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        等温淬火球墨铸铁在发展

        日期:2014-08-10 10:14

        将优质健全的球墨铸铁进行等温淬火热处理,得到以针对铁素体和富碳奥氏体混合组织为主的球墨铸铁,称为等温淬火球墨铸铁,英文名Austempered Ductile Iron,简称ADI。这种针状铁素体和富碳奥氏体的混合组织,美国材料试验协会(ASTM)将它命名为奥铁体(Ausferrite)。正是这种独特的显微组织,使等温淬火球墨铸铁具有优异的综合力学性能。

        对球墨铸铁等温热处理进行系统研究并具体应用在齿轮上的试验工作始于上世纪60年代末,并在70年代末,芬兰、美国和中国彼此独立,又几乎同时宣布研究成功ADI

        ADI从系统研究、开发至今已有四十多年了。ADI的发展经历了试验研究、开发应用和产业化生产三个阶段。由于它具有强度高(最高可达Rm1600MPa)、塑性好(最大A%>11%)、动载性能高(弯曲疲劳强度达420~500MPa,接触疲劳强度达1600~2100 MPa)、耐磨性及吸震性好等许多优点,发展很快,应用范围逐步扩大。

        ADI应用市场中,汽车占了主要位置,约为ADI总产量的45%以上,特别是重型卡车的底盘零件,应用很多。据介绍,美国每辆重型卡车中至少有500公斤以上的ADI零件。

        经过几十年的生产、应用,积累了丰富的生产经验和数据。ADI的应用已由一般代用发展到按ADI的性能特点及服役条件利用有限元分析等现代设计技术优化产品结构,达到减小零件壁厚、减轻重量、节能节材的目的。如美国AP公司是世界最大的等温淬火热处理专业厂,年处理量5万多吨,据介绍,它处理的产品中95%是经改进设计的零件。

        现就ADI的几个基本认识、性能特点及发展方向作一简要论述。

        一、ADI的几个基本认识

        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。

        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

        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NiMoCu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

        以上几点,使我们对ADI这种材质有一较为全面的认识,为如何生产出合乎要求的ADI零件创造条件。

        二、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,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1是一些材料的单位抗拉强度所需零件重量(w/y)。

        表1 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400500MPa,与调质处理低合金钢相当;接触疲劳强度可达16002100MPa,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4548HRC的等温淬火球铁齿轮,其寿命比具有马氏体组织、硬度为5862HRC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210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2007117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2)。

        表2 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V8柴油机ADI曲轴,滚压前后弯曲疲劳强度分别为414MPa986MPa,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。

        三、ADI的应用状况和发展

        ADI作为比强度高的新型结构材料,愈来愈受到工程技术人员的重视,许多国家都判定了标准。表3ISO和部分国家的标准。

        表3 部分国家ADI标准的比较

        ISO17804

        Issued 112005

        SAE J2477

        Revised 2004

        ASTM-A897/A897M

        (Revised 2006)

        EN1 564

        (2000)

        GB/T 247332009

        80050010

        75050011

        75050011

        8008

        80010

        80010R

        90060008

        90065009

        90065009

        9007

        9008

        105070006

        105075007

        105075007

        10505

        10506

        120085003

        120085004

        120085004

        12003

        12003

        1400110001

        1400110002

        1400110002

        140001

        14001

        1600130001

        1600130001

        目前ADI的扩大应用工作,主要集中在以下几方面:

        1.不再是简单的代用,而是利用ADI强度高、韧性好、铸造性能好的特点,对零件进行重新设计,以减轻零件重量,这在重卡底盘零件表现最为突出。

        2.为扩大在抗磨零件上的应用,提高ADI的硬度,开发出铸组织中含有10%左右碳化物的ADI(简称CADI)。这种CADI,硬度在RC56以上,冲击韧性在10J以上(无缺口)。已在矿山机械、农业机械、工程机械上得以应用。

        3.采用分级淬火的办法,提高ADI的性能,提高其淬透性及降低等温热处理的成本的研发工作一直在进行,一些新的、针对特定零件的专用热处理生产线已陆续出现。

        4.随着制造工业装备大型化,零件变厚、变大,如何提高淬透性及大型热处理炉研发工作已积极进行,最近已建成10吨大型等温淬火热处理炉。

        所属类别: ADI专题

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