CN102912213B - 贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法 - Google Patents
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Abstract
贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法，它涉及一种汽车齿轮球墨铸铁的制备方法，本发明是要解决现有的汽车发动机齿轮材料20CrMnTi，其制备工艺复杂、成本高，且易产生疲劳裂纹的技术问题，制备方法如下：一、熔炼铁液；二、球化及孕育处理；三、等温淬火；四、高频表面淬火；五、回火热处理。本发明得到的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁，表面硬度为55~65HRC，抗拉强度为1100~1120MPa，冲击值为85~100J，旋转弯曲疲劳强度为560~600MPa，成本低于20CrMnTi20%，制备工艺操作简单，可取代低合金钢20CrMnTi应用于汽车发动机齿轮制备领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车齿轮球墨铸铁的制备方法。
背景技术
等温淬火球墨铸铁是近年来国内外一直关注和深入研究的一种应用面越来越广的新型材料。它具有优异的力学性能，如高的韧性、抗拉强度、断裂韧性和疲劳强度，以及优于钢的耐磨性和减震降噪性能等。在市场经济竞争激烈的环境下，高性能、低成本的材料正是人们最求的目标，而等温淬火球墨铸铁就是这种材料之一。近年来在汽车领域，等温淬火球墨铸铁被用来替代锻钢或铸钢生产汽车零部件，可减重10~30%，降低成本15~30%，并可从源头上降低汽车噪音，减轻废气排放，提高驱动比。
然而等温淬火球墨铸铁即基体组织为贝氏体的球墨铸铁，难以同时获得高强度、高硬度和高的韧性和塑性。对于要求高强度、高韧性并兼具高耐磨性的应用场合就不能满足，比如汽车发动机的硬质齿轮，要求表面硬度大于55HRC，同时心部的基体也要有很高的韧性和强度。国内汽车发动机齿轮的材质多为20CrMnTi，其制备工艺复杂、成本高，近年来人们逐渐发现其有一个最大的缺点，就是该钢的基体组织中常有大颗粒多棱角的TiN存在，其在正常的热处理条件下难以溶于奥氏体中，而成为疲劳裂纹来源，危害和后果相当严重。
发明内容
本发明是为解决现有的汽车发动机齿轮材料20CrMnTi，其制备工艺复杂、成本高，且易产生疲劳裂纹的技术问题，而提供一种贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法。
本发明的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法按以下步骤进行：
一、熔炼铁液：先按质量份数称取60~65份Q10生铁、25~30份球铁回炉料和10~15份废钢，然后按镍板的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢总质量之比为（1.5~2.0）：100，按电解铜的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢总质量之比为（0.6~1.0）：100，按钼铁的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢总质量之比为（0.3~0.6）：100，称取镍板、电解铜和钼铁，然后将称取的Q10生铁、球铁回炉料、废钢、镍板、电解铜和钼铁加入到中频炉中，升温至温度为1500~1550℃，静置2~4min，出炉，得到铁液；
二、球化及孕育处理：首先按球化剂的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢的总质量之比为（1.5~1.7）：100，再按硅铁孕育剂的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢的总质量之比为（0.7~0.9）：100、硅钡孕育剂的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢的总质量之比为（0.08~0.15）：100，称取球化剂、硅铁孕育剂和硅钡孕育剂，然后将称取的球化剂放于浇注包的堤坝一侧，将称取的硅钡孕育剂均匀覆盖在球化剂上，在温度为1420~1450℃的条件下，保温0.4~0.6min完成球化及孕育，再将步骤一的铁液在浇注温度为1340~1390℃的条件下，进行浇注，浇注过程中随流加入称取的硅钡孕育剂，得到铸态球墨铸铁；
三、等温淬火：将步骤二得到的铸态球墨铸铁装入热处理炉中，将炉温升温至温度为870~900℃，保温1.5~2h，然后在5s内将其移入温度为330~350℃的硝酸钾和硝酸钠的混合盐浴中，保温1~1.5h，再取出放入清水中漂洗去盐渍，得到基体组织为上贝氏体的球墨铸铁；
