0L:1013374W5sml00106x20000L0度 第22卷第1期 北京科技大学学报 Vol22 No.I 2000年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2000 钒对贝氏体球墨铸铁组织与硬度的影响 朱玉龙 陈迪林 翟启杰 北京科技大学材料科学与L程学院.北京100083 摘要研究了钒在连续冷却许火贝氏体球墨铸铁中的存在形式和作用，以及对球围铸铁贝 氏体组织和性能的影响机制.结果表明：织在县氏体球墨转铁中以岗溶和弥散碳化物2种形式 存在，它能有效地增加见氏体形核率，促进贝氏体转变，细化贝氏体组织，强化基体，提高硬度。 因此，饥可替代组、像、硼等元素生产贝氏体球铁， 关键词钒：贝氏体球得铸铁：组织：映度 分类号TG143.5 目前贝氏体球铁的生产主要靠加入Mo, 贝氏体组织明显细化，贝氏体量明显增加：贝氏 Ni,Cu,B等贵重金属合金元素，通过改普球墨 体球铁的硬度上升， 铸铁的淬透性能，在等温淬火或连续淬火或铸 51 91 态条件下得到所需的贝氏体组织.本文旨在研 ·一洛氏硬度 究钒对贝氏体球墨铸铁的组织和硬度的影响及 50 一·一贝氏体绿 90 其作用机制，为充分利用攀钢生铁含钒的特点， 49F 89 开发具有良好性能价格比的耐磨铸铁材料一 48 含钒贝氏体球墨铸铁提供生产和理论依据， 47 1实验方法 46 786 185 用铸造生铁、硅铁、锰铁及铜合金等作原 0 0.20.40.6 0.81.0 料，在15kg中频感应炉中熔炼，过热至1500℃ ,% 出炉。球化剂、孕育剂和钒铁的加入采用冲入 图】钒对贝氏体球铁的宏观硬度和贝氏体量的影响 法.铸铁成分（质量分数）如下：3.6%C,2.5%Si, Fig.1 Effect of vanadium on macro-hardness and bainite content 2.0%Mn.03%Cu:钒含量（质量分数）分别为 0%,0.3%,0.5%,0.7%.0.9%.采用粘十砂千型浇 铸30mm的试样.经900℃×3h奥（休化后淬 入温度为室温的特定的淬火液中连续冷却，最 后从试样中部切取金相试样，考察其金相组织 和洛氏硬度： 2实验结果 图1是钒对贝氏体球铁的洛氏硬度、贝氏 体量影响的曲线，图2和图3是不同含钒量的 贝氏体球墨铸铁的组织形貌.从图中可以看到， 在本试验的研究范围内，随着钒加入量的增加， 图2未加入钥时贝氏体形貌 1999-09-13收稿朱玉龙男，32岁，讲帅，博士 ·国家·九五攻关资助顶HN0.97-12303-02-01) Fig.2 The morphology of BDI (w.=0)
DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．01．036
·42· 北京科技大学学报 2000年第1期 图3钥对贝氏体球铁组织形貌的影响.(a)w,0.3%:(b)ww0.5%:c)m0.7%:(d)w,0.9% Fig.3 EfTect of vanadium on the morphology of BDI 3实验结果讨论 3.1钒对球墨铸铁中贝氏体组织的影响 钒有利于细化和增加贝氏体组织的作用机 制，首先是铸件经高温奥氏体化后，钒溶入奥氏 体并形成固溶体，降低了碳的扩散速度：同时因 钒原子自身也需要时间扩散，从而延缓奥氏体 转变，使C曲线右移且使珠光体转变和贝氏体 转变明显分开，增加铸件的淬透性川，有利于奥 氏体向贝氏体转变，细化贝氏体组织，增加基体 组织中的贝氏体量，其次，球墨铸铁中的贝氏体 虽然在石墨球/基体界面上优先形核，但晶界也 图球墨铸铁中贝氏体的形核位置 Fig.4 Nucleation position of bainite in ductile iron 是贝氏体的形核位置.在奥氏体化过程中，铸 贝氏体，贝氏体针大小的不同，造成宏观性能的 态条件下形成的碳化钒颗粒未完全溶解前具有 差别，尤其是硬度的差别.其次，碳化物的形状、 “钉扎”作用，阻碍晶界移动和品粒长大，阻止奥 分布、存在状态和数量对贝氏体球墨铸铁的硬 氏体形成过程中奥氏体晶粒的粗化，为贝氏体 度性能也有重要影响.为此，我们对此进行分 提供了更多的有利形核位置（见图4），使得贝 析. 氏体核心大量增加，从而细化了贝氏体组织并 ()贝氏体针尺寸对硬度的影响， 增加了贝氏体转变量. 研究表明，球墨铸铁中贝氏体针尺寸对宏 32钒对贝氏体球量铸铁硬度的影响 观硬度的影响满足Hal-Petch关系， 贝氏体球墨铸铁中，铸铁的主要强化相是 HRC=-5.9+49.2da (1)
