CN109777926A - 消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，属于金属铸铁石墨化处理技术领域。包含有如下步骤：①升温：将待处理球墨铸铁件随炉升温至退火温度，所述退火温度在820~860℃范围内，升温时间控制在2~4小时；②保温：使球墨铸铁件在退火温度下保持2~4小时；③缓冷降温：使球墨铸铁件随炉缓冷2~3个小时；④空冷降温：缓冷降温后，将球墨铸铁件取出空冷。本申请针对石墨形态基本呈球状或部分短蠕虫状的铸件缺陷组织特征，提出一种低温短时的消除球铁白口缺陷的热处理工艺，最终具有球状和少部分团絮状的石墨组织特征，使铸件满足应用要求，有效挽救生产损失。

Description

消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺

技术领域

本发明属于铸铁石墨化处理技术领域，具体涉及一种消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺。

背景技术

球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种高强度铸铁材料。在熔炼过程中，通过实施球化和孕育处理得到球状石墨，使其综合性能接近于钢，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。普通球墨铸铁（铸态）中的基本组织组成物有：石墨、铁素体和珠光体。

然而，由于产品结构、成分控制、熔铸工艺、浇注系统设计、冷却条件等诸多因素的影响，常导致球墨铸铁中的碳原子朝着析出非稳定相的方向扩散，即生成渗碳体或碳化物，从而出现纯白口或麻口（部分白口+灰口）组织特征。在球墨铸铁的白口组织中，后一类特征更为常见。白口组织硬且脆，致使铸件在加工过程中常出现加工不动或“打刀”现象，搬运过程中易产生裂纹，且铸件本体易产生剥落等。

为消除球铁中已出现的白口组织，常采用退火（或正火）工艺。此类工艺主要以传统可锻铸铁的石墨化退火为参照，高温长时且分温区处理是其最主要的特点，易导致能量大量耗损，工艺返修成本居高不下，工艺参数不好控制，工序周期长影响交货期，铸件易变形并产生氧化脱碳，同时直接影响热处理设备使用寿命。

申请号为CN93108460.1的中国发明专利公开了一种可锻铸铁低温退火的方法，其采用多缩硅醇聚合物作为催化剂，使可锻铸铁退火从先前的高、低温两段保温下，改为一次保温下进行石墨化的形式，号称退火温度从930℃-980℃降为830℃-890℃，退火周期短，退火温度降低，退货质量提高，退火件化学成分范围放宽，关于该现有技术的技术方案及技术效果，发明内容中有详细论述。

发明内容

在球墨铸铁实际生产过程中，若球化工艺较恰当，常发现当产生白口组织缺陷时，球铁的石墨形态基本呈球状或部分短蠕虫状，只是数量明显偏少。本发明所述的消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺针对此类铸件缺陷组织特征，提出一种低温短时的消除球铁白口缺陷的热处理工艺，使球铁铸件最终具有球状和少部分团絮状的石墨组织特征，从而满足应用要求，有效挽救生产损失。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，包含有如下步骤：

①升温：将待处理球墨铸铁件随炉升温至退火温度，所述退火温度在820~860℃范围内，升温时间控制在2~4小时；

②保温：使球墨铸铁件在退火温度下保持2~4小时；

③缓冷降温：使球墨铸铁件随炉缓冷2~3个小时；

④空冷降温：缓冷降温后，将球墨铸铁件取出空冷。

作为上述技术方案的优选，所述球墨铸铁件的壁厚≤15mm。

本申请根据球铁产品壁厚、石墨球化等级、碳化物数量与分布状态等因素，采取低温短时石墨化退火工艺，在满足铸件使用性能的前提下，实现节能降耗。

对于已产生白口组织缺陷的球铁铸件，热处理前需抽样检查以确认白口组织形态，本申请所述工艺尤其适用于白口组织中的石墨形态以球状或短蠕虫状为主，且综合评级不低于4级的球墨铸铁铸件。

