准铸态贝氏体低碳球铁的组织分析

摘要：采用扫描电镜和X射线衍射仪对准铸态贝氏体低碳球铁的组织结构、断口形貌和微区成分进行了分析和研究。结果表明，经准铸态贝氏体工艺处理后，低碳球铁的基体组织以针状无碳贝氏体为主，并有25%～28%的奥氏体；准铸态贝氏体低碳球铁韧塑性的提高，与其组织中形成的大量奥氏体和镶嵌在当中的针状无碳贝氏体密切相关。

1、引言

低碳球铁是在不加镁和稀土的情况下，用某些反球化表面活性元素为主要组元组成一种新型Sx变质剂，对含(质量分数，%)1.2～2.0C，1.8～3.0Si的超亚共晶低碳铁水进行变质处理，在铸态下得到的一种石墨球细小、圆整，综合力学性能较高的新型球铁[1]。准铸态贝氏体低碳球铁[2～3]是利用铸铁奥氏体等温转变的原理，对低碳球铁进行较低级别的低合金化处理，然后在铸件浇注后进行高温打箱、控制冷却、在贝氏体转变温度充分保温的工艺措施，使其基体组织转变为以针状无碳贝氏体为主，并兼有足够数量奥氏体的复相组织。准铸态贝氏体工艺[4，5]可利用少量、廉价的Si-Mn-Cr-Cu合金(Cr+Cu≤1%)代替昂贵的Ni-Mo-Cu合金(Ni+Mo+Cu≥2%)，对传统球铁、灰口铸铁、低碳球铁等进行处理。该工艺与精细铸造、真空消失模铸造等铸造工艺结合，可生产少切削、无切削的近净成型铸件，这一生产模式不仅有着较高的经济效益，而且还有着很好的社会效益和工程实用价值。

本文对准铸态贝氏体低碳球铁组织结构进行了分析和研究，并为准铸态贝氏体低碳球铁的工业生产应用提供相应的理论依据。

2、试验材料及方法

试验研究对象为<60mm～<100mm的球磨机磨球、破碎机锤头、柴油机曲轴、凸轮轴等产品。熔炼设备为500kg可控硅中频电炉，铸件及有关试样通过真空消失模铸造工艺获得；准铸态贝氏体低碳球铁的主要原料为碳钢边角料、昆明钢铁厂炼钢生铁、75硅铁、锰铁、中碳铬铁、电解铜及Sx变质剂。低碳球铁的主要成分(质量分数，%)为1.2～2.0C、1.8～3.0Si、0.8～2.0Mn、<0.1S、<0.1P、余量Fe。炉料基本化清时在炉内加入硅铁、锰铁和少量铬铁、电解铜对铁液进行Si2Mn2Cr2Cu低合金化处理(Cr+Cu≤1%)。铁水出炉温度为1500℃～1550℃，出炉时在包内加入铁水质量0.5%～0.7%的Sx变质剂进行变质处理，变质后不需再进行孕育处理即可获得理想的球化效果。组织分析和力学性能试样均取自生产现场，采用JSM25600LV高、低真空扫描电镜和D/MAX230型X射线衍射仪对试样进行组织结构分析，采用拉断后的试样在CambridgeS250MK2型扫描电镜上进行断口分析。

3、试验结果及分析

准铸态贝氏体低碳球铁中的石墨和基体组织照片。低碳球铁中石墨细小圆整，分布均匀，球化率约为1～2级，石墨球大小为6～7级；金属基体主要由上、下贝氏体和残留奥氏体组成。基体组织仍然是针状无碳贝氏体+奥氏体，其中的高碳相是细小、圆整的球状石墨。球状石墨的析出，从根本上压制了针状无碳贝氏体周围碳化物的出现；奥氏体除具有很强的加工硬化能力外，还能减缓裂纹的扩展速率，并在低温下仍有很高的稳定性[6，7]；而针状无碳贝氏体除使材质具有很高的强度外，还由于镶嵌在奥氏体中，使得低碳球铁的韧性和塑性得到较大的提高。

该断口中存在着数量较多的奥氏体枝晶。枝晶的主轴和二次晶、三次晶清晰可见。由于这些奥氏体枝晶的存在，一方面增加了低碳球铁铸件形成显微缩松的几率，另一方面，又可明显提高低碳球铁的韧塑性。上部呈现出具有河流花样的解理特征，裂纹源位于照片中部台阶的后面；而中部由一些相互平行的小台阶组成，如果仔细观察可以看到这些台阶的平面上还分布着很多河流花样，这些台阶应属于萘状断口花样；下部则由大小不一的韧窝组成。由此可以判断，准铸态贝氏体低碳球铁的断裂形式属于韧-脆性混合型断口。

