CN103834854B - 一种用于热处理生产线推拉车的等温淬火球墨铸铁辊轮及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于热处理生产线推拉车的等温淬火球墨铸铁辊轮及其生产方法，该球墨铸铁辊轮至少包含:Fe，还包含以下质量百分含量的元素：碳：3.20～4.0%、硅：2.10～2.90%、锰：0.3～0.65%、磷：≦0.1%、硫：≦0.1%。该球墨铸铁辊轮为一种等温淬火球墨铸铁，采用铸造方式及等温淬火热处理，具有石墨自润滑性能，并能在运作过程中产生硬化层；因该辊轮采用铸造方式，可将复杂形状的铸造成形使接近最终尺寸，且只要在一次精加工后，于气密且带有气氛保护的环境下热处理，以防止表面氧化及脱碳；然后在气氛保护的环境中转移至带有调速搅拌及给水装置的淬火槽中进行等温淬火热处理，而获得针状铁素体及高碳奥氏体金相组织。

Description

一种用于热处理生产线推拉车的等温淬火球墨铸铁辊轮及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种用于热处理生产线推拉车的等温淬火球墨铸铁辊轮及其生产方法，特别是一种采用等温淬火的球墨铸铁，具有石墨自润滑性能，且在运作中能产生硬化层的一种热处理生产线推拉车的等温淬火球墨铸铁辊轮及其生产方法。

背景技术

做为热处理生产线推拉车的关键零件的辊轮会直接影响设备的使用寿命、生产效率和设备的质量与成本。现行惯用的辊轮，是采用低碳合金钢，经机械锻打、初车、精车，再经机械加工后，采渗碳淬火热处理。

渗碳淬火热处理是将低碳合金钢加热至摄氏930度左右进行表面渗碳，在材料表层建立0.8%-1.0%含碳量后，将工件降温至摄氏850度左右，然后移至油槽进行冷却，当工件冷却的温度低于马氏体转变点后，奥氏体即转变为马氏体。

当辊轮承受负荷并作运动时，辊轮表面及轨道因不断地受到应力的作用，一旦到达滚动疲劳临界值，接触面就会产生疲劳破损，在表面的一些部份会发生鱼鳞状薄片的剥离现象，此种现象叫做表面剥离。

上述辊轮其材料利用率低，能量耗损大，成本偏高，且硬化层较薄，质量不稳定，且常因耐磨度不够而开裂，以致硬化层磨损后，将影响推拉车运转精度及运转顺畅度，如继续运转，甚至会导致无法运转，使生产线停摆。

目前的热处理生产线的趋势是向全自动化和大型化方向发展，目前有更多的自动线投入生产,自动线一般在周末及假日可无人当值,对推拉车的订位精度及可靠性要求更高,传统车轮很易磨耗,使得生产线不可靠。传统的多用炉从每炉600公斤增加至每炉5000公斤,车轮的受力增加将近10倍,车轮的磨耗速度也影响设备的可靠性。

发明内容

针对以上所述现知技术的缺点，本发明提供一种采用等温淬火热处理的球墨铸铁而用于热处理生产线推拉车的辊轮及其生产方法，该辊轮具有石墨自润滑性能，且在运作中能产生硬化层，以用来改良某些现有技术中的缺点或提供有用的代替品。

本发明的主要目的系提供一种等温淬火球墨铸铁的辊轮，其在运动中有石墨的自润滑效果，并且在接触时，因为辊轮表面产生的压应力，使得辊轮表面稳定的高碳奥氏体转变成高碳马氏体，厚度约1～10微米的薄层，硬度最高可增加洛氏硬度(Rockwellhardness)约10度,且该硬化层可持续产生。

本发明的另一目的在提供一种用于热处理生产线推拉车的辊轮的生产方法，采用少量机械加工的铸造方式来取代现有技术中的大量机械加工且高耗能的锻造方式。

本发明的再一目的在采用带气氛保护的等温淬火热处理工艺，使辊轮表面完全无氧化，在等温金相组织转变时,尺寸的涨大量是在可控制状况下，相对于渗碳淬火钢,最后的加工量可减少,使得整体加工费用可以降低。

