CN114854959A - 一种超高强度高延伸率厚大球墨铸铁件及其热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种超高强度高延伸率厚大球墨铸铁件的热处理方法在热处理前，采用粒度为80～100目的粗型砂粘附在球墨铸铁件表层上形成粘砂层，并在该粘砂层上附着铸造涂料形成涂料层后风干。本发明的热处理前先覆砂和附着铸造涂料，能使球墨铸铁件表面润湿，提高冷却水雾与厚大球墨铸铁件的接触时间，加快雾冷的冷却速度，且又能使厚大球墨铸铁件的正火冷却速度介于水冷和雾冷之间。冷却速度还能通过涂料层厚度、喷雾流量控制和调节，从而能够满足厚大件球墨铸铁件的正火冷却条件，且能使得厚大球墨铸铁件距离表层的30～60mm深处，获得索氏体组织和细片状珠光体组织，能够在距离球墨铸铁件表面30‑60mm深度时获得强度为1100‑980MPa，延伸率为5‑7％的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于热处理领域、超高强度厚大件球墨铸铁生产领域，具体涉及一种超高强度高延伸率厚大球墨铸铁件及其热处理方法。
背景技术
对于厚大件球墨铸铁件，无论凝固速度还是凝固后的冷却速度都非常慢，前者会造成球化衰退、石墨漂浮、开花状石墨等，而后者会造成铸铁的金属基体组织粗大，珠光体片间距粗大，进而影响力学性能。特别是对于拉伸强度和延伸率都要求非常高的厚大截面球铁件，往往需要采用热处理的正火工艺手段强化基体，细化组织。
然而，加热并不难，难点在于冷却速度的相匹配。厚大件完成奥氏体化转变后，需要按照一定的冷却速度冷却，完成共析转变。冷却速度太快，容易在表层产生渗碳体或者马氏体组织，影响加工性能或者产生表面裂纹；冷却速度太慢，铸件芯部的热量不能够快速传出，共析转变进行变得缓慢，珠光体数量减少，层片间距变大，不能够达到基体强化的要求，或者仅仅表层浅表范围内能够达到要求，深度不够。
通常情况，厚大件球墨铸铁铸件的正火冷却方式一般有水冷、油冷、雾冷、风冷等，水冷和油冷由于冷却速度太快，一般常用作淬火工艺，如上文所述，不适用于正火冷却；而雾冷和风冷的冷却能力有限，一般仅适用于截面80-100mm的中小型铸件，如目前企业中的超高强度球墨铸铁车用曲轴的生产就是采用雾冷方式；风冷冷却速度更加缓慢，同样不适用于厚大尺寸的球墨铸铁件。
因此，需要发明一种冷却速度介于水冷和雾冷之间的冷却方式，能够满足厚大件球墨铸铁的正火冷却条件，提升基体性能，达到超高强度和高延伸率的目的。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供的一种超高强度高延伸率厚大球墨铸铁件及其热处理方法，具体方案如下：
一种超高强度高延伸率厚大球墨铸铁件的热处理方法，在热处理前，采用粒度为80~100目的粗型砂粘附在球墨铸铁件表层上形成粘砂层，并在该粘砂层上附着铸造涂料形成涂料层后风干。
进一步地，所述热处理方法包括如下步骤：
步骤1，覆砂处理：在球墨铸铁件开箱前采用粒度为80~100目的粗型砂粘附在球墨铸铁件表层上形成粘砂层；
步骤2，铸造涂料处理：将球墨铸铁件开箱冷却至室温且在热处理前，在步骤1球墨铸铁件的粘砂层上浸泡或喷刷铸造涂料以形成涂料层后风干；
步骤3，热处理：将步骤2铸造涂料处理的球墨铸铁件送入正火炉加热，升温至860~890℃，保温120min后出炉；
步骤4，雾冷处理：将步骤3出炉后的球墨铸铁件进行雾冷，在距离表面深度30mm~60mm处分别获得索氏体组织和细片状珠光体组织。
进一步地，所述雾冷的流量为2.1~3.0L/s，零冷时间为220~300s。
进一步地，所述球墨铸铁件的壁厚为150-210mm。
进一步地，所述铸造涂料为灵峰6001高效水基干粉铸造涂料或灵峰4071醇基铸造涂料，涂料层厚度为0.08~0.2mm。
一种采用所述的热处理方法获得的超高强度韧性的球墨铸铁件。
