程海強，符寒光

（北京工業(yè)大學，北京 100124）

CADI研究進展及展望

程海強，符寒光

（北京工業(yè)大學，北京 100124）

詳細闡述了CADI近年來的研究進展，主要涉及Mn含量、Cr含量、B含量和高溫預處理、熱處理工藝對CADI微觀組織和性能的影響及其磨損機理，最后提出CADI將來的發(fā)展趨勢，耐磨機理、標準的制訂、高效低成本等溫淬火設備以及高效穩(wěn)定的分級淬火工藝將是研究重點。

CADI；化學成分；熱處理工藝；磨損機理；研究進展

等溫淬火球墨鑄鐵（Austempered Ductile Iron，簡稱ADI）是M.Johansson于1977年把鋼中的等溫淬火熱處理工藝應用到球鐵中，在芬蘭Karkkila鑄造廠宣布研制成功的[1]。之后經(jīng)過40多年的研究，憑借著強度高、塑性好、質(zhì)量輕、耐磨性好等眾多優(yōu)點，可以用作普通抗磨件、機械承載構件以及齒輪等高精密構件[2]。但是，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對球墨鑄鐵的耐磨性提出了進一步的要求，ADI已經(jīng)難以勝任。

為進一步提高ADI的耐磨性，1992年美國率先開發(fā)了含碳化物的奧鐵體球墨鑄鐵（Carbide Austempered Ductile Iron，簡稱CADI）[3]，即向普通球墨鑄鐵中添加適量的碳化物形成元素，形成彌散的碳化物硬質(zhì)相，然后通過等溫淬火獲得含有針狀鐵素體、球狀石墨、高碳奧氏體以及一定含量的碳化物的球墨鑄鐵。CADI可應用于農(nóng)業(yè)機械、采礦設備、鐵路等領域[4-6]，性能優(yōu)良，經(jīng)濟效益顯著。比如CADI磨球的磨損失重是低鉻鑄鐵的三分之一，無破碎和失圓現(xiàn)象[7]；在許多應用場合，由于較好的韌性可以媲美高鉻耐磨鑄鐵[8]。添加碳化物形成元素生成碳化物，會導致耐磨性增加，塑韌性降低，通過合理的控制熔煉及熱處理過程，使耐磨性和塑韌性得到合理的搭配，非常適宜應用于需要較高的耐磨性以及塑韌性的工況中。

經(jīng)濟新常態(tài)下，實體經(jīng)濟增長乏力，鋼鐵市場需求持續(xù)低迷，產(chǎn)能過剩、環(huán)境污染、企業(yè)虧損問題一直是國家關注的經(jīng)濟焦點。CADI具有優(yōu)良的綜合機械性能和巨大的經(jīng)濟效益，可以作為一個技術革新和經(jīng)濟增長點。國內(nèi)外很多專家學者進行了深入的研究，已經(jīng)取得了可喜的成就，本文就CADI的研究現(xiàn)狀以及遇到的問題進行簡要的闡述。

1 Mn含量的影響

球墨鑄鐵中加入Mn可穩(wěn)定和細化珠光體，提高珠光體的含量[7]。同時錳可以使過冷奧氏體的等溫曲線右移，抑制下貝氏體形成，增加材料的淬透性，并且價格比Cu、Ni、Mo低，可以適當代替，降低CADI的成本。Mn的凝固分配系數(shù)為0.7，呈正偏析，易在晶界處析出生成合金滲碳體（Fe, Mn)3C，隨著Mn含量的增加，碳化物含量升高，甚至形成斷續(xù)或連續(xù)網(wǎng)狀結構，使塑韌性降低。

鄭州大學李路研究[9]發(fā)現(xiàn)隨著Mn含量的增加，鑄態(tài)下球化效果影響不大，珠光體增加并細化，基體中碳化物含量顯著增加，有白口傾向。對于熱處理后的組織，隨著Mn含量增加，針狀鐵素體數(shù)量增多，且逐漸變粗；可產(chǎn)生少量的馬氏體，這是因為含量較高的Mn會促進碳化物數(shù)量的猛增，降低了高碳奧氏體中碳的濃度，熱力學穩(wěn)定性降低，出爐空冷易轉變成馬氏體[10]。最后得出結論Mn含量為1.80%的球墨鑄鐵在900 ℃奧氏體化保溫90 min+250 ℃等溫淬火鹽浴保溫90 min后，硬度55.0HRC，沖擊韌性9.2 J/cm2，磨損率可達0.198 mg/m，綜合機械性能最佳。

