鋼鐵材料具有生產(chǎn)規(guī)模大、易于加工、性能可靠、使用方便、價(jià)格低廉和便于回收等特點(diǎn)，仍是占主導(dǎo)地位的工程材料。鋼的各種合金元素中，硅是最廉價(jià)的元素之一。一般條件下，硅超過一定數(shù)量后，對(duì)鋼的力學(xué)性能特別是韌性會(huì)產(chǎn)生有害的影響，因此，硅元素在普通低合金鋼中的加入量被嚴(yán)格限制在較低的范圍內(nèi)。近年來，以硅為主要合金元素，利用硅在等溫轉(zhuǎn)變過程中強(qiáng)烈抑制碳化物析出的特點(diǎn)進(jìn)行等溫淬火，得到由無碳化物貝氏體和被碳、硅穩(wěn)定化了的奧氏體組成的奧—貝雙相組織，受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視”。這種組織具有優(yōu)異的綜合機(jī)械性能，即高的強(qiáng)度、硬度以及良好的沖擊韌性，是一種在耐磨領(lǐng)域極具研究和開發(fā)價(jià)值的新材料，同時(shí)，高硅鑄鋼是一種廉價(jià)的新型材料，所需添加的合金元素僅為1.5％—3.5％的硅，其它的合金元素很少或根本不需添加，因而具有極高的性能價(jià)格比。目前國(guó)內(nèi)外在高硅鑄鋼研究方面做了大量的工作，取得了一些成果。通過介紹這種材料的組織和性能，并提出進(jìn)一步改善高硅鑄鋼強(qiáng)韌性的途徑，對(duì)于高硅鑄鋼的推廣應(yīng)用將具有積極的意義。
w(Si)對(duì)高硅鑄鋼組織和性能的影響
硅是高硅鑄鋼中的主要合金元素，w(Si)對(duì)高硅鑄鋼的組織和性能具有重要的影響。陳祥等人研究了硅對(duì)等溫淬火高硅鑄鋼組織和性能的影響。隨著w(Si)的增加，抗拉強(qiáng)度隨之降低，硬度值幾乎不變，而沖擊韌性先逐漸提高，繼而又有所下降。w(Si)為2.64％左右時(shí)，可以得到完全由貝氏體鐵素體和富碳?xì)堄鄪W氏體組成的無碳化物奧—貝組織。w(Si)過低，組織中會(huì)出現(xiàn)馬氏體；w(Si)過高，組織中會(huì)出現(xiàn)殘留的未轉(zhuǎn)變奧氏體組織，這是因?yàn)楣璧募尤敫淖兞瞬牧舷嘧兊臒崃W(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，阻礙了碳化物的生成。由于滲碳體的形成要靠碳原子的擴(kuò)散和硅原子的位移，在等溫溫度范圍內(nèi)，間隙原于碳的擴(kuò)散較為容易，而置換原子硅的擴(kuò)散則非常困難。硅一方面是形成封閉相區(qū)的元素，另一方面又是非碳化物形成元素，且在碳化物中的溶解度遠(yuǎn)低于其在鐵素體中的溶解度，這樣在貝氏體前沿由擴(kuò)散控制的排硅過程就成為滲碳體析出的制約因子，因此使奧-貝組織轉(zhuǎn)變初期僅由無碳化物貝氏體和富碳的未轉(zhuǎn)變奧氏體組成。榮守范等人的研究結(jié)果也證實(shí)w(Si)提高，合金韌性增加。
等溫淬火高硅鑄鋼的組織和性能
目前，在改善高硅鑄鋼的組織和性能方面，國(guó)內(nèi)外做了大量的工作，取得了一系列的成果。徐繼彭等人選擇高碳(0.75％)高硅(2.4％)鑄鋼，在280～360℃范圍內(nèi)進(jìn)行等溫淬火處理后，詳細(xì)研究了等溫淬火工藝對(duì)奧—貝高硅鑄鋼組織和性能的影響，合金詳細(xì)成分見表1。等溫淬火后可以獲得無碳化物析出的奧氏體—貝氏體組織，且隨著等溫淬火溫度的升高，貝氏體形貌由針狀下貝氏體逐漸向羽毛狀上貝氏體轉(zhuǎn)變。試驗(yàn)結(jié)果還表明，等溫淬火工藝對(duì)力學(xué)性能的影響較復(fù)雜，見圖1—圖4。奧氏體化溫度和時(shí)間為900℃x120min、等溫淬火溫度和時(shí)間為320℃ x 120min時(shí)，可以獲得較佳的綜合力學(xué)性能。