本申请所述的热处理工艺空冷降温前的处理时间控制在6~11小时。

作为上述技术方案的优选，包含有如下步骤：

①升温：将待处理球墨铸铁件随炉升温至退火温度，所述退火温度在820~840℃范围内，升温时间控制在2~3小时；

②保温：使球墨铸铁件在退火温度下保持2~2.5小时；

③缓冷降温：使球墨铸铁件随炉缓冷2~3小时，此时，球墨铸铁件的温度约为550~600℃；

④空冷降温：缓冷降温后，将球墨铸铁件取出空冷。

本方案适用于以反白口组织为主，碳化物以莱氏体型组织形态存在的球铁铸件，工艺空冷降温前的处理时间控制在6~8.5小时。

反白口即断面存在部分白口组织，相应的铸铁称为麻口铸铁。

作为上述技术方案的优选，包含有如下步骤：

①升温：将待处理球墨铸铁件随炉升温至退火温度，所述退火温度在822~827℃范围内，升温时间控制在2~2.5小时；

②保温：使球墨铸铁件在退火温度下保持2~2.5小时；

③缓冷降温：使球墨铸铁件随炉缓冷2~3小时；

④空冷降温：缓冷降温后，将球墨铸铁件取出空冷。

对于以反白口组织为主，碳化物以莱氏体型组织形态存在的球铁铸件，本申请进行了热处理工艺参数的优化，发现在上述工艺参数下，此类球墨铸铁的性能参数最佳。

作为上述技术方案的优选，包含有如下步骤：

①升温：将待处理球墨铸铁件随炉升温至退火温度，所述退火温度在840~860℃范围内，升温时间控制在3~4小时；

②保温：使球墨铸铁件在退火温度下保持3~4小时；

③缓冷降温：使球墨铸铁件随炉缓冷2~3小时；

④空冷降温：缓冷降温后，将球墨铸铁件取出空冷。

本方案适用于全壁厚的白口组织为主，或碳化物以针条状、块状为主的球墨铸铁，工艺空冷降温前的处理时间控制在8~11小时。

作为上述技术方案的优选，步骤①、步骤②和步骤③中，所述球墨铸铁件周围无人为加入或反应产生保护气氛。

作为上述技术方案的优选，步骤①、步骤②和步骤③中，所述球墨铸铁件周围无人为加入或反应产生的催化气氛。

作为上述技术方案的优选，所述球墨铸铁件的石墨形态等级≥4级。

在大致正常的球铁成分与熔铸工艺条件下，国家标准（GB/T 1348-2009 《球墨铸铁件》）要求球墨铸铁件石墨形态等级不低于4级。

作为上述技术方案的优选，经空冷降温步骤处理后，所述球墨铸铁件内的铁素体含量达到95%以上,该百分比为显微组织视场的物相面积的百分比。

作为上述技术方案的优选，经空冷降温步骤处理后，所述QT450-10球墨铸铁件的抗拉强度≥505MPa，断后伸长率≥16.3%。

退火温度的选择是本工艺的关键。渗碳体属于铁碳合金中的亚稳定相。从热力学角度分析，渗碳体在任一温度下都可以分解为石墨和铁碳固溶体，而且在低温下，渗体分解更容易。但是，石墨化过程能否进行，还取决于石墨的形核及碳的扩散能力等动力因素。因此，为促使白口组织中大比例（相对于珠光体中共析渗碳体）碳化物的分解并满足碳原子长距离扩散并聚集成石墨的能量需要，退火温度应高于共析渗碳体的临界相变温度727℃。考虑升温过热度、铸件氧化、组织粗化和综合能耗等因素并结合生产验证，故将本发明的退火温度选择在820~860℃。当随炉缓冷至550~600℃左右时，铸件组织不发生相变，可直接出炉冷却。

在本发明的技术方案条件下，碳化物分离后游离出碳原子，通过扩散聚集形成细小石墨。原碳化物所处的基体位置大幅度贫碳，在退火温度下形成低碳固溶度的奥氏体。由于到温后采用随炉冷却，奥氏体在具有游离碳原子的环境中倾向于实现二次石墨析出，基体碳浓度进一步降低，并最终形成铁素体组织。游离碳原子容易依附原白口组织中已经存在的石墨晶体的易生长晶面，满足形核与长大的能量要求，从而促使改变原石墨的形态。此外，一些小石墨晶粒也容易富集在已有石墨晶体表面，实现比表面积的降低，促进热处理相变的进行。

现有技术中，申请号为CN93108460.1的中国发明专利公开了一种可锻铸铁低温退火的方法。该对比专利所处理的铸铁材料与本申请专利存在本质区别。

①主要元素含量不同

可锻铸铁：碳含量2.2%~2.8%，硅含量1.0%～1.8%；

球墨铸铁：碳含量3.0~4.0%，硅含量1.8~3.2%，且含Mn较低，对S、P的限制较严。

②处理前的铸铁种类与组织不同

对比专利：必须制成白口铸铁，组织中无石墨；

本申请专利：因微量成分与熔铸工艺偏差，形成反白口或薄壁出现全白口的球墨铸铁，石墨形态基本呈球状或部分短蠕虫状。

③铸件经专利中所描述的方法处理后石墨组织明显不同

可锻铸铁：团絮状石墨；

球墨铸铁：石墨圆钝，仅局部出现少量团絮状石墨；本申请发明人对其技术方案的实用性和技术效果的描述存疑，具体阐述如下：

1、钢铁材料的表面化学热处理（如常见的渗碳、渗氮）均是一个高温长时的过程，且需要足够高的活性原子势能才可能实现。在该对比专利中，所添加的有机物在所描述的热处理温度下气化，形成了一系列有机基团，主要物质实际为非活性原子。