公孫建等人[11]也做了類似的實驗，得出Mn含量為1.72%時，經(jīng)960 ℃高溫預處理7 min+900 ℃奧氏體化保溫90 min+250 ℃等溫淬火保溫90 min后，硬度53.8 HRC，沖擊韌度10.2 J/cm2，磨損率0.246 mg/m，綜合性能達到最佳。

中國農(nóng)業(yè)大學徐楊等[12]發(fā)現(xiàn)Mn主要集中于碳化物中，增加含量會造成基體中Mn含量降低，反而會使淬透性下降，同時也會增大碳化物、馬氏體以及高碳奧氏體組成的白亮區(qū)，對基體產(chǎn)生嚴重的割裂作用，塑韌性嚴重惡化?？梢酝ㄟ^嚴控Cr、Mn等碳化物形成元素含量，增加Si含量，強化孕育效果以及熱處理工藝等措施來改善[13]。

2 Cr含量的影響

Cr的分配系數(shù)為0.51，是正偏析元素，但是偏析效果弱于Mn；Cr是碳化物形成元素，碳化物的形成有利于CADI的硬度和耐磨性的提高，但會對塑韌性產(chǎn)生不利影響。鄭州大學張婷研究了Cr對的CADI組織及性能的影響[14]，Cr含量分別為0%、0.5%、1.0%。不含Cr的鑄態(tài)試樣基體組織由珠光體和鐵素體組成，隨著含Cr提高，鐵素體數(shù)量逐漸減少，珠光體逐漸增多；碳化物逐漸增多，主要以(Cr, Fe)7C3、(Fe, Mo)3C 的形式存在。含0.5%Cr的試樣組織經(jīng)過920 ℃奧氏體化保溫1.5 h+280 ℃等溫淬火保溫2 h，硬度為HRC 50.9，沖擊韌度為21.37 J/cm2，相對耐磨性比不加鉻時提高了48%，綜合機械性能達到最佳。

圖1 實驗室條件下兩個不同等溫溫度CADI相對耐磨性（ASTM G 65）相同條件下的ADI作為比較試樣（相對耐磨性為1）

S.Laino等人[15]研究了不同冷速下，含Cr量對CADI性能的影響。結果表明高冷速利于碳化物的形成，碳化物分布集中，并且石墨數(shù)量增多，石墨細化，偏析減弱。隨著Cr含量的增加，耐磨性增加，而沖擊韌性下降。其中碳化物分解量可以忽略，隨后作者通過實驗[16]發(fā)現(xiàn)Cr含量為0.5%時，碳化物中含Cr量較少，碳化物穩(wěn)定性較差，熱處理過程中分解量較大，并且分解量隨著冷卻速度的增加而減少；當Cr含量為2.0%時，分解量很小。隨后S. Laino等人[17]發(fā)現(xiàn)Cr含量對不同等溫溫度的CADI試樣在實驗室條件下耐磨性的影響，如圖1所示。

3 B含量的影響

B屬于正偏析元素，在共晶凝固過程中，B逐漸擴散到殘余液體中，形成硬度很高的硼碳化物，如FeB(1 800～2 000 HV）和Fe2B（1 400～1 500 HV），可以極大地提高耐磨性。公永建等人研究[18]表明B含量從w（B）=0.029%增加到w（B）=0.067%時，硼碳化物含量由15wt.%增加到35wt.%。B的這種特特性能干擾石墨的球化，屬于晶界偏析型,隨著B含量的增加,球狀石墨半徑逐漸增大，球化率降低，但是稀土鎂合金球化處理可以減弱B的反球化作用[19]。微量B可以提高球墨鑄鐵的淬透性，但是隨著含B量的增加，淬透性逐漸降低[20]。當B含量為0.03wt.%時，淬透性明顯增加，此時可獲得綜合機械性能最好的CADI磨球；而當B含量大于0.05wt.%時，淬透性快速降低，中心部位奧鐵體含量減少，而硼碳化物含量明顯增加，導致塑韌性顯著惡化[21]。這為大斷面CADI鑄件（如大型磨球）的生產(chǎn)提供了相應的依據(jù)。此外，我國硼礦儲量巨大，價格低廉，這也為含B的CADI的生產(chǎn)和應用提供了經(jīng)濟基礎。研究[18]表明：硼碳化物能夠為鐵素體形核提供形核核心，且能夠降低晶界能，降低了針狀鐵素體的形核速率，所以熱處理后的組織中，隨B含量的增加針狀鐵素體數(shù)量增多，晶粒變??；當B含量為0.050%時，試樣960 ℃高溫預處理保溫7 min+900 ℃奧氏體化保溫90 min+280 ℃等溫淬火保溫90 min后，空冷到室溫，制備的CADI硬度為HRC 55.7，沖擊韌性為9.1 J/cm2，磨損率為0.206 mg/m，綜合性能達到最佳。