所述超高强度韧性的球墨铸铁件的强度为1000~1150Mpa，延伸率为5~6.5%。
本发明的优点
（1）本发明的超高强度高延伸率厚大球墨铸铁件的热处理方法在热处理前，通过在厚大球墨铸铁件表面采用粒度80~100目的粗型砂形成粘砂层以作为铸造涂料的紧固附着的基底，防止铸造涂料脱落，在粘砂层上铸造涂料后，再结合现有的雾冷设备进行雾冷，铸造涂料能使球墨铸铁件表面润湿，提高冷却水雾与厚大球墨铸铁件的接触时间，加快雾冷的冷却速度，且又能使厚大球墨铸铁件的正火冷却速度介于水冷和雾冷之间。冷却速度还能通过涂料层厚度、喷雾流量控制和调节，从而能够满足厚大件球墨铸铁件的正火冷却条件，有效地提升了基体的力学性能，且能使得厚大球墨铸铁件距离表层的30~60mm深处，获得索氏体组织和细片状珠光体组织。
（2）本发明的超高强度高延伸率厚大球墨铸铁件的热处理方法制备获得的厚大球墨铸铁件能够通过基体细化而提升拉伸强度和延伸率，满足生产的要求。
（3）本发明的热处理方法操作灵活，能单独刷涂在厚大球墨铸铁件的厚大部位，加快厚大部位的冷却速度，提高厚大部位和薄壁部位的均匀性，减小差异；
（4）本发明的热处理方法中在厚大球墨铸铁件不仅能运用在球墨铸铁铸件，在铸钢、低合金钢等领域也能使用此工艺加快厚大铸件雾冷的冷却速度；
（5）使用本发明的热处理方法生产的大型船用球墨铸铁曲轴、风电支撑座等厚大球墨铸铁件，均能够在距离表面30-60mm深度时达到强度为1100-980MPa，延伸率为5-7%的力学性能，取得了显著效益。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的解释说明，需要注意的是，本具体实施例不用于限定本发明的权利范围。
本具体实施例提供的一种超高强度高延伸率厚大球墨铸铁件的热处理方法包括如下步骤：
步骤1，覆砂处理：在球墨铸铁件开箱前采用粒度为80~100目的粗型砂粘附在球墨铸铁件表层上形成粘砂层；80~100目的型砂的作用在于能够让球墨铸铁件表面采用粘结剂粘附一层砂粒，形成粘砂层。粘砂层的作用在于能够稳固附着铸造涂料，防止铸造涂料脱落，尤其是经过正火加热后，铸造涂料因为表面光滑容易导致附着在球墨铸铁件表面的铸造涂料成片脱落。如果采用目数为100~140目的细型砂，粘砂层会容易脱落而漏出部分球墨铸铁件的光滑表面，影响热处理前的铸造涂料附着。铸造涂料与粘砂层中的粗型砂紧密结合，部分铸造涂料镶嵌在粗型砂之间，即使经过高温加热也不容易脱落，达到铸造涂料稳固好的效果。
步骤2，铸造涂料处理：将球墨铸铁件开箱冷却至室温且在热处理前不抛丸，在步骤1球墨铸铁件的粘砂层上浸泡或喷涂铸造涂料以形成涂料层后，使用风扇风干，防止过多的水分进入正火炉，氧化电炉丝；根据不同的球墨铸铁件，选择适合粒度的型砂和附着适合厚度的铸造涂料。若要求冷却速度快，壁厚大的球墨铸铁件采用灵峰6001高效水基干粉涂料200目；反之冷却速度需要低一些的，采用灵峰4071醇基涂料220目。优选地，涂料层厚度为0.08~0.2mm，目的是为了避免涂料层过薄容易脱落，不容易被水雾润湿，涂层过厚，会降低铸件热量交换速度或涂层分层脱落。铸造涂料对本具体实施例的差异主要在于其组分和精细程度，与水的亲和力存在差异，影响水雾和球墨铸铁件表面接触时间，进而影响雾冷的冷却速度。
步骤3，热处理：将步骤2铸造涂料处理的球墨铸铁件送入正火炉加热，升温至860~890℃，保温120min后出炉；
步骤4，雾冷处理：将步骤3出炉后的球墨铸铁件送入雾冷工位进行雾冷，雾冷速度根冷却速度快慢的需求来调整，所述雾冷的流量为2.1~3.0L/s，零冷时间为220~300s，在该雾冷时间内球墨铸铁件能够冷却至表面暗红色，局部黑色，温度为580~640℃。由于球墨铸铁件表面包裹有涂料层，该涂料层相比未浸涂涂料的粘砂层，极易被喷雾的水滴润湿，会迅速吸收水分，使得水分不容易闪离铸件，从而提高了水分和球墨铸铁件的接触时间，能够提高雾冷的冷却效率，使得冷却速度高于普通雾冷速度，却又低于直接水冷的速度，能够将其控制在适宜的冷却范围。能使壁厚为150-210mm的球墨铸铁件在距离表面深度30mm~60mm处分别获得索氏体组织和细片状珠光体组织，能使壁厚为150-210mm的球墨铸铁件在距离表层30mm和60mm深度的力学性能能够达到1100MPa和980MPa以上，延伸率达到5-7%，满足厚大件力学性能要求。
