CN101200774A - 低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，含有：①将球墨铸铁工件加热到880～960℃进行奥氏体化；②球墨铸铁工件在机械油中淬火；③待球墨铸铁工件表面温度为150～230℃时取出；④球墨铸铁工件带温，快速埋砂保温回火6～8h；或埋砂保温回火1～3h，然后取出空冷。该工艺通过保温包或地坑中的耐火砖及型砂，形成从球墨铸铁内部到表面到沙层到保温包或到地坑的合理的温度梯度，建立缓慢的稳定的符合要求的降温速度，对等温回火温度进行有效的控制，利用球墨铸铁工件热处理后的余热实现奥氏体向贝氏体的等温转变，更有利于贝氏体组织的形成。所得球墨铸铁工件组织结构合理综合性能优异，特别适宜于齿轮、曲轴、磨球等。
Description
技术领域：
本发明涉及金属材料，特别是球墨铸铁，更具体是低合金贝氏体球墨铸铁。
背景技术：
低合金贝氏体球墨铸铁具有较高的强度、硬度和韧性，具有良好的铸造性能，被誉为近40年来铸铁冶金方面的重大成就之一。目前，获得贝氏体球墨铸铁的热处理方法，主要有传统的盐浴等温冷却和用有水介质冷却方式控制等温淬火(CN200510044091.X)。魏德强《贝氏体球墨铸铁磨球材料的研制与生产》(湘潭科技大学学报2005.Vol.27No.1：94-97)，公开了利用铸造余热分步等温淬火(油淬)的热处理工艺生产低合金(Mo、Mn、Cu、Cr)球墨铸铁磨球材料的方法，采用900～950℃热开箱快速冷却(油淬)到Ms点稍下，避开了上贝氏体形成区，然后在Ms点稍上放入等温炉中进行下贝氏体等温转变，待下贝氏体转变结束后，最后出炉空冷。获得基体组织为下贝氏体加少量马氏体、残余奥氏体和碳化物的球墨铸铁，生产的贝氏体球墨铸铁磨球综合性能优于其它工艺方法，且下贝氏体组织均匀细小，球化率1～2级，球墨大小7～8级，冲击值大于14J/cm2，硬度52～59HRC。该方法在等温淬火步骤采取的是放入等温炉中进行下贝氏体等温转变。由于等温淬火时的等温温度是分步等温淬火工艺的主要因素，对球墨铸铁材料各种性能的影响非常大，所以如果等温温度不能严格地控制，就势必影响球墨铸铁的主要性能。在运用等温炉进行等温回火时，首先需要将等温炉升到要求的温度(如230～240℃)，然后将在油中淬火至表面温度为180～220℃的磨球取出，并快速放入等温炉中保温1～1.5h即可。然而实际上，由于磨球是在930～950℃放入油中淬火的，虽然表面温度降为200℃左右，但磨球内部的温度却高于表面温度，磨球由于温度梯度的存在，内部热量在等温炉中等温保温的过程中，不断通过表面向外释放，从而使等温炉的温度在保温的前一段时间内不断升高，整个保温过程实际上变成了先升温后等温两个过程。等温炉不能有效地控制保温温度，影响了球墨铸铁的组织结构和材料性能，组织中残余奥氏体增多，甚至出现珠光体类转变，因而在零件尺寸较大时，淬透层深度达不到要求，使得材料内部强度、硬度、韧性均有会有明显的降低。
发明内容：
本发明的目的是提供一种新的低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，能有效地严格控制保温温度，实现真正的等温保温，确保球墨铸铁所要求的金相组织和优异材料性能。
为此，本发明的方法中，将含有下述步骤：
①将球墨铸铁工件加热到880～960℃进行奥氏体化；
②球墨铸铁工件在机械油中淬火；
③待球墨铸铁工件表面温度为150～230℃时取出；
④球墨铸铁工件带温，快速埋砂等温回火6～8h；或埋砂保温回火1～3h，然后取出空冷。
在上述的步骤①中，是将球墨铸铁加热到880～960℃，或利用铸造余热在900～960℃从铸型中取出。
