CN101220403A - 一种球墨铸铁贝氏体等温处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种球墨铸铁贝氏体等温处理方法，包括将球墨铸铁加热至奥氏体区、用水作冷却介质控制冷却、均温调整、等温处理和回火等处理步骤。在控制冷却阶段，依据冷却参数R，确定控制冷却工艺参数，在均温阶段，调整控制温度，使工件在最接近等温处理温度的情况下进入等温处理。确保了工艺稳定和被处理工件的基质结构和优异性能。
Description
技术领域
本发明属金属材料领域，涉及球墨铸铁等温处理工艺，具体地说是一种球墨铸铁贝氏体等温处理方法。
背景技术
贝氏体球墨铸铁具有很高的综合力学性能，能够最大程度的发挥球墨铸铁的潜在能力，其制造技术引起各国材料工作者和铸造工程界的广泛重视，贝氏体球墨铸铁作为一种优良的材料，已被广泛成功应用到各个方面，如：凸轮轴、曲轴、转向万向节、拖拉机部件、火车车轮和齿轮等。具有良好的抗疲劳性能，抗擦伤性能、耐磨性、减振性和机械加工性能。并且与钢制品相比成本更低，节能幅度较大。
贝氏体球墨铸铁在我国发展缓慢，主要受制于三个方面；一是淬火介质；是当今生产贝氏体球墨铸铁所遇到的主要困难之一。用硝酸盐作为淬火介质可以生产合格的贝氏体球墨铸铁，这在国内外均普遍采用。但是在生产过程中，硝酸盐受热挥发出的气体以及硝酸盐熔融液体均是有毒的，这将严重地危害到操作人员的身体健康并污染周围的环境。二是炽热的工件进入250℃-400℃的硝酸盐熔融液中会引起等温温度的不稳定，如果散热条件不理想会造成质量不稳定。三是由于生产方式的限制，生产效率低，不易实现机械化生产，生产成本高。
为克服上述生产操作不便和环保等问题，采用水作为淬火介质进行冷却淬火的方法被开发研究和应用于贝氏体化冷却淬火过程中。日本专利特开昭63-290218公开了一种用水进行等温淬火的方法，其主要步骤如下：
(1)将待处理工件加热到奥氏体区；
(2)之后在40-100℃温水中浸泡冷却4-30秒；
(3)在20-400℃流动层炉中进行贝氏体化等温处理。
上述日本专利中给出的冷却水温40-100℃和冷却时间4-30秒的控制范围过宽，没有给出较为准确的控制冷却水温和冷却时间，也没有给出具体的控制操作方式，具体实施有很多困难。而此阶段的准确控制非常重要。水温变化，影响水冷却能力的控制。冷却时间不准确，达不到预期的组织。
因为被加热至奥氏体温度的待处理工件在40-100℃水中的冷却速度比较快，再加上实际工件形状复杂，尺寸不一，根据该专利所提供的控制范围，无法控制冷却时间。如果冷却时间短，工件出水温度高，极易碰上转变速度快的托氏体、索氏体甚至珠光体区；冷却时间过长，工件出水温度低，则会进入马氏体区。这一控制冷却阶段对最终工件的组织和性能将起主要的决定作用，
如果在生产中对形状复杂，尺寸不一的五花八门的待处理工件逐一选择最佳工艺参数，往往需要大量的探索工作、模拟工作、实物实验工作。即使可以通过实验确定，但是面对尺寸和形状千变万化的工件，犹如摸着石头过河无法确定，特别是在生产条件下用工件做实验困难重重，需要耗费大量人力物力和时间，大大提高了工件处理总体成本。
因此需要一种比较方便、简捷的确定控制冷却水温和冷却时间范围的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够较为方便、简捷的确定在球墨铸铁贝氏体化过程中控制冷却水温和冷却时间范围的方法。
本发明所提供的球墨铸铁贝氏体等温处理方法是在本发明人于2005年7月20日所申请的申请号为；200510044091X，发明名称为“一种贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺”的基础上进一步研究改进和完善。