4 高溫預處理的影響

相比于其他耐磨材料，CADI的一大特點就是高耐磨性和較高韌性的結合。但是一般情況下CADI中由于含有較多的碳化物生成元素，在晶界上會形成大量分散甚至是連續(xù)的網(wǎng)狀碳化物，傳統(tǒng)的等溫淬火工藝難以改變碳化物的分布情況，使CADI的韌性惡化，對于韌性要求較高的應用場合CADI難以勝任，這極大地限制了CADI的應用范圍。

在奧氏體化之前進行高溫預處理可以較好地改善韌性惡化的問題，因為高溫預處理可以使部分碳化物分解，網(wǎng)狀碳化物被打斷，變成較細小的顆粒狀或塊狀均勻地分布在基體中；碳化物部分尖角發(fā)生鈍化，從而減少網(wǎng)狀碳化物對基體的割裂作用，韌性得到改善，而硬度略有下降，使CADI達到韌性和硬度的最佳組合。陳傳勝等人[22]研究了高溫預處理對含0.5wt.% Cr 的CADI的韌性、硬度的影響，結果表明：高溫預處理可使 CADI 的沖擊性能提高90%以上，當硬度為51.4～55.7 HRC時，沖擊韌性高達37.7～18.3 J。

高溫預處理的關鍵因素是預處理保溫溫度及保溫時間。張其飛[23]發(fā)現(xiàn)隨著高溫預處理溫度的升高和時間的延長，CADI的韌性大幅提升，對其斷裂機理影響非常大，未經(jīng)高溫預處理的試樣，為脆性斷裂；經(jīng)過 980 ℃/3 min 高溫預處理后，既有脆性斷裂又有韌性斷裂；經(jīng)過 990 ℃/13 min 高溫預處理后，為韌性斷裂。經(jīng)過 990 ℃/13 min 高溫預處理后，含Cr 1.0%的試樣沖擊韌度可達到19.3 J/cm2，比未經(jīng)高溫預處理的樣品提高了78.4%，而硬度有一定的下降，磨損率降低約33.1%。但過高的高溫預處理溫度會使基體組織粗化，惡化CADI的力學性能。在實際工程應用中，應根據(jù)具體的工作條件合理地選擇高溫預處理的保溫溫度及時間，此外還要綜合考慮等溫淬火過程的影響。

5 熱處理工藝的影響

CADI的生產(chǎn)包括熔煉和熱處理兩個過程，其中熔煉過程決定著球狀石墨的半徑、分布以及球化率，還會對碳化物的形態(tài)分布和數(shù)量以及鐵素體、珠光體的體積分數(shù)產(chǎn)生決定性的影響；熱處理過程除了會在一定程度上改善碳化物的數(shù)量、形態(tài)和分布情況外，主要影響針狀鐵素體的形態(tài)以及富碳奧氏體的體積分數(shù)以及C含量。

CADI熱處理工藝的主要參數(shù)包含奧氏體化溫度、時間和等溫淬火溫度、時間，要生產(chǎn)出耐磨性優(yōu)良且韌性較好的CADI，就要根據(jù)大量實驗以及實際工作條件，合理搭配這四種參數(shù)；這里熱處理工藝不包括上一節(jié)所講的高溫預處理。曾藝成[24]指出，一般情況下在等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）的生產(chǎn)中，最佳的奧氏體化溫度是球鐵化學成分的函數(shù)；奧氏體化時間是化學成分、球數(shù)和斷面厚度的函數(shù)；等溫溫度是所需強度等級的函數(shù)；而等溫時間則是等溫溫度、化學成分和石墨球數(shù)的函數(shù)；CADI的熱處理工藝也有類似的規(guī)律。

胡小鋒等人[25]通過正交實驗，發(fā)現(xiàn)熱處理參數(shù)對CADI的耐磨性的影響由大到小分別為：等溫淬火溫度＞奧氏體化溫度≈奧氏體化時間≈等溫淬火時間；其中奧氏體化溫度過高、時間過長，可以獲得含C量更多相比針狀鐵素體硬度較低、韌性較高的高碳奧氏體，且發(fā)生了明顯的粗化，導致硬度下降，降低材料的耐磨性。此外，印度Ajay Likhite, Prashant Parhad等人[26]的研究表明相比于975 ℃，較低的900 ℃奧氏體化溫度會使等溫淬火時過冷奧氏體轉變?yōu)獒槧铊F素體的熱力學驅(qū)動力更大，增加鐵素體形核核心，使鐵素體晶粒細化，碳化物圍繞奧鐵體分布更加均勻，增加CADI的耐磨性。奧氏體化溫度降低雖然有利于提高材料的硬度以及耐磨性，但是會明顯降低韌性。合肥工業(yè)大學劉建升[27]研究了超高奧氏體化溫度獲得高韌性CADI的可能性，結果表明在960～1 000 ℃奧氏體化溫度下，可得到硬度HRC39～50，沖擊韌性93～28 J/cm2的高韌性耐磨材料。