Vol.22 No.1 朱玉龙等：钒对贝氏体球墨铸铁组织与硬度的影响 ·43 其中，HRC为贝氏体球墨铸铁的宏观硬度，d为 对球墨铸铁G=5.58×10N/m2,b=0.248nm,假设 贝氏体针尺寸(um).该式表明，贝氏体球墨铸铁 析出相质量分数为3%，平均尺寸为50nm,经 的宏观硬度随贝氏体针尺寸的减小而增加.在 计算得△HRC=4.4.由此可见，碳化物弥散分布 本研究中，由于合金元素钒的加入细化了贝氏 造成的强化效果是显著的. 体，从而使洛氏硬度提高. 在本研究中，钒既细化了贝氏体组织，又因 (2)碳化物的弥散强化对硬度的影响. 其是碳化物形成元素而增加了弥散分布的碳化 作为弥散强化的粒子应满足2个基本条件： 物百分含量，所以在本研究成分范围内，随着钒 一是弹性模量要远高于基体的弹性模量；二是 加入量的增加，贝氏体球墨俦铁的宏观硬度逐 要与基体呈非共格关系.位错运动受到粒子阻 渐上升：另外，因贝氏体是主要强化相，钒的加 碍时，难以切过粒子本身，而以绕过方式通过粒 入增加了贝氏体含量，这也是洛氏硬度提高的 子，并在粒子周围留下位错圈，从而起到强化作 原因之一. 用.这种强化作用通常用Orowan-Ashby公式计 算，其精确表达式为： 4结论 Gbn方 (1)钒有利于球墨铸铁贝氏体转变，提高贝 At.=0.852π1-rL-27 (2) 氏体的形核率，细化贝氏体组织并提高贝氏体 其中：a为常数（对刃型位错=1；对螺旋位错 转变量. a0):r为粒子平均半径：L为粒子中心间距；G (2)钒在贝氏体球墨铸铁中形成弥散碳化 为基体切变模量；b为柏氏矢量；v为泊松比：△t。 物，从而强化基体，提高其硬度. 为临界切应力的增量.显然，析出相的强化满足 (3)钒可替代钼、镍、硼等元素来生产贝氏体 弥散强化条件. 球铁. 假设为析出相的体积分数，刃型位错与螺 旋位错各占50%，取-0.3，AHRC≈号Ar,则 参考文献 1孙珍宝，朱谱藩，林慧国，等.合金钢手册（上）.北京： 治金工业出版社，1984 () (3) 2刘国钧.抗磨贝氏体球墨铸铁工艺与组织的研究：[学 位论文].北京：北京科技大学，1996 于是得到 3 魏秉庆.抗磨贝氏体球墨铸铁及强化机制：[学位论 Gbln b 文].北京：清华大学，1992 △HRC=0.055 (4) 4 LeMay I.Principles of Mechanical Metallurgy.London: -2 Edward Arnold Ltd.,1981.185 Effect of Vanadium on Structure and Hardness of BDI ZHU Yulong,CHEN Dilin,ZHAI Qiji Material Science and Engineering School.UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Effect of vanadium on continuous quenching bainite ductile cast iron and its existing con- dition have been studied.Effect mechanism of Vanadium on structure and mechanical property of bnainite has been discussed.It has found that vanadium exists in the forms of both solid solution and dispersion carbide in