一种高弯曲性能奥贝球铁的等温淬火热处理方法

摘要

本发明公开了一种高弯曲性能奥贝球铁的等温淬火热处理方法，包括如下步骤：将球墨铸铁在860‑900℃下奥氏体化，并立即在淬火水基悬浮液介质中淬火1‑5s，淬火过程中保持水基悬浮液的流速保持在0.2~0.6m/s；然后在200‑300℃下等温5‑600min；最后空冷至室温。本发明通过上述热处理方法，热处理后的奥贝球铁仍能达到ADI具有针状贝氏型铁素体(BF)和残余奥氏体(AR)混合基体，并使得ADI的硬度达到HRC53.8，弯曲强度达到1565.6MPa，挠度达到2.1mm。

说明书

技术领域

本发明属于热处理技术领域，特别是一种使奥贝球铁获取高弯曲性能的热处理方法。

背景技术

奥贝球铁（Austempered Ductile Cast Iron, ADI）是球墨铸铁经过等温淬火热处理工艺得到的材料。奥贝球铁是近五十年发展起来的新一代球墨铸铁。由于其综合性能高、工艺性能好、比重小、吸振性高、成本低等优在机械制造业中具有较强的竞争力，被誉为机械结构材料领域的高科技材料，ADI对比其他材料的性能优势如图1所示。由图1可以看出，高性能ADI的抗拉强度可达900-1200MPa，是球墨铸铁的两倍，达到甚至超过合金钢，现已可制造曲轴、汽车部分零件等。ADI具有很高的耐磨性，目前研究人员正利用ADI的耐磨性以及减震性（石墨具有吸震的作用）制造火车车轮等。然而ADI的硬度一般仅有30~40HRC，弯曲疲劳强度仅有250~450MPa，是渗碳合金材料的1/5，限制了ADI在工程中更广泛的应用，比如代替渗碳合金制造的齿轮。

一般来说，ADI工艺的过程如图2所示。球墨铸铁一般先要加热到840℃~950℃之间（A-B），进行奥氏体化（B-C）。奥氏体化的时间要以完全奥氏体化为准。然后快速冷却到等温淬火温度区间（C-D）（230℃-400℃）。保温直到转变为贝氏型铁素体及残余奥氏体（D-E）。最终空冷到室温（E-F）。

目前在上述工艺中，快冷和保温两道工序需要使用盐浴。盐浴一般由硝酸盐或亚硝酸盐混合组成（比如，50％NaNO₃和50％Na₂NO₃），主要用于钢、铸铁件高温奥氏体化后等温淬火，起到冷却和保温作用。

使用盐浴制造奥贝球铁时存在如下几个问题。

1、盐浴的冷却速度较慢。如图3所示，在500~800℃时，盐浴的冷却速度由于淬火油和矿物油。在低于400℃时，冷却速度反而比淬火油和矿物油低。这样有利于减少工件内应力的产生和开裂倾向。然而，对于某些成分不同的球墨铸铁在等温淬火过程中，由于盐浴的较慢冷却能力，会导致除贝氏型铁素体和残余奥氏体之外的其他相组织出现，降低工件的力学性能。

2、硝盐的耗能较大。一般来说，淬火工件与盐浴之重量比大约为1: 10。硝盐的用量巨大，根据硝盐的比热和密度，熔化1 m^{3>硝盐至少需要129 kW·h的电能。将1m3硝盐浴温度升高或降低1℃，需要或释放的能量为0.86>}

3、硝盐污染环境、伤害人体。硝酸盐蒸或排放到空气中，对环境产生巨大污染。亚硝酸盐是一种致癌物质，长期使用，会威胁工作者的人身健康。后续的无污染处理将是一笔巨大的投入。

4、其他问题。比如淬火后，盐易粘结在工件上, 故须清兔某些小孔、螺纹孔等死角处清洗则较麻烦, 残留的盐可引起腐蚀。盐浴炉内易沉淀渣滓，这些渣滓较硬时难以清除。

因此，现有技术存在的问题是：奥贝球铁工艺中硝盐的使用存在诸多缺点。并且热处理工件硬度值偏低，难以真正用于工业生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型奥贝球铁的热处理方法，使其取代用传统的盐浴介质制作的奥贝球铁，热处理后工件硬度≥50HRC，弯曲强度≥1500MPa，扰度≥2mm。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种奥贝球铁的等温淬火热处理方法，包括如下步骤：将球墨铸铁在860-900℃下奥氏体化，并立即在淬火水基悬浮液介质中淬火1-5s，淬火过程中保持水基悬浮液的流速保持在0.2~0.6m/s；然后在200-300℃下等温5-600min；最后空冷至室温。

进一步的，球墨铸铁满足石墨个数≥100个/mm²，球化率≥90％。

进一步的，奥氏体化时的保温时间由如下公式计算：保温时间(min)=有效厚度(mm)×1-2 (min/mm)。进一步的，水基悬浮液的成分按质量比计由如下组分组成：

