合金化对贝氏体球铁性能的影响 代做毕业设计请加qq:604664738
摘要
等温淬火奥-贝球铁，作为近 40 年来铸铁冶金方面重大成就之一，是因为它有非 常优异的性能。例如：静态综合性能好，特别是在强度较高时其塑性和韧性优良；静 态机械性能稳定；耐磨性能好；疲劳强度高等。在机械、冶金、交通运输和建材等行 业有非常广泛的应用。
本文对等温淬火奥-贝球铁进行了初步的研究。进行了多组试验，简要分析了了合 金元素铜对等温淬火奥-贝球铁基体组织和力学性能的影响,并对铜在铸态球铁中的作用 机理进行了分析。研究了在同一种等温淬火工艺下，不同含 Cu 量对于奥贝球铁组织与 性能的影响；重点分析了铜对奥贝球铁耐磨性的影响。在实验中我们制备了铸态奥-贝 球铁试块,测试了试样的力学性能和耐磨性能，并观察了材料的金相组织结构。实验结果 表明,在试验范围内,随着铜含量增加,奥-贝球铁的强度、硬度、塑性、韧性和耐磨性都有 很大程度的提高。
最终实现我们的研究目的，即：
（1）铸态条件下加入不同含量的铜以观察其对铸铁的强度、韧性和耐磨性的影响。
（2）合理选择合金元素及其加入量。
关键词:：奥-贝球铁，等温淬火，合金元素，基体组织，耐磨性。
Abstract
Austempered Ductile Iron is one of the most importance achievement among metallurgy of ductile cast iron for it has extraordinary excellent property in the nearly last forty years. For example:favorable integrate property of static state, especially the excellent plastic property and toughness in high strength; the stable mechanical property of static state; favorable abrasion resistance; high fatigue strength, and so on. it has very far-ranging industrial application in the vocations of the mechanical engineering.metallurgy.transportation and constructional material .
The Austempered Ductile Iron has been researched initially in this paper. Through many experiments，the influence of Cu to the Austempared Ductile Iron is analysed simply. And the role of alloys Cu on the Austempared Ductile Iron was also analyzed. In the same
austempering process, the effect of the different dissolution of Cu to the microstructure and properties of Austempared Ductile Iron is studied, especially, the investigation of wear-resistant of Austempered Ductile Iron is analysed significantly. In the experiment, we fabricate the test pieces of ductile iron. Their mechanical properties were measured and microstructures were observed. The results indicate that with the increase of Cu in the experiment, the strength. rigidity. ductibility and wear-resistant will also increase largely.
Finally, we achieve our target. That is:
(1) In the condition of casting, we blunge the different quantity of Cu to study the influence of strength. wear-resistant and ductibility to the cast-iron.
(2)Choosing the rational quantity of Cu which is dissolved into the ADI.
Keyword: The Austempered Ductile Iron; Austempering process;Alloy; Matriices; wear-resistant.
