等温淬火工艺对ADI耐磨铸球组织的影响毕业论文.doc

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1、等温淬火工艺对ADI耐磨铸球组织的影响作 者 姓 名: 刘旭东指 导 教 师: 辛啟斌 副教授单 位 名 称: 材料与冶金学院专 业 名 称: 材料成型及控制工程东北大学2014年6月Austempering cast impact on the organization ADI wearable ballBy LiuXudongSupervisor ： Associate Professor Xin QibinNortheastern UniversityJune 2014毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：等温淬火工艺对ADI耐磨铸球组织的影响设计（论文）的基本内容：以ADI（富碳

2、奥氏体+针状铁素体的球墨铸铁）耐磨铸球为实验对象，研究等温淬火工艺对球墨铸铁组织结构的影响规律，确定具有优良性能的ADI耐磨铸球的等温淬火工艺。具体研究内容有：（1）奥氏体化温度对ADI耐磨铸球组织的影响；（2）等温淬火温度对ADI耐磨铸球组织的影响；（3）ADI耐磨铸球冲击断口的分析。毕业设计（论文）专题部分：题目：设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目的日期 第 1 周 指导老师签字： 年 月 日摘 要从改变等温淬火工艺来获得理想的ADI耐磨铸球的组织的角度出发，主要研究等温淬火工艺对ADI耐磨铸球组织的影响，通过对不同奥氏体化温度和等温回火温度对ADI耐磨铸球组织的分析，

3、继而确定生产ADI耐磨铸球的热处理工艺，达到以淬火+回火的热处理工艺取代在盐浴中进行等温淬火工艺来生产ADI耐磨铸球。实验结果表明：（1） 提高奥氏体化温度不利于获得理想的ADI耐磨铸球组织，随奥氏体化温度的升高针状铁素体组织在ADI耐磨铸球中的百分比在逐渐下降，并且针状铁素体的针叶变的粗大；（2） 提高奥氏体化温度会使得基体中石墨扩散加快，形成很多小石墨分布在ADI耐磨铸球的基体组织中；（3） 等温淬火温度升高可以获得更多的针状铁素体组织，但是针状铁素体组织也会随着等温淬火温度的提高使得的针状铁素体组织的针叶变粗；（4） ADI耐磨铸球的最佳生产工艺为920的奥氏体化温度和280的等温淬火温

4、度的热处理工艺。关键词：ADI，奥氏体化温度，等温回火温度，断口，微观组织。AbstractThe main purpose of this thesis is studying the influence of the isothermal quenching process to ADI wear-resisting cast balls organization.Through the analysis of the influence of different austenitizing temperatures and isothermal quenching temperature

5、 process of production of ADI wear-resisting cast can be determined which can replace the isothermal salt bath quenching increases production rate and decrease the consumption of energy to save cost.The experiment results indicate:(1) The increase of austenitizing temperature can be a disadvantage o

6、f obtaining ideal ADI wear-resisting cast ball organization,causes the percent of the lower bainite of ADI wear-resisting cast balls decreases and causes the needle-point leaves of the lower bainite become large.(2) The increase of austenitizing temperatures causes the graphites of primary structure

7、 diffuse faster and become many small graphites which scatter on the primary structure of ADI wear-resisting cast balls organization.(3) The increase of isothermal quenching temperature causes the lower banite organization become more and needle-point leaves of the bainite become thiner.(4) The best

8、 production process for ADI wear resistant cast ball is austenitizing temperature of 920 and 280 isothermal quenching temperature of the heat treatment process.Keywords: austenite bainite ductile cast iron,austenitizing temperature,isothermal tempering temperature,fracture,microstructure.目 录毕业设计（论文）

9、任务书I摘 要IIAbstractIII第1章 绪 论11.1选题背景11.1.1 铸造磨球11.1.2 铸造磨球的材质21.2等温淬火球墨铸铁31.2.1 ADI发展现状及优点31.2.2 ADI的生产工艺41.3课题的研究内容、意义及目的12第2章 实验材料及方法132.1 实验材料132.2 实验方法132.2.1 热处理工艺132.2.2 金相组织观察142.2.3 力学性能测试15第3章 等温淬火球墨铸铁磨球的组织研究173.1 ADI耐磨铸球的铸态组织173.2 奥氏体化温度对试样组织的影响203.3 等温淬火温度对试样组织的影响263.4 ADI耐磨铸球的组织分析333.4.1