淬火用的机械油为普通20号机械油，即可保证性能，又不增加成本。
在油中淬火至球墨铸铁的表面温度到一定温度时就需将球墨铸铁从油中取出，这个温度值称为出油温度。为了确保奥氏体向下贝氏体的等温转变，出油温度最好为180～220℃。
球墨铸铁出油后需快速埋入砂中进行保温，以实现等温转变，因此从出油到埋入砂中的时间间隔以小于180s为好。这个时间和工件的尺寸大小有关，是个不确定的参数，工件的有效厚度越小，时间可以缩短，对10×10×110mm的冲击试样，要求小于60秒为好。
本发明中，并不是直接将球墨铸铁埋入冷砂中，而是要先将球墨铸铁放入保温包或放入地坑中。保温包内层为耐火砖，外层为金属，砖和外层钢板之间有耐火粉体材料。要使保温包很好地起到保温作用，保温包内层耐火砖厚度不宜太薄，当然也不能太厚，否则会影响热量的传递，最好是8～16mm。砖和外层钢板之间有8～15mm厚的耐火粉体材料。地坑用耐火砖砌坑壁和坑底，耐火砖层厚度8～16mm。
埋砂用的砂是普通铸造型砂。本发明最关键的步骤是埋砂保温，它决定着球墨铸铁的最终组织结构。埋砂的方法具体包括：
①在地上挖坑，用耐火砖砌坑壁和坑底，耐火砖层厚度8～16mm；或者制作保温包：内层为耐火砖，外层为金属，中间夹层为耐火砖粉体材料，耐火砖层厚度8～16mm，砖和外层钢板之间有8～15mm厚的耐火粉体材料。
②然后在底部铺10～20mm厚的底砂；
③装有铸铁件的金属框置于底砂上；
④填砂，至金属框上部砂层厚度为10～20mm，周围5～20mm的间隙亦用砂填满；
⑤连续地交替地一层铸铁一层砂，最上面的那层砂上，再加盖10～20mm厚的耐火砖。
本发明通过地坑的耐火砖层(或保温包)，维持出油后球墨铸铁工件的缓慢降温，然后通过垫底、隔层和周围填塞的砂以及地坑中的耐火砖，形成从球墨铸铁内部到表面到砂层再到地坑耐火砖的合理的温度梯度，建立缓慢的稳定的符合要求的降温速度，对保温温度进行有效的控制，从而实现奥氏体向贝氏体的等温转变，更有利于贝氏体组织的形成。这个过程中，表面产生下贝氏体、少量马氏体加少量残余奥氏体和合金碳化物，内部的奥氏体逐渐地转变为下贝氏体和奥氏体加上贝氏体，最终形成由里到外的组织为：上贝氏体加奥氏体——下贝氏体加奥氏体——下贝氏体——表面为10～15％马氏体加下贝氏体、加合金碳化物、加少量残余奥氏体；这样的组织结构更为合理，且贝氏体组织均匀细小，表面强度高、硬度高、耐磨性好，内部的结构又能确保有良好的韧性，在受到冲击时能吸收更多的冲击能量，提高了材料的抗冲击性。所以本发明所得到的球墨铸铁是综合性能优异的抗磨抗冲击材料，特别适宜于强度高、硬度高、耐磨性好、有良好冲击韧性的零件如齿轮、曲轴、磨球等。
本发明的低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，不用等温炉，耐火砖也不需要预先加热，型砂利用落砂余热，减少了设备投资和能源消耗，充分利用了铸造余热的能量，降低了工艺成本，也简化了操作，容易实现机械化和自动化。此外，还可以根据生产量的大小来挖掘地坑或制作保温包，很简单地就可以调整生产能力，比之固定容量的等温炉要灵活得多，非常有利于减少投资浪费和以销定产。
具体实施方式：
实施例1：
湿砂造型，用一吨冲天炉熔制合金。
(1)金属炉料：优质18号本溪生铁、回炉铁、钼铁、硅铁、锰铁、废铜、废钢、回炉料及球化合金。球铁的化学成份要求如下(质量百分数)：
C：3.60 Si：2.80 Mn：0.15 Cr：0.18
Mo：0.35 S：0.02 P：0.07 Mg：0.05
Cu：0.50 Bi：0.02 Re：0.05 Fe：余量。
(2)铁水熔制：把生铁、废钢、回炉料按要求分批装炉进行熔制，铁合金炉后加入，出铁温度控制在1420～1450℃。