本发明是一种将实验测试数据与实际工件的规格、形状相联系的确定控制工艺条件的方法。
为了实现本发明的目的，本发明人围绕用水作淬火介质的机理和各种相关工艺参数的内在联系规律进行了以下两方面的探讨分析；
①水的冷却特性对控制冷却阶段的影响：
水的冷却速度曲线(图1)有如下特点：
附图说明
图1是水的冷却速度曲线图(￠20mm银球试样)；
a)静止的
b)循环的
一是水的冷却能力受冷却水温度的影响很大。随冷却水温升高，水的冷却能力变化很明显，冷却能力逐步降低。因此，固定冷却用水的温度，即可相对固定了水的冷却能力，同时确定相应的冷却时间，使待处理工件达到预定的冷却温度。
二是水作为冷却介质，其最快的冷却速度在沸腾阶段-快速冷却阶段。其快速冷却阶段随着水温升高，向低温方向移动。例如水温从20℃变化至80℃，最快冷却阶段的开始温度从380℃变化至200℃左右。
众所周知对于马氏体淬火，低温冷却速度太快，易造成工件的变形和开裂。对于本发明处理方法中，如果冷却速度太快，易造成控制冷却阶段的不宜控制和被处理工件组织结构和性能质量的不稳定，应尽量避开快速冷却区。
在贝氏体等温处理过程中，上贝氏体常用等温温度为350℃-380℃，下贝氏体常用等温温度为260℃-280℃，完全可以通过选择恰当的冷却水温，避开快速冷却区。
②关于工件的尺寸、形状对控制冷却淬火工艺的影响：
球墨铸铁贝氏体化处理的控制冷却淬火阶段，是将经奥氏体区处理的高温待处理工件，用冷却水强制降温，并有控制的使其冷却降温，以达到所预期的上贝氏体温度或下贝氏体温度。作为待处理工件，其能够影响控制冷却过程的因素主要是工件本身的散热能力，而工件本身的散热能力，是由工件的体积和表面积所决定的，表面积S越大散热越快；体积V越大散热越慢。为了方便的利用工件的体积和表面积对工件自身的散热能力影响这一相关规律，本发明人提出‘冷却参数R’的概念，并用公式R＝V/A对其进行定义。上述公式中R为待处理工件的冷却参数，V为待处理工件的体积(mm3)，A为待处理工件的表面积(mm2)。
本发明人汇集、分析对比了大量实验数据后确认，在通常情况下，虽然各种工件的形状不同，但当它们的冷却参数R相同或相近时，其控制冷却过程的工艺参数也相同或相近。
根据上述理论分析和实验测试结果的对比验证，本发明人归纳概括了控制冷却淬火过程的技术方案：建立各基础尺寸试样的控制冷却工艺参数的基础工艺数据表(数据库)为基础，依据待处理工件冷却参数R与基础尺寸试样R的对应关系，通过实验验证，确定形状各异的待处理工件的控制冷却工艺参数。
本发明所述的球墨铸铁贝氏体等温处理方法，包括将球墨铸铁加热至奥氏体区、用水作冷却介质控制冷却淬火、将工件装入等温炉内完成贝氏体等温转变，其特征在于工艺步骤和操作方法如下：
a.将球墨铸铁工件加热至奥氏体区，并均匀化；
b.控制冷却：以水作为冷却介质，用调整冷却水温的方法调整水的冷却能力，控制工件冷却速度；根据工件的尺寸和形状不同，确定工件的控制冷却工艺，使工件迅速冷却至贝氏体区；
c.均温调整：方法如下，
①工件控制冷却取出后，由于内外温差，工件表面会有温度回升，用表面测温仪器测温；
②根据工件尺寸和形状不同，选择采用空冷、风冷或喷雾的方式调整温度，并可采用人工、自动或智能控制温度；
③使工件温度接近等温温度，进入等温炉。
d.等温处理：均温调整后，将工件装入已设定温度的等温炉内，完成贝氏体等温转变；
e.回火，根据待处理工件的性能要求，选用低温回火、中温回火或高温回火。
上述步骤b中所说的根据工件的尺寸和形状不同，确定工件的控制冷却工艺的具体方法如下：
.应用待处理工件的体积V与待处理工件的表面积A之比作为该工件的冷却参数R，利用公式R＝V/A，计算待处理工件的冷却参数R的具体数值，依据待处理工件冷却参数R的大小，确定冷却淬火阶段所需冷却水温和冷却时间；冷却参数R、所需冷却水温、冷却时间之间的相对关系为：冷却参数R较低，所需冷却水温较高；冷却参数R较高，所需冷却水温较低。
