CN109852773A

CN109852773A - 一种有效提高球墨铸铁硬度的热处理方法

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Publication number: CN109852773A
Application number: CN201910217234.4A
Authority: CN
Inventors: 王柏树; 陈华; 贾素秋; 韩英
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2019-06-07
Anticipated expiration: 2039-03-21
Also published as: CN109852773B

Abstract

本发明属于热处理技术或者球墨铸铁结构材料加工技术领域，采用低的双临界温度进行奥氏体化并淬火加低温回火。具体说是：第一个临界温度是共析转变点A₁，在其下临近温度保温，球墨铸铁基体由共析向亚共析成分过渡；第二个临界温度是亚共析钢的奥氏体化温度A₃点，在其下或临近温度保温，基体以亚共析钢不充分的奥氏体化为主要特征，淬火后，从球状石墨边缘到树枝晶间界面，得到树枝晶为单元的梯度化控制的组织，是少量未转变的铁素体增韧的亚温淬火组织，包括共析钢和近共析钢的细小马氏体和没有完全溶解的碳化物；低温回火降低淬火应力，使基体增韧。还有工艺成品率高、耐磨性优，降低能耗、环境友好、简便易行等优点。

Description

一种有效提高球墨铸铁硬度的热处理方法

技术领域

本发明属于热处理技术或者球墨铸铁结构材料加工技术领域，概要地说是一种有效提高球墨铸铁硬度的热处理方法。

背景技术

球墨铸铁自进入工业化生产以来已70多年，已经成为重要的结构材料。

等温淬火可获得具有奥贝基体球墨铸铁，具有优异的性能，其性能远远超过一般钢的相应指标，成为国民经济各领域中必不可少的重要的工程材料。

人们对高强度和耐磨球墨铸铁的开发，包括铸造工艺和热处理工艺，尤其是热处理工艺，包括含碳化物球墨铸铁和贝氏体-马氏体双相或多相等温淬火工艺的开发。马氏体具有最好的强度或硬度，但是因为不能有效生产成品件和最终性能不如等温淬火球墨铸铁，当前没有以马氏体为主体结构的耐磨球墨铸铁生产的有效工艺方法。

本发明通过考虑球墨铸铁球状石墨在基体中的分布特征、热处理成分变化、钢的热处理方法，以及考虑耐磨件并不需要奥铁体的高韧性能，进行球墨铸铁组织结构改进，旨在给出更高硬度、韧性满足，并且热处理工艺可行，最终简化了生产工艺要求这样一个研发成果。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效提高球墨铸铁硬度的热处理方法。采用该方法加工耐磨结构件用等温淬火球墨铸铁（ADI），以及针对该工艺开发具有更高淬透性的球墨铸铁，使基体组织中以高硬度马氏体为主体结构，或者增加双相或多相结构组织中马氏体的比例，从而提高硬度，并且解决了高碳马氏体的脆性和残余组织应力会导致热处理加工成品率的问题，因此该方法具有较好的工艺加工性能。

本发明的目的是这样实现的：一种有效提高球墨铸铁硬度的热处理方法，该热处理方法是对等温淬火球墨铸铁或者针对本发明开发的高淬透性球墨铸铁进行双临界热处理，双临界是根据两段加热所具有的临界温度这个特征命名的，根据加热后续步骤不同，主要区别特征是选择的淬火介质不同，分别为双临界淬回火法或双临界等温淬火法，具体方法步骤如下：

a、当采用双临界淬回火法时其步骤如下：

①、第一段临界处理，对照球墨铸铁基体的化学成分，比较相应成分的共析钢的A₁点，将步骤1中的原料在临界温度以下或附近进行低临界温度保温石墨化退火，这时在球状石墨周围的基体发生石墨化，即珠光体中的渗碳体分解和碳脱溶，扩散到临近石墨，降低基体碳含量，使亚共析化或铁素体化，与球状石墨界面处基体的碳浓度为梯度最低点；工艺温度为670～750℃，保温30～120分钟，具体温度和时间视组织与性能而定。