四、高频表面淬火：将步骤三获得的基体组织为上贝氏体的球墨铸铁，以升温速率为190~210℃/s，升温至温度为870~900℃，然后取出空冷，再以升温速率为190~210℃/s，加热至温度为870~900℃，然后在5s内将其转移至质量浓度为4%~6%的NaCl溶液中进行淬火，最后用清水洗净，得到表面组织为马氏体、内部组织为上贝氏体的的球墨铸铁；
五、回火热处理：将步骤四得到的表面组织为马氏体、内部组织为上贝氏体的的球墨铸铁放入箱式炉中，升温至180~220℃，保温1.5~2h，然后炉冷至室温，得到贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁。
本发明的有益效果
本发明的方法在制得铸态球墨铸铁后，首先通过等温淬火获得内部基体组织为上贝氏体的球墨铸铁，然后通过二步法对其进行高频表面淬火，淬火深度为1.5~3毫米，获得表面基体组织为马氏体的球墨铸铁，表面硬度为55~65HRC，抗拉强度为1100~1120MPa，冲击值为85~100J，表面硬度高、强度高、韧性以及抗磨性好，旋转弯曲疲劳强度为560~600MPa，其旋转弯曲疲劳强度高于低合金钢20CrMnTi的旋转弯曲疲劳强度，综合力学性能优异，且内部组织和表面组织分布均匀、致密，没有类似于TiN的不容质点存在，同时制备成本低于20CrMnTi的20%左右，技术工艺重现性好，制备工艺简单，可取代低合金钢20CrMnTi应用于汽车发动机齿轮制备领域。
附图说明
图1为实施例1制备的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁表面基体组织的金相显微镜照片；
图2为实施例1制备的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁内部基体组织的金相显微镜照片；
图3为实施例1制备的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁球化级别的金相显微镜照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法按以下步骤进行：
一、熔炼铁液：先按质量份数称取60~65份Q10生铁、25~30份球铁回炉料和10~15份废钢，然后按镍板的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢总质量之比为（1.5~2.0）：100，按电解铜的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢总质量之比为（0.6~1.0）：100，按钼铁的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢总质量之比为（0.3~0.6）：100，称取镍板、电解铜和钼铁，然后将称取的Q10生铁、球铁回炉料、废钢、镍板、电解铜和钼铁加入到中频炉中，升温至温度为1500~1550℃，静置2~4min，出炉，得到铁液；
二、球化及孕育处理：首先按球化剂的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢的总质量之比为（1.5~1.7）：100，再按硅铁孕育剂的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢的总质量之比为（0.7~0.9）：100、硅钡孕育剂的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢的总质量之比为（0.08~0.15）：100，称取球化剂、硅铁孕育剂和硅钡孕育剂，然后将称取的球化剂放于浇注包的堤坝一侧，将称取的硅钡孕育剂均匀覆盖在球化剂上，在温度为1420~1450℃的条件下，保温0.4~0.6min完成球化及孕育，再将步骤一的铁液在浇注温度为1340~1390℃的条件下，进行浇注，浇注过程中随流加入称取的硅钡孕育剂，得到铸态球墨铸铁；
三、等温淬火：将步骤二得到的铸态球墨铸铁装入热处理炉中，将炉温升温至温度为870~900℃，保温1.5~2h，然后在5s内将其移入温度为330~350℃的硝酸钾和硝酸钠的混合盐浴中，保温1~1.5h，再取出放入清水中漂洗去盐渍，得到基体组织为上贝氏体的球墨铸铁；
四、高频表面淬火：将步骤三获得的基体组织为上贝氏体的球墨铸铁，以升温速率为190~210℃/s，升温至温度为870~900℃，然后取出空冷，再以升温速率为190~210℃/s，加热至温度为870~900℃，然后在5s内将其转移至质量浓度为4%~6%的NaCl溶液中进行淬火，最后用清水洗净，得到表面组织为马氏体、内部组织为上贝氏体的的球墨铸铁；
