CN112251579B - 一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，属于金属材料热加工技术领。本发明的一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，将珠光体基灰铸铁工件装入热处理加热炉中，以10～15℃/min加热到750℃并保温30～90分钟，然后以1～3℃/min加热到820～880℃之间某一温度后，立即淬入水或工业油槽中进行冷却淬火。灰铸铁铸件入炉前组织由珠光体+奥氏体型石墨+小块状合金碳化物组成。经本发明的方法淬火后灰铸铁中的奥氏体含量可以有效控制在5％以下。本发明具有工艺简单易控、生产设备投资少、易于工业化大规模生产、生产成本低廉和工件尺寸稳定高的显著优点。

Description

一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法
技术领域
本发明涉及金属材料热加工技术领域，更具体地说是一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法。
背景技术
珠光体基灰铸铁中奥氏体稳定化的C含量很高，为了提高性能，灰铸铁中还加入强奥氏体稳定化的Cr、Ni、Cu等合金元素；因此，珠光体基灰铸铁中不可避免存在一定含量的奥氏体(A)组织。对于高硬度、高耐磨特性的活塞、活塞环以及各种制动零件等，需进一步对铸态的珠光体基灰铸铁进行淬火和回火，获得所需要的组织和性能。由于灰铸铁的成分特征，以及淬火过冷奥氏体转变的不完全性，淬回火的灰铸铁中存在一定的残余奥氏体(Ar)。奥氏体为软韧相，降低零件的硬度和耐磨性；特别是残余奥氏体为亚稳相，零件使用过程中将发生转变，导致零件尺寸变化，引起工件抱死失效、电路短路起火爆炸等严重事故。通过合金化的优化可以降低过冷奥氏体的稳定性，减少残余奥氏体的含量。然而，为了满足灰铸铁的整体性能要求，其成分特点决定了通过合金化优化很难减低残余奥氏体的含量。低温能进一步促进过冷奥氏体转变为马氏体(M)，因此，工业上广泛采用冰水混合物代替水或工业油作为冷却介质，在淬火时降低零件中的残余奥氏体，稳定零件尺寸。一方面，冰水混合物作为强的冷却介质，导致零件极大的淬火应力，可能增加淬火裂纹、开裂发生的风险；另一方面，冰水混合物的制作成本高，在高温天气，消耗量很大，且零件的性能稳定性很难得到有效保证。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术中冰水混合物作为强的冷却介质，易导致零件极大的淬火应力，且零件的性能稳定性很难得到有效保证，本发明提供了一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，将基体为珠光体的灰铸铁铸造工件装入热处理加热炉中，首先采用750℃保温，使灰铸铁基体珠光体中的渗碳体发生一定程度的熔断、球化；再采用连续加热奥氏体化，连续加热完成后工件直接淬入水或工业油槽中冷却淬火，淬火后灰铸铁中的奥氏体含量有效控制在5％以下，该方法具有易于工业化大规模生产和生产成本低廉的显著效果。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，包括如下步骤：
步骤一、加热：将珠光体基灰铸铁工件装入热处理加热炉中，以10～15℃/min加热到 750℃；
步骤二、保温：在750℃下保温30～90分钟，根据“胶态理论”，采用750℃保温使灰铸铁基体珠光体中的渗碳体发生一定程度的熔断、球化，为随后进行的连续加热奥氏体化提供更多的形核核心，保证加热完成后有少量未转变的球状渗碳体，降低奥氏体中的C含量；
步骤三、再加热：以1～3℃/min加热到820～880℃，采用连续加热奥氏体化代替工业上采用的等温加热奥氏体化工艺，工艺过程更加简单易控，能缩短高温段加热时间，减轻高温段灰铸铁工件表面脱碳引起的硬度下降；
步骤四、淬火：在水或工业油槽中进行冷却淬火，连续加热完成后工件直接淬入水或工业油槽中冷却淬火，淬火后灰铸铁中的奥氏体含量可以有效控制在5％以下。与工业上采用冰水混合物进行冷却淬火，该步骤具有工艺简单易控、生产设备投资少、易于工业化大规模生产和生产成本低廉的显著效果。
进一步的技术方案，所述灰铸铁的主要合金组成按质量百分比为：C＝2.8～4.0％， Si＝1.5～2.5％，Mn＝0.5～1.5％，Cr＝0.5～1.5％，Ni＝0.5～1.0％，Cu＝0.5～1.0％，其余为Fe，入炉前根据需要确定是否进行机加工。
