合金元素对灰铸铁铸态组织和强度的影响外文翻译资料

 2022-11-06 11:12:50

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合金元素对灰铸铁铸态组织和强度的影响

摘要

本文进行了元素组成为Fe–3.2C–wCu–xMo–yMn–zSi灰铸铁的铸造生产实验，其质量分数范围如下 (wt.%)：w = 0.78～1.79, x = 0.11～1.17, y = 0.68～2.34 ，z = 1.41～2.32。这些关键性的元素系统地加入在砂型铸造的直径为30mm的试棒内，以评估它们对显微组织和机械性能发展的影响。研究表明，产生的微观组织从完全的珠光体到残余奥氏体和贝氏体铁素体（称为奥铁体）的均匀混合物的结构之间变化，并且在奥铁体的体积分数和强度之间观察到了合理的线性相关性。在具有近似Fe-3.2C-1.0Cu-0.7Mo-0.55Mn-2.0Si组成的合金中实现了机械性能的最佳组合，可以得到没有合金碳化物的100％的奥铁体。该合金具有与等温淬火灰铸铁相近的微观结构和机械性能，而且没有奥氏体等温淬火相关的诸多问题。

关键词：灰铸铁; 微观组织; 铸件; 奥铁体

一.前言

灰铸铁是一类应用广泛的含铁铸造合金，其显著特征是在铁基体中的片状石墨的微观结构。它基本上是含有少量其他合金元素的Fe-C-Si合金，以及最广泛使用的铸造合金，其世界范围的年生产量为600万吨，是其他金属铸件的几倍 [1]。

灰铸铁的显微组织通常由片状石墨和珠光体或铁素体的基体组成，其机械性能、加工性能等主要依赖于它的基体组成。 常规的灰铸铁具有珠光体基质，拉伸强度范围可以达到140MPa至400MPa。 改善机械性能的主要手段是降低碳当量，因为减少碳当量可以降低石墨的百分比并增加珠光体的百分比。表1显示了灰铸铁的商业价值和相关的机械性能。为了提高灰口铁的性质，对奥氏体微观结构的发展研究已经进行了超过40年[2-6]。 奥氏体灰铸铁的发展是一次特别重要的性能改进[3-7]。奥氏体灰铸铁可替代常规材料或工艺组合[7]。 通过等温淬火，铁素体或珠光体灰铸铁的基体会变成由70-80％的贝氏体铁素体（不含碳化物）和20-30％的残余奥氏体组成的针状微结构，这种结构被称为奥铁体 [6]。研究表明，这种基体结构具有高强度，高耐磨性，振动和声音衰减，高断裂韧性独特组合的灰铸铁[6,7]。常规的灰铸铁的奥氏体回火热处理过程包括在840-900℃的温度下奥氏体化，根据组成和铸造厚度的不同保温几个小时不等，然后在230-425℃温度下进行等温淬火[6,7]。

表1 各种灰铸铁的成分和力学性能[8]

种类

含碳总量 (wt.%)

含硅总量 (wt.%)

抗拉强度 (MPa)

试样横向载荷 (kg f)

硬度 (HB)

20

3.40–3.60

2.30–2.50

152

839

156

25

–

–

179

987

174

30

3.10–3.30

2.10–2.30

214

1145

210

35

–

–

252

1293

212

40

2.95–3.15

1.70–2.00

293

1440

235

50

2.70–3.00

1.70–2.00

362

1633

262

60

2.50–2.85

1.90–2.10

431

1678

302

虽然这种热处理方案可以生产具有优异性能的灰铸铁，但是它需要相当大的能量和生产空间，并且可能导致环境污染以及部件的氧化和开裂。这些问题限制了奥氏体灰铸铁的广泛生产，所以通过直接铸造的方式进行奥氏体灰铸铁的生产。本工作旨在说明铸造期间对常规灰铸铁加入哪种合金添加剂才能够产生具有与奥氏体灰铸铁相当的机械性能的奥氏体 - 贝氏体铁素体（奥氏体）显微组织的合金。

二.实验

2.1材料和铸造过程

本次实验的主要目的是确定关键合金元素对灰铸铁微观结构发展的影响及其机械性能的影响。 使用由母合金（表2）制备的基础合金试样和通过主要合金元素：Mo，Mn，Si和Cu的系统性变化进行铸造实验。在表2所示的基础组合物对应于一个35类的合金（见表1）。 表2还显示出了Mo，Mn，Si和Cu在该基本组成系统中是如何变化的。

