【文章內(nèi)容簡介】 件 的形狀和整體的化學成分 ，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變 工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。使金屬工件具有所需要的 力學 性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。 鋼鐵 是機械工業(yè)中應用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學、物理和化學性能，以獲得不同的使用性能。 熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程， 有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷 。 在 ADI 的生產(chǎn)過程中，熱處理工藝對最終產(chǎn)品的組織及性能有極其重要的影響，是最關(guān)鍵的生產(chǎn)工藝。在熱處理時應該嚴格控制奧氏體化溫度、等溫淬火溫度和保溫時間，這是控制產(chǎn)品最終性能的重要工藝參數(shù)。 等溫淬火過程為 把 鑄 件加熱使其奧氏體化并均勻化后，使之快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間（ 260～ 400℃ ），放入溫度稍高 于 Ms 點的硝鹽浴或堿浴中，等溫保持一定時間（一般在浴槽中保溫時間為 30~60min），使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)?貝氏體 ，然后取出置于空氣中冷卻的淬火工藝。 東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 1 章 緒 論 7 圖 C曲線 奧氏體化是指將材料加熱到的奧氏體化區(qū)域（如圖 所示），并在該區(qū)域內(nèi)保溫直至組織完全奧氏體化。奧氏體化溫度的提高會引起奧氏 體中 碳 的溶解度增加，減慢貝氏體轉(zhuǎn)變速度，阻礙貝氏體的形成，殘余奧氏體將增多；同時，奧氏體化溫度提高會使奧氏體晶粒粗大，導致等溫轉(zhuǎn)變形成的貝氏體粗大。因此，在保證完全奧氏體化的同時應適當降低奧氏體化溫度。 東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 1 章 緒 論 8 圖 FeC相圖 通過 等溫淬火 可以達到以下 目的 ： （ 1） 獲得 針狀鐵素體 以增強鋼材的強度、硬度、韌性、耐磨性 和塑性。 （ 2） 等溫淬火變形量少，硬度較高并兼有良好的韌性。 （ 3） 等溫淬火后一般情況下無需再進行回火 。 ADI 的等溫淬火過程主要包括兩個階段， 在第一階段，隨奧氏體的分解，碳原子在鐵素體形核長大處富集，使周圍奧氏體富碳。當碳原子富集到一定程度，便產(chǎn)生化學穩(wěn)定性，富碳奧氏體不再分解，第一階段反應即告結(jié)束，此時得到理想的 ADI 組織 “針狀鐵素體 +殘余奧氏體 +石墨”。此后，等溫淬火時間進一步延長，殘余奧氏體的穩(wěn)定性受到破壞，開始分解為鐵素體和碳化物，即進入貝氏體轉(zhuǎn)變的第二階段 ，由于在此階段出現(xiàn)了碳化物，因而 使 ADI 綜合性能降低。要使 ADI 具有最佳的綜合性能，必須保證第一階段轉(zhuǎn)變完全結(jié)束，避免第二階段轉(zhuǎn)變發(fā)生。因此，最佳的等溫淬火時間即是第一階段轉(zhuǎn)變完全結(jié)束而第二階段尚未開始的時間。 典型 ADI 等溫淬火工藝過程如附圖 所示 ： （ 1）首先將球墨鑄鐵升溫至奧氏體化溫度進行奧氏體化 (840— 980℃ )，保溫 1～2h(ABC)。 