而铸铁材料由致密的组织构成，即使是活性原子，进入基体后，扩散过程也需要克服巨大的晶格阻力。众所周知，往固态金属中渗元素是一个相当缓慢的过程，且渗入元素基本只能在表面起作用。

因此，上述专利的有机基团如何能拥有足够高的能量而渗入致密的铸铁基体中，并实现长程扩散如何能如上述专利中所描述的，上述有机基团甚至还能穿过一个铸铁退火箱箱壁而向另一个退火箱内部进行如此长距离的自由扩散，并持续起作用对比专利中均未解释。

2、催化剂的基本属性是参与反应，但最终还是维持其本身的物质结构状态。上述专利中并未对此开展必要的理论描述。

如专利中所述，加入木炭的主要作用是在高温下与封闭退火箱中的氧气反应，避免残留氧化气氛，因此，气氛中存留的活性碳原子相当有限，难以形成必要的碳势，在热处理温度下，难以渗入铸铁基体，即使有少部分渗入，也无法以游离碳（石墨）形态存在，而是直接渗入该温度下铸铁组织（奥氏体）的晶格中，形成渗碳体组织。因此其对石墨化过程未能产生实质的促进作用。

3、如上述专利明确描述，所提及的多缩硅醇聚合物可减弱退火过程中的氧化，并防止脱碳，但全文未说明反应过程所产生的有机基团和少量的活性原子是如何实现加速石墨化进程的。

4、如对比专利中提及，所添加的有机催化剂会产生活性硅原子。如果这些硅原子可顺利渗入到铸铁基体中（固溶过程），从硅元素在铸铁生产中的作用考虑，确实可促进石墨化，但必将直接改变铸件的化学成分，并带来许多不可控因素，如成分的均匀性、成分的变化量、组织的稳定性等，从而不利于铸件的稳定生产。此外，一旦反应物参与反应，并构成了反应产物的组成部分，也就不属于催化剂了。

因此，本申请本着对现有技术的怀疑精神，克服了其所公开的技术偏见（即加入多缩硅醇聚合物催化剂），实现了一种不采用催化剂、不人为添加保护气氛的消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，且仍然实现了退火周期短、退火温度较低和退火质量高的有益效果。

综上，对比专利中所描述的催化过程存在根本的原理缺陷，即使如其描述可实现加速石墨化的作用，也比申请专利所提出的工艺复杂很多，且存在众多不可控因素，难以实现铸件质量的稳定控制。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本申请提供一种消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，不采用催化剂和人为添加保护气氛，仍然实现了退火周期短、退火温度较低和退火质量高的有益效果；

其工艺参数的选择依据明确，具有显著的可操作性，区别于单纯分解珠光体中的共析碳化物的低温石墨化退火工艺，工艺参数的选择直接针对游离碳化物，区别于以白口铸件生产可锻铸铁的高温、长时且分两阶段实施的石墨化退火工艺；

且具有工艺简单、节能降耗、提高生产率的优点。

附图说明

图1为本申请实施例所述的消除球墨铸铁白口组织缺陷的热处理工艺曲线图；

图2为具有白口组织缺陷的球铁铸件热处理前的金相组织；

图3为具有白口组织缺陷的球铁铸件热处理后的金相组织；

其中图2和图3为采用4%硝酸酒精溶液对金相试样观察面进行了浸蚀处理后所拍摄的照片。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图以实施例对本发明进行详细说明。

实施例：参考图1~图3，消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，所述球墨铸铁的型号为QT450-10，热处理前需抽样检查以确认白口组织形态，以确定不同的工艺参数，包含有如下步骤：