②、第二段临界处理，经过所述低临界温度石墨化退火后，材料基体的碳浓度发生变化，对照该基体的新的化学成分，比较相应成分的亚共析钢的A₃点，在临界温度附近进行奥氏体化高临界温度淬火加热（所述高临界温度是对比上述第一段的加热温度而言的，但是也明显低于一般淬火温度的设定），为基体淬火做组织准备，保温进行不充分的奥氏体化，有少量未转变铁素体和未分解或溶解的渗碳体；推荐选择A₃以下临近的温度，处于G+α+γ三相共存区，工艺温度为760～820℃，保温20～60分钟，具体温度和时间视组织与性能而定。

③、冷水淬火处理，步骤②中不充分的奥氏体化保温后淬火，从球状石墨边缘到树枝晶间的界面，使基体获得马氏体为主体的多相结构，梯度化控制树枝晶内的组织分布；淬火介质选用冷水。

④、低温回火，步骤②、③后，及时进行低温回火，降低马氏体转变所带来的淬火组织应力，继续增韧前三段①、②、③工序处理后的球墨铸铁；选用热风循环式低温回火炉或者流态床式炉，进行低温回火，工艺温度为150～250℃，保温60～150分钟，出炉空冷。

b、采用双临界等温淬火法时其步骤如下：

①、第一段临界处理，对照球墨铸铁基体的化学成分，比较相应成分的共析钢的A₁点，将步骤1中的原料在临界温度以下或附近进行低临界温度保温石墨化退火，这时在球状石墨周围的基体发生石墨化，即珠光体中的渗碳体分解和碳脱溶，扩散到临近石墨，降低基体碳含量，使亚共析化或铁素体化，与球状石墨界面处基体的碳浓度为梯度最低点；工艺温度为670～750℃，保温30～150分钟，具体温度和时间视组织与性能而定。

②、第二段临界处理，经过所述低临界温度石墨化退火后，材料基体的碳浓度发生变化，对照该基体的新的化学成分，比较相应成分的亚共析钢的A₃点，在临界温度附近进行奥氏体化高临界温度淬火加热（所述高临界温度是对比上述第一段的加热温度而言的），为基体淬火做组织准备，保温进行不充分的奥氏体化，有未分解或溶解的渗碳体；推荐选择A₃以上临近温度，工艺温度为780～870℃，短时保温15～60分钟，具体温度和时间视组织与性能而定。

③、盐浴等温淬火处理，步骤②中奥氏体化保温后等温淬火，从球状石墨边缘到树枝晶间的界面，使基体获得含有马氏体的多相结构，梯度化控制树枝晶内的组织分布；盐浴温度特征：控制在200～270℃这一较低的等温淬火温度范围。所述双临界等温淬火法，低温盐浴等温处理后，可以进行低温回火，也可以不进行低温回火。

注意：所述双临界热处理法，比较一般淬火或者等温淬火所不同的是，本方法采用较低的奥氏体化温度或者较短奥氏体化加热时间，球墨铸铁基体的淬透性或者等温淬火淬透性降低，奥氏体化出炉要及时淬火或等温淬火。

本发明实现的基础（或者是专业理论）在于：不仅在理论上应用了钢的热处理原理，还结合了球墨铸铁一个独特的特点，即适当的热处理可以使基体石墨化，是一个独特的成分与结构变化特点，从而达到综合创新运用，参考附图1双临界淬回火法热处理理论说明示意图。

附图1描述了成分和组织梯度，选取相邻不同树枝晶中的两颗球状石墨，铸态时以牛眼状为鲜明特征，外环为铁素体，其余为珠光体；连接球心并穿越树枝晶晶界，示意给出铸态和第一段临界加热石墨化退火后和第二段临界加热不完全奥氏体化后的碳浓度（wt.%C）的梯度或分布特征；并给出组织特征梯度分布，包括马氏体含量（%M）、铁素体含量（%F）、碳化物含量（%K）、残留奥氏体含量（%AR）等的分布。