(3)球化处理：球化剂采用稀土镁硅合金，用量为铁水的1.6％，粒度为10～20mm(范围)，采用冲入法处理。
(4)孕育处理：出铁前在包底球化合金上加0.8％的75硅铁，粒度为10～20mm(范围)，同时加入适量的冰晶石粉，扒渣并加入冰晶石，用草木灰或珍珠岩覆盖，待浇。
(5)浇注：浇注温度1380～1420℃，浇注时间为10min，转小包瞬时孕育采用浮硅孕育加入0.2％的75硅铁，粒度为3～5mm(范围)。
(6)开箱落砂：待铸型内铸件冷却到910±10℃时，开箱落砂，进行热处理。
热处理：将铸件放入普通20号机械油中快速冷却(油淬)，至铸件表面温度为190℃时取出，迅速放入地坑中，并立即分层埋砂。从油中取出至埋入砂中总时间间隔不超过180s。埋砂保温1.5h后，取出铸件在空气中冷却至室温。
得到的球墨铸铁件(磨球)经扫描电镜分析，表面为10～15％马氏体加下贝氏体加合金碳化物加少量残余奥氏体，贝氏体组织均匀细小，里层组织为下贝氏体加奥氏体，心部组织为上贝氏体加奥氏体，这种组织结构表面强度高、硬度好、耐磨，心部有良好的韧性。磨球(
60)的测试结果为：表面硬度56.0HRC，冲击韧性为16J/CM2。
上述磨球应用于水泥生产，使用寿命是锻钢球的8～10倍，中锰球的2～4倍，低合金球的1～3倍，且破碎率低(小于0.5)，只是高铬球的五分之一。在质量参数上，只是耐磨性略低于高铬球，但在经济性上，生产成本只是高铬球的0.7～0.8倍。与锻钢球比较，生产一吨水泥用本发明所得的球墨铸铁磨球比锻钢球节约2.3元，一年按50万吨计可节约115万元，经济效益显著。
实施例2：
湿砂造型，用一吨冲天炉熔制合金。
(1)金属炉料：优质18号本溪生铁、回炉铁、钼铁、硅铁、锰铁、废铜、废钢、回炉料及球化合金。球铁的化学成份要求如下(质量百分数)：
C：3.56 Si：3.2 Mn：0.15 Cr：0.20
Mo：0.35 S：0.02 P：0.07 Mg：0.05
Cu：0.50 Bi：0.02 Re：0.05 Fe：余量。
(2)铁水熔制：把生铁、废钢、回炉料按要求分批装炉进行熔制，铁合金炉后加入，出铁温度控制在1420～1450℃。
(3)球化处理：球化剂采用稀土镁硅合金，用量为铁水的1.6％，粒度为10～20mm(范围)，采用冲入法处理。
(4)孕育处理：出铁前在包底球化合金上加0.8％的75硅铁，粒度为10～20mm(范围)，同时加入适量的冰晶石粉，扒渣并加入冰晶石，用草木灰或珍珠岩覆盖，待浇。
(5)浇注：浇注温度1380～1420℃，浇注时间为10min，转小包瞬时孕育采用浮硅孕育加入0.2％的75硅铁，粒度为3～5mm(范围)。
(6)开箱落砂：待铸型内铸件冷却到930±10℃时，开箱落砂，进行热处理。
热处理：将铸件放入普通20号机械油中快速冷却(油淬)，至铸件表面温度为190℃时取出，迅速放入保温包中，并立即分层埋砂。从油中取出至埋入砂中总时间间隔不超过180s。埋砂保温2.5h后，取出铸件在空气中冷却至室温。
得到的球墨铸铁件(磨球)经扫描电镜分析，表面为10～15％马氏体加下贝氏体加合金碳化物加少量残余奥氏体，贝氏体组织均匀细小，里层组织为下贝氏体加奥氏体，心部组织为上贝氏体加奥氏体，这种组织结构表面强度高、硬度好、耐磨，心部有良好的韧性。磨球(
60)的测试结果为：表面硬度56.8HRC，冲击韧性为16.6J/CM2。
实施例3：
湿砂造型，用一吨冲天炉熔制合金。
(1)金属炉料：优质18号本溪生铁、回炉铁、钼铁、硅铁、锰铁、废铜、废钢、回炉料及球化合金。球铁的化学成份要求如下(质量百分数)：
C：3.62 Si：3.5 Mn：0.15 Cr：0.19