SiO₂:Al₂O_3:Fe₂O₃:CaO:H₂O=0.1:0.15:0.05:0.05:0.65。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

（1）不采用盐浴介质淬火，避免其各种缺点；也不采用普通水淬火，容易使工件开裂。

（2）泥水中的泥土成分延缓了工件的内应力产生，避免开裂。

（3）自制淬火水基悬浮液介质极大降低热处理成本，同时符合绿色生产理念。

（4）在200-300℃下等温处理，相对于传统的300~400℃等温处理，降低能源的消耗，且结果表明，采用本发明所述的热处理方法，显微组织优于传统的热处理方法所获得的显微组织，其硬度≥50HRC，最高达53.6HRC，弯曲强度≥1500MPa，扰度≥2mm。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有各种材料的力学性能比较。

图2为奥贝球铁一般的热处理工艺过程图。

图3为现有技术中不同淬火介质的冷却速度过程示意图。

图4为本发明所述的奥贝球铁工艺过程示意图。

图5为本发明奥氏体化温度950℃，奥氏体化时间为120min，盐浴淬火，等温温度350℃，等温淬火时间120min后的显微组织金相图。

图6为采用本发明工艺下的ADI显微组织金相图，其中，(a)5min，(b)15min，(c)30min，(d)60min，(e)240min，(f)600min。

图7为采用本发明工艺下的ADI硬度测量变化图。

图8为采用本发明工艺下获得的ADI的弯曲强度和挠度的测量变化图。

具体实施方式

本发明奥贝球铁的热处理方法，包括球墨铸铁（要求：石墨个数≥100个/mm²，球化率≥90％）在860-900℃奥氏体化，保温时间取决于工件的有效厚度，保温时间/min=有效厚度mm×1-2>

实施例

本发明奥贝球铁的热处理工艺过程如下：

第一步：准备好两台普通电阻加热炉，其中一台加热炉的温度加热到860-900℃，同时另一台加热炉的温度加热到200-300℃。等待温度稳定，再进行以下步骤。

第二步：用细铁丝捆绑工件，将铁丝挂在细长铁钩上，快速推入温度为860-900℃的加热炉中，并使得工件靠近热电偶处。保温时间根据工件的有效厚度计算，保温时间/min=有效厚度mm×1-2min。工件送入加热炉后，等待温度稳定在860-900℃开始计保温时间。

第三步：热处理完后，快速取出工件，迅速在室温的自制淬火水基悬浮液介质中淬火1-5s，注意方法为用铁钩钩住铁丝，避免铁钩与工件接触。

第四步：淬火1-5s后，迅速送入温度为200-300℃的加热炉中，保温5-600min（温度稳定再计时）后，取出工件，空冷至室温。

如图5所示，采用本发明实施例所述的热处理工艺得到的使用盐浴淬火的奥贝球铁显微组织，工艺为950℃奥氏体化120min，使用盐浴淬火，在350℃等温120min，最后空冷。其显微组织主要由黑色针状贝氏型铁素体和块状亮白残余奥氏体组成。

图6所示的为采用本发明实施例所述的热处理工艺得到的奥贝球铁的显微组织。与传统用盐浴工艺淬火相比，组织一致。从图6a~f可以看出，针状贝氏型铁素体数量逐渐增多，残余奥氏体的数量不断降低，传统工艺得到的显微组织中贝氏型铁素体和残余奥氏体相对分散，而本发明所述工艺中贝氏型铁素体和残余奥氏体混在一起，由此性能得到提升。

图7所示的为采用本发明实施例所述的工艺获得的材料洛式硬度测量值。表1为具体硬度数值。评价一种金属材料能否在工程中得到应用，最直接的方法测试材料的硬度。由于石墨的硬度基本为0，且数量众多，在一定程度上影响奥贝球铁的HRC测量值，但基体的硬度满足要求，故硬度值可被工业接受。与950℃奥氏体化120min，使用盐浴淬火，在350℃等温120min，最后空冷的工艺相比，本发明所述工艺获得的材料硬度HRC提升42~48%。

图8所示的为采用本发明实施例所述的工艺获得的材料弯曲强度和挠度的测量值。表2为具体数值。随着等温时间的增加，弯曲强度不断增大，240min时达到最大值1565.6MPa，在600min时有所降低。弯曲挠度随着等温时间的增加，出现上下波动现象。等温时间为240min时，与弯曲强度变化一致，挠度达到最大，最大值为2.1mm。

表1 本发明所述工艺下ADI的洛式硬度（HRC）值

1235min46.546.247.515min49.450.050.530min525253.760min53.553.851.5240min52.152.352.5600min51.452.353.5

表2 本发明所述工艺下ADI的弯曲强度与挠度值

弯曲强度/MPa挠度/mm5min649.41.515min725.71.6630min817.21.2560min941.41.41240min1565.62.1600min1231.91.6