附图1给出了铸造材料组织特征、成分梯度、本发明的不同工艺阶段的碳浓度和组织结构分布。改变球墨铸铁中碳浓度，控制球状石墨外缘的碳浓度梯度，使石墨外缘部分一定厚度基体的碳浓度低于共析成分，从而在淬火后调整其基体组织，在获得高强度/硬度马氏体同时，增加少量铁素体起到增韧作用，从而降低在界面处脆与裂的倾向，缓解界面处作为球墨铸铁的脆弱部位的弱点，并且也通过降低的奥氏体化温度，减小奥氏体碳浓度，获得较为细小尺寸的马氏体，降低马氏体基体的组织脆性。

本发明双临界热处理（DIH）方法，如附图2双临界热处理（DIH）工艺示意图所示。粗实线工艺折线表示双临界淬回火法（DIQT），虚线工艺折线表示另一种双临界热处理方法，即双临界等温淬火法（DIA）。符号分别表示：T-加热温度; t-保温时间; Q-淬火处理; i1-第一段临界处理; i2-第二段临界处理; w-冷水; s –盐浴; t –低温回火处理。

在两段临界加热后，根据随后所采用的冷水淬火或者盐浴淬火的差异，分为双临界淬回火法和双临界等温淬火法两种亚类方法，都实现梯度化碳浓度调整，并从而实现梯度化控制最终球墨铸铁的组织分布。

本发明使用的球墨铸铁成分包括一般共析钢基体球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁，但是需要注意应用本专利技术时，在生产相应结构件时，比较一般淬火工艺，有效淬透层深度或者淬硬性降低，适用于较小厚度或特征尺寸的结构件；以及要保证淬硬性，或者保持同类尺寸结构件的有效淬透层或者等温淬火淬透层深度要求，需要开发含Ni、Mn、Mo等的高淬透性（和高的等温淬火淬透性）的球墨铸铁材料。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、本发明方法获得的球墨铸铁比较等温淬火获得的等温淬火球墨铸铁，甚至比较贝氏体-马氏体双相球墨铸铁，都明显具有更高硬度和更高的耐磨性能。

2、本发明双临界热处理法控制碳浓度梯度分布和奥氏体碳浓度，淬火后获得有利的组织分布，双临界热处理法中的双临界淬回火法以高硬度马氏体为基体的结构主体为特征，包含韧性铁素体和耐磨未溶碳化物，很好地控制了成分和结构梯度，缓释淬火组织应力，减轻淬火裂纹，从而保证高的工艺成品率。

3、本发明双临界淬回火法在淬火之前两段临界处理都采用了较低的加热温度，低于一般淬火保温温度，具有降低能耗的优点，即使在空气炉中加热氧化和脱碳也很轻微，尤其是一般淬火处理时，因为不需要盐浴炉加热和等温淬火，降低了设备和环保处理要求，具有环境友好、简便易行的加工特征。

4、本发明双临界热处理法，区别于为获得铁素体基体为目的的石墨化退火，其加热温度甚至远高于一般淬火加热温度；现有资料看到的临界处理要么只是单段的，要么高温石墨化退火得到铁素体基体，高温石墨化退火后再临界温度淬火处理，得到的组织中，铁素体集中分布在球状石墨周围，硬度较低。球墨铸铁实施一般淬火处理时易开裂或之后加工中开裂，是显著的。而本工艺第一段临界处理温度低于A₁点，即处于很低的状态，其目的在于调整碳浓度梯度，根本不是以获得铁素体基体为目标，甚至这样的目标与本工艺的目的是背道而驰的；完成淬火处理后，双临界淬回火法工艺得到的组织中，铁素体弥散分布于组织中，混合组织是梯度分布的；比较球墨铸铁的一般等温淬火工艺而言，最终目的是明显提高球墨铸铁材料加工成耐磨结构件的硬度，双段临界处理更加有效地解决了球墨铸铁适合应用于耐磨结构件的加工要求，即高硬度和较小韧性需要，不仅淬火硬度能够不低于一般淬火硬度，而且能够控制不开裂，并且工艺加工控制性和成品率控制效果好。