孫玉福等人[28]研究發(fā)現(xiàn)隨著等淬溫度的提高，奧氏體化后得到的奧氏體向貝氏體轉變的驅(qū)動力減小，貝氏體的臨界晶核半徑增大，形核率降低，導致鐵素體發(fā)生粗化，由針狀直至呈羽毛狀；此外C由貝氏體向高碳奧氏體擴散的能力增強，隨等溫淬火溫度的升高奧氏體中C含量逐漸升高，穩(wěn)定性增強，導致韌性較好的高碳奧氏體增多，最終CADI的韌性升高，硬度、耐磨性降低；最終得出最佳等溫淬火溫度為280 ℃，組織中含有22.33%高碳奧氏體，硬度HRC 50.9，沖擊韌度32.72 J/cm2，相對耐磨性比320 ℃時增加11%，綜合性能良好。

等溫轉變可以分為兩個階段：第一階段，針狀鐵素體形核并迅速長大，C由鐵素體逐漸擴散到周圍的奧氏體中，高碳奧氏體由于含C量較低導致穩(wěn)定性差，易轉變?yōu)轳R氏體，硬度較高，但強度及塑韌性較差；第二階段，奧氏體開始分解為針狀鐵素體和滲碳體的混合物，使貝氏體球鐵的強度和塑韌性下降；兩個階段之間為工藝窗口期，主要是針狀鐵素體的側向長大，此時含碳量很高的殘余奧氏體穩(wěn)定性很好，綜合力學性能最好。李繼林[29]的研究表明300 ℃等溫淬火2 h處于工藝窗口期內(nèi)，奧氏體含碳量1.9562wt.%，穩(wěn)定性好，綜合力學性能最佳。

傳統(tǒng)工藝中過冷奧氏體生成下貝氏體要經(jīng)過硝鹽浴等溫淬火，工藝成熟，穩(wěn)定性高，但是投資大、周期長、能耗高、環(huán)境污染嚴重，并且易對鑄件和設備產(chǎn)生腐蝕，因此尋找硝鹽浴等溫淬火的替代工藝成為研究的又一熱點，這其中研究最多就是分級淬火。

中國農(nóng)業(yè)大學徐楊[30]的研究表明：與硝鹽浴等溫淬火相比,分級淬火由于過冷度大，貝氏體大量形核，導致組織細密,硬度和沖擊韌性都得到了提升。這說明分級淬火有代替等溫淬火的潛力。但劉金海等[31]的研究表明與鹽浴等溫淬火相比，分級淬火的體積硬度較低，而沖擊韌度略高，分級淬火的耐磨性降低26%，經(jīng)過分級淬火的CADI磨球易發(fā)生碎球和失圓?，F(xiàn)階段分級淬火生產(chǎn)的CADI性能以及穩(wěn)定性還達不到要求，還需要更多深入的研究。

6 磨損機理

CADI作為一種新型的耐磨材料，不僅擁有可以和合金鋼相媲美的耐磨性，而且塑韌性較好，成本較低，應用前景廣闊，但是人們對于它的耐磨性認識較少，這很大程度上影響了CADI的發(fā)展和應用。

對于CADI的磨粒磨損機理，S. Laino等人[17]的研究表明，實驗室條件和肉類食品擠出機螺桿是低應力磨損，在劃痕實驗中相當于1 N負載下的磨損，劃痕平均寬度為20μm，比碳化物尺寸小，碳化物作為強化顆粒，減小了劃痕的擴展以及體積損失，從而增加了耐磨性，在這種情況下，碳化物含量越高，強化效果越好，耐磨性越好，在外力作用下碳化物可能產(chǎn)生微觀裂紋，導致脫落；而挖掘機斗齒是高應力磨損，相當于10 N負載下的劃痕實驗，劃痕寬度平均為75μm，比碳化物尺寸大，碳化物易脫落，耐磨性比ADI差，在一定含量范圍內(nèi)碳化物含量越多塑韌性越差，耐磨性越差，最后作者提出碳化物含量進一步提高后，直至碳化物顆粒之間難以被磨粒嵌入時，耐磨性可能提高。

