貝氏體球墨鑄鐵，由于具有優異的綜合力學性能，被譽為近30年來鑄鐵冶金方面的重大成就之一，被越來越廣泛地應用于各工業部門。本文綜合介紹貝氏體球鐵的研究和發展概況及其主要生產方法，旨在推動我國貝氏體球鐵的研究和應用。
1 貝氏體球鐵的產生、發展與應用
貝氏體球鐵主要分為兩大類：一類是以奧氏體＋貝氏體為基體組織的貝氏體球鐵，稱為奧貝球鐵(Austempered Ductile Iron)，簡稱ADI。這種材料具有較高的強度高同時具有一定的耐磨性。另一類是以貝氏體＋少量碳化物為基體組織的貝氏體球鐵，稱為貝氏體球鐵(Bainite Ductile Iron)，簡稱BDI。這種材料具有很好的耐磨性，同時具有一定的強度和韌性。
1949年W.W.Braidwood就曾預言，針狀組織(貝氏體)鑄鐵可能是機械性能最好的鑄鐵。隨后，美國國際收割機公司于1952年曾用這種球鐵代替鑄造高錳鋼生產軍用履帶。但在此后的20年間，由于這種材料的需要有限，在工業生產中很少應用，致使它的發展基本上處于停滯狀態。直至60年代末70年代初，國際上才重新開始這種材料的研究，1977年M.Johansson宣布芬蘭Kymi-kymmene公司所屬的Karkkila鑄造廠開發了一種使用性能優異的新型球鐵，即奧氏體－貝氏體球墨鑄鐵，并在美、英、法、加等13個國家申請了專利。這一報導引起了廣泛重視，各國從不同角度進行了規模巨大的研究工作。目前生產貝氏體球鐵的方法已由過去的等溫淬火單一方法發展到連續冷卻淬火和合金化鑄態等多種方法。
我國是最早研究和應用貝氏體球鐵的國家之一，一些高等院校和科研單位相繼研制成功這種新材質并將其應用于生產實踐。貝氏體球鐵優異的綜合力學性使其具有非常廣泛的用途，如用在耐磨、耐沖擊、高強度、高韌性和耐疲勞的場合。在大齒輪方面，貝氏體球鐵甚至可以完全代替滲碳鋼，在某些條件下比滲碳鋼作用更好。在震動和沖擊的情況下，貝氏體球鐵的減震、阻礙裂紋擴展能力使滲碳鋼無法比擬。此外，在潤滑困難或無潤滑的惡劣條件下，貝氏體球鐵的自潤滑能力也表現出特殊的優越性。
含有一定數量奧氏體的奧貝球鐵很適合應用于機車車輪、碾輪、滑塊等場合，在這些場合中加工硬化大大提高了工件硬度，同時提高了耐磨性。不同于表面硬化處理的鋼件，奧貝球鐵始終維持著硬的表面層，而表層下面仍保持著原有的韌性。
由于高強度、高韌性和良好的低溫沖擊性能，奧貝球鐵還適用于曲軸、凸輪軸、鏈輪以及大型柴油機的卡盤扳手等。還能滿足破碎機、推土機、挖掘機和農業機械等易磨損部位提出的抗磨損、抗沖擊和抗疲勞的要求。此外，奧貝球鐵還在模具、活塞環、軋鋼機導軌、起重臂、水泵等方面得到了應用。
含有一定數量碳化物的貝氏體球鐵作為礦山球磨機磨球材料已經得到普遍認可，這種材料不僅由于具有一定的抗沖擊能力而避免了碎球，同時由于具有一定的耐腐蝕性能具有比高鉻鑄鐵更好的抗腐蝕耐磨性。此外，這種材料還適于生產濕磨條件下的抗磨鑄件，如泥漿泵等。
2 貝氏體球鐵的化學成分
為了獲得貝氏體組織，通常需要加入Mn、Mo、Ni、Cu、B等影響著球鐵C曲線的合金元素。碳具有穩定奧氏體，延緩貝氏體轉變，改變上貝氏體的下限溫度，并對殘留奧氏體的穩定性有決定性的影響。而殘留奧氏體的數量和含碳量對拉伸強度、韌性、加工硬化速度、抗應變馬氏體轉變的能力和低溫組織的穩定性有著重要的影響。此外，碳是石墨形成元素，高的含碳量可阻礙滲碳體的析出。硅能降低碳在奧氏體中的溶解度，降低過冷奧氏體的穩定性，加速相變，因而縮短珠光體和貝氏體轉變的孕育期。硅還提高共析轉變溫度，擴大共析轉變溫度范圍。此外，硅還是石墨化形成元素，不僅能抑制貝氏體轉變過程中碳化物的析出，而且能細化石墨球，增加鐵素體量，促進貝氏體轉變形成細針狀貝氏體，從而提高球鐵的機械性能。但是，若硅的含量過高，則韌性急劇下降。錳擴大γ區，強烈降低共析轉變和馬氏體轉變溫度，提高奧氏體的穩定性，
