等温淬火球墨铸铁的特性、生产技术及应用
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
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
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
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
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
几种材质的w/y
(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
喷丸对单齿弯曲疲劳的影响
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。
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
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
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
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
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
几种材质的w/y
(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
喷丸对单齿弯曲疲劳的影响
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。
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