五、回火热处理：将步骤四得到的表面组织为马氏体、内部组织为上贝氏体的的球墨铸铁放入箱式炉中，升温至180~220℃，保温1.5~2h，然后炉冷至室温，得到贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁。
本实施方式在制得铸态球墨铸铁后，首先通过等温淬火获得内部基体组织为上贝氏体的球墨铸铁，然后通过二步法对其进行高频表面淬火，淬火深度为1.5~3毫米，获得表面基体组织为马氏体的球墨铸铁，表面硬度为55~65HRC，抗拉强度为1100~1120MPa，冲击值为85~100J，表面硬度高、强度高、韧性以及抗磨性好，旋转弯曲疲劳强度为560~600MPa，其旋转弯曲疲劳强度高于低合金钢20CrMnTi的旋转弯曲疲劳强度，综合力学性能优异，且内部组织和表面组织分布均匀、致密，没有类似于TiN的不容质点存在，同时制备成本低于20CrMnTi的20%左右，技术工艺重现性好，制备工艺简单，可取代低合金钢20CrMnTi应用于汽车发动机齿轮制备领域。
具体实施方式二：本具体实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中的Q10生铁中杂质总质量≤0.1%，废钢中成分及各成分质量分数为：C：0.17%~0.21%、S：0.012%~0.016%、P：0.020%~0.024%、Mn：0.26%~0.30%、Si：0.30%~0.40%，其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中镍板中Ni的质量分数为99.9%~99.99%，其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中电解铜中Cu的质量分数为99.99%-99.999%，其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中钼铁中Mo的质量分数为60%~70%，其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中球化剂为FeSiMg8Re3球化剂，其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中硅铁孕育剂为FeSi75孕育剂，其中Si的质量分数为65%-75%，其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中硅钡孕育剂中Si的质量分数为45%-48%，硅钡孕育剂的粒度为0.2~0.7mm，其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中硝酸钾和硝酸钠的混合盐浴质量浓度为98%，其中硝酸钾和硝酸钠的质量比为1：1，其他步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中两次升温速率均为200℃/s，NaCl溶液的质量浓度为5%，其他步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
用以下试验验证本发明的有益效果
实施例1、贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法按以下步骤进行：
一、熔炼铁液：先按质量份数称取65份Q10生铁、25份球铁回炉料和10份废钢，然后按镍板的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢总质量之比为1.8：100，按电解铜的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢总质量之比为0.8：100，按钼铁的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢总质量之比为0.5：100，称取镍板、电解铜和钼铁，然后将称取的Q10生铁、球铁回炉料、废钢、镍板、电解铜和钼铁加入到中频炉中，升温至温度为1550℃，静置4min，出炉，得到铁液；其中Q10生铁中各元素及其质量分数为：C：4.38%、S：0.019%、P：0.035%、Mn：0.07%、Si：0.85%；球铁回炉料中各元素及其质量分数为：C：3.58%、S：0.012%、P：0.027%、Mn：0.21%、Si：2.58%；废钢中各元素及其质量分数为：C：0.19%、S：0.014%、P：0.022%、Mn：0.28%、Si：0.35%；镍板中Ni的质量分数为99.99%；电解铜中Cu的质量分数为99.99%；钼铁中Mo的质量分数为65%；