本发明的更一目的在采用含石墨均匀分布在基体的材料来制作辊轮，可产生吸收震动、减少噪音及产生自润滑等效果。

本发明的又一目的在采用比重较钢低10%的等温淬火球墨铸铁，在相同的强度下，辊轮重量能减轻10%，因而可提升整个系统在运动中的加速性及减速性。

本发明的又一目的在采用等温淬火球墨铸铁，其金相组织为针状铁素体及高碳奥氏体，相较于马氏体，较不易氧化生锈，并可提高辊轮的使用寿命。

为达到上述目的，本发明提供一种用于热处理生产线推拉车的等温淬火球墨铸铁辊轮及其生产方法，该辊轮为一种等温淬火球墨铸铁，采用铸造方式及等温淬火热处理，具有石墨自润滑性能，并能在运作过程中产生硬化层；因该辊轮采用铸造方式，可将复杂形状之铸造成形使接近最终尺寸，且只要在一次精加工后，于气密且带有气氛保护的环境下热处理，以防止表面氧化及脱碳；然后在气氛保护的环境中转移至带有调速搅拌及给水装置的淬火槽中进行等温淬火热处理，而获得针状铁素体及高碳奥氏体金相组织。

本发明的用于热处理生产线推拉车的等温淬火球墨铸铁辊轮，至少包含:Fe，还包含以下质量百分含量的元素：碳：3.20～4.0%、硅：2.10～2.90%、锰：0.3～0.65%、磷：≦0.1%、硫：≦0.1%。

在本发明的一个优选实施例中，还包含以下质量百分含量的元素：Cu:0.75～0.85%、Ni:1.90～2.10%、Mo:0.27～0.33%。

在本发明的一个优选实施例中，还包含以下质量百分含量的元素：Sn:0.017～0.023%、Sb:0.0017～0.0023%、O：0.005%、Cr:0.10%、Ti:0.040%、V：0.10%、Al:0.050%、As:0.020%、Bi:0.002%、B：0.002%、Cd：0.005%、Pb:0.002%、Se:0.030%、Te:0.020%。

在本发明的一个优选实施例中，当辊轮最大截面厚度＞13mm，锰的百分含量为0.3～0.4%；当辊轮最大截面厚度＜13mm，锰的百分含量为0.55～0.65。

在本发明的一个优选实施例中，所述等温淬火球墨铸铁辊轮，球化率大于75%，其球墨数为每平方厘米大于80个，而缺陷为小于1%。

一种用于热处理生产线推拉车的等温球墨铸铁辊轮的生产方法，具体包括如下步骤：

(1)铸造符合要求的球墨铸铁辊轮；

(2)铸造后,对辊轮毛坯进行机加工，机加工时留有热处理变形量；

(3)将机加工后的辊轮毛坯送至在气氛保护及计算机控制下的全自动盐淬设备中；

(4)在全自动盐淬设备的加热炉中，将辊轮加温至摄氏820～950℃后保温1～4小时进行奥氏体化固溶处理；

(5)将经过步骤（4）奥氏体固溶处理后的辊轮投入到全自动盐淬设备的盐浴炉的盐槽中，在盐槽中迅速降温至摄氏220～400℃后保温1.5～5小时进行等温淬火热处理；

(6)将辊轮从盐浴炉中取出，并以空冷、风冷或水淬方式冷却至室温；

(7)经过清洗及干燥后得到等温淬火球墨铸铁辊轮粗品；

(8)对等温淬火球墨铸铁辊轮粗品进行研磨精加工得到等温淬火球墨铸铁辊轮。

由于采用了如上的技术方案，本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮具有以下优点：

（1）价格成本低

以单位屈服强度的成本计算，本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮的材料每公斤比锻钢、铸钢、铸铝要低，是一种很经济的材料。

（2）比重比钢小，本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮的材料在其组织中有近3.5%左右的石墨，故同一体积的零件比钢要轻约10%。

（3）综合性能优良

本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮的材料强度和伸长率都很高，其具有的动态力学性能相较于锻铸钢以及微合金钢要好很多，在数百万次交变载荷作用后，其抗疲劳性仍保持不变，缺口敏感性小（敏感系数2.2～2.4）。

（4）减音效果好

本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮中的石墨具有很好的吸音效果，故本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮工作时噪音小，这对使用轨道运转的机械十分有利。

（5）减震性好

本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮中所含石墨均匀分布在基体中，可吸收运动中的震动和噪声，这是因为本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮的材料弹性模量为1700牛顿/平方毫米，比钢的弹性模量2100牛顿/平方毫米低20%，所以吸震性好，组织中有石墨球，能快速吸收震动，使机件运转平稳。

（6）耐磨性佳

因本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮的材料中存在有石墨球，能降低摩擦系数，且其表面在应力作用下，高碳奥氏体有一部分相变为高碳马氏体，提高了表面层硬度，改善抗磨性，而新的次表面又不断发生以上过程，因此与同样硬度的钢相比，它的寿命更长。

（7）采用铸造成形及等温淬火热处理，可大幅的降低制造费用，通过等温淬火热处理即能得到本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮。