使C曲線右移，顯著提高淬透性。錳還使高溫相變區和中溫相變區分離，并使上、下貝氏體相變區明顯分開。但錳是結晶正偏析元素，容易富集在共晶團邊界，不完全淬火后，在該處形成馬氏體、奧氏體和碳化物的混合組織，顯著降低塑性和韌性，強度也有所下降。研究指明，通過適當增加硅量、強化孕育等措施可使含錳量0.6～0.8%的球鐵獲得較理想的貝氏體組織和性能。
鉬是生產貝氏體球鐵最常用的合金元素。鉬是碳化物形成元素，偏析程度比錳更強烈，更容易產生共晶碳化物，而且這種碳化物非常穩定。因此，鉬也降低球鐵的強度和塑韌性。但鉬的最大優點是良好的淬透性，強烈抑制珠光體轉變而對貝氏體轉變的影響微不足道。
鎳和銅都擴大γ區，形成固溶體，阻礙奧氏體分解，降低冷脆轉變溫度，還能在等溫轉變過程中抑制貝氏體中碳化物的形成，顯著地提高奧－貝球鐵的塑性和韌性，并且鎳提高淬透性和斷面均勻性。所以，鉬常和鎳、銅一起使用且能獲得理想的效果。
在實際生產中，合金成分的選擇主要從三個方面考慮：工件的組織性能，例如，生產以奧氏體＋貝氏體組織的高強度、高韌性奧貝球鐵，應加入較高的Ni、Cu等穩定奧氏體、抑制碳化物形成的元素；生產以貝氏體＋少量碳化物組織為主的高耐磨性貝氏體球鐵，應加入較多的Mo、Mn等提高淬透性的元素。生產工藝，等溫淬火奧－貝球鐵可少加合金元素，以降低成本；而連續冷卻淬火，特別是鑄態貝氏體球鐵是在連續冷卻條件下發生貝氏體轉變，所以應多加有利于提高淬透性的元素。工件的壁厚，合金元素的加入量應隨壁厚的增大而增加。
3 貝氏體球鐵的生產工藝、組織與性能
目前貝氏體球鐵的生產工藝有主要有等溫淬火、連續冷卻淬火和鑄態合金化等。
1.等溫淬火工藝
等溫淬火工藝最初主要用于鑄鋼件生產，后來才用于球鐵的生產上。這種工藝的突出優點是：轉變過程容易控制；避免了從奧氏體溫度迅速冷卻至室溫可能產生的應力、畸變和脆裂現象，生產穩定。球鐵與鋼相比，因為它含有較高的碳和硅，基體上分布著大量的石墨，所以球鐵的貝氏體轉變有自己的特點：可以通過控制奧氏體化溫度來調整奧氏體含碳量；球鐵等溫淬火貝氏體轉變時鐵素體板條的生核長大無滲碳體伴隨，貝氏體型鐵素體不斷析出時碳向奧氏體擴散導致奧氏體富碳；富碳奧氏體一定條件下可在室溫下穩定存在。最終得到基體為奧氏體－貝氏體混合組織的球墨鑄鐵。
貝氏體球鐵中晶粒大小，奧氏體含量的多少、穩定與否以及在一定條件下是否有碳化物析出等均影響其性能。若組織只是由鐵素體和奧氏體細小共晶團形成的雙重組織而沒有其它脆性相組成時，則可獲得最佳的強度和韌性的綜合性能。化學成分一定時，則等溫淬火貝氏體球鐵的組織主要取決于三個因素：等溫轉變溫度；在等溫轉變區域保溫的時間；轉變開始時的奧氏體狀態，這取決于奧氏體化溫度和等溫轉變前的冷卻條件。這就是說，貝氏體球鐵的組織取決于奧氏體含碳量和其它元素含量、偏析、晶粒大小以及由奧氏體化溫度冷卻至等溫轉變時的過程。下面分別討論這三個因素。
（1）奧氏體化溫度與時間