二、球化及孕育处理：首先按FeSiMg8Re3球化剂的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢的总质量之比为1.6：100，再按FeSi75孕育剂的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢的总质量之比为0.8：100、硅钡孕育剂的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢的总质量之比为0.1：100，称取球化剂、硅铁孕育剂和硅钡孕育剂，然后将称取的球化剂放于浇注包的堤坝一侧，将称取的硅钡孕育剂均匀覆盖在球化剂上，在温度为1450℃的条件下，保温0.6min完成球化及孕育，再将步骤一的铁液在浇注温度为1350℃的条件下，进行浇注，浇注过程中随流加入称取的硅钡孕育剂，得到铸态球墨铸铁；其中FeSi75孕育剂中Si的质量分数为70%；硅钡孕育剂中Si的质量分数为45%，硅钡孕育剂的粒度为0.5mm；
三、等温淬火：将步骤二得到的铸态球墨铸铁装入热处理炉中，将炉温升温至温度为890℃，保温1.8h，然后在5s内将其移入温度为340℃的硝酸钾和硝酸钠的混合盐浴中，保温1.5h，再取出放入清水中漂洗去盐渍，得到基体组织为上贝氏体的球墨铸铁；其中硝酸钾和硝酸钠的混合盐浴质量浓度为98%，其中硝酸钾和硝酸钠的质量比为1：1；
四、高频表面淬火：将步骤三获得的基体组织为上贝氏体的球墨铸铁，以升温速率为200℃/s，升温至温度为870℃，然后取出空冷，再以升温速率为200℃/s，升温至温度为870℃，然后在5s内将其转移至质量浓度为5%的NaCl溶液中进行淬火，最后用清水洗净，得到表面组织为马氏体、内部组织为上贝氏体的的球墨铸铁；
五、回火热处理：将步骤四得到的表面组织为马氏体、内部组织为上贝氏体的的球墨铸铁放入箱式炉中，升温至190℃，保温2h，然后炉冷至室温，得到贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁。
试验一、对实施例1制备贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁进行理化试验，结果如下：
实施例1制备的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的化学成分及各成分质量分数为：C：3.45%、Si：2.48%、Mn：0.20%、Mo：0.22%、Cu：0.70%、Ni：1.35%、S：0.012、P：0.031、Mg：0.048%和余量的Fe。
试验二、对实施例1制备的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁进行金相组织分析试验，试验过程如下：
根据GB/T9441-2008球墨铸铁金相检验国家标准，在室温条件下，利用4XB金相显微镜，对实施例1制备的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁进行金相组织分析，如图1、图2和图3所示的金相显微镜照片，从图1和图2可以看出，得到了表面组织为马氏体、内部组织为上贝氏体的的球墨铸铁，从图3可以看出，球化率达到95%，球化级别为2级，且晶粒细小，分布均匀，塑性高。
试验三、对实施例1制备的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁和现有的20CrMnTi低合金钢进行综合力学性能试验，试验过程如下：
现根据国家标准GB/T228-2007、GB/T229-2007和GB/T230-2007利用CSS-88300电子拉力试验机、JB-300冲击试验机、HR150A洛氏硬度试验机，对实施例1制备的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁和现有的低合金钢20CrMnTi进行拉力试验、冲击试验和洛氏硬度试验，试验结果如表1所示：
表1贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁和20CrMnTi低合金钢综合力学性能检测结果
本实施例在制得铸态球墨铸铁后，首先通过等温淬火获得基体组织为上贝氏体的等温淬火球墨铸铁，然后通过二步法高频表面淬火，将获得组织为上贝氏体的球墨铸铁进行表面高频淬火，淬火深度为3毫米，获得表面基体组织为马氏体的球墨铸铁，表面硬度为60HRC，抗拉强度为1120MPa，冲击值为92J，表面硬度高、强度高、韧性以及抗磨性好，旋转弯曲疲劳强度为580MPa，其韧性和旋转弯曲疲劳强度均高于低合金钢20CrMnTi的旋转弯曲疲劳强度，综合力学性能优异，且内部组织和表面组织分布均匀、致密，没有类似于TiN的不容质点存在，同时制备成本低于20CrMnTi的20%左右，技术工艺重现性好，制备工艺简单，可取代低合金钢20CrMnTi应用于汽车发动机齿轮制备领域。
Claims (9)
1.贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法，其特征在于该制备方法按以下步骤进行：