具有石墨自润滑性能，且在运作中能产生硬化层，以用来改良某些现有技术中的缺点或提供有用的代替品。

附图说明

图1为本发明用于热处理生产线推拉车之球墨铸铁辊轮的生产方法的工艺流程图。

图2为本发明全自动盐淬设备结构示意图。

图3为本发明的滚动接触磨损的实验示意图。

图4为不同金相组织在等温淬火热处理的膨胀量示意图。

图5为本发明的等温淬火球墨铸铁经磨损后的表面硬度提升示意图。

具体实施方式

辊轮的使用工况依照承载的不同，可以分为重承载及轻承载两大类。在重承载的工况下，辊轮与轨道接触面的表面压力大于850牛顿/平方毫米。本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮基体中的高碳奥氏体部分转变为高碳马氏体，最大可提高表层硬度硬度洛氏硬度10度左右，可抵抗表面磨损，改善抗磨性；而新的次表面又不断发生以上过程，越磨越硬，表层硬化而芯部仍保持极强的韧性，外硬内韧既抗磨损又抗冲击。在此情况下本发明采用较高的等温热处理淬火温度，提高辊轮的韧性及延伸性，以抵抗高速运动时震动的影响。

图1为本发明等温淬火球墨铸铁辊轮的生产流程图。参见图1，轨道的使用工况极为复杂，辊轮也必须按其工况所伴随的冲击力、压应力、摩擦力等调整期诸如硬度、抗拉强度、冲击强度及韧性等特性，以达到最佳的使用状况。现将本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮制备方法详述如下：

步骤201：铸造符合基本要求的球墨铸铁辊轮

球墨铸铁的基本要求：

球墨铸铁毛坯是本发明辊轮的基础，唯有质量好的球墨铸铁才能有性能优良的球墨铸铁辊轮，以下为球墨铸铁的基本要求：

1.化学成本

(1)球化元素：镁、铈、镧、钕、镨、钇、钙；

(2)气体元素：氧、氢、氮；

(3)稳定珠光体及形成碳化物元素：铬、钒、锡、砷、硼；

(4)微量元素和特种作用元素：碲、铅、钛、铝、锑、铋、锆；

(5)主要元素：碳、硅、锰、硫、磷；

(6)次要元素：镍、钼、铜。

以上共六大组，合计30个元素。

表1为球墨铸铁的碳当量，只有在稳定的化学成分下才能有确定的热处理规范。

表1

碳当量=%碳+1/3%硅

表2为本发明等温淬火球墨铸铁辊轮所用材料除Fe以外的各合金元素配料表

表2

表2中的合金元素的含量根据原铁液化学成分、铸件断面尺寸、形状及所用热处理设备条件来考虑，壁厚大于19mm就需加入合金元素。增加淬透性的常用合金元素是铜、镍和钼，而不用锰，因为锰偏析于晶间并阻碍等温处理反应，还可能因奥氏体的存在而形成马氏体。由于价格低，铜合金是首选，但铜超过0.8%会阻碍奥氏体化温度时碳的扩散；当铜量已加到最大值0.8%后，则加镍合金化，通常镍在2%以下，否则成本会增加。钼有很好的淬透性，但它产生强烈的晶间偏析，而且又是强的碳化物形成元素。在晶间形成钼碳化物是不利的，如果在等温处理后需切削加工，钼碳化物的存在尤为不利，所以钼加到最大值0.3%。其他微量元素含量也根据制程有较严格的规定；

表3为球墨铸铁球化率分级标准

表3

参见图3，本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮所用材料的球化率必须大于75%。

表4为球墨铸铁石墨球数与大小对照表

表4

参见图4，本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮所用材料的石墨球数每平方厘米大于80个,高的石墨球数可以减少微观偏析，因而减少晶间碳化物，显微收缩及其他溶质偏析，也可增加铸态及等温淬火热处理后球墨铸铁的强度和韧性。高球数球墨铸铁的切削加工性能优于低球数球墨铸铁。另外，如果碳从球墨转移至奥氏体中是一个扩散过程，而扩散距离会影响所需要的时间，较高的球墨数(代表球墨之间的距离较短)，不仅减少球墨铸铁中的显微偏析，亦可减少扩散距离并缩短奥氏体化时间。

缺陷小于1%:所谓铸件的缺陷是指不应有的非金属夹杂物、碳化物、收缩及空孔等等，本辊轮的机械性能必须同等或高于渗碳淬火钢,所以缺陷必须控制在1%以下；

参见图4，球墨铸铁热处理过程中奥氏体化时碳达到饱和所需的时间以及沃斯淬火阶段铸件的变形生长受热处理前铸件金属基体中珠光体/铁素体比例影响很大，所以在批量生产中要保证金属基体中珠光体/铁素体比例的稳定，所以辊轮有稳定的胀大量,可以藉机械加工对热处理的变形做补偿修正。