冷却水温的范围控制在30～100℃之间；
当R≤10时冷却水温的控制范围为60～100℃；其中，上贝氏体等温，冷却水温的控制范围为60～80℃；下贝氏体等温，冷却水温的控制范围为70～100℃；
当10＜R≤20时冷却水温的控制范围为40～80℃；其中，上贝氏体等温，冷却水温的控制范围为40～60℃；下贝氏体等温，冷却水温的控制范围为60-80℃；
当R＞20时冷却水温的控制范围为30-60℃；其中，上贝氏体等温，冷却水温的控制范围为30-40℃；下贝氏体等温，冷却水温的控制范围为40-60℃；
对应于各种冷却水温所需的冷却时间，选择使用该冷却水温的基础工艺数据表中与待处理工件的冷却参数R相同或相近的基础工件相对应的冷却时间。
如果所作的基础工艺数据表较少，缺少于所说的冷却水温及所对应的冷却时间，可依据下述公式计算确定：S＝S0+n n＝(T-T0)/t×n0其中；T为待处理工件选定的使用水温(℃)，S为该工件冷却到上
贝氏体或下贝氏体区相对应的冷却时间S(秒)，
T0为基础水温，定为30℃，S0为工件冷却到上贝氏体或下贝
氏体区与T0所对应的冷却时间。
n为与T0相比，使用冷却水温为T时，需增加的冷却时间(秒)，
T-T0为基础水温与实用冷却水温之差，
t为人为划分的水温变化间隔，定为10℃，
n0为冷却水温度每升高t℃需增加的冷却时间(秒)，可依据冷却水温间隔为10℃的两份基础工艺数据表中相对应的冷却时间之差确定，也可以通过实验测试确定。
本发明所述球墨铸铁贝氏体等温处理方法中，确定控制冷却阶段所需冷却水温和冷却时间的具体实施步骤如下：
(1)建立基础工艺数据表：
a.基础试样尺寸设定为Φd ×d，按d的具体大小，制作一系列的基础试样；
b.依据公式R＝V/A，分别计算出各基础试样的冷却参数R；
c.通过实验分别测定在各种不同的冷却水温下达到上贝氏体或下贝氏体等温所需要的冷却时间；
以冷却水温为单位，将基础试样尺寸、冷却参数R及与其对应的冷却时间列入表中，从而制得一系列基础工艺数据表；
(2)利用待处理工件的冷却参数R及基础工艺数据表，确定冷却淬火阶段所需冷却水温和冷却时间：
a.按公式R＝V/A计算待处理工件的冷却参数R；
b.依据冷却参数R的数值大小，确定所需要的冷却水温；
c.在所需冷却水温的基础工艺数据表中，查找与待处理工件的冷却参数R相同或相近的基础试样的冷却时间，即为待处理工件所需预计的冷却时间；如果所作的基础工艺数据表较少，缺少预计所说的冷却水温及所对应的冷却时间，可依据基础水温工艺数据表，利用公式S＝S0+n n＝(T-T0)/t×n0，计算所需冷却水温下的冷却时间。
当控制冷却结束，工件出水后，由于内外温差，工件表面温度会出现回升现象，待处理工件尺寸越大，冷却越快，内外温差越大，温度回升越大，可能影响其后等温转变处理的控制，需要在进入等温处理之前，进行均温调整。本发明设计的均温调整步骤如下：①工件控制冷却取出后，由于内外温差，工件表面会有温度回升，用表面测温仪器测温；②根据工件尺寸和形状不同，选择采用空冷、风冷或喷雾的方式调整温度，并可采用人工、自动或智能控制温度；③使工件温度接近等温温度，进入等温炉。均温调节步骤中，待处理工件的冷却参数与处理方式的关系如下：
当R≤10时采用空冷或风冷进行均温调整；待工件温度达到或接近等温处理温度后，进入等温处理阶段；
当10＜R≤20时采用风冷进行均温调整；即将待处理工件置于常用风机的鼓风气流中冷却，待工件温度达到或接近等温处理温度后，进入等温处理阶段；
当R＞20时采用喷雾冷却进行均温调整；即将待处理工件置于冷却水喷雾冷却环境中，待工件温度达到或接近等温处理温度后，进入等温处理阶段。
