CN103205544B - 一种盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法及应用该方法制备的等温淬火球铁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法，其特征在于包括以下步骤：①铸件奥氏体化；②铸件淬火及盐浴升温；③铸件等温及冷却。本发明可实现在单一盐浴内实现球墨铸铁的双级等温淬火，本发明还提供了一种利用上述等温淬火方法生产的等温淬火球铁，该等温淬火球铁具有发生等温相变时兼有高形核率和快生长速度的特点，同时大大改善了球铁的强度和韧性，并提高铸件的淬透层深度。本发明具有等温淬火设备需求少，工艺操作简便、能耗小、产品的质量稳定性好及生产成本低等优点。

Description

一种盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法及应用该方法制备的等温淬火球铁

技术领域

本发明涉及金属材料制备技术领域，具体地说是一种盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法及应用该方法制备的等温淬火球铁。

背景技术

奥氏体等温淬火球墨铸铁（Austempered Ductile Iron），简称等温淬火球铁（ADI），也称奥贝球铁，具有比普通球铁更优良的综合力学性能，尤其是突出的弯曲疲劳性能和高的耐磨性，引起了材料科学工作者及工程技术人员的广泛关注。利用奥氏体等温淬火技术开发出抗拉强度大于1000MPa、伸长率超过15%的高强度、高韧性的等温淬火球铁。等温淬火球铁同时具有高强度、高韧性的特点，其综合力学性能明显优于铁素体球铁及珠光体球铁，其铸造性能、耐热性、耐蚀性、耐磨性、减振性、切削性、经济性等特性优于铸钢，被认为是“真正的廉价新材料”。等温淬火球铁是球铁强韧化方面的一个重要进展，被誉为近30年来铸铁冶金学方面的重大成就之一，被期望用来替代价格昂贵的铸钢及锻造工件。

等温淬火是淬火热处理中的一种工艺方法。主要包括奥氏体化和等温处理两个过程：首先将铸件加热到A3线以上某个温度，并保温一段时间（称之为奥氏体化处理）；然后以大于珠光体形成的冷却速度在冷却介质中快速冷却至贝氏体转变区域进行等温。与普通淬火热处理不同，等温淬火热处理中冷却介质（等温介质）的温度较高，在铸件的马氏体相变点Ms以上、珠光体相变温度以下的温度区间（即中温区），铸件在等温介质中保持一段时间（又称等温处理），发生贝氏体相变，获得无碳化物的针状铁素体（或称贝氏体型铁素体）和高碳奥氏体的混合物。盐浴等温淬火工艺一直是生产等温淬火球铁的主要方法，除此以外还包括分级冷却、连续冷却和铸态、准铸态等生产工艺。盐浴等温淬火热处理根据铸件等温过程中盐浴温度的变化，又开发出了以下三种主要的工艺。

（1）通常的等温淬火热处理

奥氏体化后的铸件直接在230～450℃的中温区保温一定时间。根据等温淬火温度和时间的不同，ADI的组织和性能将有大的差别。研究表明，ADI等温转变是以铁素体在过冷奥氏体晶界上形核开始的。等温温度在330℃以下，铁素体以相当快的速度形核，而碳的扩散速度却相对较慢，成为析出在铁素体针内的ε碳化物（Fe_2.4C）。奥氏体可以连续不断地转变，只有少量的奥氏体残存于基体之中，占基体90%以上的是由铁素体和分布于其中的碳化物所组成的细针状组织，即下贝氏体。下贝氏体组织具有高强度和高硬度特性，但塑性和韧性较差。等温温度在330℃以上，由于等温转变温度较高，碳的扩散速度加快，碳从生长着的铁素体板条中扩散出来进入周围的奥氏体中，高的碳含量使奥氏体的Ms点温度降到室温以下。能获得无碳化物的贝氏体型铁素体和残余奥氏体所组成的基体组织，这种组织具有良好的综合力学性能。