10、化学成分及热处理工艺333.4.2 组织分析333.5 ADI试样的断口分析38第4章 结论40参考文献41结束语44第1章 绪 论1.1 选题背景据统计国内磨球年消耗已经超过200t，冶金矿山消耗的磨球占各行业磨球消耗总量的70%。2006年为例，磨球损耗造成的经济损失不少于40亿。由此可见，磨球在耐磨材料中占有相当大的比重。我国目前铸造磨球的生产厂家有1000多家，但年产量大多数在3000t以下，万吨的企业不到10家。而磨球的国内需求及出口量逐年增多，对磨球的质量要求也逐步提高。磨球是冶金矿山、水泥等行业中典型的易损件和消耗最多的金属料，国内每年消耗磨球近180 万吨。其中我们发现，磨球的

11、主要失效形式为磨损、破碎和失圆。破碎和失圆在降低球磨机研磨效率的同时又加快了磨球的磨损1。表1.1 2006年磨球国内消耗量行业总产量单耗消耗量（万吨）备注铁矿3.2亿吨1.8Kg/T原矿58低铬球有色1.5亿吨0.8-0.9Kg/原矿12.5低铬球火电3亿KW10.5Kg/万KW31.5低铬球和高铬球水泥8.5亿吨0.2Kg/T水泥17低铬球和高铬球合计1191.1.1 铸造磨球磨球按材质可分为金属磨球、非金属磨球，金属磨球包括钢球、铁球；非金属磨球包括无机非金属和有机高分子材料，其中无机非金属材料中包括氧化铝、氧化锆、硅酸锆、碳化硅、碳化钨、氮化硅等合成材料，也包括玛瑙、砾石、卵石等天然材

12、料；有机高分子材料包括聚四氟乙烯等材料。金属材料磨球按照制作方式又可以分成锻球、轧球和铸球。其中铸造磨球的工业应用非常广泛，我国年产达到了百余万吨。在冶金、建材、电力、化工等行业，磨球都有大量的应用。因此，与磨球相关的国家及行业标准也很多。由于目前尚无铸造磨球的国际标准，因此在最新的铸造磨球国家标准中参考了美国ASTM和欧洲耐磨铸铁件标准。新修订的国家标准铸造磨球与原标准比分别增加了磨球的牌号，将磨球直径分为5类，减少了铸造磨球的直径公差，并将在国内已有生产并取得好的工业效果和性价比的磨球列入国家标准(ZQCrl2、ZQCr5、ZQQTM)，依据生产和应用增加了C、Si、Cr的含量范围，提高了

13、铸造磨球表面硬度要求(ASTM耐磨铸铁件的中上水平)。标准制定水平的提高，反映 了我国铸造磨球生产的技术水平有了长足的进步2-8。1.1.2 铸造磨球的材质金属磨球可分为钢球和铁球，钢球包括碳钢球与合金钢球；铁球包括普通铸铁球、合金化铸铁球、天然多元素低合金铸铁球。钢球则主要是锻轧球为主， 还包括普通铸钢磨球及新型合金化铸钢磨球；铸造磨球是以铸造铁球为主，这从上面提及的几个国家及行业标准中就能看出。近些年我国研发的磨球材质主要 有中高碳钢锻球、贝氏体锻钢球，高铬合金铸球，中铬合金铸球，低铬合金铸球，贝氏体球墨铸铁球，贝氏体、马氏体复相球墨铸铁磨球.这些磨球中铸造磨球占了相当大的比例。铸钢磨球研

14、究主要通过合金化及热处理来提高铸造磨球的性能，即通过合金化和热处理改变铸造磨球组织，从而提高铸造磨球耐磨性。利用合金化及热处理获得贝氏体和马氏体复合组织，以期获得高性能。一般情况下随着淬火温度的提高，钢球的硬度增加，但过高硬度反而下降；淬火温度及回火温度对铸钢磨球的力学性能有着不同的影响，对于成分不同的铸钢磨球，淬火及回火温度存在一个最佳组合。高性能铸造磨球的金相组织基本都是贝氏体+马氏体+少量奥氏体，而最佳热处理工艺就是为了获得这三种组织的最佳配比。球墨铸铁磨球根据热处理后获得基体组织的不同分为贝氏体球墨铸铁 磨球及马氏体球磨铸铁磨球。与铸钢磨球不同，铸铁磨球的研究主要集中在不同铬含量磨球在

