一种高性能铸态奥贝球铁及其生产方法和应用

摘要

本发明提供一种高性能铸态奥贝球铁及其生产方法和应用。本发明以球墨铸铁壳型铸造为基础，根据铸件尺寸以及脱壳时间限定贝氏体形成元素Mo、Ni和Cu元素的加入量范围，通过对脱壳时间、冷却与保温工艺的精细控制，最终确定适合具有复杂形状特征的铸态奥贝球铁生产方法。采用本发明方法获得的铸态奥贝球铁具有优良的综合力学性能，抗拉强度超过900MPa、屈服强度不低于600MPa，伸长率大于4％，冲击韧性大于65J/cm2；铸态下获得的奥贝球铁的布氏硬度为为250～310HBS，满足机械加工的要求。本发明方法制备的铸态奥贝球铁可用于承受大载荷、安全系数要求高的各种金属部件，尤其适用于高性能发动机曲轴。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种高性能铸态奥贝球铁及其生产方法和应用。

背景技术

奥贝球铁最初是球墨铸铁在等温淬火条件下得到的，因此也称为等温淬火球墨铸铁(Austempered Dutile Iron，简称为ADI)，是机械性能范围很宽的高级铸铁，高强度、高韧性和较好的塑性是其主要特点。但其制备过程中仍存在热处理能源消耗大、费用高，等温淬火过程NaNO₂和KNO₃熔盐会发生分解、气化，产生有害的物质，污染环境，危害健康等诸多问题。

基于上述的原因，导致奥贝球铁一直以来难以获得大规模的生产与商业应用。为解决该问题，科研工作者提出了取消热处理工序，在铸态直接获得奥贝球墨铸铁的要求。由于取消热处理工序，可显著节省工时、缩短生产周期；免除了铸件在热处理过程中产生的氧化与脱碳，保留了铸件表面在凝固过程中形成的细小等轴晶组织，从而改善了铸件表面的力学性能和使用性能。

铸件在进行奥氏体连续转变的过程中，首先要避免珠光体的产生。为此，就必须使奥氏体连续转变曲线中的珠光体区域显著地右移；其次，贝氏体转变是跨越了一个温度范围，以致在最终的组织中可能有上贝氏体、下贝氏体、少量的马氏体和奥氏体。

在铸态下获得贝氏体球墨铸铁，可采取两种措施：合金化或是改变铸件的冷却与保温条件。目前，铸态奥贝球铁工艺主要是通过一定的合金化技术，加入Mo、Ni、Cu等合金元素提高淬透性，借以改变C曲线的形状和位置，降低铸件的临界冷却速度，扩大奥氏体区，提高铸件的淬透性，在铸态下直接获得奥贝组织。目前铸态奥贝球铁的性能在较高镍含量(Ni>3.0％)配以一定量的Mo可稳定获得抗拉强度σ_b>900MPa、伸长率δ＝3％～4％的铸态奥贝球铁。

然而，较高的合金成分势必大幅度增加了合金成本，不利于铸态奥贝球铁的应用，因此，通过多种方法控制铸件的冷却条件提升其形成奥贝组织能力，在保证铸件力学性能的前提下，减少合金元素加入量是铸态奥贝球铁的重要发展方向。

控制冷却过程主要是直接利用铸件浇注后的高温余热，在预定的时间、温度下取出铸件进行快冷，当冷却到预定的时间、温度立即进行回火保温处理。该工艺中，取件时间与温度的掌握、冷却和保温方式的选择，铸件冷却至贝氏体转变保温温度时间的确定，以及将铸件贝氏体保温温度稳定性的控制等问题，都会对球铁中贝氏体的形核与长大、残留奥氏体在组织中的比例，以及对铸件的综合性能产生显著的影响。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种高性能铸态奥贝球铁及其生产方法和应用。本发明以球墨铸铁壳型铸造为基础，根据铸件尺寸以及脱壳时间限定贝氏体形成元素Mo、Ni和Cu元素的加入量范围，通过对脱壳时间、冷却与保温工艺的精细控制，最终确定适合具有复杂形状特征的铸态奥贝球铁生产方法。应用本发明制备的球墨铸铁铸件奥贝组织形成能力可控，且均匀性良好，可以在不显著增加生产环节及设备投资的前提下，显著提高现有珠光体球铁的强度，并同时获得较为合理的塑性，大幅度拓宽了球墨铸铁铸件的应用范围。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高性能铸态奥贝球铁，以球墨铸铁为原料，经铸件冷却过程工艺控制而获得，所述球墨铸铁包括下列质量百分比的化学成分：