等溫淬火時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，等溫溫度是影響高硅鑄鋼機(jī)械性能最顯著的因素。隨著等溫溫度的提高，材料的抗拉強(qiáng)度和硬度下降，而沖擊韌性先是增加，達(dá)到一最高值后開始下降。在320℃等溫時(shí)，奧貝組織具有最佳的沖擊韌性，抗拉強(qiáng)度和硬度值較等溫溫度更低時(shí)下降幅度不大，并且有一定的延伸率；等溫溫度低于280℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度和硬度較高，但韌性和塑性很差；等溫溫度高于360℃時(shí)，雖然材料仍有高的韌性，但犧牲了材料的抗拉強(qiáng)度和硬度。歸納得出在320℃左右等溫時(shí)，可以獲得最佳強(qiáng)韌性配合的高硅鑄鋼。
高硅鑄鋼的斷裂韌性和疲勞性能
1 高硅鑄鋼的斷裂韌性
目前，高硅鑄鋼斷裂韌性的文獻(xiàn)報(bào)道較少。Putatunda對(duì)一種含w(C)1.0％和w(Si)2.5％的高碳高硅鋼的斷裂韌性進(jìn)行了深入研究。當(dāng)鋼中貝氏體組織是上貝氏體，殘留奧氏體(A)為35％左右，而奧氏體中w(C)大約為2％時(shí)，獲得了最高的斷裂韌性。對(duì)于奧氏體含量為30％-40％時(shí)斷裂韌性最好的現(xiàn)象，在等溫淬火奧貝球鐵(簡(jiǎn)稱ADl)中也有類似的發(fā)現(xiàn)，而且在ADl中下貝氏體斷裂韌性優(yōu)于上貝氏體，而高硅鋼中恰好相反。Prasad and Putatunda在研究ADI時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，25％A時(shí)斷裂韌性最好，同時(shí)盡可能提高奧氏體中w(C)，有利于改善斷裂韌性。該作者在另外一篇文獻(xiàn)報(bào)道了通過不同溫度等溫淬火后發(fā)現(xiàn)，ADI中有30％A，而且A中w(C)超過1.8％時(shí)，斷裂韌性最好。Putatunda還研究了w(Mn)2％和”(Si)3％的鑄鋼的顯微組織對(duì)斷裂韌性結(jié)果的影響表明，在1010℃奧氏體化2h后，隨后在316℃等溫6h，可以獲得殘留奧氏體大于80％的基體組織，基體中大量的奧氏體使鋼基本上無磁性，等溫淬火可以導(dǎo)致材料的機(jī)械性能和斷裂韌性明顯地改善，同時(shí)指出這種鋼有望在海軍、航空以及汽車等領(lǐng)域廣泛推廣應(yīng)用。
黃維剛等人也研究了硅對(duì)貝氏體鋼的組織和強(qiáng)韌性的影響。結(jié)果表明，w(Si)為1.4％—1.8％時(shí)，鋼中的貝氏體組織是由殘余奧氏體和無碳化物貝氏體組成。高硅中低碳鋼和中碳鋼的斷裂韌性分別達(dá)到119 MPa·m1/2和73MPa·m1/2，顯著高于w(Si)低的鋼。此外，w(Si)增加，可使鋼在高強(qiáng)度下仍具有高的韌性。對(duì)中低碳鋼來說，w(Si)為1.4％和1.8％時(shí)，斷裂韌性分別為114 MPa·ml/2和119 MPa·m1/2，高于w(C)相同的低硅鋼。