15、不同领域应用情况的研究及高性能CADI和ADI磨球的研究等方面。低铬多合金白口铸铁球的特点是铬含量低，价格较低。大多应用在水泥、电力干磨作业，耐磨性是普碳钢球的78倍，应用于矿石等湿磨作业优势更明显，是低碳钢球的2.53倍，是中高碳钢球的1.53倍。高铬与中铬合金铸铁球由于含较高铬元素，其金相为马氏体基体上分布着不连续的碳化物，因而其宏观硬度很高(50HRC以上)，又有一定韧性，具有优良的耐磨性。Crl2磨球，可以铸态直接使用，只进行简单的低温去应力处理即可，组织为细珠光体组织加碳化物加残余奥氏体。其耐磨性是普碳钢球的10倍以上，大受电力、水泥行业欢迎。贝氏体或马、贝体球墨铸铁磨球的金相组织，

16、是由马氏体、贝氏体和球状石墨良好配合而成,具有良好的淬透性和硬韧性。其耐磨度为普碳钢球的2.53倍,价格偏贵9-10。1.2 等温淬火球墨铸铁1.2.1 ADI发展现状及优点1997年，芬兰MJohansson宣布开发了一种性能优异的等温淬火球墨铸铁(Austempered Ductile Iron，简称ADI)，因其具有比普通球墨铸铁更优良的综合性能，引起了广泛重视。随后ADI作为一种新型的工程材料，在我国和欧美等发达国家不断深入研究与发展，被誉为近几十年来铸冶方面最重大的成就之一。国外ADI的发展应用概况国际上对ADI的研究始于上世纪60年代末，70年代芬兰、美国和中国几乎同时宣布ADI的

17、研制成功。国外ADI的研发工作着重于有关ADI的化学成分、热处理工艺、组织转变、力学性能和使用性能等方面，使ADI的应用范围不断扩大。美国、日本、欧洲和ISO分别制定了国家标准和国际标准。在这种背景下，ADI在美国、欧洲和日本等发达国家和地区迅速发展，产量以每年超过15的速度增长，其主要应用行业为汽车、铁路设备、农业设备、通用机械、建筑机械以及矿山机械。我国是世界上最早研究ADI的几个国家之一。开始是用一般稀土镁球铁进行280左右针状铁素体温度转变区等温淬火，得到针状铁素体和奥氏体基体组织。于ADI机理的认识不足、原材料及其生产过程控制不严等因素的影响，没有形成批量生产，研究及生产一直停滞不前

18、。80年代，由于受到国际ADI发展的影响，ADI的研究又在我国兴起。受到国际ADI发展的影响，ADI的研究又在我国兴起。目前，我国对ADI的成分、热处理工艺、组织转变、力学性能和使用性能等方面进行了大量试验研究工作。我国现阶段ADI应用主要集中在一般性抗磨件和机械承载构件上，高强度、高韧性的ADI因技术难度较高，其应用还较少。ADI之所以受到世界各国的广泛关注和重视，与其优良的特性密不可分，与普通的铸铁和锻钢相比，ADI具有如下独特优点：（1）良好的综合性能，同等伸长率情况下，ADI的抗拉强度是普通球墨铸铁的2倍，同等抗拉强度下，ADI的伸长率是普通的球墨铸铁的2倍以上。（2）较低的成本：由于

19、具有良好的铸造性和生产的灵活性，ADI虽然经过等温热处理，其价格仍比钢件低20%左右，如果以屈服强度的成本计算，ADI是最便宜的材料之一，具有很强的竞争力。（3）质量轻：ADI组织中有近10%的石墨，故同体积的零件要比钢件轻10%。（4）良好的耐磨性和耐疲劳性：如经过喷丸处理，ADI的疲劳强度相当于淬火钢或表面渗碳淬火钢。（5）优良的减音性和吸震性：ADI中的石墨具有良好的吸音效果，故ADI零件工作时噪声小，组织中的石墨球能快速吸收震动，使机件运转平稳。（6）相对简单的制造工艺：将球墨铸铁毛坯进行等温淬火处理就可获得ADI，比制造同样强度性能的钢件节材节能、环保并提高生产效率11。1.2.2