制备壁厚为150-210mm的球墨铸铁件，在热处理前，球墨铸铁件的表面不覆砂，也不刷涂料，若采用在2.1-3L/s流量下的雾冷方式进行冷却，雾冷的时间为220~300s时，球墨铸铁件的温度不能够在喷雾结束时降低到580~640℃，只能通过继续延长喷雾时间，但是会带来因热量交换过慢，球墨铸铁件降温速度变慢，使得奥氏体向珠光体转变过程变得缓慢，珠光体片间距相对较粗，不能够达到上述力学强度。如果在一开始就采用不刷涂料，增大喷雾流量的方式，一方面球墨铸铁件并不能有效的达到我们所期望的冷却速度，不能够达到所需的力学性能要求；另一方面，铸件表层，，或者相对壁薄的部位会出现渗碳体，球墨铸铁件各部位的冷却差距变大，引起球墨铸铁件硬度分布不均匀，甚至球墨铸铁件变型。而采用刷涂料的方式，也能选择在相对壁薄的位置不刷涂料，而在需要快速冷却的厚大部位刷涂料，来平衡球墨铸铁件各部位的冷却速度。在距离球墨铸铁件表层30mm~60mm只能获得珠光体组织和片间距较粗大的状珠光体组织，距离表层30mm和60mm深度的力学性能能够达到900-950MPa和860-900MPa以上，延伸率达到5-6%，力学性能不能够满足需要。即使加大雾冷流量，其强度也只能提升20-40MPa。
若采用水冷方式，大约50-180秒就能够冷却至200℃左右，冷却速度非常快，铸件最芯部能够得到细片状珠光体组织，但是球墨铸铁件表层会出现渗碳体，铸件圆角会开裂，导致报废，根本无法实施。
采用所述的热处理方法能获得强度为1000~1150Mpa，延伸率为5~7%的超高强度韧性的球墨铸铁件。
以下列举部分采用本具体实施例的热处理方法的应用例：
应用例1：船机6T曲轴
铸件重量250Kg，壁厚170㎜，球墨铸铁材质，采用铁型覆砂工艺，在铸件表面粘附粒度为80-100目的粗型砂，开箱冷却后，不抛丸，在铸件外表浸涂灵峰4071醇基涂料铸造涂料，涂料层厚度为0.12mm，室温风干，观察涂料是否在外表连续覆盖，人工刷涂修补遗漏的没有覆盖涂料的铸件表面后，进入连续炉加热至880℃后，保温120分钟出炉，按照冷却流量2.4L/秒喷雾，冷却时间为240s，温度降低到590℃，然后进入回火炉，回火温度550℃，回火时间80分钟，即可出炉风冷至室温。铸件本体在平衡块危险截面取样，距离表面深度30mm取样拉伸强度达到1140MPa，延伸率5.6%；距离表面深度60mm取样拉伸强度达到1080MPa，延伸率5.8%；
应用例1的铸件如果在热处理前不刷铸造涂料，若采用雾冷方式冷却，则按照最大喷雾冷却流量3L/秒，冷却时间为在240s时只能降温到650-700℃，冷却速度不理想，达不到奥氏体快速转变珠光体而达到细片状珠光体的目的。并且在铸件表面1~3mm深度处会出现渗碳体，铸件硬度分布不均匀，并且出现变形，这样的铸件是无法使用和加工的，在铸件距离表面深度30mm取样拉伸强度达到950-980MPa，延伸率4.8-5.2%；距离表面深度60mm取样拉伸强度达到880-920MPa，延伸率5.0-5.4%。
若铸件在热处理前如果不刷涂料，正火出炉后投入水中冷却，冷却时间为60s即可冷却至200℃左右，冷却速度太快，平衡块会出现大量渗碳体，轴径表层也会有3~10%的渗碳体，并且曲轴会变型弯曲，没有办法使用和加工。铸件性能急剧下降至强度700Mpa，延伸率仅仅只有2~3%，并且在轴颈圆角处产生裂纹，甚至曲轴直接发生断裂报废。
应用例2：生产6C船用曲轴