①升温：将待处理球墨铸铁件随炉升温至退火温度；

②保温：使球墨铸铁件在退火温度下保持一段时间；

③缓冷降温：使球墨铸铁件随炉缓冷一段时间；

④空冷降温：缓冷降温后，将球墨铸铁件取出空冷。

以出现白口缺陷的QT450-10铸件（白口缺陷处的壁厚约10mm）为工艺实施对象，表1为实施例1~实施例8所述的热处理工艺的参数；

其中实施例1~实施例5的白口组织形态以反白口组织为主，碳化物以莱氏体型组织形态存在；

其中实施例6~实施例9的白口组织形态以全壁厚的白口组织为主，碳化物以针条状、块状为主。

表1 实施例1~实施例9的热处理工艺参数

实施例1~实施例9处理后的球墨铸铁件的性能参数见表2；

参考附图-图2和图3，图2显示在全壁厚范围内出现白口组织特征，渗碳体呈细长条状或小块状形态存在，石墨稀少，呈不规则小块状，端部相对圆钝；图3显示白口组织完全消除，晶粒细小均匀，石墨数量大幅度增加，石墨圆钝，局部出现少量团絮状石墨。

表2 实施例1~实施例9处理后的球墨铸铁件的性能参数

由表2可知，经本申请实施例的热处理工艺处理后，QT450-10球墨铸铁件的抗拉强度≥505MPa，断后伸长率≥16.3%，铁素体含量≥92.1%，不仅在壁厚范围内有效消除了白口缺陷，而且铸件的综合力学性能明显优于对应牌号铸件基本要求（如GB/T 1348-2009《球墨铸铁件》中要求QT450-10的抗拉强度≥450MPa、断后伸长率≥10%）。对于“白口组织形态以反白口组织为主，碳化物以莱氏体型组织形态存在”的球墨铸铁件，其热处理后的综合性能普遍优于“以全壁厚的白口组织为主，碳化物以针条状、块状为主”的球墨铸铁件；

而针对白口组织形态以反白口组织为主，碳化物以莱氏体型组织形态存在的球墨铸铁件而言，在退火温度为822~824℃范围内保温130~150min，其性能参数有较为明显的提升。

Claims (10)

1.消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，其特征在于，包含有如下步骤：

①升温：将待处理球墨铸铁件随炉升温至退火温度，所述退火温度在820~860℃范围内，升温时间控制在2~4小时；

②保温：使球墨铸铁件在退火温度下保持2~4小时；

③缓冷降温：使球墨铸铁件随炉缓冷2~3个小时；

④空冷降温：缓冷降温后，将球墨铸铁件取出空冷。

2.根据权利要求1所述的消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，其特征在于：所述球墨铸铁件的壁厚≤15mm。

3.根据权利要求1或2所述的消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，其特征在于，包含有如下步骤：

①升温：将待处理球墨铸铁件随炉升温至退火温度，所述退火温度在820~840℃范围内，升温时间控制在2~3小时；

②保温：使球墨铸铁件在退火温度下保持2~2.5小时；

③缓冷降温：使球墨铸铁件随炉缓冷2~3小时；

④空冷降温：缓冷降温后，将球墨铸铁件取出空冷。

4.根据权利要求3所述的消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，其特征在于，包含有如下步骤：

①升温：将待处理球墨铸铁件随炉升温至退火温度，所述退火温度在822~827℃范围内，升温时间控制在2~3小时；

②保温：使球墨铸铁件在退火温度下保持2~2.5小时；

③缓冷降温：使球墨铸铁件随炉缓冷2~3小时；

④空冷降温：缓冷降温后，将球墨铸铁件取出空冷。

5.根据权利要求1或2所述的消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，其特征在于，包含有如下步骤：

①升温：将待处理球墨铸铁件随炉升温至退火温度，所述退火温度在840~860℃范围内，升温时间控制在3~4小时；

②保温：使球墨铸铁件在退火温度下保持3~4小时；

③缓冷降温：使球墨铸铁件随炉缓冷2~3个小时；

④空冷降温：缓冷降温后，将球墨铸铁件取出空冷。

6.根据权利要求1所述的消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，其特征在于：步骤①、步骤②和步骤③中，所述球墨铸铁件周围无人为加入或反应产生保护气氛。

7.根据权利要求1所述的消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，其特征在于：步骤①、步骤②和步骤③中，所述球墨铸铁件周围无人为加入或反应产生的催化气氛。

8.根据权利要求1所述的消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，其特征在于：所述球墨铸铁件的石墨形态等级≥4级。

9.根据权利要求1所述的消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，其特征在于：经空冷降温步骤处理后，所述球墨铸铁件内的铁素体含量达到95%以上。

10.根据权利要求1所述的消除球墨铸铁白口缺陷的热处理工艺，其特征在于：经空冷降温步骤处理后，所述球墨铸铁件的抗拉强度≥505MPa，断后伸长率≥16.3%。