東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 1 章 緒 論 9 （ 2）然后將其迅速淬入奧氏體等溫轉(zhuǎn)變溫度 250～ 400%的鹽浴中 (CD)，以避免產(chǎn)生珠光體轉(zhuǎn)變。這一階段主要考慮等溫淬火槽的冷卻能力和鑄鐵成分。 （ 3）將其在這一溫度下保溫適當?shù)臅r間 (DG)，隨后出爐空冷至室溫 (GH)。在 ADI等溫淬火過程中，奧氏體等溫反應可分為兩個階段奧氏體分解為針狀鐵素體和殘余奧氏體；第二階段即殘余奧氏體繼續(xù)分解為鐵素體和碳化物。 圖 ADI等溫淬火工藝過程示意圖 等溫淬火后 ADI 的力學性能 經(jīng)等溫淬火處理，球墨鑄鐵的金相組織基體由晶粒粗大的牛眼鐵素體和片狀珠光體轉(zhuǎn)變成了致密的針狀鐵素體和高碳、熱力學和力學上穩(wěn)定的奧氏體混合組織 ， 力學性能隨之大大提高，強度、硬席數(shù)倍增加 ， 延伸率降低，這與其微觀組織密切相關(guān)。但切削加工性能隨之變差 ， 切削 力急劇增加，加工困難，刀具磨損嚴重，切屑呈崩碎屑，四處飛濺，加工時需采取防護措施。球墨鑄鐵等溫淬火后，推薦采用陶瓷或 PCBN 等高硬度刀具進行切削。 奧氏體化是等溫淬火過程的第一步 ，對 ADI 的性能影響很多。首先，隨著奧氏體化東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 1 章 緒 論 10 溫度的升高，抗拉強度逐漸增大， 900℃附近時達最大值 (900MPa)，繼續(xù)升高奧氏體化溫度，抗拉強度逐漸減小。其次，隨著奧氏體化溫度的升高，沖擊韌度逐漸增加， 900℃時達最大，繼續(xù)升高奧氏體化溫度又有降低的趨勢。然后，隨奧氏體化溫度的升高，硬度逐漸增大；超過 900℃后，硬度又略微下降。最后 ，隨奧氏體化溫度的升高，伸長率增大，超過 870℃后伸長率逐漸減小。 等溫溫度對 ADI 的硬度也有影響，隨著等溫溫度的升高，基體的形態(tài)由針狀逐漸轉(zhuǎn)變成羽毛狀，殘余奧氏體量增加，同時晶粒 變大。因此，隨著等溫溫度的升高硬度而降低。當溫度超過 360℃后， 富碳奧氏體分解出碳化物．因而硬度又 升高。并且等溫溫度對沖擊韌性也有影響，當?shù)葴販囟壬邥r，“ C”曲線左移，組織轉(zhuǎn)變速度和碳的擴散速度加快，有利于富碳奧氏體的形成，殘余奧氏體的含量增大。但富碳奧氏體中多余的碳易在奧氏體及鐵素體周圍聚集形成碳化物，造成材料塑性韌性的降低。 因此，等溫淬火度不易過低和過高。 等溫淬火淬火時間也是影響 ADI 性能的非常關(guān)鍵的因素之一， 等溫時間過短，奧氏體的含碳量不足，等溫淬火后空冷會轉(zhuǎn)變成馬氏體。隨著 等溫時間的增加，奧氏體的含碳量增加，等溫淬火后殘余奧氏體量增大， 從而韌性增加。等溫時間過長富碳奧氏體發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變成鐵素體 +碳化物，韌性降低 [2025]。 兩步法等溫淬火藝 先采用 240℃作為低溫形核溫度，高溫鹽浴保溫溫度分別取 260℃、 300℃。：在低溫下保溫 1020min 時貝氏體型鐵素體形核已基本完成，繼續(xù)延長低溫等溫時間， 貝氏體型鐵素體晶核也不再明顯增加，但會使最終組織中貝氏體型鐵素體粗化，使殘余奧氏體明顯減少，對力學性能不利。另外，采用了“兩步法”工藝在低溫保溫時會大量形核，使得碳原子擴散距離變短；然后經(jīng)過高溫下的保溫，由于溫度升高，碳原子擴散速度增加，在較短的時間內(nèi)使奧氏體中碳含量得到增加并均勻化，形成穩(wěn)定的富碳奧氏體組織。通過“兩步法”工藝得到的組織，既含有細小的貝氏體型鐵素體，又有高碳奧氏體，奧氏體體積分數(shù)也很高，一方面提高了強度及硬度，又改善了沖擊韌度，進而表現(xiàn)出更加優(yōu)越的耐磨性能。