（2）“两步法”等温淬火热处理

“两步法”等温淬火热处理，也称双极等温淬火。其工艺过程是：工件经奥氏体化后，先在低温盐浴（285℃左右）中保温10～20min，然后在高温盐浴（温度与普通等温淬火工艺相同）中进行等温处理。两步法工艺得到的组织既含有细小的铁素体，同时又有较高含碳量的奥氏体及高的奥氏体体积分数，提高了强度和硬度、改善了韧性，进而表现出更加优越的综合力学性能。但是“两步法”等温淬火工艺需要两个不同温度的等温淬火炉，增加了热处理设备的需求；而且工件在等温淬火处理过程中，增加了一次取出、淬入过程，不仅增加了工艺操作、温度控制的难度，也使由于偶然因素引起的工件性能波动增大。

（3）分级等温淬火热处理

分级等温淬火热处理的工艺过程是首先将奥氏体化后的工件先投入到较低温度下的盐浴炉中，然后对盐浴温度进行一定速度的控制升温，经过一段时间的升温、保温处理后，将工件冷却至室温。与双级等温淬火热处理工艺相似，分级等温淬火热处理有利于细化初始铁素体晶核，并增大碳的扩散速度，以得到性能更好的基体组织。而且分级热处理工艺可以在同一冷却介质中实现，减少了热处理设备的投入；在等温淬火过程中，不需要将工件更换冷却环境，也减少了热处理工艺的复杂性和由于工艺差异引起的工件性能分散等问题。但是，分级淬火热处理在铸件淬入较低温度的盐浴后，靠等温淬火炉的加热使盐浴升温，升温时间长，升温速率要求严格，对热备的加热能力和温度控制要求高。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法。本发明主要利用在单一盐浴内实现球墨铸铁的双级等温淬火，盐浴的初始温度低于铸件的等温淬火温度，铸件淬入盐浴后利用铸件及工装模具的热量和盐浴炉的加热使盐浴的温度升高到等温淬火温度，获得的等温淬火球铁具有较高的屈服强度和断裂韧性，也可以提高铸件的淬透层深度。

本发明采用的技术手段如下：

一种盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法，其特征在于包括以下步骤：

①铸件奥氏体化：将球墨铸铁工件加热至860～950℃，进行奥氏体化，温度偏差为±5℃，奥氏体化时间为30～180min；

②铸件淬火及盐浴升温：将经步骤①处理后的球墨铸铁铸件淬入盐浴内，盐浴的初始温度为230～390℃；

利用铸件及工装模具在奥氏体化时吸收的热量和盐浴炉的加热使盐浴温度升高至等温淬火温度，等温淬火温度高于盐浴初始温度10℃以上，为240～400℃，盐浴的升温时间小于10min；

③铸件等温及冷却：盐浴温度达到铸件的等温淬火温度后，等温30～180min，温度偏差为±3℃；将等温淬火后的铸件从盐浴炉内取出，在空气或水中冷却至室温。

作为优选，所述盐浴为硝酸盐和亚硝酸盐或至少其中一种组成。

本发明还提供了一种由上述盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法制备的等温淬火球铁。

本发明的原理（如图1所示），包括以下几个方面：

1、奥氏体化的铸件淬入到较低温度的盐浴内，相变驱动力大，铁素体形核速率大，获得细小的铁素体，提高等温淬火球铁的强度；

2、激冷后的铸件在较高温度的盐浴中进行等温，得到较好的贝氏体型铁素体以及较高体积分数的高碳奥氏体，以便提高其塑性及韧性；

3、较低的初始淬入温度，降低铸件表面的温度，扩大铸件内外的温差，铸件心部的热量快速导出，增大铸件内部的冷却速度，提高淬透层深度；

4、双级淬火在同一冷却介质中实现，减少了热处理设备的投入，不需要将工件更换冷却环境，也减少了热处理工艺的复杂性和由于工艺差异引起的工件性能分散等问题；

5、盐浴的升温充分利用铸件及工装模具在铸件奥氏体化时吸收的热量，盐浴升温速度快，能耗小。

本发明采用了上述技术方案，具有以下优点：等温淬火球铁可以同时获得高强度和高韧性；提高淬透层深度，对于尺寸厚大的铸件，可以减少合金元素加入量，降低生产成本；在一个盐浴内进行双级等温淬火，操作简便，生产工艺稳定；充分利用铸件及工装模具自身的热量，能耗小，热处理成本低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的原理图。

