锰铜合金奥贝球铁组织与力学性能研究

柳安民，刘生发

（1.武汉铸造实业有限公司，武汉 430050；2.武汉理工大学 材料科学与工程学院，武汉 430070）

锰铜合金奥贝球铁组织与力学性能研究

柳安民1，刘生发2

（1.武汉铸造实业有限公司，武汉 430050；2.武汉理工大学 材料科学与工程学院，武汉 430070）

利用光学显微镜、扫描电镜和性能测试等手段研究了锰铜合金奥贝球铁标准试样的显微组织与力学性能。结果表明，锰铜合金奥贝球铁标准试样经等温淬火和回火后的力学性能范围为σb1007．4～1200MPa，δ5．2%～8．8%，HRC32～35，αk70～120J/cm2，达到了 EN1564-97/EN-CJS-1000-5 欧洲标准。

奥贝球铁；铜；锰；显微组织；力学性能

1977年 M．Johansson宣布芬兰 Kymi Kymmene公司所属的Karkkila铸造厂发明了奥贝球铁（ADI），并在美、英、法、加等13个国家申请了专利。这种球铁以贝氏体型铁素体和奥氏体为基体组织，其中含有20%～40%的奥氏体，赋予这种球铁较高的塑性和韧性，具有优异的综合力学性能。而且由于奥氏体具有加工硬化能力，能显著提高其疲劳强度和耐磨性。这种材料特别适合于替代20CrMnTi合金锻钢制造齿轮，并具有重量轻、噪声小、节省能源等优点[1-4]。

生产合格的奥贝球铁通常需要加入Mo、Ni、Cu等合金元素提高材料的淬透性，此外，对原材料的锰量有严格限制（Mn＜0．3%）。目前国内外生产的合金奥贝球铁主要是Mo-Cu系、Mo-Ni系和Mo-Cu-Ni系。近年来，由于钼铁和镍板等原材料价格的暴涨，这三种类型的合金奥贝球铁的制造成本大大提高，而且对锰量的严格要求限制了生铁来源，严重制约了奥贝球铁的推广应用[5-7]。

本文研究了一种新型的锰铜合金奥贝球铁，主要利用锰和铜保证材料的淬透性，并具有高的强度、塑性和韧性及好的耐磨性。

1 实验过程

1.1 成分设计

锰铜合金奥贝球铁的名义化学成分为：3．5C-2．5Si-xMn-0．04P-0．02S-yCu（质量分数，%）。其目的是利用Cu和Mn提供材料的淬透性，降低奥贝球铁齿轮的生产成本。

1.2 铸造工艺

采用山西生产的Q12生铁为原料，工频炉熔化后采用冲入法球化处理，球化剂为FeSiMn8Re3合金，加人量1．5%。FeSi75作为孕育剂，并进行了强化孕育处理，孕育总量为0．9%。采用FeSi75、FeMn65和电解铜板调整化学成分，湿型砂铸型和标准25mmY型试块。

1.3 热处理工艺

等温淬火处理：900℃±10℃×2h＋370±5℃×2h，回火处理：300～350℃×2～4h，力学性能试样随同齿轮一起热处理。

1.4 组织与性能测试

在Y型试块上加工ø10mm标准拉伸试样和l0mm×l0mm×55mm冲击试样用于力学性能检测。在ETⅢ60吨液压式万能试验机上进行拉伸实验。在30/15冲击试验机上进行冲击实验。使用HR-150A型洛氏硬度计测定硬度。力学性能及洛氏硬度取3个试样的平均值。

使用光学显微镜和扫描电镜（型号为QUANTA-400）观察并拍摄金相组织，对试样进行能谱分析。金相检测按GB/T9441—1988《球墨铸铁金相检验》评级。腐蚀剂为4%的硝酸酒精溶液。

2 结果与分析

2.1 显微组织

图1为锰铜合金奥贝球铁试样铸态光学显微组织。由图1可知，铸态试样的石墨大部分成球状，如图1（a）所示。按照GB/T9441—1988球墨铸铁金相检验标准，球化级别为2级，测得球数为236个/mm2，球径为2.60mm。石墨球周围可观察到牛眼状的铁素体，珠光体含量约为89%，见图1（b）。其测量结果如表1所示。

表1 锰铜合金奥贝球铁石墨球数与铸态基体组织

表2 锰铜合金奥贝球铁热处理状态下的显微组织

图2为锰铜合金奥贝球铁试样在等温淬火状态下的显微组织。由图2（a），可观察到羽毛状的上贝氏体组织，奥氏体分布在其周围。由于Mn元素的含量较高，导致在晶界处的偏析，可观察到组织中存在白亮区，见图 2（b）。