continuous quenching bainite ductile cast iron.Addition of vanadium to ductile cast iron can increase the nu- cleation rate of bainite efficiently,facilitate the bainite transformation,refine and strengthen the matrix struc- ture,and raise its hardness.It showed that the vanadium can be used to replace Mo,Ni and B to produce BDI. KEY WORDS vanadium:bainite ductile iron;structure:hardness
朱玉 龙 等 钒对 贝 氏体球墨 铸铁 组 织 与硬度 的影 响 其 中 ， 为 贝 氏体 球 墨 铸铁 的宏 观 硬度 ， 为 贝 氏体针 尺寸。 川 该 式表 明 ， 贝 氏体球 墨 铸 铁 的宏 观硬度 随 贝 氏体针 尺 寸 的减 小 而 增 加 在 本研 究 中 ， 由于 合 金元素 钒 的加 入 细 化 了 贝 氏 体 ， 从 而 使洛 氏硬度 提 高 碳 化物 的 弥 散 强 化 对 硬度 的 影 响 作为弥 散 强化 的粒 子应满 足 个基本条件 一 是 弹 性 模量 要 远 高于 基 体 的弹 性模量 二 是 要 与 基 体呈 非 共格 关 系 位错 运动 受 到粒 子 阻 碍 时 ， 难 以切 过粒 子 本 身 ， 而 以绕过方 式通过 粒 子 ， 并在 粒子 周 围 留 一 下位错 圈 ， 从而 起 到 强 化 作 用 这 种 强 化 作用 通 常用 一 公 式 计 算 ， 其 精确 表达 式 为 ‘ 对 球 墨 铸 铁 ’。 ，， ， 假 设 析 出相 质 量 分数 为 ， 平 均 尺 寸 为 ， 经 计 算 得△ 一 由此 可 见 ， 碳化 物 弥 散 分 布 造成 的强 化 效果 是 显 著 的 在本 研 究 中 ， 钒 既细 化 了 贝 氏体 组 织 ， 又 因 其 是 碳化 物 形 成 元素而 增加 了弥散分布 的碳化 物 百 分含量 ， 所 以在本研 究成 分 范 围 内 ， 随着钒 加 入 量 的增 加 ， 贝 氏体球 墨 铸 铁 的宏 观硬度逐 渐 上 升 另外 ， 因 贝 氏体 是 主 要 强 化 相 ， 钒 的加 入增 加 了 贝 氏体含 量 ， 这 也 是 洛 氏硬度 提 高 的 原 因 之 一 。 ， 砖 ， 、 凸云 石 石厂下不丁一一一万蔽不干一一蔺 下 吃乙 乙兀气 一 厂气弃一 乙 其 中 为 常 数 对 刃 型 位 错 对 螺 旋 位 错 为粒 子 平 均 半 径 为 粒 子 中心 间 距 为基 体切 变模量 为 柏 氏矢 量 为 泊松 比 △瓦 为 临界 切 应力 的增 量 显 然 ， 析 出相 的强 化满足 弥 散 强 化 条件 假 设广为析 出相 的体 积 分 数 ， 刃 型 位 错 与螺 旋位错 各 占 ， 取 ， △ 有 ， 了 兀 ， 、合 高 不 、 少 岛 合 △ ， 则 于 是 得 到 兀 、李 一二 一 乙 卜 结 论 钒 有 利 于 球 墨 铸铁 贝 氏体 转变 ， 提 高 贝 氏体 的形 核 率 ， 细 化 贝 氏体组 织 并提 高 贝 氏体 转变量 钒 在 贝 氏 体 球 墨 铸铁 中 形 成 弥 散 碳 化 物 ， 从 而 强 化 基 体 ， 提 高其 硬度 钒可 替代 铝 、 镍 、 硼 等 元素 来 生产 贝 氏体 球铁 参 考 文 献 孙 珍 宝 ， 朱谱藩 ， 林 慧 国 ， 等 合 金钢 手册 上 北 京 冶 金 工 业 出版社 ， 刘 国钧 抗磨 贝 氏体球墨铸铁工 艺与组织 的研究 学 位论文 北 京 北 京科技 大 学 ， 魏 秉庆 抗磨 贝 氏体球 墨 铸铁及 强 化机 制 学位 论 文 北 京 清华大学 ， 认 ， 月七 、 厅 ， 〔 万万 ， 刁 ， ， ， 、 ， ， ， ， 俪