目录
毕业设计（论文）任务书 i
摘要 ii
ABSTRACT iii
第 1 章 绪 论 1
1.1 奥-贝球铁发展及应用 1
1.1.1 奥-贝球铁的发展 1
1.1.2 奥-贝球铁的应用 4
1.2 奥-贝球铁的组织 6
1.2.1 贝氏体组织 6
1.2.2 奥氏体组织 7
1.2.3 马氏体组织 7
1.2.4 奥-贝球铁中的白亮区 7
1.3 奥-贝球铁的化学成分及其对组织的影响 8
1.4 奥-贝球铁的性能 10
1.4.1 奥-贝球铁的力学性能 10
1.4.2 奥-贝球铁的耐磨性 11
1.5 奥-贝球铁的热处理规范 13
1.5.1 奥氏体化温度 T? 13
1.5.2 奥氏体化保温时间 t? 13
1.5.3 等温淬火温度 TA 13
1.5.4 等温淬火保温时间 tA 14
1.6 本实验研究的目的和意义 15
第 2 章 实验内容及方案 16
2.1 化学成份的选择 16
2.2 实验材料 16
2.3 实验方法 17
2.3.1 熔炼及浇注工艺 17
2.3.2 试样制备 17
2.4 热处理方式的选择 19
2.5 冲击磨料磨损实验 21
第 3 章 实验结果与分析 23
3.1 实验数据 23
3.1.1 奥贝球铁的强度与延伸率 23
3.1.2 两种等温淬火工艺热处理的奥贝球铁的表面硬度 23
3.1.3 冲击磨料磨损实验数据 24
3.2 实验结果分析 25
3.2.1ADI试样的铸态基体组织及石墨形态 25
3.2.2 合金元素铜对奥贝球铁组织的影响 26
3.2.3 合金元素铜对奥贝球铁力学性能的影响 28
3.2.4 合金元素铜对奥贝球铁耐磨性的影响 28
3.2.5 奥贝球铁磨损机理分析 31
第 4 章 结论 33
致 谢 34
参考文献 35
第 1 章 绪 论
1.1 奥-贝球铁发展及应用
1.1.1 奥-贝球铁的发展
奥-贝球铁（ADI）是综合性能优异的新型工程材料，不但具有高强度，高的塑、韧 性和高的耐磨性，而且还有很好的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。奥-贝球铁自从 20 世纪 50 年代出现以来，引起了世界范围内工程技术界的高度重视，70 年代以后更是得到迅速发展，被成功地应用到生产实践中。
.E. S. Davenport 和 E. C. Bain[1]研究钢的冷却速度与性能的关系时，发现钢在奥氏体 化处理后在某特定温度保持一段时间后，可以得到针状铁素体以及一定界面上沉淀的碳化物共析组织，具有良好的综合性能，这种组织后来被人们称为贝氏体，在较低温度保持，形成针状铁素体和在铁素体内部一定晶面上沉淀的碳化物的混合物称下贝氏体；在较高温度保持，形成板条状铁素体和在板条周围沉淀的碳化物的混合组织称上贝氏体。按现在对贝氏体的分类还有其它各类的贝氏体。这种热处理工艺便称为等温淬火。一定成分的球墨铸铁经等温淬火后得到的铸铁材料，就是等温淬火球墨铸铁(即 ADI) 。
很早就有把等温淬火热处理工艺移植到铸铁的记录。1937 年 Flinn 就在铸铁中得到 等温淬火组织，1949 年 W. W. Braid Wood 就认为针状基体组织的铸铁可能是力学性能最 好的铸铁[2] 。1952 年美国 International Havrester 公司[3]就有等温淬火高强度高韧性球铁 用于收割机履带板和军用车履带板的报告，主要性能为? b =1034MPa，? 0.2 =760MPa，? 为 8%，硬度为 340HB。
