CN110331265A - 一种提高铁素体球墨铸铁低温冲击韧性的热处理方法 - Google Patents

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丁杰
于赟
王洪金
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Abstract

本发明公开一种创新的提高低温球铁低温冲击韧性的热处理方法，发明者根据研究发现影响铁素体球墨铸铁低温冲击韧性的一个重要影响因素是铸态组织中Σ3共格孪晶界数量异常，消除组织中Σ3共格孪晶界数量异常，可提高铁素体球墨铸铁低温冲击韧性；热处理方法的原理是把铁素体球墨铸铁的基体组织加热并转变为奥氏体，然后在受控冷却的条件冷却到室温，减少铸态组织中Σ3共格孪晶界数量。本发明的热处理工艺的一个应用实例是把铁素体球墨铸铁加热到830℃，保温1小时，然后以受控的冷却的炉子里随炉冷却到350℃左右，然后取出空冷，整个热处理工艺时间小于24小时，并且零件的低温冲击韧性全部达到要求。

Description

一种提高铁素体球墨铸铁低温冲击韧性的热处理方法
技术领域
本发明为一种改进的提高铁素体球墨铸铁低温性能的热处理方法，属于球墨铸铁热处理技术，涉及到一种新的铁素体球墨铸铁热处理技术。
背景技术
由于铁素体球墨铸铁(简称球铁)在低温下具有一定的延伸率和冲击韧性，现已广泛应于制造铁路机械和风力发电等传动设备。近年来，低温铁素体球墨铸铁进一步拓展了应用范围，要求球墨铸铁应用于极寒、动载的恶劣工作状况，因而对球铁的低温冲击性能提出了更高的要求，常规铸态试样的低温冲击韧性在-50℃条件下不能稳定达到13J的要求，一般企业采用热处理工艺来进一步提高低温球铁的低温冲击韧性。
《铸造手册》第一卷《铸铁》(张伯明主编)公布的一种低温球铁热处理为：把铁素体球墨铸铁零件加热到900℃，保温2小时，然后随炉冷却，目的是消除铁素体球墨铸铁中渗碳体。这一热处理工艺时间较长，能耗高，并且没有充分的科学依据支持。
发明内容
为了解决上述现有技术中所存在问题，本发明提供一种能够有效缩短热处理时间的提高铁素体球墨铸铁低温冲击韧性的热处理方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种提高铁素体球墨铸铁低温冲击韧性的热处理方法，包括如下步骤：把铸态铁素体球墨铸铁放在热处理炉中，加热到830℃-835℃，然后保温，使得铁素体球墨铸铁的铁素体全部转变成奥氏体(保温时间可根据铸件的壁厚确定，根据我们的试验结果，铸件壁厚在30mm左右时，保温时间1小时)；然后在受控冷却的炉子里随炉冷却，以防止产生热处理内应力，所述冷却速度≤2℃/min；然后空冷，获得低温冲击韧性合格的热处理后的铁素体球墨铸铁。
作为优选，所述加热速度≤2℃/min，以避免铸态铁素体球墨铸铁受热变形。
作为优选，铸态铁素体球墨铸铁在所述受控冷却的炉子里随炉冷却到350℃±10℃，该温度一方面保证较短的热处理时间，另一方面可以有效防止热处理后所述铸件内的热应力。
本发明的热处理工艺与传统的低温球铁热处理工艺相比，热处理时间短，能耗低，炉子生产效率高，并在实践中得到应用。所述受控冷却速度速度不大于2℃/min，相比于其它热处理时随炉冷却，冷却速度慢，时间长，因此大幅度缩短了热处理时间。
附图说明
图1为热处理前铁素体球墨铸铁零件的EBSD图；
图2为热处理后铁素体球墨铸铁零件的EBSD图；
图3为本发明实施例1中热处理温控图。
具体实施方式
为了进一步优化铁素体球墨铸铁的热处理工艺，降低热处理能耗，我们系统对球铁热处理的原理进行研究，发现影响球铁低温冲击韧性的重要因素不是组织中存在的残余渗碳体，而是铸态铁素体基体中存在的一种亚结构，在此基础上，提出一种不同于以往传统工艺的一种球铁热处理工艺。
《铸造手册》第一卷《铸铁》(张伯明主编)推荐的铁素体球墨铸铁的热处理：加热到900-930℃，并在此温度下保温3-5小时，然后随炉冷却，目的是消除组织中残余碳化物(包含渗碳体及其它可能存在的合金的碳化物)，来提高球墨铸铁的低温冲击韧性。这工艺也称为球墨铸铁铁素体化退火工艺。这一工艺周期长，有的企业要48小时，能耗也高。本发明的作者通过分析大量的铸态试样(也即热处理前的铸态铁素体球墨铸铁)断口，在电子显微镜下，没有发现铸态试样断口上有残余渗碳体的存在，明确不支持球墨铸铁铁素体化退火工艺的现有的理论依据。