一、熔炼铁液：先按质量份数称取60～65份Q10生铁、25～30份球铁回炉料和10～15份废钢，然后按镍板的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢总质量之比为（1.5～2.0）：100，按电解铜的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢总质量之比为（0.6～1.0）：100，按钼铁的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢总质量之比为（0.3～0.6）：100，称取镍板、电解铜和钼铁，然后将称取的Q10生铁、球铁回炉料、废钢、镍板、电解铜和钼铁加入到中频炉中，升温至温度为1500～1550℃，静置2～4min，出炉，得到铁液；
二、球化及孕育处理：首先按球化剂的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢的总质量之比为（1.5～1.7）：100，再按硅铁孕育剂的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢的总质量之比为（0.7～0.9）：100、硅钡孕育剂的质量与Q10生铁、球铁回炉料和废钢的总质量之比为（0.08～0.15）：100，称取球化剂、硅铁孕育剂和硅钡孕育剂，然后将称取的球化剂放于浇注包的堤坝一侧，将称取的硅钡孕育剂均匀覆盖在球化剂上，在温度为1420～1450℃的条件下，保温0.4～0.6min完成球化及孕育，再将步骤一的铁液在浇注温度为1340～1390℃的条件下，进行浇注，浇注过程中随流加入称取的硅钡孕育剂，得到铸态球墨铸铁；
三、等温淬火：将步骤二得到的铸态球墨铸铁装入热处理炉中，将炉温升温至温度为870～900℃，保温1.5～2h，然后在5s内将其移入温度为330～350℃的硝酸钾和硝酸钠的混合盐浴中，保温1～1.5h，再取出放入清水中漂洗去盐渍，得到基体组织为上贝氏体的球墨铸铁；
四、高频表面淬火：将步骤三获得的基体组织为上贝氏体的球墨铸铁，以升温速率为190～210℃/s，升温至温度为870～900℃，然后取出空冷，再以升温速率为190～210℃/s，加热至温度为870～900℃，然后在5s内将其转移至质量浓度为4%～6%的NaCl溶液中进行淬火，最后用清水洗净，得到表面组织为马氏体、内部组织为上贝氏体的的球墨铸铁；
五、回火热处理：将步骤四得到的表面组织为马氏体、内部组织为上贝氏体的的球墨铸铁放入箱式炉中，升温至180～220℃，保温1.5～2h，然后炉冷至室温，得到贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁，
其中步骤一中的Q10生铁中杂质总质量≤0.1%，废钢中成分及各成分质量分数为：C：0.17%～0.21%、S：0.012%～0.016%、P：0.020%～0.024%、Mn：0.26%～0.30%、Si：0.30%～0.40%。
2.根据权利要求1所述的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤一中镍板中Ni的质量分数为99.9%～99.99%。
3.根据权利要求1所述的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤一中电解铜中Cu的质量分数为99.99%-99.999%。
4.根据权利要求1所述的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤一中钼铁中Mo的质量分数为60%～70%。
5.根据权利要求1所述的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤二中球化剂为FeSiMg8Re3球化剂。
6.根据权利要求1所述的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤二中硅铁孕育剂为FeSi75孕育剂，其中Si的质量分数为65%-75%。
7.根据权利要求1所述的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤二中硅钡孕育剂中Si的质量分数为45%-48%，硅钡孕育剂的粒度为0.2～0.7mm。
8.根据权利要求1所述的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤三中硝酸钾和硝酸钠的混合盐浴质量浓度为98%，其中硝酸钾和硝酸钠的质量比为1：1。
9.根据权利要求1所述的贝氏体-马氏体汽车齿轮球墨铸铁的制备方法，其特征在于步骤四中两次升温速率均为200℃/s，NaCl溶液的质量浓度为5%。
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