附图说明

图1是为解读本发明双临界淬回火法给出的热处理理论说明示意图。

图2是本发明的双临界热处理（DIH）工艺示意图。

图3是本发明实施例同一材料铸态样品应用光学显微镜拍摄的金相组织照片图。

图4是经过本发明工艺技术方法处理后应用光学显微镜拍摄的金相组织照片图。

图5是经过本发明工艺技术方法处理后的图4同一样品用扫描电镜拍摄的组织照片图。

具体实施方式

下面结合1 个实施例对本发明做进一步的案例说明。

1、实验材料选用和特征

实验用材料是Φ70铸棒，是一种加Ni提高淬透性的球墨铸铁，原是用于等温淬火工艺试验用。成分如附表1具体实施例和同时是比较例试验使用的铸铁化学成分表（元素含量以重量百分数计）所示，含镍量1.58 wt.%。

原料取样金相观察，如附图3实施例同一材料铸态样品应用光学显微镜拍摄的金相组织照片图（放大200倍）所示以牛眼状为鲜明的组织特征，即球状石墨周围环绕铁素体，其余基体为层片状珠光体。

2、实验准备

试块是从铸棒上切取的样品，尺寸是16×18×20（mm），一面倾斜为铸棒表面，金相观察显微组织；另一种用于摩擦磨损试验用碟片，从同一铸棒取样，厚度12.5mm，直径Φ65.8mm，用于硬度检测给出硬度数据。

试块加热使用箱式实验电炉，进行试块的临界温度加热，数字化显示控制仪表控温，稳定的控温精度是±1℃以内。

三个碟片试样进行双临界淬火热处理，使用同一实验电炉进行两段双临界加热保温，单片入炉和出炉，出炉快速浸入自来水中淬火。

作为比较例，另三个碟片试样被等温淬火，被委托给一个世界著名的汽车制造商研发中心进行等温淬火试验。

淬火用盛水桶和自来水准备待用。

其它如耐火砖块和夹钳等准备停当。

洛氏硬度计选用HRC150标度。

金相实验设施较完备，随时进行光学金相观察，光学照片数据和存储委托给比较例热处理试验同一单位。

3、工艺确定和实际特征

试块双临界淬回火热处理：

685℃/60分钟—790℃/30分钟—冷自来水淬火

碟片试样双临界淬火热处理：

690℃/60分钟—790℃/30分钟—冷自来水淬火

碟片试样等温淬火热处理：

采用世界著名的汽车制造商研发中心认为ADI缸套较好的工艺结果，工艺控制为1600^oF/25分钟—500^oF/30分钟—空冷。

4、双临界热处理操作

1)入炉。固定使用校准的同一实验电炉。将小块耐火砖块放入炉内随炉升温，炉温升至第一段临界温度设定值，根据试样设定685℃或690℃，开炉门（实验电炉控制炉门开启时加热断电），单件放入试样并置于有效加热区中间位置，闭合炉门开始第一段加热。

2)第一段临界温度加热保温计时。当过程温度升到680℃（685℃工艺设定值）或685℃（690℃工艺设定值），开始保温计时60分钟。计时时间到，将进入下一段加热调温和控制。

3)第二段临界温度加热保温计时。第一段保温计时结束，调整数控温度表设定值到790℃，当过程温度升至785℃，开始保温计时30分钟。计时时间到，开炉门迅速夹取、浸入冷水中淬火。

4)淬火。开炉门迅速夹取、浸入冷水中淬火，并摇动冷却，对于碟片试样垂直入水，摇动时间为1分钟，出水擦拭干净和干燥。

注意，因为双临界淬回火采用低温回火，对硬度没有明显的影响，而且不影响金相观察，因此实验中低温回火可以不进行，没有进行。

每件试样入炉都进行了电炉状况的第一段温度的稳定，以实现稳定的工艺控温和保证好的工艺重现性效果。

每次淬火都重新准备自来水，保证同一淬火效果。

5、组织检查和硬度测量

1) 组织检查。规范制作金相试样，试样金相面研磨去掉0.3mm厚，研磨—抛光—腐蚀，硝酸酒精溶液腐蚀，最终丙酮清洗试样，留待观察，采用光学显微镜和扫描电镜进行组织拍照和存储。