工件在等温炉内完成贝氏体等温转变后，根据待处理工件的特别
需求，可选用低温回火、中温回火或高温回火。
本方法用水作为基础冷却介质，热容量大，稳定性高，无污染，价格低；通过循环或搅动方式，可以克服高温阶段蒸汽膜的问题，提高了冷却效率；在实际运用中可在水中添加各种添加剂，以适合各种情况。
本方法通过引进工件冷却参数R，将工件尺寸与基础试样尺寸联系起来，将基础实验数据应用于实际工件中，通过实验验证，可以较准确的确定相关处理工艺参数。可以节省大量的前期实验工作，节省大量的测试经费和时间。
本发明所述处理方法中增加了均温调整阶段，使待处理工件经过控制冷却出水后，能够进行测温、冷却调整和控制，并有利于实现智能自动控制，确保工件温度与等温处理温度尽可能的接近或一致，能够确保被处理工件获得所期望的基体组织和性能。
本方法所确定的工艺参数准确，符合处理工艺的科学规律，处理工艺稳定，可控性強，通过合理的选择水温，避开低温阶段的快速冷却区，所得产品质量稳定。
具体实施方式
实施例1.基础工艺数据表举例
表1基础冷却水温T0＝30℃的基础工艺数据表
表2实用冷却水温T＝40℃的基础工艺数据表
实施例3.控制冷却工艺参数查找举例
某待处理工件尺寸为Φ16×100mm计算R＝3.70；查表1，基础尺寸为Φ22×22(mm)的基础标准工件的R＝3.67。两者冷却参数R很相近，因此可采用Φ22×22(mm)的工艺参数，对某待处理工件进行控制冷却处理。
实施例4.T0、t、n0相关工艺数据表举例
表3T0、t、n0工艺数据表(实测)
| 试样尺寸(Φd ×dmm) | T0(℃) | t(℃) | B上n0(秒) | B下n0(秒) |
| 12×1216×1622×22… | 30℃30℃30℃… | 101010 | 0.50.81.2 | 0.60.91.5 |
实施例5.利用公式S＝S0+n n-(T-T0)/t×n0举例：
Φ12×12mm试样，B上等温淬火，选60℃水冷却，查表1及表3；T0为30℃，S0＝2(秒)，n。为0.5(秒)，T为60℃，求S：
n＝(T-T0)/t×n0＝(60-30)/10×0.5＝1.5(秒)，
S＝S0+n，S＝2+1.5＝3.5(秒)。
即Φ12×12mm试样，B上等温淬火选用60℃水，冷却时间可定为3.5秒。
实施例6.
摩擦片.：尺寸为；Φ54×10mm 要求：硬度47-49HRc，组织；下贝氏体。
材料：QT700-2
热处理工艺；880℃加热，保温40分钟，冷却介质；60℃水(中等强度搅动)。
空冷时间：5秒
步骤：1.计算工件冷却参数R＝V/A＝3.64查表1，其R与Φ22×22mm的3.67相近，因此可参考；即获得B下，用T0＝30℃水(循环)，水中冷却时间S0＝8。
2.根据水温选择的原则，小试样欲获得下贝氏体，使用50℃-80℃更有利，因此，确定用60℃水。
根据公式S＝S0+n，n＝(T-T0)/t×n0
查表3；Φ22×22mm，T0＝30℃，t＝10℃，B下n0＝1.5秒。
n＝(T-T0)/t×n0＝(60-30)/10×1.5＝4.5
S＝S0+n＝8+4.5＝12.5秒
3.处理过程；880℃加热，保温40分钟；冷却介质；60℃水，冷却时间：12.5秒。空冷停留5秒，270℃等温1小时。
4.检查；硬度46.3HRc 显微组织；下贝氏体+少量奥氏体。符合要求。
例7：(关于均温调整)
小轴；Φ30×100mm 要求：组织上贝氏体+奥氏体
.热处理工艺；1..计算工件冷却参数R＝V/A＝6.52对比基础数据表中Φ40×40mm试样R＝6.66，因此可供参考。确定选用40℃水。查40℃水数据表；冷却时间，12秒。
2.确定处理工艺参数；880℃加热，保温80分钟；冷却介质；40℃水，冷却停留时间12秒；等温温度370℃。等温1小时。