图2是本发明应用到1.8L轿车增压发动机等温淬火球铁曲轴的显微组织。

图3是本发明应用到柴油发动机等温淬火球铁曲轴的显微组织。

具体实施方式

实施例1

利用本发明提供的盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法，进行1.8L轿车增压发动机球墨铸铁曲轴的等温淬火热处理。

曲轴的主要尺寸和化学成分分别如表1和表2所示。

表11.8L轿车增压发动机球墨铸铁曲轴的主要尺寸（mm）

全长	主轴径	连杆径	回转半径	法兰直径	小头直径
						465	Φ60	Φ55	44	Φ82	Φ32

表21.8L增压发动机球墨铸铁曲轴的化学成分（wt％）

曲轴的等温淬火热处理：

曲轴的等温淬火热处理为每次处理5支曲轴，奥氏体化温度为920℃，奥氏体化时间为75min，盐浴的初始淬入温度为340℃，等温淬火温度为380℃，盐浴的升温时间为5～7min，等温淬火时间为100min，等温淬火后的曲轴在水中冷却至室温。

等温淬火球铁曲轴主轴颈横断面中心部位的显微组织如图2所示，显微组织为典型的上贝氏体型等温淬火球铁组织，由细小的贝氏体型铁素体、残余奥氏体及球状石墨组成，贝氏体型铁素体细小、数量多，期间的残余奥氏体非常清晰、分布均匀。等温淬火球铁曲轴的抗拉强度为1015MPa，屈服强度650MPa，伸长率为11.8％，冲击韧度为120J/cm²，截面硬度的平均值为278HBS。各项力学性能指标达到了等温淬火球铁的国际标准，满足汽车用曲轴的性能要求。

实施例2

利用本发明提供的盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法，进行柴油发动机球墨铸铁曲轴的等温淬火热处理。

曲轴的主要尺寸和化学成分分别如表3和表4所示。

表3某柴油发动机球墨铸铁曲轴的主要尺寸（mm）

全长	主轴径	连杆径	回转半径	法兰直径	小头直径
						650	Φ90	Φ74	58	Φ108	Φ45

表4柴油发动机球墨铸铁曲轴的化学成分（wt％）

曲轴的等温淬火热处理：

曲轴的等温淬火热处理为每次处理5支曲轴，奥氏体化温度为940℃，奥氏体化时间为110min，盐浴的初始淬入温度为320℃，等温淬火温度为370℃，盐浴的升温时间为6～9min，等温淬火时间为120min，等温淬火后的曲轴在水中冷却至室温。

等温淬火球铁曲轴主轴颈横断面中心部位的显微组织如图3所示，显微组织由贝氏体型铁素体、残余奥氏体及球状石墨组成，贝氏体型铁素体比图2略粗大。等温淬火球铁曲轴的抗拉强度为985MPa，屈服强度640MPa，伸长率为10.5％，冲击韧度为110J/cm²，截面硬度的平均值为283HBS。各项力学性能指标达到了等温淬火球铁的国际标准，满足汽车用曲轴的性能要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法，其特征在于包括以下步骤：

①铸件奥氏体化：将球墨铸铁工件加热至860～950℃，进行奥氏体化，温度偏差为±5℃，奥氏体化时间为30～180min；

②铸件淬火及盐浴升温：将经步骤①处理后的球墨铸铁铸件淬入盐浴内，盐浴的初始温度为230～390℃；

利用铸件及工装模具在奥氏体化时吸收的热量和盐浴炉的加热使盐浴温度升高至等温淬火温度240～400℃，盐浴的升温时间小于10min；

③铸件等温及冷却：盐浴温度达到铸件的等温淬火温度后，等温30～180min，温度偏差为±3℃；将等温淬火后的铸件从盐浴炉内取出，在空气或水中冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的一种盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法，其特征在于：所述盐浴为硝酸盐和亚硝酸盐或至少其中一种组成。

3.一种采用权利要求1所述的盐浴自升温的球墨铸铁双级等温淬火方法制备的等温淬火球铁。