在20世纪 70 年代末，美国、芬兰和中国彼此独立地，几乎又是同时研究成功了等温淬火球墨铸铁：美国开发的是高硬度 ADI；芬兰开发的是高韧性 ADI；中国开发的是高强度 ADI。ADI 优越的综合力学性能，引起世界铸冶界的高度重视，ADI 被誉为是 20 世纪后 30 年中铸铁冶金的重大成就之一[4]。从 80 年代到 90 年代十多年的时间里， 人们对等温淬火球铁的基础冶金学，铸造和热处理工艺及控制，静态力学性能，动态力 学性能及其影响的因素，力学数据库的建立以及 ADI 的应用研究做了大量的工作，并取得很多的进展。在美国、欧洲以及日本，ADI 在汽车后桥变速器齿轮、柴油发动机正时齿轮、差动齿轮、曲轴、连杆、凸轮轴、转向销、万向连轴节、矿山车轮、制动部件、闸 瓦、链轮等零件上都取得了良好的效果。
等温淬火球铁最早的批量工业生产应该是美国 Wagner Casting 公司[5],该公司从 1972 年开始生产 1 磅重的中空 ADI 小曲轴，应用在 AE 型压缩机上，连续生产了数百万根曲 轴。
1976 年 11 月美国通用汽车公司（GMC）宣布经该公司铸造中心经 9 年的研究和 6 年的运行试验，开始在 Pintiac 轿车后桥上使用等淬球铁螺伞齿轮来取代锻钢齿轮，1977 年初开始大批量生产，年产球铁齿轮 100 多万套，并获得 1977 年美国铸铁协会大奖； 1978 年美国通用动力公司（GM）以 ADI 制作中等尺寸 GM 四轮轿车发动机上的差动齿 轮，齿轮成本降低 20%，共生产了数百万套[6][7]。
1976 年芬兰 Kymi Kymmene 公司宣布[8]，该公司从 1970 年开始研究，四年后研究 成功一种奥氏体贝氏体铸铁，称为“KYMENITE”，在 13 个国家申请了专利，用来制造 齿轮等承受高应力的零件，1978 年开始生产高韧性后桥齿轮，迄今已生产了 200 多万套， 日产量已超过 5000 套。
80 年代，日本对奥-贝球铁的研究无论在理论和工艺上还是在实用化方面，都获得 了很大进步，特别是在材质的高级化和实用化方面的研究处于较高水平，受到普遍的关 注和好评[9]。
我国最早关于针状组织球铁的报告发表在 1954 年中科院金属研究工作报告会会刊
上[3]。从 1972 年开始，机械科学研究院郑州机械研究所从 1969 年开始研究，采用精铸 方法生产 BJ212、BJ130 等汽车用 ADI 螺旋伞齿轮。1972 年开始小批量生产，1979 年 以“贝氏体球铁精铸汽车螺旋伞齿轮”的论文，参加在西班牙举行的第 46 届国际铸造 会议，引起世界各国汽车厂的极大兴趣[10]；厦门汽配厂，汉口铸造厂，河南正阳农机厂 小批量生产了这种齿轮并且使用效果良好；四川省机械局研究设计院、成都科技大学开 展了稀土镁钒等淬球铁齿轮材料的研究；从 20 世纪 70 年代末起，我国武汉柴油机厂，
原无锡县柴油机厂等单位生产的 195 曲轴都采用了等温淬火工艺代替正火加表面高频淬 火工艺[11]。
国内郑州机械研究所、清华大学、东南大学、浙江大学、华东工学院(现南京理工 大学)，原武汉工学院、郑州工学院、内蒙古工学院、东风汽车公司技术中心等单位， 对 ADI 进行了广泛的试验研究，其中包括：等温淬火工艺参数对 ADI 力学性能的影响； ADI 弯曲疲劳强度、接触疲劳强度、断裂韧度的测定；合金元素(尤其是 Si 和 Mn)对等 温淬火工艺参数、等温转变过程及组织与性能的影响；断面尺寸、铸件初始组织对 ADI
组织以及性能的影响；ADI 的机械加工特性；滚压对 ADI 接触疲劳强度影响影响，等等。 这些研究加强了对 ADI 材料的认识，为 ADI 在我国的产业化提供了技术基础[12]。
在生产方面，我国在上世纪 80 年代以前都生产高强型 ADI，汉口铸造厂在得知芬
兰生产“KYMENITE”信息后，经过 5 年探索，掌握了化学成分、热处理工艺要求都比 较严格的高韧性 ADI 生产技术，并且试制了管材冷轧辊、纺织机齿轮等一系列产品，于 1984 年 6 月在武汉召开了奥氏体-贝氏体球铁鉴定会。1986 年湖北拖拉机厂与原武汉工学院合作试制高韧性 ADI 替代 20CrMnTi 锻钢制作神牛-25 末端传动齿轮，使用性能良好，每付齿轮价格比锻钢件低 100 元。