奧氏體化溫度越高，則奧氏體含碳量越高。如果奧氏體化溫度太低或時間太短，碳化物不能完全溶解，奧氏體含碳量偏低，經等溫淬火后冷卻至室溫容易轉變成馬氏體。這樣將得到強度、硬度高，而塑性、韌性和抗拉強度低的組織。如果奧氏體化溫度太高或時間太長，則導致奧氏體晶粒粗大，延緩等溫轉變開始，促進二次碳化物的形成。綜合考慮這兩方面的因素，通常奧氏體化溫度選擇在930℃左右。
（2）等溫轉變溫度
隨著轉變溫度的降低，針狀鐵素體量減少，組織細化，抗拉、屈服強度以及硬度均逐漸提高。當轉變溫度在350～470℃時，則首先析出針狀的過飽和鐵素體，鐵素體中不能再溶解的碳則富集在奧氏體中，這是因為較高的含硅量抑制了碳化物的析出。這時組織中奧氏體的含碳量可高達2％，延伸率達最高值，相應的沖擊韌性也達到最高值。當超過與最高延伸率對應的轉變溫度時，會出現組織粗化，并逐漸轉變成鐵素體－碳化物，即珠光體組織，不僅降低了強度而且也降低韌性。若轉變溫度太低，處于下貝氏體形成溫度范圍時，則碳在奧氏體內擴散緩慢，不易形成均勻的高碳奧氏體，冷卻至室溫得到下貝氏體、馬氏體和殘留奧氏體。由于馬氏體的形成，在提高強度和硬度的同時卻降低了延伸率和抗拉強度。
（3）等溫轉變的保溫時間
當確定等溫轉變溫度后，等溫轉變的保溫時間對組織和性能的影響是很密切的。保溫時間太短則只有少量貝氏體型鐵素體析出，周圍未轉變的奧氏體含碳量仍不高，冷卻至室溫時大部分轉變成馬氏體，造成延伸率低、硬度高、發生脆化以及抗拉強度也低的性能；保溫時間太長則由于奧氏體成分趨向均勻化，硅的作用不足以抑制碳化物的析出，因而奧氏體轉變成鐵素體加碳化物，使奧氏體含量和延伸率降低；當保溫時間合適，析出一定量的貝氏體型鐵素體后，周圍奧氏體富碳且均勻、穩定，最終可得奧貝組織，甚至可獲得最高的奧氏體含量和最高的延伸率，而且由于高奧氏體含量可減輕由于馬氏體存在而引起的脆化程度，從而提高抗拉強度。
因此，適當的等溫淬火工藝不僅可以增加鐵素體量，而且也因此提高了奧氏體中的含碳量而使殘留奧氏體更加穩定，還能細化鐵素體－奧氏體組織，獲得理想的組織和性能。但是，等溫淬火工藝由于設備多、對設備的依賴性強，工藝復雜，生產周期長，目前應用開始減少。
2.合金化鑄態工藝
合金化鑄態工藝與等溫淬火工藝相比具有以下優點： 大大降低了能源的消耗； 避免了由于脆裂、氧化或變形等引起的成本增加；減少了對設備的依賴性，縮短了生產周期； 減少了輔助工序，改善了勞動條件。
要想在鑄態條件下獲得理想的貝氏體組織，必須要求鑄件在冷卻過程中避開珠光體轉變鼻子溫度，以防轉變成珠光體；然后又能連續地通過貝氏體區，使之形成貝氏體。所以目前??鑄態奧－貝球鐵主要的途徑是加入較多的提高球鐵淬透性的合金元素，通過合金化來改變C曲線的位置和形狀，從而控制貝氏體球鐵的最終組織。通常加入的合金元素有鎳和鉬等。
合金化鑄態工藝下合金元素的作用和行為與等溫淬火工藝中的作用和行為基本相同，但由于鑄態貝氏體是在連續冷卻的條件下，跨過一個溫度范圍形成的，因此它在形成過程中，合金起作用的程度與等溫淬火工藝時又有一定的不同。合金元素的最佳加入量也隨鑄件的壁厚和冷卻條件而異，鑄件壁厚增加或冷卻速度降低，合金的加入量應相應增加。一般情況下，合金化鑄態貝氏體球鐵中鎳的含量為3.0～4.0%，鉬的含量為0.6～1.0%。
在鑄態下獲得貝氏體組織除了合金化以外，還應考慮其他因素的影響。當成分一定時，冷卻條件具有決定性的影響，冷卻速度太快將得到馬氏體，太慢則會轉變成珠光體。另外，鑄態貝氏體球鐵的碳當量在不出現石墨漂浮的前提下應盡量提高，因為高碳當量可抑制碳化物的形成，而且能細化組織，石墨球增多。而研究表明上貝氏體是在晶界形核長大、下貝氏體是在奧氏體/石墨界面上形核長大，所以高碳當量還有利于貝氏體的轉變。