3.按工艺操作，工件控制冷却出水后，用表面温度计测量，表面温度为356℃，随后温度回升了36℃，达到392℃，不符合要求，需采用均温调整。
4.均温调整；工件出水后，，风冷15秒，用表面温度计测量，温度回升了至365℃，接近等温温度370℃。
5.等温处理；将工件放入370℃的空气炉中，保温1小时，出炉，空冷。
6.检查；组织性能合格。
附：冷却水温、冷却时间与组织硬度的关系
冷却水温30℃、冷却时间与组织硬度之间的关系
| 试样编号 | 冷却时间(s) | 基体组织 | 硬度(HRc) |
| 1 | 1 | T | 30.4 |
| 2 | 1.5 | T+B上 | 32.9 |
| 3 | 2 | B上 | 35 |
| 4 | 2.5 | B上+B下 | 37.1 |
| 5 | 3 | B下 | 37.2 |
| 6 | 3.5 | B下 | 41.1 |
| 7 | 4 | B下+M | 47.2 |
冷却水温40℃，冷却时间与组织硬度的关系
| 试样编号 | 冷却时间(s) | 基体显微组织 | 硬度(HRc) |
| 1 | 1 | T | 30.8 |
| 2 | 1.5 | T+B上 | 33.8 |
| 3 | 2 | B上+A’ | 34.2 |
| 4 | 2.5 | B上+A’ | 35.6 |
| 5 | 3 | B上+B下+A’ | 37.7 |
| 6 | 3.5 | B下+A’ | 39.7 |
| 7 | 4 | B下+A’ | 42.5 |
| 8 | 4.5 | B下+A’ | 43.8 |
| 9 | 5 | B下+M+A’ | 45.5 |
| 10 | 5.5 | M+A | 48 |
冷却水温80℃、冷却时间与组织硬度之间的关系
| 试样编号 | 冷却时间(s) | 基体组织 | 硬度(HRc) |
| 1 | 2.5 | T | 30.1 |
| 2 | 3 | T+B上 | 32.0 |
| 3 | 3.5 | B上 | 34.1 |
| 4 | 4 | B上 | 34.4 |
| 5 | 4.5 | B上 | 34 |
| 6 | 5 | B上+B下 | 36.5 |
| 7 | 5.5 | B下 | 41.1 |
| 8 | 6 | B下 | 43.2 |
| 9 | 6.5 | B下 | 43.1 |
| 10 | 7 | B下+M | 45.6 |
| 11 | 7.5 | M+B下 | 48.7 |
其中T-托氏体，B上-上贝氏体，B下-下贝氏体，M-马氏体，A’-残余奥氏体。
上述表格中的数据为实验中实测数据。
Claims (6)
1.一种球墨铸铁贝氏体等温处理方法，包括将球墨铸铁加热至奥氏体区、用水作冷却介质控制冷却淬火、将工件装入等温炉内完成贝氏体等温转变，其特征在于工艺步骤和操作方法如下：
a.将球墨铸铁工件加热至奥氏体区，并均匀化；
b.控制冷却：以水作为冷却介质，用调整冷却水温的方法调整水的冷却能力，控制工件冷却速度；根据工件的尺寸和形状不同，确定工件的控制冷却工艺，使工件迅速冷却至贝氏体区；
c.均温调整：工件冷却取出后，由于内外温差，工件表面会有温度回升；本工艺根据工件的尺寸和形状不同，选择采用空冷、风冷或喷雾的方式调整并控制温度，使工件达到或接近等温温度，送人等温炉；
d.等温处理：均温调整后，将工件装入已设定温度的等温炉内，完成贝氏体等温转变；
e.回火，根据待处理工件的性能要求，选用低温回火、中温回火或高温回火。
2.如权利要求1所述球墨铸铁贝氏体等温处理方法，其特征在于所说的步骤b根据工件的尺寸和形状不同，确定工件的控制冷却工艺的具体方法如下：