进一步的技术方案，所述灰铸铁工件入炉前组织为珠光体+A型石墨+小块状合金碳化物。
进一步的技术方案，所述步骤四中，淬火后根据性能要求进行回火处理，未全部熔入奥氏体中的球状渗碳体可以为进一步的回火组织的转变提供非均匀形核核心，降低回火时间，从而降低成本。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，根据“胶态理论”，采用 750℃保温使灰铸铁基体珠光体中的渗碳体发生一定程度的熔断、球化。为随后进行的连续加热奥氏体化提供更多的形核核心，保证加热完成后有少量未转变的球状渗碳体，降低奥氏体中的C含量；
(2)本发明的一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，采用连续加热奥氏体化代替工业上采用的等温加热奥氏体化工艺，工艺过程更加简单易控，能缩短高温段加热时间，减轻高温段灰铸铁工件表面脱碳引起的硬度下降；
(3)本发明的一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，连续加热完成后工件直接淬入水或工业油槽中冷却淬火，淬火后灰铸铁中的奥氏体含量可以有效控制在5％以下。与工业上采用冰水混合物进行冷却淬火，该步骤具有工艺简单易控、生产设备投资少、易于工业化大规模生产和生产成本低廉的显著效果；
(4)本发明的一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，淬火后根据性能要求进行回火处理，未全部熔入奥氏体中的球状渗碳体可以为进一步的回火组织的转变提供非均匀形核核心，降低回火时间，从而降低成本。
附图说明
图1为本发明的珠光体基灰铸铁铸件的显微组织图；
其中：(a)为工件1铸件试样；(b)为工件2铸件试样。
图2为珠光体基灰铸铁等温加热奥氏体化冰水混合物淬火工件的X射线衍射Rietveld拟合结果。
图3为本发明淬火珠光体基灰铸铁工件的X射线衍射Rietveld拟合结果；
其中：(a)为工件1连续加热到820℃后淬火试样；(b)为工件2连续加热到880℃后淬火试样。
图4为本发明淬火珠光体基灰铸铁工件的显微组织图；
其中：(a)为工件1连续加热到820℃后淬火试样；(b)为工件2连续加热到880℃后淬火试样。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，包括如下步骤：
步骤一、加热：将珠光体基灰铸铁工件装入热处理加热炉中，以10～15℃/min加热到 750℃；
步骤二、保温：在750℃下保温30～90分钟，根据“胶态理论”，采用750℃保温使灰铸铁基体珠光体中的渗碳体发生一定程度的熔断、球化，为随后进行的连续加热奥氏体化提供更多的形核核心，保证加热完成后有少量未转变的球状渗碳体，降低奥氏体中的C含量；
步骤三、再加热：以1～3℃/min加热到820～880℃，采用连续加热奥氏体化代替工业上采用的等温加热奥氏体化工艺，工艺过程更加简单易控，能缩短高温段加热时间，减轻高温段灰铸铁工件表面脱碳引起的硬度下降；
步骤四、淬火：在水或工业油槽中进行冷却淬火，连续加热完成后工件直接淬入水或工业油槽中冷却淬火，淬火后灰铸铁中的奥氏体含量可以有效控制在5％以下。与工业上采用冰水混合物进行冷却淬火，该步骤具有工艺简单易控、生产设备投资少、易于工业化大规模生产和生产成本低廉的显著效果。
本实施例中，所述灰铸铁的主要合金组成按质量百分比为：C＝2.8～4.0％，Si＝1.5～2.5％， Mn＝0.5～1.5％，Cr＝0.5～1.5％，Ni＝0.5～1.0％，Cu＝0.5～1.0％，其余为Fe；入炉前根据需要确定是否进行机加工，所述灰铸铁工件入炉前组织为珠光体+A型石墨+小块状合金碳化物。所述步骤四中，淬火后根据性能要求进行回火处理，未全部熔入奥氏体中的球状渗碳体可以为进一步的回火组织的转变提供非均匀形核核心，降低回火时间，从而降低成本。
实施例2
本实施例的一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于：包括如下步骤：
步骤一、加热：将珠光体基灰铸铁工件装入热处理加热炉中，以15℃/min加热到750℃；
步骤二、保温：在750℃下保温60分钟；
步骤三、再加热：以1℃/min加热到820℃；
步骤四、淬火：加热到820℃后，立即淬入水槽中进行冷却淬火。