本发明的作者采用更先进的检测方法对铁素体球墨铸铁热处理前后的试样进行进一步分析，其中热处理工艺为基于《铸造手册》推荐的热处理工艺，具体为：加热到900℃，保温2小时，然后随炉冷却至室温。EBSD发现：铸态试样的Σ3共格孪晶界数量占比达到10％，Σ3共格孪晶界也称为孪晶界，而热处理后的试样的Σ3共格孪晶界数量占比只有2％，接近理论分布(所述理论分布详见《金属材料的性能与结构》毛卫民著，清华大学出版社)，见附图1和附图2；相应的铸态试样和铸态试样热处理后的试样的-40℃冲击韧性(三个试样的平均值)分别为12.63J和15.01J，因此我们认为：影响铁素体球墨铸铁低温冲击韧性的重要因素是铸态组织中铁素体基体的Σ3共格孪晶界的数量，随后，我们多次实验反复验证，这一规律普通存在。
进一步研究发现：无论是铸态还是热处理，试样的Σ3共格孪晶界数量与奥氏体转变为铁素体过程中的冷却速度有关，对球墨铸铁来说，奥氏体转变为铁素体过程涉及到奥氏体中的碳向石墨的扩散传送，这涉及到碳原子的扩散动力学条件。实验发现，对于10×10×50mm的试样，在实验热处理炉自然冷却的情况下，冷却速度约为6℃/min，球墨铸铁中的奥氏体转变为铁素体且试样的Σ3共格孪晶界数量不超过3％，见图2，即奥氏体转变为只有正常数量的Σ3共格孪晶界铁素体基体。
研究还发现：在铁素体球墨铸铁加热过程中，铁素体基体转变为奥氏体基体的过程受制于石墨中碳向铁素体扩散转变，对于10×10×50mm的试样，被加热到800℃时，即使长时间的保温也只有20％的铁素体转变为奥氏体，被加热到830℃，保温5分钟以上铁素体基体全部转变为奥氏体。
基于以上我们对铁素体球墨铸铁热处理研究的成果，本发明本发明下面结合实施例作进一步详述：
以下实施例和对比实施例中，热处理所用炉为功率为150kw的电阻丝加热的热处理炉，以下实施例中所用铁素体球墨铸铁零件均为同批次。
实施例1：
将4吨铁素体球墨铸铁零件放在热处理炉中，单个铸件重量约350kg，壁厚30mm，以全功率加热铁素体球墨铸铁零件，加热速度约为2℃/min，大约6小时加热到830℃，然后保温1小时，然后在受控冷却的条件下，以1℃/min冷却到350℃，冷却时间大约为6小时，最后取出铁素体球墨铸铁零件空冷，整个热处理过程大约15小时。附铸的基尔试块的-50℃的冲击冲击韧性(平均值)为为14.8J。此外，与对比实施例1中的热处理时间51小时相比，热处理时间缩短了35小时，每吨铸件耗电节约150千瓦时。按5000吨铸件计算，全年可节约电费75万元，本实施例的热处理温控图见图3，图中受控炉冷即为受控冷却阶段。
对比实施例1：
将4吨铁素体球墨铸铁零件放在热处理炉中，单个铸件重量约350kg，壁厚30mm，以全功率加热铁素体球墨铸铁零件，加热速度约为2℃/min，大约11小时加热到910℃，然后保温3小时，然后随炉冷却，大约37小时冷却到550℃，最后取出铁素体球墨铸铁零件空冷，整个热处理过程大约51小时。附铸的基尔试块的-50℃的冲击冲击韧性(平均值)为为14.7J。需要的加热温度高，保温时间长，需消耗的电力每吨铸件达375kwh；而且冷却时间特别长，严重影响了加热炉的生产效率。
对比实施例2：
将同批次试样加工成6块试样12mm×12mm×60mm，3块试样放入实验室电加热热处理炉中，加热到加热到830℃，保温5min，然后随炉冷却，测量的冷却速度大约为5℃/min，然后同时加工成冲击试样10mm×10mm×50mm，进行-50℃的冲击测试，铸态试样和热处理试样的三块试样的平均冲击韧性分别为12.5J和14.5J，热处理前后试样的EBSD图与图1和图2基本相同。
对比实施例3：
同批次生产4块宽度为25mm的基尔试样，参见《铸造手册》铸铁卷852页表2-5，两块放电阻加热的热处理炉中，加热到830℃，保温60min，然后随炉冷却到室温，测量的冷却速度大约为2℃/min，然后从这些试样加工冲击试样，进行-50℃的冲击测试，铸态试样和热处理试样的6块试样的平均冲击韧性分别为12.3J和14.6J，热处理前后试样的EBSD图与图1和图2基本相同。
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)

1.一种提高铁素体球墨铸铁低温冲击韧性的热处理方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：把铸态铁素体球墨铸铁铸件放在热处理炉中，加热到830℃-835℃，保温至铁素体球墨铸铁的铁素体全部转变成奥氏体；然后在受控冷却的炉子里随炉冷却避免产生热处理内应力，所述冷却速度≤2℃/min；然后空冷，获得低温冲击韧性合格的热处理后的铁素体球墨铸铁。
2.根据权利要求1所述的提高铁素体球墨铸铁低温冲击韧性的热处理方法，其特征在于：所述加热速度≤2℃/min。
3.根据权利要求1所述的提高铁素体球墨铸铁低温冲击韧性的热处理方法，其特征在于：所述铸件在受控冷却的炉子里随炉冷却到350℃±10℃。
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