20、ADI的生产工艺等温淬火球墨铸铁的生产过程主要分为铸造和热处理两部分。在铸造过程中，需要严格控制球化情况，要求较高的球化率和石墨球数，并具有较少碳化物和磷共晶的铁素体基体组织；在热处理时，要严格控制奥氏体化温度、等温淬火温度和保温时间等工艺参数，从而得到符合最终性能要求的基体组织12-14。1.2.2.1铸造工艺ADI的基本化学成分与普通球墨铸铁的成分相似，其化学成分见表1.2。表1.2 本次实验中样品的化学成分 C Si Mn P S Cu Mo 3.84 2.89 0.25 0.0456 0.019 0.809 0.368 石墨的大小、分布和球化率是由熔炼和铸造工艺决定的，等温淬火处理并不

21、能加以改变。铸件尺寸、离浇注系统的距离、内浇道的大小和位置都是影响铸件石墨球数的重要因素，快速冷却也会增加石墨球数。合金元素对等温淬火球墨铸铁磨球的组织和性能有很大的影响，以下分析了几种主要元素对ADI性能和组织的影响：碳： 碳是石墨化形成元素，利于球化并改善铸造性能。因此，在不产生石墨飘浮的情况下，可适当地提高含碳量。硅： 硅在球铁中是促进石墨化元素，在球墨铸铁中能加宽共晶、共析转变的温度范围，可以促使更多的石墨球形成而使单个石墨球径变小，随着硅量的增加，石墨球径细小，铁素体量增加，且硅促进贝氏体型铁素体转变，使形成细针状铁素体，从而提高了球铁的机械性能。同时硅本身是负偏析元素，高温热处理是

22、融入奥氏体化对基体有强化作用。在等温处理过程中使贝氏体铁素体的生长时排出的碳富集于残余奥氏体中，从而提高了过冷奥氏体的稳定性。但硅提高韧性-脆性转变温度，降低冲击韧性，因而含硅量不宜过高。硅量的选择在22%28%之间。硫： 硫含量过高时，产生硫化物分布在晶界上，降低强度和韧性。硫容易与球化元素化合，造成球化剂加入量的增加和球化不稳定，影响球化效果。因此，硫严格控制在004%以下。磷： 磷容易偏析，在晶界处形成磷共晶，这种磷共晶质硬又脆，是球铁中的有害成分，并且多角的形状容易造成应力集中而造成裂纹，从而降低普通球墨铸铁的力学性能，尤其是韧性和塑性。大大的降低冲击韧性值。把磷严格控制在004%以下

23、。锰： Mn 是有害元素。它具有强烈增加硬度的能力，但在凝固时Mn也容易在晶界处产生偏析，同时延缓等温淬火的反应。在断面大于19 mm时，Mn在晶界处的偏析容易引起缩松缺陷，同时形成碳化物和不稳定的奥氏体。这些微观结构缺陷和异质性会降低机加工性能，也会降低力学性能。为改善性能、降低 ADI 对断面尺寸和石墨球数的敏感性，一般建议ADI 中锰含量控制在0.3%以下。在ADI中使用低锰优质生铁可以有效稀释废钢中的锰量，同时控制不良的微量元素。铜： Cu 是影响拉伸性能的一个重要的因素，也能提高低于350 等温淬火ADI的塑性。铜含量在低于0.8%时，向ADI加铜可以增强它的淬硬性。镍： 等温淬火温

24、度在350 以下，Ni可以轻微地降低其抗拉强度，但可以增加塑性和断裂韧性。镍含量低于2%时，增加镍量可以提高ADI的淬硬性。镍： 等温淬火温度在350 以下，Ni可以轻微地降低其抗拉强度，但可以增加塑性和断裂韧性。镍含量低于2%时，增加镍量可以提高ADI的淬硬性。钼： 在 ADI中Mo是一种具有很强淬硬性的元素，在大断面的铸件中需要Mo元素来防止珠光体的产生。在共晶凝固时呈正偏析，容易富集在晶界上，不仅增加了硬脆的白亮区，而且促进了共晶碳化物的生成，其偏析程度比锰更强烈，故钼含量过多，将会产生碳化钼偏析与晶界或晶内，这种碳化物非常稳定，甚至通过长时间的石墨化退火也难以完全除，这将严重影响奥氏体

25、的均匀化，使得残余奥氏体量减少，从而使ADI的塑性和韧性降低。但钼有利于淬透性，在大断面工件或要求淬火速度比较温和的场合中，钼是不可少的元素。Mo加入量在03%以下。铬： 铬是中等强度碳化物形成元素，且价格相对比较便宜又易于控制。在球铁其他化学成分、球化及孕育处理条件基本相同的情况下，不同的铬含量，导致铸态球墨铸铁基体组织中碳化物类型和数量产生相应的变化。等温淬火和冲击韧度也发生相应的变化。确定碳化物形成元素铬的含量的时候，因同时存在锰、钼，要考虑锰、钼共同影响碳化物数量的累加作用。为稳定控制碳化物的数量15-19。1.2.2.2热处理工艺金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相