如附图3铸态样品光学显微镜组织照片图，放大200倍，以牛眼状为鲜明的组织特征，即球状石墨周围环绕铁素体，其余基体为层片状珠光体。附图4是双临界淬火热处理后光学显微镜组织照片图，放大200倍，在灰黑色球状石墨周围，可见细小弥散的白或浅灰色铁素体。图5是对图4同一样品用扫描电镜拍摄的组织照片图，放大1000倍，左边为树枝晶晶界缺陷附近分布浅灰色未溶渗碳体，呈现片状和颗粒状，中间为细小马氏体片和少量残留奥氏体，右侧可见显著的深灰色片状或不规则形状铁素体。

2) 硬度检查。规范操作洛氏硬度计，做好校核和规范操作，数据结果可靠，给出不少于5点的检测结果。

如附表2所示测量值和平均值。双临界淬火处理的碟片硬度高于等温淬火比较例的数值，达8.9HRC150。

Claims

1.一种有效提高球墨铸铁硬度的热处理方法，其特征在于：该热处理方法是对等温淬火球墨铸铁或者针对高淬透性球墨铸铁进行双临界热处理，具体步骤如下：

1）、原料选择，选择等温淬火球墨铸铁或含Ni、Mn、Mo的高淬透性和高的等温淬火淬透性球墨铸铁作为热处理原料；

2）、所述的双临界热处理又分为双临界淬回火法或双临界等温淬火法：

a、当采用双临界淬回火法时其步骤如下：

①、第一段临界处理，对照球墨铸铁基体的化学成分，比较相应成分的共析钢的A₁点，将步骤1中的原料在临界温度以下或附近进行低临界温度保温石墨化退火，这时在球状石墨周围的基体发生石墨化，即珠光体中的渗碳体分解和碳脱溶，扩散到临近石墨，降低基体碳含量，使亚共析化或铁素体化，与球状石墨界面处基体的碳浓度为梯度最低点；工艺温度为670～750℃，保温30～120分钟；

②、第二段临界处理，经过所述低临界温度石墨化退火后，材料基体的碳浓度发生变化，对照该基体的新的化学成分，比较相应成分的亚共析钢的A₃点，在临界温度附近进行奥氏体化高临界温度淬火加热，为基体淬火做组织准备，保温进行不充分的奥氏体化，有少量未转变铁素体和未分解或溶解的渗碳体；选择A₃以下临近的温度，处于G+α+γ三相共存区，工艺温度为760～820℃，保温20～60分钟；

③、冷水淬火处理，步骤②中不充分的奥氏体化保温后淬火，从球状石墨边缘到树枝晶间的界面，使基体获得马氏体为主体的多相结构，梯度化控制树枝晶内的组织分布；淬火介质选用冷水；

④、低温回火，步骤②、③后，及时进行低温回火，降低马氏体转变所带来的淬火组织应力，继续增韧前三段①、②、③工序处理后的球墨铸铁；选用热风循环式低温回火炉或者流态床式炉，进行低温回火，工艺温度为150～250℃，保温60～150分钟，出炉空冷;

b、当采用双临界等温淬火法时其步骤如下：

①、第一段临界处理，对照球墨铸铁基体的化学成分，比较相应成分的共析钢的A₁点，将步骤1中的原料在临界温度以下或附近进行低临界温度保温石墨化退火，这时在球状石墨周围的基体发生石墨化，即珠光体中的渗碳体分解和碳脱溶，扩散到临近石墨，降低基体碳含量，使亚共析化或铁素体化，与球状石墨界面处基体的碳浓度为梯度最低点；工艺温度为670～750℃，保温30～150分钟；

②、第二段临界处理，经过所述低临界温度石墨化退火后，材料基体的碳浓度发生变化，对照该基体的新的化学成分，比较相应成分的亚共析钢的A₃点，在临界温度附近进行奥氏体化高临界温度淬火加热，为基体淬火做组织准备，保温进行不充分的奥氏体化，有未分解或溶解的渗碳体；推荐选择A₃以上临近温度，工艺温度为780～870℃，短时保温15～60分钟，；

③、盐浴等温淬火处理，步骤②中奥氏体化保温后等温淬火，从球状石墨边缘到树枝晶间的界面，使基体获得含有马氏体的多相结构，梯度化控制树枝晶内的组织分布；盐浴温度特征：控制在200～270℃这一较低的等温淬火温度范围。