步骤202：辊轮毛坯粗加工

铸造后,对辊轮毛坯进行粗加工，切削加工余量要考虑到热处理变形量；

步骤203：将加工后的辊轮送至全自动盐淬装置

参见图2，将机加工后的辊轮毛坯送至在气氛保护及计算机控制下的全自动盐淬装置中，保护气氛以避免工件表面氧化脱碳，计算机控制以避免人为因素影响，使以下步骤的等温淬火热处理的质量更加稳定。

步骤204：将辊轮加温至820-950℃后保温一小时进行奥氏体化固溶处理，此步骤主要目的在于促使辊轮的基体均质化，使基体完全变态成为奥氏体，而奥氏体化温度会影响奥氏体内碳的固溶量及稍后的恒温变态起始点。

步骤205：在全自动盐淬装置的盐槽中迅速降温至220-400℃后保温1.5-5小时进行等温淬火热处理。此步骤需要快速冷却，否则易有珠光体产生，而影响到辊轮材料的显微组织与机械性质。

辊轮是在图2所示的在气氛保护及计算机控制下的全自动盐淬装置中进行等温淬火热处理的，该在气氛保护及计算机控制下的全自动盐淬装置为三功能室结构，三个功能室都是密封的且使在气氛保护下工作的。前室为淬火室101，中间为过渡室102，后室为加热室103，淬火室101与过渡室102之间采用密封门104加以隔绝，过渡室102与加热室103之间采用密封门105加以隔绝。

淬火室101的功能是进行奥氏体的金相转变淬火。它有盐槽101a、加热系统、搅拌系统、导流系统、热交换系统、气氛保护和给水系统、废气燃烧排放系统、升降机机构，前门火帘和前门、中门机构等组成，其淬火过程为加热室103加热及保温后的奥氏体化辊轮推至过渡室102后迅速推至气氛保护下的淬火室103中的升降机机构上，在关闭过渡室102与加热室103之间的密封门105后迅速下降到淬火室101的盐槽101a中进行等温转变，等温转变结束后升降机机构上升沥盐，而后打开淬火室101的前门在火帘封门下由门前小车拉出对工件惊醒清洗和防锈等辅助处理。

过渡室102的功能是把淬火室101的盐槽101a气氛和加热室103的室内气氛进行分开，并通过排气口把混入的气氛排出到室外。它有传动机构、气氛注入系统、废气燃烧排放系统，维修口。工作过程是辊轮预热后通过淬火室101送入过渡室102把带进的空气烧尽后，由后驱动送入加热室103进行加热处理，加热结束后，再送入过渡室102，然后送入淬火室101淬火。在进入过渡室102的二个过程中都有气氛保护，防止辊轮的氧化和脱碳，保持室内正压状态。

加热室103的功能时执行加热、保温或渗碳工艺，它由后驱动系统、炉顶搅拌系统、加热系统、温度气氛测量分析控制系统、耐热链轨、中门机构等组成。工作过程是把进入加热室103的辊轮加热到奥氏体化温度并在此温度下保温，辊轮的基体获得奥氏体组织后送入淬火室101淬火。整个工艺过程都是在密封炉膛并在气氛保护下进行，炉内保持正压。加热方式可采用电加热或燃气加热，辐射管采用大管径高温材料，温度圴匀性在+/-摄氏5度，炉顶搅拌风扇大流量大循环，多点滴注确保气氛均匀。

步骤206：将辊轮从盐槽101a中取出，并以空冷、风冷或水淬方式冷却至室温，此步骤冷却方式的选择，对于本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮的组织和机械性质已无显著影响。

步骤207：再经过清洗及干燥过程，即完成等温淬火球墨铸铁的辊轮，其硬度可达洛氏硬度35～55度，强度更可达到900～1600牛顿/平方毫米。

步骤208：对处理后的辊轮进行精加工，完成整体工艺。

本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮所采用称为“等温淬火球墨铸铁”的材料，为一种新型工程材料。其基体组织为高强度、高耐磨性的针状铁素体及高韧性的“高碳奥氏体”，且其组织中的球状石墨又能起润滑作用，可以减少磨损、节约能源、并减低震动、噪音，提高材料利用率，降低成本，是制造辊轮的理想材料。

本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮是通过加入合金元素及等温淬火热处理，使球墨铸铁基地组织由铁素体、珠光体转变为针状铁素体及高碳奥氏体。