26、比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接

27、，不可间断。在 ADI 的生产过程中，热处理工艺对最终产品的组织及性能有极其重要的影响，是最关键的生产工艺。在热处理时应该严格控制奥氏体化温度、等温淬火温度和保温时间，这是控制产品最终性能的重要工艺参数。等温淬火过程为把铸件加热使其奥氏体化并均匀化后，使之快冷到贝氏体转变温度区间（260400），放入温度稍高于Ms点的硝盐浴或碱浴中，等温保持一定时间（一般在浴槽中保温时间为3060min），使奥氏体转变为贝氏体，然后取出置于空气中冷却的淬火工艺。 图1.1 C曲线奥氏体化是指将材料加热到的奥氏体化区域（如图1.3所示），并在该区域内保温直至组织完全奥氏体化。奥氏体化温度的提高会引起奥氏体中碳的

28、溶解度增加，减慢贝氏体转变速度，阻碍贝氏体的形成，残余奥氏体将增多；同时，奥氏体化温度提高会使奥氏体晶粒粗大，导致等温转变形成的贝氏体粗大。因此，在保证完全奥氏体化的同时应适当降低奥氏体化温度。图1.2 Fe-C相图通过等温淬火可以达到以下目的：（1）获得针状铁素体以增强钢材的强度、硬度、韧性、耐磨性和塑性。（2）等温淬火变形量少，硬度较高并兼有良好的韧性。（3）等温淬火后一般情况下无需再进行回火。ADI的等温淬火过程主要包括两个阶段，在第一阶段，随奥氏体的分解，碳原子在铁素体形核长大处富集，使周围奥氏体富碳。当碳原子富集到一定程度，便产生化学稳定性，富碳奥氏体不再分解，第一阶段反应即告结束，

29、此时得到理想的ADI组织 “针状铁素体 +残余奥氏体 +石墨”。此后，等温淬火时间进一步延长，残余奥氏体的稳定性受到破坏，开始分解为铁素体和碳化物，即进入贝氏体转变的第二阶段 ，由于在此阶段出现了碳化物，因而使ADI综合性能降低。要使ADI具有最佳的综合性能，必须保证第一阶段转变完全结束，避免第二阶段转变发生。因此，最佳的等温淬火时间即是第一阶段转变完全结束而第二阶段尚未开始的时间。典型ADI等温淬火工艺过程如附图1.4所示：（1）首先将球墨铸铁升温至奥氏体化温度进行奥氏体化(840980)，保温12h(ABC)。（2）然后将其迅速淬入奥氏体等温转变温度250400%的盐浴中(CD)，以避免产

30、生珠光体转变。这一阶段主要考虑等温淬火槽的冷却能力和铸铁成分。（3）将其在这一温度下保温适当的时间(DG)，随后出炉空冷至室温(GH)。在ADI等温淬火过程中，奥氏体等温反应可分为两个阶段奥氏体分解为针状铁素体和残余奥氏体；第二阶段即残余奥氏体继续分解为铁素体和碳化物。 图1.3 ADI等温淬火工艺过程示意图1.2.2.3等温淬火后ADI的力学性能经等温淬火处理，球墨铸铁的金相组织基体由晶粒粗大的牛眼铁素体和片状珠光体转变成了致密的针状铁素体和高碳、热力学和力学上稳定的奥氏体混合组织，力学性能随之大大提高，强度、硬席数倍增加，延伸率降低，这与其微观组织密切相关。但切削加工性能随之变差，切削力急

31、剧增加，加工困难，刀具磨损严重，切屑呈崩碎屑，四处飞溅，加工时需采取防护措施。球墨铸铁等温淬火后，推荐采用陶瓷或PCBN等高硬度刀具进行切削。奥氏体化是等温淬火过程的第一步，对ADI的性能影响很多。首先，随着奥氏体化温度的升高，抗拉强度逐渐增大，900附近时达最大值(900MPa)，继续升高奥氏体化温度，抗拉强度逐渐减小。其次，随着奥氏体化温度的升高，冲击韧度逐渐增加，900时达最大，继续升高奥氏体化温度又有降低的趋势。然后，随奥氏体化温度的升高，硬度逐渐增大；超过900后，硬度又略微下降。最后，随奥氏体化温度的升高，伸长率增大，超过870后伸长率逐渐减小。等温温度对ADI的硬度也有影响，随着

