【热坛学习】珠光体球墨铸铁淬火开裂的研究与实践
一、理论分析
1.1 球墨铸铁的基体组织
球墨铸铁的基体组织组成：铁素体（F）+珠光体（P）+石墨球（G）。在表面淬火的过程中石墨球中的碳（C）是不能在短时间内扩散到奥氏体中，对马氏体形成产生影响，而只有珠光体中的渗碳体（Fe3C）可以在短时间内快速分解，释放出碳（C）熔入奥氏体中，对马氏体形成产生影响，所以需要表面淬火的球墨铸铁的基体组织可以按照钢的基体组织组成来分析，按照钢的淬火理论进行对照分析和理解。
1.2 马氏体的形成
马氏体是高温奥氏体快速冷却，在抑制其扩散性分解的条件下形成的。因此要形成马氏体，首先过冷奥氏体必须以大于临界淬火速度的速度冷却，以免发生奥氏体向珠光体和贝氏体转变。其次是过冷奥氏体必须过冷到一定温度Ms点以下才能开始发生马氏体转变。钢中马氏体形态一般分为板条状马氏体和片状马氏体，板条状马氏体又称为低碳马氏体；片状马氏体又称高碳型马氏体。
低碳马氏体是在低、中碳钢形成，形成温度比较高，一般认为低碳马氏体大都在200℃以上形成，含碳量在0.2~1.0%的奥氏体，随着含碳量的增加，低碳马氏体量越少。含C量＞1.0%的奥氏体几乎几乎只形成片状马氏体。高碳型马氏体一般是在中、高碳钢形成，形成温度比较低，一般认为在200℃以下形成。高碳型马氏体最大的特点是存在大量显微裂纹，马氏体形成速度极快，在其相互碰撞或奥氏体晶界相撞时将引起相当大的应力场，不能通过滑移变形使应力得以松弛，容易产生裂纹。
所以对于球墨铸铁件，珠光体含碳量应尽量控制在0.50%左右，淬火后得到尽量多的低碳马氏体和高碳马氏体混合基体；而对于含碳量比较高的珠光体，淬火时应通过较低的淬火温度来控制珠光体中渗碳体的分解量，使奥氏体中的碳浓度适中，来预防淬火后开裂倾向。
1.3 马氏体的性能
马氏体机械性能的显著特点是具有高硬度和高强度。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。马氏体的硬度随着含碳量的增加而增高。当含碳量小于0.5%时，马氏体的硬度随含碳量的增加而急剧增高。当含碳量达到0.6%左右时，虽然马氏体硬度有所增高，但是由于残余奥氏体量增加，反而使硬度下降。
所以通过合理控制珠光体的含碳量，有利淬火后获得合适硬度和强度的马氏体。
1.4 马氏体的比容
含碳量0.2~1.44%的奥氏体比容为0.12227cm3/g，随着含碳量的增加，马氏体的比容为0.12708~0.13061 cm3/g，奥氏体转化为马氏体体积增大3.934%~6.821%。所以为了预防淬火开裂，应尽量将奥氏体含碳量控制在中下限，降低相变变形量，减小淬火开裂的倾向。对于球墨铸铁件淬火时，奥氏体的含碳量取决于基体组织中渗碳体含量，即珠光体的含量，所以珠光体比例应适当，否则过低淬火硬度不够，过高淬火开裂倾向比较高。
1.5 珠光体的含量
球墨铸铁表面淬火过程中，只有基体组织珠光体中的渗碳体分解释放出碳熔入奥氏体，随着快速冷却奥氏体发生无扩散相变而转变为所需要的马氏体。随着珠光体含量 的增加，获得的马氏体量也增加，相变体积膨胀也增加，所以应适当控制基体组织中的珠光体含量，预防获得过量马氏体造成相变体积膨胀过大，增加淬火开裂倾向。
1.6 基体珠光体含量及片间距的影响
马氏体的硬度主要取决于其含碳量的饱和程度，马氏体含碳量的饱和程度取决于奥氏体的含碳量饱和程度，而奥氏体含碳量的饱和程度取决于珠光体的含碳量，珠光体的含碳量又取决于珠光体的片间距大小，珠光体片间距越小其含碳量越高，片间距越大其含碳量越低。
所以只有获得致密的珠光体才能确保淬火后马氏体的硬度。
1.7 合金元素的影响
合金元素对马氏体硬度影响不大，但是可以提高强度。合金元素Cr、Mo、Mn、Ni加剧形成孪晶马氏体的倾向，但程度不同，其中Ni形成孪晶马氏体的倾向最小。由于孪晶马氏体韧性很差，其特点是硬而脆，所以为了细化组织应该首选合金元素镍Ni，以利于减小淬火后的开裂倾向。N在基体组织中主要起强化作用，稳定奥氏体，增加奥氏体向马氏体转变的相变驱动力，并且增加了形成孪晶马氏体的倾向，而球墨铸铁中N的来源主要是增碳剂材料，所以应选用低氮或无氮增碳剂材料。
P增加基体组织的高温脆性，而S增加基体组织的低温脆性，所以生产珠光体球墨铸铁件时应选用低磷低硫生铁。
1.8 不同材料导热率
灰铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁由于石墨形态的不同，内应力和导热率相差很大。内应力和导热率随着实型形态从片状、蠕虫状到球状的变化，材料的内应力大幅度提高，导热率大幅度降低，铸件淬火开裂倾向大幅度提升，所以合理控制石墨形态有利于降低淬火开裂倾向。
综上所述，要获得淬火开裂倾向小的球墨铸铁应具备一下条件：1、基体组织中含有一定比例的致密的碳含量适中的珠光体；2、基体组织中磷、硫、氮等杂质元素含量低。3、石墨球化级别适当。
二、生产实践
发达国家生产的珠光体球墨铸铁性能，其铸件淬火后硬度高而均匀；开裂倾向非常小；碳硅当量低，合金含量低、磷硫含量低；珠光体致密，含量75%左右；石墨球化级别3~4级，力学性能基本满足要求。
实际生产需要解决几点事项如下：
a、生铁、废钢应选用低磷、硫高纯度材料；
b、增碳剂材料应选用经过高温（2000℃以上）焙烧过的活性增碳剂；
c、合适的废钢比例，有利于充分发挥石墨自补缩能力降低材料缩孔缩松倾向。
三、结论
1、对于球墨铸铁的基体组织可以参照钢的基体组织组成来分析，按照钢的淬火理论进行对照分析和理解。
2、应克服低碳当量低合金化此种材质缩孔缩松倾向大的观点，这需要从技术上和理论上取得飞跃性的突破。
3、高纯度生铁、废钢、废钢加入量和超低氮活性增碳剂是生产淬火开裂倾向小的珠光体球墨铸铁的关键所在。
4、预防球铁件淬火开裂应首先从材料选用、基体组织搭配、成分搭配、石墨级别的选择方面来综合考虑，降低低碳当量低合金化材料本身的内应力和淬火相变应力，然后再从造型工艺、退火工艺等方面进行考虑作为补充，只有这样生产的铸件才能够高端客户对模具材料性能的需求。
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