w(Si)為1.8％的中低碳鋼，在冷速為46℃/min時(shí)，由于出現(xiàn)少量的先共析鐵素體而使韌性降低，但降低幅度不大。中碳高硅鋼在強(qiáng)度高于低硅鋼的條件下，斷裂韌性可達(dá)到73MPa·m1/2。其中高硅鋼在硬度(55HRC)顯著高于低硅鋼(48HRC)時(shí)，斷裂韌性仍然較高，K1。達(dá)到66MPa·m1/2。雖然單從韌性看，與低硅鋼(K1e=63MPa·m1/2)沒有明顯差別，但從強(qiáng)度和韌性的綜合關(guān)系看，高硅鋼的性能優(yōu)于低硅鋼，由此可見，增加適量的硅對(duì)貝氏體的韌性是有利的。高硅鋼的高韌性與微觀組織密切相關(guān)。w(Si)低時(shí)，鋼中貝氏體為典型的下貝氏體，鐵素體條片內(nèi)分布有片狀滲碳體，這種碳化物的存在將促使裂紋的形成與擴(kuò)展，對(duì)鋼的韌性不利；w(Si)較高時(shí)，由于硅對(duì)碳化物析出的阻礙作用，使未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體富碳，得到無碳化物貝氏體。鐵素體條片間或條片內(nèi)的殘余奧氏體取代了滲碳體，消除了滲碳體的有害作用。這種位于鐵素體條片間的殘余奧氏體對(duì)鋼的強(qiáng)韌性產(chǎn)生有利作用，因?yàn)檫@種殘余奧氏體富碳程度較高，同時(shí)受到周圍鐵素體片條的約束，穩(wěn)定性相對(duì)較高。受到外力的作用時(shí)，塑性較好的殘余奧氏體對(duì)擴(kuò)展的裂紋尖端有鈍化作用，或者在裂尖應(yīng)力場(chǎng)的作用下誘發(fā)馬氏體相變，這都能增加裂紋擴(kuò)展的阻力，提高鋼的韌性。
2 高硅鑄鋼的疲勞性能
關(guān)于高硅鑄鋼疲勞性能的研究，目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道較少。一些文章介紹了高硅奧—貝雙相鋼接觸疲勞特性，試驗(yàn)結(jié)果見表2，表中看出奧-貝鋼具有優(yōu)良的抗疲勞性能。材料的接觸疲勞失效包括裂紋萌生、擴(kuò)展及最后斷裂。一般認(rèn)為裂紋形核抗力主要取決于剪切強(qiáng)度，裂紋擴(kuò)展抗力則主要取決于韌性。奧-貝鋼在245—320℃溫形成的奧—貝組織接觸疲勞壽命并不隨硬度、強(qiáng)度增加而單調(diào)升高，而是取決于組織的強(qiáng)度、韌性及其配合。320℃等溫的奧—貝組織．強(qiáng)度和硬度最低，易于萌生疲勞裂紋，盡管它的塑性和韌性很高，對(duì)抑制裂紋擴(kuò)展有利，但剝落屬于應(yīng)力疲勞的范疇，疲勞裂紋的萌生是主導(dǎo)過程，因而接觸疲勞壽命低。245℃和280℃等溫的奧—貝組織，強(qiáng)度和硬度明顯提高，但前者的塑性和韌性顯著降低，而后者的仍保持塑性和韌性較高水平，同時(shí)具有超高強(qiáng)度和良好的韌性配合，因此能抑制疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，接觸疲勞壽命最高，因而是獲得高接觸疲勞性能最理想的組織。