32、等温温度的升高，基体的形态由针状逐渐转变成羽毛状，残余奥氏体量增加，同时晶粒变大。因此，随着等温温度的升高硬度而降低。当温度超过360后，富碳奥氏体分解出碳化物因而硬度又升高。并且等温温度对冲击韧性也有影响，当等温温度升高时，“C”曲线左移，组织转变速度和碳的扩散速度加快，有利于富碳奥氏体的形成，残余奥氏体的含量增大。但富碳奥氏体中多余的碳易在奥氏体及铁素体周围聚集形成碳化物，造成材料塑性韧性的降低。因此，等温淬火度不易过低和过高。等温淬火淬火时间也是影响ADI性能的非常关键的因素之一，等温时间过短，奥氏体的含碳量不足，等温淬火后空冷会转变成马氏体。随着等温时间的增加，奥氏体的含碳量增加，等温

33、淬火后残余奥氏体量增大，从而韧性增加。等温时间过长富碳奥氏体发生分解，转变成铁素体+碳化物，韧性降低20-25。1.2.2.4 两步法等温淬火艺先采用240作为低温形核温度，高温盐浴保温温度分别取260、300。：在低温下保温10-20min时贝氏体型铁素体形核已基本完成，继续延长低温等温时间，贝氏体型铁素体晶核也不再明显增加，但会使最终组织中贝氏体型铁素体粗化，使残余奥氏体明显减少，对力学性能不利。另外，采用了“两步法”工艺在低温保温时会大量形核，使得碳原子扩散距离变短；然后经过高温下的保温，由于温度升高，碳原子扩散速度增加，在较短的时间内使奥氏体中碳含量得到增加并均匀化，形成稳定的富碳奥氏

34、体组织。通过“两步法”工艺得到的组织，既含有细小的贝氏体型铁素体，又有高碳奥氏体，奥氏体体积分数也很高，一方面提高了强度及硬度，又改善了冲击韧度，进而表现出更加优越的耐磨性能。这种工艺简要的操作过程是：待铸件各部位完全奥氏体化后，快速地淬入冷却介质中，几秒钟后提起铸件放入已设定好温度的保温炉中进行等温转变。其目的是：（1） 快速短时淬火，使铸件产生许多细小的结晶核心以细化奥铁体组织，提高综合力学性能；（2） 无需使用盐浴炉，减少能耗和污染，降低热处理成本，简化了热处理操作。这一种热处理工艺是将试样加热至奥氏体化温度保温一段时间后，放入第一级淬火介质中淬火，使其绕过奥氏体等温转变曲线的鼻尖后，过

35、冷到弧点上下；然后，当第二级等温转变在220300进行一定时间后，出炉空冷到室温26。图1.4 两步法等温淬火工艺示意图1.2.2.5 ADI材料在球磨机上的应用球磨机是冶金磨矿、水泥、发电等行业用得最多的粉磨设备。据权威部门统计，我国每年在球磨机上消耗的钢铁达数百吨。长期以来，球磨机衬板、磨球等易耗件主要使用锰系、铬系金属作为制作材料，寿命较短，停机检修频繁，严重影响了生产。奥贝球铁（ADI）作为我国新型耐磨材料，具有优良的力学和铸造性能，良好的耐磨性和抗、冲击疲劳性能，且生产成本较低，对延长 球磨机检修周期，节能降耗，提高生产率 ，起到了积极的推动作用。ADI除具有质量轻、生产成本低、能源

36、消耗少、强度高、韧性好、抗疲劳性能强、减震性好等优良的综合性能外，优异的耐磨性是它的又一特点。ADI要比同样硬度下的钢耐磨性好很多。ADI优越的耐磨性是因为ADI中金属基体的实际硬度比测量的高。在磨损过程中，ADI微观组织中稳定的奥氏体经历了应变引发相变硬化，ADI 工件表面总有一层高硬度耐磨层。这是ADl具有优越的耐磨性和低的体积磨损的另一原因1.3 课题的研究内容、意义及目的本课题是以ADI（富碳奥氏体+针状铁素体的球墨铸铁）耐磨铸球为实验对象，研究等温淬火工艺对球墨铸铁组织结构的影响规律，确定具有优良性能的ADI耐磨铸球的等温淬火工艺。具体研究内容有：（1）奥氏体化温度对ADI耐磨铸球组