Mo：0.40 S：0.02 P：0.07 Mg：0.05
Cu：0.50 Bi：0.03 Re：0.05 Fe：余量。
(2)铁水熔制：把生铁、废钢、回炉料按要求分批装炉进行熔制，铁合金炉后加入，出铁温度控制在1420～1450℃。
(3)球化处理：球化剂采用稀土镁硅合金，用量为铁水的1.6％，粒度为10～20mm(范围)，采用冲入法处理。
(4)孕育处理：出铁前在包底球化合金上加0.8％的75硅铁，粒度为10～20mm(范围)，同时加入适量的冰晶石粉，扒渣并加入冰晶石，用草木灰或珍珠岩覆盖，待浇。
(5)浇注：浇注温度1380～1420℃，浇注时间为10min，转小包瞬时孕育采用浮硅孕育加入0.2％的75硅铁，粒度为3～5mm(范围)。
(6)开箱落砂：待铸型内铸件冷却到940±10℃时，开箱落砂，进行热处理。
热处理：将铸件放入普通20号机械油中快速冷却(油淬)，至铸件表面温度为170℃时取出，迅速放入地坑中，并立即分层埋砂。从油中取出至埋入砂中总时间间隔不超过180s。埋砂保温6h后，取出铸件。
得到的球墨铸铁件(磨球)经扫描电镜分析，表面为10～15％马氏体加下贝氏体加合金碳化物加少量残余奥氏体，贝氏体组织均匀细小，里层组织为下贝氏体加奥氏体，心部组织为上贝氏体加奥氏体，这种组织结构表面强度高、硬度好、耐磨，心部有良好的韧性。磨球(
70)的测试结果为：表面硬度57.2HRC，冲击韧性为17.8J/CM2。
实施例4：
湿砂造型，用一吨冲天炉熔制合金。
(1)金属炉料：优质18号本溪生铁、回炉铁、钼铁、硅铁、锰铁、废铜、废钢、回炉料及球化合金。球铁的化学成份要求如下(质量百分数)：
C：3.65 Si：3.6 Mn：0.25 Cr：0.22
Mo：0.45 S：0.02 P：0.07 Mg：0.05
Cu：0.50 Bi：0.03 Re：0.05 Fe：余量。
(2)铁水熔制：把生铁、废钢、回炉料按要求分批装炉进行熔制，铁合金炉后加入，出铁温度控制在1420～1450℃。
(3)球化处理：球化剂采用稀土镁硅合金，用量为铁水的1.6％，粒度为10～20mm(范围)，采用冲入法处理。
(4)孕育处理：出铁前在包底球化合金上加0.8％的75硅铁，粒度为10～20mm(范围)，同时加入适量的冰晶石粉，扒渣并加入冰晶石，用草木灰或珍珠岩覆盖，待浇。
(5)浇注：浇注温度1380～1420℃，浇注时间为10min，转小包瞬时孕育采用浮硅孕育加入0.2％的75硅铁，粒度为3～5mm(范围)。
(6)开箱落砂：待铸型内铸件冷却到950±10℃时，开箱落砂，进行热处理。
热处理：将铸件放入普通20号机械油中快速冷却(油淬)，至铸件表面温度为170℃时取出，迅速放入地坑中，并立即分层埋砂。从油中取出至埋入砂中总时间间隔不超过180s。埋砂保温8h后，取出铸件。
得到的球墨铸铁件(磨球)经扫描电镜分析，表面为10～15％马氏体加下贝氏体加合金碳化物加少量残余奥氏体，贝氏体组织均匀细小，里层组织为下贝氏体加奥氏体，心部组织为上贝氏体加奥氏体，这种组织结构表面强度高、硬度好、耐磨，心部有良好的韧性。磨球(
80)的测试结果为：表面硬度59.0HRC，冲击韧性为19.4J/CM2。
Claims (10)
1.低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，其特征在于含有下述步骤：
①将球墨铸铁工件加热到880～960℃进行奥氏体化；
②球墨铸铁工件在机械油中淬火；
③待球墨铸铁工件表面温度为150～230℃时取出；
④球墨铸铁工件带温，快速埋砂保温回火6～8h；或埋砂保温回火1～3h，然后取出空冷。