1994 年江苏清江拖拉机厂用高强度 ADI 替代 20CrMnTi 锻钢制作江苏-120 四轮拖 拉机上的从动大齿轮，取得性能好、成本低的效果；1994 年原华东工学院(现南京理工 大学)与淮海机械厂联合开发ADI 奥拓车三拐曲轴，经在海南岛 3 万公里跑车的跑车试 验获得巨大成功；从 1991 年开始，东风汽车公司技术中心与武汉工学院(现武汉理工大学)， 湖北汽车齿轮厂共同进行“康明斯发动机硬面贝氏体球铁齿轮国产化研究和应用”课题， 经东风汽车公司 500 小时全速全负荷齿轮试验，2000 小时可靠性循环试验，500 小时齿 轮加载耐久性试验以及装机试验，证明齿轮性能完全满足使用要求，与原来传统的渗碳钢齿轮相比，成本降低15%，于 1997 年 10 月通过机械部汽车司组织的鉴定，并认定1998 年国家级新产品，目前湖北汽车齿轮厂累计生产了大约 70万件这种高硬度 ADI 齿轮。
1999 年湖北滤清器厂等单位以 4 种高韧性 ADI 齿轮和 3 种高硬度 ADI 齿轮替代玉 林柴油机厂 YC6108ZQ 柴油发动机上 7 种渗碳钢齿轮的 200 小时强化试验指出：（1）经 长时间强化耐久试验，试验中工作正常，试验后拆检齿轮完好；（2）YC6108 型（东风 车）柴油机用 ADI 齿轮后，与锻钢齿轮相比，噪声明显降低。
2000 年无锡柴油机厂与江苏理工大学试验用高韧性 ADI 齿轮代替 40Cr 调质钢齿轮 进行装机试验，结果是 ADI 齿轮与 40Cr 调质钢齿轮相比，力学性能更高，能满足使用要求，柴油机整体噪声以及齿侧噪声都有明显下降。
近几年，湖北省安陆粮机厂与湖北省机电研究院机厂等单位合作，生产 ADI 榨螺，比原锻钢榨螺使用寿命提高了 4-10 倍，产品出口美国等地，现为桂林英格索兰公司生产的风镐缸体等 ADI 零件，达到美国英格索兰公司 IB934 材料标准要求(? b 超过 895MPa, ? 超过
9%,
?k 超过 105J·cm ) 。
自从 2002 年 11 月在大连举办第三届全国 ADI 技术研讨会以来，国内外 ADI 的技术
研究、生产应用又有了许多新的进展，为了进一步推动我国 ADI 事业的发展，共同交流 研讨我国 ADI 方面取得的成绩、存在的问题和努力的方向，中国机械工程学会铸造学会 铸铁及熔炼专业委员会拟于 2006 年举办第四届全国 ADI 技术研讨会，目的是为了继续 共同努力推进我国 AD 工产业化的进程。
从 20 世纪 80 年代初到 90 年代末，国内外对 ADI 做了大量的研究，但 ADI 产业的 发展还是缓慢的，这一方面是人们对 ADI 有一个认识过程，对材料使用有一种惯性，另 一方面是球铁大规模生产质量控制的难度和热处理设备的限制。从上世纪末到本世纪 初，球铁的控制技术、等温淬火热处理设备、检测设备等都逐渐发展成熟。美国还开发 出 ADI 工艺系统软件，应用这个软件输入铸件的重量和壁厚两个参数，可以设计出铸件 的化学成分和热处理工艺，并预测产品力学性能。目前柴油机向强化(加大功率)、轻量 化、低噪声化发展，有了多年来积累的 ADI 各种数据，加上 ADI 的低成本优势，ADI 又重新成为人们关注的热点。
目前，对 ADI 的研究主要集中在以下方面[14]：
（1）组织结构、组织结构特征及转变机理；
（2）常规力学性能、疲劳性能和耐磨性能等；
（3）热处理工艺参数对材料组织、性能的影响；
（4）化学成分、合金元素及其微量元素对材料组织、性能的影响；
（5）铸态组织和铸件质量对组织和性能的影响；
（6）使用环境对 ADI 性能的影响；
（7）ADI 的加工硬化特性及其机理；
（8）ADI 的切削性能及切削加工参数的研究；
（9）ADI 热处理设备及热处理介质的研究；
（10）ADI 材料的应用研究。