37、织的影响；（2）等温淬火温度对ADI耐磨铸球ADI耐磨铸球组织的影响；（3）ADI耐磨铸球冲击断口的分析本课题的研究内容具有深厚的理论研究和很强的实际应用价值，ADI材料具有高韧性、高强度，与合金刚相比具有更好的经济效益。另外本课题的开展对揭示金属材料的组成、组织与性能间的内在关系也有着积极意义，并且还涉及到与冶金、物理、化学及金属材料领域的广泛交叉。本次实验的目的主要是通过修改盐浴的保温方法为在空气中冷却的方法来提高生产率，降低生产成本，提高企业利润。生产出矿石粉碎、岩石破碎、水泥建材、钢铁冶金、火力发电等行业大量需要的性能优良、价格低廉的ADI耐磨铸球。第2章 实验材料及方法2.1 实验材

38、料本次实验采用的实验材料为从直径100mm球墨铸铁磨球上切割的10mm10mm55mm长条作为热处理实验样品和直径为100mm球墨铸铁磨球实验样品。本次实验的球墨铸铁化学成分如表2.1所示。表2.1 材料的化学成分元素CSiMnPS含量3.602.862.220.0320.0312.2 实验方法2.2.1 热处理工艺热处理所用设备：SX-8-13型高温箱式电阻炉。（1） 奥氏体化奥氏体化温度：奥氏体化温度的提高会引起奥氏体中碳的溶解度增加，减慢针状铁素体转变速度，阻碍针状铁素体的形成，残余奥氏体将增多；同时，奥氏体化温度提高会使奥氏体晶粒粗大，导致等温转变形成的针状铁素体粗大。因此制定合理的奥

39、氏体化温度对得到好的ADI耐磨铸球组织很关键，综合各方面因素我们将淬火温度定为920、940及960三个温度。保温时间：2个小时。淬火介质：10%浓度的JATR-2淬火液（水溶液）。（2） 等温淬火等温淬火温度定为260、280和300三个温度，淬火至这三个温度时直接进入保温炉进行保温2个小时。为了研究不同奥氏体化温度及回火温度对等温淬火球墨铸铁磨球组织和性能的影响，我们设定了九种不同的热处理工艺，这九种热处理工艺分别是：. 920保温2h淬火冷却至260回火保温2h；. 920保温2h淬火冷却至280回火保温2h；. 920保温2h淬火冷却至300回火保温2h；. 940保温2h淬火冷却至2

40、60回火保温2h；. 940保温2h淬火冷却至280回火保温2h；. 940保温2h淬火冷却至300回火保温2h；. 960保温2h淬火冷却至260回火保温2h；. 960保温2h淬火冷却至280回火保温2h；. 960保温2h淬火冷却至300回火保温2h；2.2.2 金相组织观察（1） 试验目的：观察等温淬火耐磨铸球的金相组织，研究热处理工艺与ADI耐磨铸球的金相组织之间的关系；（2） 试验仪器：OLYMPUS-DSX500正置式金相显微镜；（3） 试样形状尺寸：10mm10mm55mm；（4） 试验方法金相组织的观察是用光学显微镜及电子显微镜，来识别材料的组成相或组织组成体的数量、大小、形

41、态及分布等特征。本试验金相组织的观察是在OLYMPUS-DSX500正置式金相显微镜上进行的，本试验金相组织的观察包ADI耐磨铸球的铸态组织和热处理组织观察。首先在已经浇注出的100mm的球墨铸铁磨球中通过线切割设备切割制备成10mm 10mm55mm的铸态试样和需要热处理的冲击试样。将制备好的铸态试样和热处理完成后的冲击试样按照由粗至细的顺序用金相砂纸研磨，其中最粗的砂纸牌号为240，最细的为2000。在研磨过程中，每一道工序必须去掉前一道的变形层，要细心地把前一道的磨痕，完全消除，为了便于检查磨痕是否消除，更换下一号砂纸试样应旋转90；从第一道砂纸起，宜采用湿磨，湿磨可以防止试样升温，减少