表2 实验中的合金范围(wt.%)

元素

C

Mo

Mn

Si

Cu

基体合金组成 (wt.%)

3.2

lt;0.005

0.55

1.41

lt;0.005

控制合金的组成 (wt.%)

1.0Cu

1.0Cu

1.0Cu

0.32 and 0.53Mo

0.55Mn

0.32Mo

0.32Mo

0.55Mn

添加到控制合金中的合金元素的含量范围

2.0Si

0.11–1.17a

1.80Si

0.68–2.34a

1.05Mn

1.41–2.32

2.0Si

0.78–1.79

基体合金组合物在第2行中给出;在行3中给出的控制合金和在这些控制合金中变化的合金元素在行6中给出机械测试样品的组成范围为0.64-1.54％Mo和0-1.04％Mn。

将基础灰铸铁在感应炉中1500℃温度下的感应炉中熔化，其中将中间合金添加到熔体中以产生所需要的组成。 在1480-1520℃范围内的温度下混合后，将一部分具有所需组成的熔体倒入容器中，在其中加入0.5％的75Si-25Fe合金。 金相样品模具是由树脂粘合干燥石英砂制成，用于机械测试的模具也是用干燥石英砂制备，但使用的是粘土粘结并用涂有水基涂料石墨制成。 两种类型的模具在铸造过程中产生相同的冷却特性以及相同的微观结构[9]。 铸造温度为1380-1420℃。 铸造完成后，将含有样品的所有模具在空气中冷却至室温。

2.2 金相和力学性能

分别用Oslash;120 mmtimes;30 mm和350 mmtimes;30mm的圆柱棒进行金相观察和机械测试，再用后者进行横向断裂应力（TFS）和夏比冲击试验的测定[9]。对每个横向断裂试样的下半部分进行加工以确定极限拉伸应力（UTS）。 对于给定的组合物，浇铸三个试样并测定显微结构和机械性能。 铸造完之后，垂直截取圆柱形棒的长轴作为光学金相学的样品，并且在机械测试后，使用Hitachi S4500场发射枪扫描电子显微镜扫描。(FEGSEM).使用装有尼康数码相机DXM 1200的Nikon Epiphot 200与光学显微镜结合的Adobe Photoshop 6.0进行基体微量成分（铁素体，珠光体，铁素体，马氏体和石墨）的体积分数测量。对于每个样品来说， 在100倍的放大倍数下随机选择区域分析，微量成分的体积分数则由金相的量确定。

三 .结果与讨论

3.1 合金元素对显微结构发展的影响

3.1.1.钼

对于恒定的基体组成（wt。％）Fe-3.2C-1.0Cu-0.55Mn-2.0Si。将 x = 0.11-1.17（wt。％）范围的Mo加入到基体中进行熔化，Mo对显微结构发展的影响在表3和图1中给出。其中可以看出大于0.62％

Mo的合金产生了0~100％的铁素体（贝氏体铁素体，alpha;B，Y奥氏体）的基体显微组织而不改变石墨形态。 含有0.62％Mo的合金的典型光学照片和SEM显微照片显示E型片状石墨（图2a）在alpha;B和gamma;（图2b中标记）的基质中的均匀分布。对于低Mo含量，珠光体以与钢中的珠光体类似的层状形态产生，而对于Mo含量较高的，在铁素体的奥氏体基体中产生的奥氏体呈针状分布，Mo含量超过0.95％的合金在共晶单元边界处会产生Mo的碳化物。

表3 Mo（重量％）对Fe-3.2C-1.0Cu-xMo-0.55Mn-2.0S的铸态微观结构的影响

Mo (%) 基体微观结构 (%) 石墨片

奥氏体

贝氏体

珠光体

类型

百分比e

0.11

0

0

100

E

7.5

0.22

0

0

100

E

8.2

0.31

0.8

4.7

94.5

E

7.9

0.40

3.8

16.0

80.2

E

7.5

0.51

21.1

50.9

28.0

E

6.8

0.62

27.8

68.2

5.0

E

6.5

0.73

28.7

69.0

2.3

E

6.7

0.95

31.9

68.1

0

E

6.4

lt;

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