CADI的耐腐蝕磨損性能取決于材料的耐腐蝕性和耐磨性的綜合作用。中性介質(zhì)中，腐蝕作用弱，耐腐蝕磨損性能主要取決于其耐磨性。酸性、堿性腐蝕性較高的介質(zhì)中，耐腐蝕性能對材料的耐腐蝕磨損性能的影響作用增大。由于殘余奧氏體自腐蝕電位較高，能夠有效增強耐腐蝕性能，但是殘余奧氏體相比于碳化物而言硬度較低，降低了材料的耐磨性。故增強材料的耐腐蝕磨損性能需要綜合考慮殘余奧氏體的含量。李國祿和郝曉燕等人[32]發(fā)現(xiàn)，等溫淬火溫度可以通過影響殘余奧氏體含量而對CADI的耐腐蝕磨損性能產(chǎn)生很大影響。劉金海[33]甚至得出結論在酸堿腐蝕介質(zhì)中當殘余奧氏體含量小于22%左右時，隨著含量的增加，耐腐蝕磨損性能逐漸減弱；含量等于22%左右時，耐腐蝕磨損性能最差；大于22%左右時，隨著含量的增加，耐腐蝕磨損性能再次增加。所以我們要根據(jù)具體的工作環(huán)境，通過制定合理的合金元素組成以及熱處理工藝，得到含有合適的殘奧奧氏體含量的CADI，從而獲得優(yōu)異的耐腐蝕磨損性能。

7 展望

作為一種新型耐磨材料，CADI 同時兼有高耐磨性和較高韌性，已經(jīng)得到廣泛的重視，研究成果顯著。但是真正應用到實際生產(chǎn)生活中的還很少，為此我們還要做許多研究，其中包括：

（1）深入研究CADI的強化及磨損機理。CADI于1992年研發(fā)成功，雖然經(jīng)過了20多年的發(fā)展，但是人們對它的強化及耐磨機理還是不甚明了。CADI的組織性能對工藝參數(shù)非常敏感，碳化物形成元素含量、奧氏體化過程、等溫淬火過程以及工作條件等都對其組織和性能產(chǎn)生巨大影響，深入了解其強化及耐磨機理對于獲得性能優(yōu)良、質(zhì)量穩(wěn)定的CADI產(chǎn)品至關重要。

（2）加快制訂相關企業(yè)標準，不僅利于產(chǎn)品的生產(chǎn)銷售，為企業(yè)帶來利潤，也為將來CADI生產(chǎn)工藝成熟之后相關行業(yè)以及國家標準的制訂提供豐富的參考數(shù)據(jù)。

（3）抓緊研發(fā)低成本、高效穩(wěn)定的等溫淬火設備，并且要深入研究分級淬火對CADI性能的影響，為CADI開發(fā)出一條新的高效穩(wěn)定的熱處理工藝。

8 結束語

CADI兼具高耐磨性和較高韌性，得到了廣泛的重視和研究。本文詳細闡述了CADI近年來的研究進展，主要涉及碳化物形成元素如Mn、Cr、B含量和高溫預處理、熱處理工藝對CADI微觀組織和力學性能的影響，還涉及到了磨損機理。因為涉及到的影響因素眾多，要生產(chǎn)出穩(wěn)定優(yōu)良的CADI，就要綜合考慮熔煉工藝、熱處理工藝以及實際工作條件下對應的磨損機理?？傮w來說，CADI的發(fā)展過程主要包括試驗研究、開發(fā)應用和擴大工業(yè)化生產(chǎn)三個發(fā)展階段，而我國目前還處在第一個發(fā)展階段，耐磨機理、標準的制訂、高效低成本等溫淬火設備以及高效穩(wěn)定的分級淬火工藝將是研究重點。

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Research progress and prospects of CADI

CHENG HaiQiang, FU HanGuang
(Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

The research advances of CADI in recent years was introduced in details, which includes the influence of Mn，Cr and B contents, high temperature pretreatment process，heat treatment process on microstructure and properties of CADI and wear mechanism. In the end, we get the trends of CADI in the future, and the wear mechanisms, establishing the related standard, developing high-efficient and low-cost isothermal quenching equipment as well as effi cient and stable stepped quenching processing will be the priority.

CADI; chemical composition; heat treatment process; wear mechanism; research advances

TG255；

A；

1006-9658（2017）01-0001-05

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.001

2016-07-12

稿件編號:1607-1435

程海強（1991—），男，碩士研究生，從事金屬材料研究研究；通訊作者：符寒光，研究員.