未经铸态贝氏体工艺处理的珠光体低碳球铁的断口形貌，其断口仍应属于脆性穿晶断裂的范畴，基本由排列整齐的一个个平台组成，经仔细观察，这种类似台阶的断口形貌同样应该属于萘状断口花样[8，9]。通过图2和图3的对比可清楚地表明，经过准铸态贝氏体工艺处理后的准铸态贝氏体低碳球铁，韧塑性得到了明显提高，毫无疑问，这与其组织中形成的大量奥氏体和镶嵌在其中的针状无碳贝氏体有着密切的联系。

在准铸态贝氏体低碳球铁组织中奥氏体所占比例约为25%～28%，该分析结果进一步表明，准铸态贝氏体工艺对低碳球铁的奥氏体—针状无碳贝氏体组织中残留奥氏体的形成转变起到了重要的作用。

准铸态贝氏体低碳球铁试样的石墨球边缘1号、2号和奥氏体基体3号进行微区成分分析的照片。①在球状石墨/金属基体界面，富集了C、O、Fe、Si、Cr等元素，其中C除了形成石墨外，还和Si、O以CaCO3、CaC2和SiO2的形式出现；②在石墨球，C的浓度明显高于石墨球边缘的，O和Fe的浓度则明显低于石墨球边缘的；C主要为石墨，也有部分以CaCO3、CaC2的形式出现；③在奥氏体区域，Fe的浓度特别高，C和Si有少量富集。结果表明，准铸态贝氏体低碳球铁中奥氏体的含碳量明显高于钢中奥氏体的含碳量，这显然与石墨球及针状无碳贝氏体的形成有着某种内在的联系。

4、讨论

从动力学的角度分析，等温淬火球铁之所以要加入一定数量的Ni、Mo等合金元素，主要是为了扩大奥氏体区域，使C曲线右移，压制奥氏体的分解；二是通过对球铁等温动力学曲线的影响，使其形状变为具有两个鼻子的S曲线，以便按照需要稳定地获得以无碳贝氏体为主，并在室温下稳定地保留一定数量(25%～28%)奥氏体组织。另外，加入某些合金元素，可大大提高球铁的强韧性，使其综合力学性能得到加强。按此思路，凡是能够满足上述要求的合金元素都应该在选择范围之内，但如果从市场经济的角度考虑问题，则应根据我国的国情，在保证满足上述要求的基础上尽量选择价廉易得的合金。准铸态贝氏体低碳球铁利用Si-Mn-Cr-Cu合金(Cr+Cu≤1%)代替Ni-Mo-Cu合金(Ni+Mo+Cu≥2%)，正是基于上述原则进行的。在准铸态贝氏体低碳球铁中，Mn/Si含量控制在0.70%～0.85%，Cr含量控制在0.2%～0.3%，Cu的加入量控制在0.5%以下。

准铸态贝氏体工艺既克服了等温淬火耗能耗时严重，工艺技术复杂的缺点，又避免了纯粹铸态工艺性能指标分散，总体水平较低，需加入较多镍钼铜合金使生产成本大大增加的不足。本研究中，通过XWC2314型多点电子电位差计，测定出不同直径磨球(或曲轴、凸轮轴、锤头等)在消失模中随型冷却的凝固动态曲线，并由此计算出它们在沙箱内随型分别冷却到890℃～910℃所需的时间以及打箱后在冷却介质中分别冷却到340℃～370℃所需时间，加以严格控制。铸件落砂后立即装入料筐内放入冷却介质中，按照不同铸件所需停留时间控制铸件从冷却介质中取出的时间；取出后迅速放入事先设置好温度的井式电炉中进行等温处理。等温时间定为45min，等温结束以后即可将铸件取出空冷到室温。

采用准铸态贝氏体工艺，大大节省了添加镍钼合金的费用，省去了铸件的高温热处理和硝盐的等温处理，降低了能耗，保护了环境，降低了工人的劳动强度，改善了工作环境。环境污染的减少，使企业内部及企业周边的环境都得到了有效地改善，大大缓解了企业与周边单位和农民的矛盾。

5、结论

(1)利用准铸态贝氏体工艺，可通过价廉易得的Si-Mn-Cr-Cu合金替代价格较为昂贵的Ni-Mo-Cu合金对低碳球铁进行低合金化处理，使其基体组织稳定获得以针状无碳贝氏体为主，并有一定比例的奥氏体(25%～28%)的准铸态贝氏体低碳球铁。

(2)准铸态贝氏体低碳球铁的断裂形式属于韧-脆性混合型断裂。这一结果与其组织中形成的大量奥氏体和镶嵌在当中的针状无碳贝氏体有着密切的联系。