譚若兵對(duì)貝氏體鋼的疲勞性能研究表明，同一種材料(40CrMnSiMoV)通過不同的熱處理方法獲得準(zhǔn)貝氏體組織和馬氏體組織，兩種組織分別進(jìn)行力學(xué)性能、光滑(δ-1)和缺口(δ-1N)及沖擊疲勞試驗(yàn)，在馬氏體組織的強(qiáng)度高于準(zhǔn)貝氏體鋼強(qiáng)度時(shí)，測(cè)得準(zhǔn)貝氏體組織的疲勞強(qiáng)度(δ-1)、(δ-1N)及沖擊疲勞強(qiáng)度卻高于馬氏體組織，說明準(zhǔn)貝氏體組織具有較高的疲勞性能。宋國(guó)樣等人研究了ZL-B鑄鋼車輪材料的接觸疲勞性能，發(fā)現(xiàn)接觸疲勞壽命較低的試樣，其裂紋常出現(xiàn)在非金屬夾雜物附近，這將使裂紋以更快的速度擴(kuò)展。能譜分析表明，夾雜物的主要化學(xué)成分為Al2O3、siO2等聚集性化合物，這些都是煉鋼時(shí)鋼中的非金屬夾雜物。當(dāng)這些夾雜物正好處于試樣表層的金屬中時(shí)，將促使疲勞裂紋形成和擴(kuò)展，從而使接觸疲勞壽命降低。由此可見，在冶煉時(shí)進(jìn)一步清除鋼液中的非金屬夾雜物也是提高高硅鑄鋼接觸疲勞抗力的重要措施。
高硅鑄鋼變質(zhì)處理和淬火預(yù)處理
1 高硅鑄鋼變質(zhì)處理
鋼鐵材料中加入微量稀土元素，有利于改善鑄態(tài)結(jié)晶組織、細(xì)化晶粒、凈化晶界、去除有害夾雜、提高鑄鋼的韌性。在鋼潔凈度不斷提高的今天，稀土元素在鋼中的作用將更好地得到發(fā)揮。稀土在鋼中的凈化作用主要表現(xiàn)在：可深度降低鋼中w(O)和w(Si)；降低磷、硫、氫、砷、銻、鉍、鉛、錫等低熔點(diǎn)元素的有害作用。鑄鋼中加入稀土的同時(shí)，還加入V、Ti、B、Ca、Nb等微合金元素，可以進(jìn)一步細(xì)化晶粒，消除鑄態(tài)粗大的柱狀晶和樹枝狀組織，提高鑄鋼韌性。已有研究發(fā)現(xiàn)，微量鋅對(duì)貝氏體鋼有顯著的韌化效應(yīng)和強(qiáng)化效應(yīng)，可以顯著提高沖擊破斷的撕裂功和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展功，極強(qiáng)烈地減慢裂紋擴(kuò)展速率。微量鋅提高了靜力拉伸的均勻塑性和均勻強(qiáng)度及形變硬化指數(shù)與形變硬化系數(shù)。微量鋅還可以減低鋼基體相的裂紋敏感性，提高了基體相的滑移拉延能力，使沖擊斷口出現(xiàn)拉延舌和撕裂口特征。王曉穎等人研究了RE—B對(duì)Si—Mn鑄鋼強(qiáng)韌性的影響，微量元素的加入，使馬氏體Si—Mn鑄鋼各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均得到改善，其中尤以韌性提高最為顯著。RE—B復(fù)合處理明顯優(yōu)于RE或B單一處理，從綜合力學(xué)性能來看，RE—B復(fù)合處理最好。
2 高硅鑄鋼淬火預(yù)處理
研究還發(fā)現(xiàn)，高硅鑄鋼淬火前進(jìn)行預(yù)處理，可以明顯改善其組織，提高綜合力學(xué)性能。高硅鑄鋼淬火加熱前，添加760℃x2h的珠光體化預(yù)處理，硬度值變化不大，但沖擊韌性明顯提高，見圖5。珠光體化預(yù)處理明顯改善高硅鑄鋼韌性的主要原因是由于鑄造貝氏體鋼的鑄態(tài)組織主要以非平衡組織(馬氏體、貝氏體和魏氏組織)為主，非平衡組織加熱時(shí)容易在其板條界上形成針狀?yuàn)W氏體晶核，這種針狀晶核在進(jìn)一步加熱或保溫時(shí)會(huì)很快地長(zhǎng)大、合并，形成新的奧氏體晶粒，其尺寸基本恢復(fù)原奧氏體晶粒尺寸，出現(xiàn)粗晶組織遺傳現(xiàn)象，對(duì)鑄態(tài)貝氏體鋼進(jìn)行一次珠光體化預(yù)處理，消除了非平衡組織，使原有的板條不復(fù)存在，而得到了與舊奧氏體晶粒之間無晶體位向關(guān)系的平衡組織珠光體。