应用待处理工件的体积V与待处理工件的表面积A之比作为该工件的冷却参数R，利用公式R＝V/A，计算待处理工件的冷却参数R的具体数值；依据待处理工件冷却参数R的大小，确定冷却淬火阶段所需冷却水温和冷却时间；冷却参数R较高，所需冷却水温较低；冷却参数R较低，所需冷却水温较高；
冷却水温的控制范围在30～100℃之间；
当R≤10时冷却水温的控制范围为60～100℃；其中，上贝氏体等温，冷却水温的控制范围为60～80℃；下贝氏体等温，冷却水温的控制范围为70～100℃；
当10＜R≤20时冷却水温的控制范围为40～80℃；其中，上贝氏体等温，冷却水温的控制范围为40～60℃；下贝氏体等温，冷却水温的控制范围为60-80℃；
当R＞20时冷却水温的控制范围为30-60℃；其中，上贝氏体等温，冷却水温的控制范围为30-40℃；下贝氏体等温，冷却水温的控制范围为40-60℃；
具体对应于各种冷却水温所需的冷却时间，选择使用该冷却水温的基础工艺数据表中与待处理工件的冷却参数R相同或相近的基础工件相对应的冷却时间。
3.如权利要求1所述球墨铸铁贝氏体等温处理方法，其特征在于所说的对应于各种冷却水温所需冷却时间，依据下述公式计算确定：
S＝S0+n n＝(T-T0)/t×n0
其中；T为待处理工件选定的使用冷却水温(℃)，S为该工件冷却到上贝氏体或下贝氏体区相对应的冷却时间S(秒)，
T0为基础水温，定为30℃，S0为工件使用T0水温，冷却到上贝氏体或下贝氏体区所对应的冷却时间，
n为与T0相比，使用冷却水温为T时，需增加的冷却时间(秒)，
T-T0为基础水温与实用冷却水温之差，
t为人为划分的水温变化间隔，定为10℃，
n0为冷却水温度每升高t℃需增加的冷却时间(秒)。
4.如权利要求1或2所述球墨铸铁贝氏体等温处理方法，其特征在于所说的确定冷却淬火阶段所需冷却水温和冷却时间的具体实施步骤如下：
(1)建立基础工艺数据表：
a.基础试样尺寸设定为Фdxd，按d的具体大小，制作一系列的基础试样；
b.依据公式R＝V/A，分别计算出各基础试样的冷却参数R；
c.通过实验分别测定在各种不同的冷却水温下，达到上贝氏体或下贝氏体等温所需要的冷却时间；
以冷却水温为单位，将基础试样尺寸、冷却参数R及与其对应的冷却时间列入表中，从而制得一系列基础工艺数据表；
(2)利用待处理工件的冷却参数R及基础工艺数据表，确定冷却淬火阶段所需冷却水温和冷却时间：
a.按公式R＝V/S计算待处理工件的冷却参数R；
b.依据冷却参数R的数值大小，确定所需要的冷却水温；
c.在所需冷却水温的基础工艺数据表中，查找与待处理工件的冷却参数R相同或相近的基础试样的冷却时间，即为待处理工件所需的冷却时间；或依据基础水温工艺数据表，利用公式S＝S0+n n＝(T-T0)/t×n0，计算所需冷却水温下的冷却时间。
5.如权利要求1所述球墨铸铁贝氏体等温处理方法，其特征在于，
①工件控制冷却取出后，由于内外温差，工件表面会有温度回升，用表面测温仪器测温；
②根据工件尺寸和形状不同，选择采用空冷、风冷或喷雾的方式调整温度，并可采用人工、自动或智能控制温度；
当R≤10时采用空冷进行均温调整；
当10＜R≤20时采用风冷进行均温调整；
当R＞20时采用喷雾冷却进行均温调整；
③使工件温度接近等温温度，进入等温炉。
6.如权利要求1所述球墨铸铁贝氏体等温处理方法，其特征在于，工件在等温炉内完成贝氏体等温转变后，进行回火处理。
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- 2007-12-20 CN CN2007101158046A patent/CN101220403B/zh not_active Expired - Fee Related
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