～0.011
0.014
（3）弯曲疲劳强度和接触疲劳强度等动载性能高。旋转弯曲疲劳强度可达400～500MPa，与调质处理低合金钢相当；接触疲劳强度可达1600～2100MPa，比低合金钢氮化处理的接触疲劳强度高。
（4）吸振性好。ADI由于弹性模量低，加上基体中存在石墨球，能迅速吸收振动并增大噪声阻尼，使部件的运行更安静和平稳。
（5）极好的耐磨、抗磨性。试验表明，硬度为45～48HRC的等温淬火球铁齿轮，其寿命比具有马氏体组织、硬度为58～62HRC的锻钢齿轮更长。CADI（含碳化物18％）的耐磨性能胜过许多高合金耐磨铸铁（AR），其无缺口冲击韧性则是耐磨铸铁的2～10倍，适宜用于要求优异耐磨性能和足够韧性的场合。
（6）表面强化效果显著。试验和生产实践均证明，ADI具有很好的表面强化效果，能显著提高构件的疲劳强度。例如2007年11月7日修订的ASTM897M各牌号典型性能中，通过概率50%单齿弯曲疲劳强度喷丸的比不喷丸的提高50%左右（见表4）。
表4 喷丸对单齿弯曲疲劳的影响
球铁等级
750
900
1050
1200
1400
1600
不喷丸（MPa）
325
350
365
350
335
320
喷丸（MPa）
650
700
770
700
665
630
曲轴经圆角滚压后弯曲疲劳强度也显著提高。据美国联合收割机的一项研究报告，型号为202重载货车V-8柴油机ADI曲轴，滚压前后弯曲疲劳强度分别为414MPa和986MPa，提高138%；而普通球铁曲轴滚压后的弯曲疲劳强度只提高50～60%左右。
此外，ADI的力学性能根据等温淬火工艺的不同，可以在较大范围内变化，以满足零件在不同工作条件的要求。
二、如何获得健全的球铁坯件
优质球墨铸铁件是等温淬火球墨铸铁的基础，作为等温淬火球墨铸铁的毛坯件，其要求比一般球墨铸铁要严，主要表现在对金相组织和化学成分上，表5为对金相组织的要求。
表5 等温淬火球墨铸铁坯的要求
球化率（%）
球数/（个/mm2）
磷共晶＋碳化物＋缩松（%）
珠光体/铁素体
>90
>100
<0.5
恒定
1.化学成分的确定
ADI碳当量的推荐范围见表6。
表6 推荐用于ADI的碳当量
截面尺寸/mm
CE（%）
0～13
4.4～4.6
13～51
4.3～4.6
>51
4.3～4.5
化学成分范围建议如下：
C
Si
Mn
P
S
Ti
K1
3.6±0.2
2.5±0.2
<0.3
<0.02
<0.015
<0.03
<1
球化系数K1=4.4(%Ti)+ 2.0(%As)+ 2.4(%Sn)+ 5.0(%Sb)+ 290(%Pb)+ 370(%Bi)+1.6(%Al)
一般壁厚大于19mm就需考虑加入合金元素，加入合金元素主要是提高淬透性，对等淬后球铁力学性能没什么影响。增加淬透性的常用合金元素是Cu、Ni和Mo。由于价格低，Cu是首选，当Cu量已加到最大值0.8％仍达不到所要求的淬透性，则加Ni，通常Ni在2％以下。Mo有很好的淬透性，但它极易偏析，又是强的碳化物形成元素。在晶界形成钼的碳化物，影响性能及加工。
一般来说，在促进淬透性方面，质量分数为1%的钼大约是1.6倍的锰的作用，而镍与铜的作用分别只有锰作用的30%。合金元素对ADI临界尺寸的影响见下图。
由图可见，不同热处理条件将导致最大断面的临界尺寸发生很大的变化。图中还表明，能否成功地进行奥氏体等温处理，要取决于合金元素（珠光体淬透性）和等温处理温度。
但上图只表示了单一合金元素的影响。而下列公式则包括了合金元素相互间的作用，用它可以衡量加入与不加入合金元素的球墨铸铁淬透性：
Jdp=2.9（Tr）1/2+18.2（Mn）+25.3（Mo）+6.0（Cu）+28.6（Mo·Cu）+38.6（Mo·Ni）+13.6（Mn·Ni）+50.9（Mo·Cu·Ni）-82.2
式中，Jdp——临界淬透性距离（珠光体淬透性判据）（mm）；
Tr——奥氏体化温度（℃）。
合金元素以质量百分数计。
上式是通过试验得出的，它非常出色地表达出各因素之间的相互关系。公式还表明，在改善淬透性方面，少量多元合金元素比大量单元合金元素更加有效。根据试验、生产实际及公式计算不同壁厚需加入合金元素量，见表7。
表7 不同壁厚淬透需加入的合金元素量
壁厚mm
<9
<25
37～50
Φ75
Φ84
Φ120
Φ150
加入合金元素%
不需要
0.2Mo
0.35Mo
1.0Cu
或0.5Mo
0.41Ni
0.38Mo
0.81Cu或
1.0Ni
0.25Mo
0.50Cu
1.0Ni
0.25Mo
0.75Cu
1.0Ni
0.36Mo
0.75Cu
1.0Ni
0.36Mo
0.75Cu
中心5%珠光体
注: Φ150样块的性能
试样部位
Rm
A
边部
950MPa
9.7%
中心
895MPa
8.2%
2.抓好球铁生产中几个主要工艺环节，保证获得高质量的球铁坯件
1）采用好的原、辅材料，特别是优质铸造生铁和废钢等金属材料
国外球墨铸铁生产中，一直十分重视研究原生铁质量对球墨铸铁性能的影响，选择稳定、合适成份范围的原生铁和废钢是稳定生产高质量球墨铸铁的首要条件。
采用优质铸造生铁和高纯生铁或优质废钢增碳可以保证消除或减少大型球墨铸铁件中心部份的异形石墨，并可提高塑性和韧性。据介绍，英国60％的球墨铸铁厂采用高纯生铁制造大断面铸件或铸态铁素体和铸态珠光体球墨铸铁。美国有一半以上的铁素体球墨铸铁采用高纯生铁作金属原材料。
本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请
点击举报。