本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮所用的材料具有以下五种独特的优点：

(1)强度高、塑性好；

(2)弯曲疲劳和接触疲劳等的动载性能高；其旋转弯曲疲劳强度可达400～500牛顿/平方毫米，与调质处理低碳合金钢相当，本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮所用的材料的接触疲劳强度可达1600牛顿/平方毫米，比低碳合金钢氮化处理和渗碳处理的接触疲劳强度高。

(3)吸震性好；本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮所用的材料由于弹性模量低，加上基体中存在石墨球，故能迅速吸收震动并增大噪音阻尼，使部件的运转更安静及平稳。

(4)耐磨、抗磨性佳：本材料的耐磨性能，比任何同等硬度水平的钢都好。

(5)加工性能好：本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮大部分机械加工可以在等温淬火热处理前完成，此时的金相组织大部分为铁素体，其加工性能显著优于钢。

参见图3，2012年中国的曾东方等人对等温淬火球墨铸铁接触磨损性能所做研究，将等温淬火球墨铸铁（ADI1）和合金钢（ADI2）做滚动接触磨损的实验比较。

在滚动接触疲劳磨损中，本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮所用材料基体中的高碳奥氏体对耐磨性有一定的贡献，基体中的高碳奥氏体部分转变为高碳马氏体，最大可提高表层洛氏硬度10度左右，使本发明的等温淬火球墨铸铁辊轮表面硬度得以提高，可抵抗表面磨损，改善耐磨性；而新的次表面又不断发生以上过程，以至于越磨越硬、磨耗量越来越小、其表层硬化而芯部仍保持好的韧性，使得外硬内韧，既抗磨损又抗冲击。而其表面受冲击越大，其表面硬化就越充分，耐磨性就越好，而且可不断生成，大幅提高辊轮的使用寿命。虽然渗碳钢因表面淬火硬度初始较大，但随着表面淬火层的磨去，硬度下降，磨耗量越来越大。摩擦时间越长，本材料的优势更加明显，是替代现有技术渗碳淬火钢辊轮的理想材料。

虽然本发明以前述较佳实施例揭示，其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变化与修改。因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.用于热处理生产线推拉车的等温淬火球墨铸铁辊轮，至少包含:Fe，其特征在于，包含以下质量百分含量的元素：碳：3.20～4.0％、硅：2.10～2.90％、锰：0.3～0.65％、磷：≦0.1％、硫：≦0.1％、Sn:0.017～0.023％、Sb:0.0017～0.0023％、O：0.005％、Cr:0.10％、Ti:0.040％、V：0.10％、Al:0.050％、As:0.020％、Bi:0.002％、B：0.002％、Cd：0.005％、Pb:0.002％、Se:0.030％、Te:0.020％。

2.如权利要求1所述的用于热处理生产线推拉车的等温淬火球墨铸铁辊轮，其特征在于，还包含以下质量百分含量的元素：Cu:0.75～0.85％、Ni:1.90～2.10％、Mo:0.27～0.33％。

3.如权利要求1所述的用于热处理生产线推拉车的等温淬火球墨铸铁辊轮，其特征在于，当辊轮最大截面厚度＞13mm，锰的百分含量为0.3～0.4％；当辊轮最大截面厚度＜13mm，锰的百分含量为0.55～0.65。

4.如权利要求1所述的用于热处理生产线推拉车的等温淬火球墨铸铁辊轮，其特征在于，所述等温淬火球墨铸铁辊轮，球化率大于75％，其球墨数为每平方厘米大于80个，而缺陷为小于1％。

5.一种权利要求1所述的用于热处理生产线推拉车的球墨铸铁辊轮的生产方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)铸造符合要求的球墨铸铁辊轮；

(2)铸造后,对辊轮毛坯进行机加工，机加工时留有热处理变形量；

(3)将机加工后的辊轮毛坯送至在气氛保护及计算机控制下的全自动盐淬设备中；

(4)在全自动盐淬设备的加热炉中，将辊轮加温至820～950℃后保温1～4小时进行奥氏体化固溶处理；

(5)将经过步骤(4)奥氏体固溶处理后的辊轮投入到全自动盐淬设备的盐浴炉的盐槽中，在盐槽中迅速降温至220～400℃后保温1.5～5小时进行等温淬火热处理；

(6)将辊轮从盐浴炉中取出，并以空冷、风冷或水淬方式冷却至室温；

(7)经过清洗及干燥后得到等温淬火球墨铸铁辊轮粗品；

(8)对等温淬火球墨铸铁辊轮粗品进行研磨精加工得到等温淬火球墨铸铁辊轮。