42、摩擦力，使变形层减至最小，并及时将磨屑冲走，以免嵌入试样表面，以此类推，直到用最大号砂纸研磨后，观察试样表面没有划痕时，再将其置于抛光机上抛光（抛光时采用金刚石研磨膏做为抛光剂），观察试样表面，没有划痕时即可用清水洗净，随后用纯酒精去除表面水渍并用吹风机吹干，然后利用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，再经水、酒精清洗后烘干，即可在OLYMPUS-DSX500正置式金相显微镜上进行金相观察并照相。进行照相时本次实验分别选取了100倍、300倍、500倍和1000倍的视场进行拍照，为了方便后续的组织的分析每个倍数下金相组织照片最少为3张，在金相组织中若有特殊部分还可在更大的倍数下继续进行金相组织拍照。2.2

43、.3 力学性能测试冲击韧性的测定：（1） 试验目的：测定等温淬火球墨铸铁及铸态球墨铸铁的韧性，揭示ADI耐磨铸球的热出利的组织和力学性能是否满足设计要求；（2） 试验仪器：JBT-50型铸铁冲击试验机；（3） 试样尺寸：用DK7750数控线切割机床切成10mm10mm55mm的无缺口非标准试样；（4） 试验方法：按GB195-84在型号为JBT-50型铸铁冲击试验机上进行，该试验机的最大冲击功为50J。冲击时将试样水平地放在支座上，跨距40mm，然后将摆锤提升至一定高度H1，以使其获得GH1的势能，释放摆锤使其冲断试样，摆锤在冲断试样后达到H2的高度，剩余能量为GH2，则摆锤在冲击试样时失去的

44、能量为GH1GH2即冲击吸收功W(单位为J)，用游标卡尺，测量试样截面面积S(单位cm)，则试样的冲击韧度为aK=W/S，单位为J/cm2。每组试样为两个，最后求平均值。洛氏硬度的测定：（1） 试验目的：测定等温淬火球墨铸铁及铸态球墨铸铁的洛氏硬度，揭示不同热处理工艺对材料硬度的影响；（2） 试验仪器：HD-187.5型布洛维硬度计；（3） 试样尺寸：用DK7750数控线切割机床切成10mm10mm55mm的试样；（4） 试验方法：载荷选取150Kg档，保持载荷时间为5s。测试时在试样的边部和中心部位分别测量5点，并取平均值，此值即为该试样的硬度值（HRC）。冲击断口的分析：（1） 试验目的：

45、对冲击断口进行分析，确定其冲断机理。（2） 试验仪器：SSX-550型扫描电子显微镜；（3） 试样尺寸：用DK7750数控线切割机床切成10mm10mm55mm的试样；（4） 试验方法：试验前，将断口表面用酒精擦洗并用超声波振动仪清洗。实验时，将实验样品装入试样室中，抽真空，调节好电压和电流，找到待观察的样品，选好视场，调节好焦距、亮度及对比度即可观察，选取典型区域进行拍照。第3章 等温淬火球墨铸铁磨球的组织研究3.1 ADI耐磨铸球的铸态组织（1) 未腐蚀前的原始铸态金相组织图3.1为铸态球墨铸铁磨球的未腐蚀前的原始铸态金相组织，通过对原始组织的分析可以知道球化分级为2级，石墨大部分呈球状，

46、余下为团状或絮状，石墨平均直径为0.020mm，因此石墨大小为7级。ab图3.1 未腐蚀的铸态原始金相a)1000倍 b)100倍（2) 腐蚀过的原始铸态金相组织图3.2为腐蚀过的ADI耐磨铸球的铸态组织，通过照片分析可知ADI耐磨铸球的铸态组织为珠光体、铁素体、渗碳体、球状石墨，各自的百分比分别为珠光体64.0%、铁素体16.3%、渗碳体10.5%、球状石墨9.2%。渗碳体形状有鱼骨状渗碳体和条状渗碳体两种形态，珠光体的形态为片状珠光体，铁素体连续均匀的分布于基体中。ab图3.2 腐蚀完的铸态原始金相a)1000倍 b)100倍3.2 奥氏体化温度对试样组织的影响由铁碳相图可知奥氏体化是指将材料加热到的奥氏体化区域，并在该区域内保温直至组织完全奥氏体化。奥氏体化温度的提高会引起奥氏体中碳的溶解度增加，减慢针状铁素体转变速度，阻碍针状铁素体的形成，残余奥氏体将增多；同时，奥氏体化温度提高会使奥氏体晶粒粗大，导致等温转变形成的针状铁素体粗大。因此，在保证完全奥氏体化的同时应适当降低奥氏体化温度。因此，确定合理的奥氏体化温度对于ADI耐磨铸球的性能至关重要。本次实验采用了920、9