這種工藝簡要的操作過程是：待鑄件 各部位完全奧氏體化后，快速地淬入冷卻介質(zhì)中，幾秒鐘后提起鑄件放入已設定好溫度的保溫爐中進行等溫轉(zhuǎn)變。 其目東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 1 章 緒 論 11 的是 ： （ 1） 快速短時淬火，使鑄件產(chǎn)生許多細小的結(jié)晶核心以細化奧鐵體組織，提高綜合力學性能； （ 2） 無需使用鹽浴爐，減少能耗和污染，降低熱處理成本，簡化了熱處理操作。 這一種熱處理工藝是將試樣加熱至奧氏體化溫度保溫一段時間后，放入第一級淬火介質(zhì)中淬火，使其繞過奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的鼻尖后，過冷到弧點上下；然后，當?shù)诙壍葴剞D(zhuǎn)變在 220～ 300℃進行一定時間后，出爐空冷到室溫 [26]。 圖 兩步法等溫淬火工 藝示意圖 ADI 材料在球磨機上的應用 球磨機是冶金磨礦、水泥、發(fā)電等行業(yè)用得最多的粉磨設備。據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計，我國每年在球磨機上消耗的鋼鐵達數(shù)百噸。長期以來，球磨機襯板、磨球等易耗件主要使用錳系、鉻系金屬作為制作材料，壽命較短，停機檢修頻繁，嚴重影響了生產(chǎn)。奧貝球鐵（ ADI）作為我國新型耐磨材料，具有優(yōu)良的力學和鑄造性能，良好的耐磨性和抗、沖擊疲勞性能，且生產(chǎn)成本較低，對延長 球磨機檢修周期，節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)率 ，起到了積極的推動作用。 ADI 除具有質(zhì)量輕、生產(chǎn)成本低、能源消耗少、強度高、韌性好、抗疲勞性能強、減震性好等優(yōu)良的綜合性能外，優(yōu)異的耐磨性是它的又一特點。 ADI東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 1 章 緒 論 12 要比同樣硬度下的鋼耐磨性好很多。 ADI 優(yōu)越的耐磨性是因為 ADI 中金屬基體的實際硬度比測量的高 。在磨損過程中， ADI 微觀組織中穩(wěn)定的奧氏體經(jīng)歷了應變引發(fā)相變硬化， ADI 工件表面總有一層高硬度耐磨層。這是 ADl 具有優(yōu)越的耐磨性和低的體積磨損的另一原因 課題的研究內(nèi)容、意義及目的 本課題是 以 ADI（富碳奧氏體 +針狀鐵素體的球墨鑄鐵）耐磨鑄球為實驗 對象， 研究等溫淬火工藝對球墨鑄鐵組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律 ，確定 具有優(yōu)良性能的 ADI 耐磨鑄球的 等溫淬火 工藝 。 具體研究內(nèi)容有： （ 1）奧氏體化溫度對 ADI 耐磨鑄球 組織的影響； （ 2）等溫淬火溫度對 ADI 耐磨鑄球 ADI 耐磨鑄球 組織的影響； （ 3） ADI 耐磨鑄球沖擊斷口的分析 本課題的研究內(nèi)容具有深厚的理論研究和很強的實際應用價值 ， ADI 材料具有高韌性、高強度，與合金剛相比具有更好的經(jīng)濟效益。另外本課題 的開展對揭示金屬材料的組成、組織與性能間的內(nèi)在關(guān)系也有著積極意義 ， 并且還涉及到與冶金、物理、化學及金屬材料領域的廣泛交叉。 本次實驗的目的主要是通過修改鹽浴的保溫方法為在空氣中冷卻的方法來提高生產(chǎn)率，降低 生產(chǎn)成本，提高企業(yè)利潤。 