2.如权利要求1所述的低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，其特征在于：步骤①中，是将球墨铸铁加热到880～960℃，或利用铸造余热在900～960℃从铸型中取出。
3.如权利要求1所述的低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，其特征在于：机械油为普通20号机械油。
4.如权利要求1所述的低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，其特征在于：步骤③球墨铸铁工件的带温温度为180～220℃。
5.如权利要求1所述的低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，其特征在于：步骤③与步骤④之间的时间间隔小于180s。
6.如权利要求1所述的低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，其特征在于：埋砂保温回火在地坑中或保温包中进行。
7.如权利要求6所述的低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，其特征在于：保温包内层为耐火砖，外层为金属，砖和外层钢板之间有耐火粉体材料。
8.如权利要求7所述的低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，其特征在于：保温包内层耐火砖厚度是8～16mm，砖和外层钢板之间的耐火粉体材料厚度为8～15mm。
9.如权利要求6所述的低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，其特征在于：地坑用耐火砖砌坑壁和坑底，耐火砖层厚度8～16mm。
10.如权利要求1或6所述的低合金贝氏体球墨铸铁油淬带温等温回火热处理工艺，其特征在于：埋砂用的砂是普通铸造型砂，埋砂的方法包括：
①在地上挖坑，用耐火砖砌坑壁和坑底，耐火砖层厚度8～16mm；或者制作保温包：内层为耐火砖，外层为金属，中间夹层为耐火砖粉体材料，耐火砖层厚度8～16mm，砖和外层钢板之间有8～15mm厚的耐火粉体材料；
②然后在底部铺10～20mm厚的底砂；
③装有铸铁件的金属框置于底砂上；
④填砂，至金属框上部砂层厚度为10～20mm，周围5～20mm的间隙亦用砂填满；
⑤连续地交替地一层铸铁一层砂，最上面的那层砂上，再加盖10～20mm厚的耐火砖。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Toyota Industry Auto Parts (Kunshan) Co., Ltd. Assignor: Guilin University of Electronic Technology Contract record no.: 2010320000979 Denomination of invention: Low-alloy bainite ductile iron oil quenching isothermal tempering heat treatment process Granted publication date: 20091230 License type: Exclusive License Open date: 20080618 Record date: 20100720 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091230 Termination date: 20160712 |