所以重新加熱后，針狀?yuàn)W氏體晶核便失去了形成條件，而在珠光體的鐵素體和碳化物界面上創(chuàng)造了形成大量球狀?yuàn)W氏體晶核的條件，這些球狀?yuàn)W氏體晶核則是按無序機(jī)理轉(zhuǎn)變，而且各球狀?yuàn)W氏體晶核相互間也無嚴(yán)格的位向關(guān)系，因而進(jìn)一步加熱或保溫時(shí)，在舊奧氏體晶粒范圍內(nèi)就長(zhǎng)成了若干個(gè)彼此無嚴(yán)格晶體位向關(guān)系因而與舊奧氏體晶粒也無位向關(guān)系的新的等軸晶粒，從而細(xì)化了晶粒。因此，要切斷舊奧氏體晶粒的遺傳，關(guān)鍵在于切斷新舊相晶體位向關(guān)系。珠光體化預(yù)處理正好切斷了這種晶體位向關(guān)系，因而達(dá)到了消除組織遺傳的效果，細(xì)化了晶粒，提高了韌性。
趙宇等人的研究結(jié)果也顯示，擴(kuò)散退火之后，鑄造貝氏體鋼沖擊韌性提高了一倍多，彎曲強(qiáng)度提高了17％。認(rèn)為性能提高的原因是經(jīng)擴(kuò)散退火以后，碳和雜質(zhì)能充分?jǐn)U散，使晶界處雜質(zhì)減少，其對(duì)晶界的不利影響減輕了，同時(shí)合金元素也有一定程度的擴(kuò)散，使淬透性提高，同樣可提高其強(qiáng)韌性。最近研究發(fā)現(xiàn)，提高正火溫度有利于改善貝氏體鋼鑄造組織遺傳性，奧氏體化溫度在Ac3+(100—200℃)有明顯的細(xì)化晶粒作用。正火溫度由880℃提高到1080℃時(shí)，貝氏體鋼的沖擊韌性由20.3J/cm2提高到35.6J/cm2。
結(jié)語
高硅耐磨鑄鋼是一種優(yōu)良的耐磨材料，具有良好的強(qiáng)韌性和耐磨性，為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，有必要進(jìn)一步加強(qiáng)以下幾方面的研究：
(1)高硅耐磨鑄鋼磨損機(jī)理研究：高硅耐磨鑄鋼優(yōu)異的耐磨性除了本身具有高硬度和高強(qiáng)韌性外，基體組織中較多的奧氏體在磨損條件下是否發(fā)生相變、相變條件以及相變對(duì)耐磨性的影響規(guī)律值得進(jìn)行深入研究。
(2)高硅耐磨鑄鋼純凈化研究；高硅耐磨鑄鋼的內(nèi)在質(zhì)量與鋼液的純凈度有很大的關(guān)系，鋼水中的非金屬夾雜物導(dǎo)致產(chǎn)品性能的惡化、內(nèi)在品質(zhì)的下降，同時(shí)非金屬夾雜物有助于氣孔的形成及降低鑄件的致密度。提高鋼液的純凈度主要集中在盡量減少鋼中雜質(zhì)元素的含量及嚴(yán)格控制鋼中夾雜物兩方面。
(3)高硅鑄鋼成分優(yōu)化?；瘜W(xué)成分特別是w(Si)和w(c)對(duì)高硅鑄鋼斷裂韌性和疲勞性能影響較大，但目前有關(guān)化學(xué)成分對(duì)高硅鑄鋼斷裂韌性和疲勞性能影響的研究工作并不多見，不利于高硅強(qiáng)韌鑄鋼的開發(fā)，在若干試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化高硅鑄鋼成分，有利于改善高硅鑄鋼性能。
(4)高硅耐磨鑄鋼熱處理工藝研究，高硅鑄鋼生產(chǎn)中存在等溫淬火溫度穩(wěn)定性差、產(chǎn)品性能波動(dòng)大等不足，開發(fā)復(fù)合熱處理工藝，有利于穩(wěn)定等溫淬火溫度，提高高硅耐磨鑄鋼性能。
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