本实施例中，对壁厚为15mm的珠光体基灰铸铁铸态环件进行热处理。其中，铸件的合金成分(质量百分比)为：含3.15的C、1.8％的Si、0.7％的Mn、0.8％的Cr、0.2％的Ni和0.3％的Cu，其余为Fe；如图1中 (a)所示，铸件的组织由珠光体(P)+A型石墨(G)+小块状合金碳化物(C)组成。将壁厚为15mm的铸态环件装入台车式热处理加热炉中，以15℃ /min加热到750℃并保温60分钟，然后以1℃/min加热到820℃后，立即淬入水槽中进行冷却淬火。为了与传统珠光体基灰铸铁的淬火工艺相比较，同时采用传统工艺对壁厚为15mm 的铸态环件进行冰水混合物淬火，具体的热处理工艺为：15℃/min加热到880℃并保温120 分钟，然后淬入装有冰水混合物的槽内进行冷却淬火，如图2所示，经X射线衍射测试并经Rietveld方法计算拟合得到试样相含量(质量百分比)为：81％的α-Fe，10％的γ-Fe，4％的G， 5％的合金渗碳体。采用本发明的热处理工艺淬火后试样，如图3中 (a)所示，经X射线衍射测试并经Rietveld方法计算拟合得到试样相含量(质量百分比)为：85％的α-Fe，4％的γ-Fe， 4％的G，7％的合金渗碳体；如图4中 (a)所示，组织为：M+A型G+Fe3C，其中除小块状合金渗碳体(Fe3C)外，在其周围还有颗粒状的渗碳体(Fe3C)，这是加热时P中渗碳体未完全熔入A中造成的，这有利于减少淬火残余奥氏体(其相结构为γ-Fe)的含量。比较两种工艺可以发现，经本发明的热处理工艺淬火可以有效降低残余奥氏体含量到5％以下，工艺方法简单、成本低。经测试，本发明淬火的壁厚为15mm环件的硬度为56HRC。
实施例3
本实施例的一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，基本结构同实施例2，不同和改进之处在于：包括如下步骤：
步骤一、加热：将珠光体基灰铸铁工件装入热处理加热炉中，以10℃/min加热到750℃；
步骤二、保温：在750℃下保温90分钟；
步骤三、再加热：以3℃/min加热到880℃；
步骤四、淬火：加热到880℃后，立即淬入工业油(20#油)槽中进行冷却淬火。
本实施例中，对壁厚为20mm的珠光体基灰铸铁铸态环件进行热处理。其中，铸件的合金成分(质量百分比为)：含2.95的C、2.1％的Si、0.8％的Mn、0.7％的Cr、0.1％的Ni和0.4％的Cu，其余为Fe；如图1中 (b)所示，铸件的组织由珠光体(P)+A型石墨(G)+小块状合金碳化物(C)组成。将壁厚为20mm的铸态环件装入台车式热处理加热炉中，以10℃/min加热到750℃并保温90分钟，然后以3℃/min加热到880℃后，立即淬入工业油(20# 油)槽中进行冷却淬火。如图3中 (b)所示，淬火后试样，经X射线衍射测试并经Rietveld方法计算拟合，得到试样相含量(质量百分比)为：84％的α-Fe，4％的γ-Fe，4％的G，8％的合金渗碳体；如图4中 (b)所示，组织为：M+A型G+Fe3C，其中除小块状合金渗碳体(Fe3C) 外，在其周围还有颗粒状的渗碳体(Fe3C)；环件的硬度为55HRC。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、加热：将珠光体基灰铸铁工件装入热处理加热炉中，所述灰铸铁工件入炉前组织为珠光体+A型石墨+小块状合金碳化物，以10～15℃/min加热到750℃；
步骤二、保温：保温30～90分钟；
步骤三、再加热：以1～3℃/min加热到820～880℃；
步骤四、淬火：在水或工业油槽中进行冷却淬火，淬火后组织为：马氏体+A型石墨+渗碳体，其中除小块状合金渗碳体外，在小块状合金渗碳体周围还有颗粒状的渗碳体。
2.根据权利要求1所述的一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，其特征在于：步骤一中，所述灰铸铁的主要合金组成按质量百分比为：C＝2.8～4.0％，Si＝1.5～2.5％，Mn＝0.5～1.5％，Cr＝0.5～1.5％，Ni＝0.5～1.0％，Cu＝0.5～1.0％，其余为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种降低珠光体基灰铸铁淬火残余奥氏体的方法，其特征在于：所述步骤四中，淬火后根据性能要求进行回火处理。
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