图3为锰铜合金奥贝球铁试样等温淬火后进行回火后的显微组织。由图3可知，回火后组织中的白亮区基本消失。在回火过程中，残余奥氏体会进一步转化成上贝氏体，且上贝氏体也会略微长大，其热处理组织的测量值见表2所示。

2.2 能谱分析

对白亮区和基体组织进行了微区成分分析，见图4（a）中A点和B点。由图4（b）可知，硅形成负偏析，而锰在晶界处产生正偏析，易在组织中形成白亮区，多为碳化物、马氏体和残余奥氏体的混合物，显著降低材料的塑性和韧性。在基体中硅和锰的含量正常，如图 4（c）所示。

图5为锰铜合金球墨铸铁中各元素的微区偏析示意图，一般情况下，Mn为正偏析元素，Si、Cu为负偏析元素[8-9]。

表3 锰铜合金奥贝球铁标准试样在不同状态下的力学性能

2.3 力学性能

对Y型试块加工的标准拉伸和冲击试样进行力学性能测试，其结果见表3所示。由表可知，铸态试样的抗拉强度仅为430MPa，伸长率高达16.5%，硬度仅为263HB。经等温淬火后再进行回火处理，力学性能的范围为：抗拉强度高达1007.4～1200MPa，伸长率为5.2%～8.8%，硬度为32～35HRC，冲击值为70～120J/cm2。由此可以看出，新研制的锰铜合金奥贝球铁的力学性能指标达到EN1564-97/EN-CJS-1000-5欧洲标准。

3 结论

（1）锰铜合金奥贝球铁齿轮的球化率97%，球数为480个/mm2，球径为1.5μm。等温淬火后残余奥氏体含量为27.8%，上贝氏体含量为71.5%，白亮区含量为0.7%，上贝氏体长度和宽度分别为27.8μm和3.6μm。

（2）锰铜合金奥贝球铁标准试样经等温淬火和回火后的力学性能范围为σb1007.4～1200MPa，δ5.2%～8.8%，HRC32～35，αk70～120J/cm2，达到了 EN1564-97/EN-CJS-1000-5欧洲标准。

[1]M.Johansson.Austenitic-Bainitic Ductile Iron [J].AFS Transaction，1977，l85:117-122.

[2]赵伯播，王从祥.奥氏体-贝氏体球铁齿轮[J].铸造，1990（4）:5-8.

[3]叶学贤.等温淬火球墨铸铁的发展及应用.见：第三届全国等温淬火球墨铸铁（ADI）技术研讨会论文集[C].无锡:现代铸铁杂志社，2002：9-13.

[4]赵红，徐卫平，周继扬.奥氏体等温转变铸铁研究的新进展[J].铸造，2001（5）:243-248.

[5]张忠仇，李克锐，吴建基.我国等温淬火球铁的现状及前景[J].铸造，2004，（2）:87-92.

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[7]魏秉庆，梁吉，吴德海.贝氏体球墨铸铁[M].北京:机械工业出版社，2001.

[8]W.T.Dubensky，K.B.Rundman.An Electron Microscope study of Carbide Formation in Austempered Ductile Iron [J].AFS Transactions，1985，193:389-394.

[9]Olivera Eric，Milan Jovanovic，Leposava Sidanin，etc.The austempering study of alloyed ductile iron [J].Materials and Design，2006，27:617-622.

Research on Microstructure and Mechanics Properties of Mn-Cu Alloyed Austempered Ductile Iron

LIU AnMin1,LIU ShengFa2
（1.Wuhan Foundry Industry Co.Ltd.，Wuhan 430050，Hubei China；2.School of Materials Science and Engineering Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei China）

The microstructure and mechanics properties of standard sample of Mn-Cu alloyed austempered ductile iro （ADI） have beeninvestigated using optical microscope（OM），scanning electron microscope（SEM）and performance measurement.The experimental results showed that mechanics properties（σb1007.4～1200MPa，δ5.2～8.8%，HRC32～35，αk70～120J/cm2）of standard sample have reached that in European standard EN1564-97/EN-CJS-1000-5.

Austempered ductile iron；Mn；Cu；Microstructure；Mechanics properties

TG255;

A；

1006－9658（2010）02－3

2009－12－08

2009－158

柳安民，男，高级工程师，从事铸造合金及工艺研究工作