生產(chǎn)出礦石粉碎、巖石破碎、水泥建材、鋼鐵冶金、火力發(fā)電等行業(yè)大量需要的性能優(yōu)良、價格低廉的 ADI 耐磨鑄球。 東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 2 章 實驗材料及方法 13 第 2 章 實驗材料及方法 實驗材料 本次實驗采用的實驗材料為 從直徑 100mm 球墨鑄鐵磨球上切割的 10mm 10mm55mm 長條作為熱處理實驗樣品和直徑為 100mm 球墨鑄鐵磨球?qū)嶒灅悠贰? 本次實驗的球墨鑄鐵化學成分如表 所示。 表 材料的化學成分 元素 C Si Mn P S 含量 實驗 方法 熱處理工藝 熱處理所用設備： SX813 型高溫箱式電阻爐。 （ 1） 奧氏體化 奧氏體 化 溫度 ： 奧氏體化溫度的提高會引起奧氏體中碳的溶解度增加，減慢 針狀鐵素體 轉(zhuǎn)變速度，阻礙 針狀鐵素體 的形成，殘余奧氏體將增多；同時，奧氏體化溫度提高會使奧氏體晶粒粗大，導致等溫轉(zhuǎn)變形成的 針狀鐵素體 粗大。因此制定合理的奧氏體化溫度對得到好的 ADI耐磨鑄球組織很關(guān)鍵， 綜合各方面因素 我們將淬火溫度定為 920℃、940℃及 960℃三個溫度。 保溫時間： 2 個小時。 淬火介質(zhì)： 10%濃度的 JATR2 淬火 液（水溶液）。 （ 2） 等溫淬火 等溫淬火 溫度定為 260℃、 280℃和 300℃三個溫度 ，淬火至這三個溫度時直接進入保溫爐進行保溫 2 個小時。 為了研究不同 奧氏體化 溫度 及回火溫度 對等溫淬火球墨鑄鐵磨球組織和性能 的影東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 2 章 實驗材料及方法 14 響 ， 我們設定了九 種不同的熱處理工藝 ， 這九 種熱處理工藝分別是： . 920℃保溫 2h 淬火冷卻至 260℃ 回火保溫 2h； . 920℃保溫 2h 淬火冷卻至 280℃ 回火保溫 2h； . 920℃保溫 2h 淬火冷卻至 300℃ 回火保溫 2h； . 940℃保溫 2h 淬火冷卻至 260℃ 回火保溫 2h； . 940℃保溫 2h 淬火冷卻至 280℃ 回火保溫 2h； . 940℃保溫 2h 淬火冷卻至 300℃ 回火保溫 2h； . 960℃保溫 2h 淬火冷卻至 260℃ 回火保溫 2h； . 960℃保溫 2h 淬火冷卻至 280℃ 回火保溫 2h； . 960℃保溫 2h 淬火冷卻至 300℃ 回火保溫 2h； 金相組織觀察 （ 1） 試驗目的 ： 觀察 等溫淬 火耐磨鑄球 的金相組織 ，研究熱處理工藝與 ADI 耐磨鑄球的金相組織 之間的關(guān)系； （ 2） 試驗儀器 ： OLYMPUSDSX500 正 置式金相顯微鏡 ； （ 3） 試樣形狀尺寸 ： 10mm 10mm 55mm； （ 4） 試驗方法 金相組織的觀察是用光學顯微鏡及電子顯微鏡，來識別材料的組成相或組織組成體的數(shù)量、大小、形態(tài)及分布等特征。 本試驗金相組織的觀察是在 OLYMPUSDSX500 正置式金相顯微鏡 上進行的 ， 本試驗金相組織的觀察包 ADI 耐磨鑄球的 鑄態(tài)組織和熱處理組織觀察。 首先在已經(jīng)澆注出的 Φ 100mm 的球墨鑄鐵磨球中通過線切割設備切割 制備 成10mm 10mm 55mm 的鑄態(tài)試樣和需要熱處理的沖擊試樣。將制備好的鑄態(tài)試樣和熱處理完成后的沖擊試樣 按照由粗至細的順序用 金相砂紙研磨 ，其中最粗的砂紙牌號為東北大學畢業(yè)設計（論文） 第 2 章 實驗材料及方法 15 240，最細的為 2020。 在研磨過程中 ， 每一道工序必須去掉前一道的變形層 ， 要細心地把前一道的磨痕 ， 完全消除 ， 為了便于檢查磨痕是否消除 ， 更換下一號砂紙試樣應旋轉(zhuǎn)90176。；從第一道砂紙起 ， 宜采用濕磨