铸件重量580Kg，壁厚210㎜，球墨铸铁材质，采用铁型覆砂工艺，在铸件表面粘附粒度为80-100目的粗型砂。开箱冷却后，不抛丸，在外表浸涂灵峰6001高效水基干粉涂料200目铸造涂料，涂料厚度0.1mm。室温风干，观察涂料是否在外表连续覆盖，人工刷涂修补遗漏的没有覆盖涂料的铸件表面后，进入连续炉加热至880℃后，保温120分钟出炉，按照冷却流量3.0L/秒喷雾，冷却280秒，温度降低到600℃，然后进入回火炉，回火温度550℃，回火时间80分钟，即可出炉风冷至室温。铸件本体在平衡块危险截面取样，距离表面深度30mm取样拉伸强度达到1080MPa，延伸率5.4%；距离表面深度60mm取样拉伸强度达到1020MPa，延伸率5.8%。
应用例2的铸件如果在热处理前不刷铸造涂料，若采用雾冷方式冷却，则按照最大喷雾冷却流量3L/秒，冷却时间为300s。在300s时只能降温到680~720℃，冷却速度不理想，达不到奥氏体快速转变珠光体而达到细片状珠光体的目的。并且在铸件表面1~3mm深度处出现渗碳体，铸件硬度分布不均匀，产生变形，这样的铸件是无法使用和加工的。在铸件距离表面深度30mm取样拉伸强度达到900~940MPa，延伸率4.6~5.2%；距离表面深度60mm取样拉伸强度达到840~880MPa，延伸率4.4~5.0%。
若铸件在热处理前如果不刷涂料，正火出炉后投入水中冷却，冷却时间为120s，在铸件表层产生5~8%的渗碳体组织，并且在轴颈圆角处产生裂纹，甚至曲轴直接发生变型或断裂报废。铸件性能会急剧下降，强度仅为650-700MPa，延伸率仅仅为2~3%。
综合两个应用例对比，热处理前在铸件表层覆砂和刷涂料，并结合喷雾冷却的方式，既能够加快铸件冷却，明显细化基体组织，提升力学性能。同时还可以防止铸件出现表层渗碳体，铸件的各部位硬度差距相对加大喷雾冷却以及水冷方式明显降低，并且最大程度减小了铸件变形开裂，加工性能良好，是一种新型的球铁热处理冷却工艺。
Claims (7)
1.一种超高强度高延伸率厚大球墨铸铁件的热处理方法，其特征在于，在热处理前，采用粒度为80～100目的粗型砂粘附在球墨铸铁件表层上形成粘砂层，并在该粘砂层上附着铸造涂料形成涂料层后风干。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括如下步骤：
步骤1，覆砂处理：在球墨铸铁件开箱前采用粒度为80～100目的粗型砂粘附在球墨铸铁件表层上形成粘砂层；
步骤2，铸造涂料处理：将球墨铸铁件开箱冷却至室温且在热处理前，在步骤1球墨铸铁件的粘砂层上浸泡或喷刷铸造涂料以形成涂料层后风干；
步骤3，热处理：将步骤2铸造涂料处理的球墨铸铁件送入正火炉加热，升温至860～890℃，保温120min后出炉；
步骤4，雾冷处理：将步骤3出炉后的球墨铸铁件进行雾冷，在距离表面深度30mm～60mm处分别获得索氏体组织和细片状珠光体组织。
3.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，所述雾冷的流量为2.1～3.0L/s，零冷时间为220～300s。
4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述球墨铸铁件的壁厚为150～210mm。
5.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述铸造涂料为灵峰6001高效水基干粉铸造涂料或灵峰4071醇基铸造涂料，涂料层厚度为0.08～0.2mm。
6.一种采用权利要求1至5中任意一项所述的热处理方法获得的超高强度韧性的球墨铸铁件。
7.根据权利要求6所述的超高强度韧性的球墨铸铁件，其特征在于，所述超高强度韧性的球墨铸铁件的强度为1000～1150Mpa，延伸率为5～7％。
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