3.連續冷卻淬火工藝
連續冷卻淬火工藝是將高溫奧氏體化后的鑄件立即淬入特定的淬火介質中，經連續冷卻獲得奧－貝組織的生產方法。與等溫淬火工藝相比，工藝簡便；與鑄態工藝相比，合金加入量大幅度降低，生產成本較低。但是，經連續淬火后的工件具有復雜的內應力，而且組織不穩定，所以回火是必要的后續工序。
目前，生產連續淬火貝氏體球鐵主要通過兩個途徑： 加入提高球鐵淬透性的合金元素，合金元素的作用與選擇同鑄態工藝一致，但其加入量大幅度降低； 選擇合適的淬火介質。
通常是兩種手段同時采用。化學成分一定時，貝氏體球鐵的組織和性能主要取決于以下三個因素： 奧氏體化溫度與時間； 淬火介質及其冷卻性能； 回火溫度與時間。下面介紹這三個因素。
（1）奧氏體化溫度與時間
奧氏體化溫度與時間對連續淬火貝氏體球鐵的影響與等溫淬火中影響基本相同，但是由于連續淬火工藝要求鑄件在冷卻過程中避開珠光體轉變鼻子溫度，又能連續地通過貝氏體區，所以希望貝氏體轉變孕育期短一些，因此奧氏體化溫度應略低于等溫淬火的奧氏體化溫度，選在900℃左右。
（2）淬火介質及其冷卻性能
理想的淬火介質應在淬火初期冷卻能力強，使工件快速冷卻至中溫區；到達中溫區后，冷卻能力較弱，工件冷卻較慢，接近于等溫淬火。
研究表明，淬火液的濃度對球鐵的組織與性能有重要的影響。隨淬火液濃度的提高，組織中白脆相及游離碳化物明顯減少，貝氏體量增多，組織均勻，綜合性能得到改善。
（3）回火溫度與時間
回火的目的是消除內應力，并使殘留奧氏體進一步轉變成下貝氏體。研究表明，較低的溫度(200℃)回火時，殘留奧氏體向下貝氏體轉變的驅動力很大，下貝氏體轉變較密集，基本上保持了高硬度。隨回火溫度的升高，基體中"A＋M"組織及游離碳化物數量變化不大，但由于殘留奧氏體向貝氏體轉變的驅動力降低及應力松馳，使硬度降低，強度、韌性提高。所以回火溫度選在200℃左右。隨回火時間的延長，硬度逐漸升高至最大值，這是回火時間充足，殘留奧氏體分解的結果。而后，因應力松馳，硬度逐漸下降。
4 貝氏體球鐵的前景展望
由于貝氏體球鐵具有良好的綜合機械性能，而且可以通過改變合金成分、奧氏體化溫度、等溫轉變溫度和時間等工藝參數的措施，以滿足不同工作條件下所要求的特殊性能。就目前應用情況看，還遠未發揮貝氏體球鐵的特點與潛力。值得注意的是，貝氏體球鐵的研究日趨成熟，將來會得到更廣泛的應用。
另外，目前貝氏體球鐵的生產基本上都需向其中加入Ni、Mo、Cu等合金元素，而Ni、Mo、Cu是我國稀有的昂貴金屬，這樣貝氏體球鐵的生產成本較高。降低生產成本，提高經濟效益是每個生產廠家追求的目標。根據我國資源特點，利用釩鈦生鐵生產貝氏體球鐵可望是實現這一目標的有效途徑。這是因為：釩鈦是強碳化物形成元素，溶入固溶體時延緩相變，使C曲線右移，提高淬透性，并使珠光體和貝氏體轉變明顯分開，在球鐵中具有某些與Ni、Mo、Cu相似的作用。而且釩能抑制晶界移動和晶粒長大，細化組織。所以采取適當的工藝措施消除釩鈦的不利作用，生產釩鈦貝氏體球鐵是可能的；利用釩鈦生鐵生產貝氏體球鐵將省去復雜的除釩、除鈦過程，而且原材料來源廣泛，生產工藝簡便；可節約稀有的昂貴金屬Ni、Mo、Cu等。從而大大降低生產成本，提高企業經濟效益。
來源：鑄造工業網
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