C 3.0-4.5％，Si 2.0-3.5％，Mn 0.2-0.4％，P<0.05％，S<0.02％，Mg<0.06％，Mo 0.3-0.6％，Ni 0.5-2.0％，Cu 0.5-2.0％，余量为Fe。

其中，当铸件厚度在100mm以下时，为保证获得铸态奥贝组织，贝氏体形成元素最低含量应同时满足：Mo>0.3wt％，Ni>0.5wt％，Cu>0.5wt％。

本发明另一个目的是请求保护上述高性能铸态奥贝球铁生产方法具体包括如下步骤：

(1)球墨铸铁铸件的壳型铸造：球墨铸铁铸件按质量百分比的化学成分如下：

C 3.0-4.5％，Si 2.0-3.5％，Mn 0.2-0.4％，P<0.05％，S<0.02％，Mg<0.06％，Mo 0.3-0.6％，Ni 0.5-2.0％，Cu 0.5-2.0％，余量为Fe。

其中，根据球墨铸铁铸件截面尺寸大小适当调节Mo、Ni和Cu的含量，但三种元素的最低值应同时保证：Mo>0.3wt％，Ni>0.5wt％，Cu>0.5wt％；铸件凝固条件较为复杂，凝固速率低于正常圆柱形试样的情况下，可根据实际情况酌情调整Mo、Ni和Cu三种主要元素的上限值，球墨铸铁铸件经熔炼、脱硫、球化、浇注后获得球墨铸铁铸件；

(2)脱壳工艺控制：脱壳工艺的关键是控制脱壳时的铸件温度区间，需保证每个壳型箱脱壳时球墨铸铁铸件最小厚度处的温度在800℃以上，但不应高于950℃。在此前提下，根据壳型铸造工艺流程快的特点以及各壳型箱的浇注时间、生产线运行时间以及脱壳时间，在保证铸件处于上述温度区间的情况下，各壳型铸造箱所用的冷却时间应一致。

(3)铸态奥贝球铁冷却保温工艺控制：为保证铸件冷却与贝氏体保温的连续性与性能稳定性，利用自行设计的保温-冷却双功能箱进行冷却工艺，该功能箱具有双层结构，外层为保温层且具有可拆卸功能，首先，将脱壳的球墨铸铁铸件放入功能箱中，先取出外层，通过与内层连接的风冷与雾冷设备进行铸件的降温，当铸件表面温度降至250-400℃范围内时停止降温。具体温度根据实际的显微组织要求而定，为获得上贝氏则靠近温度上限，为获得下贝氏体则靠近温度下限。降温后，再次包裹上外层保温层并利用铸件余热进行贝氏体转变等温保温，保温时间30～150min，保温过程中仍需根据箱内温度变化开启风冷设备控制功能箱内部温度的稳定性；保温结束后铸件采用空冷方式冷却至室温，获得高性能铸态奥贝球铁。

本发明另一个目的请求保护采用上述方法制备的铸态奥贝球铁在高性能发动机曲轴上的应用。

本发明的发明点在于：

(1)通过添加Mo、Ni和Cu三种贝氏体形成元素保证球铁可以在铸态下获得奥贝组织的基本条件，同时根据壳型工艺特点，严格控制铸件冷却工艺过程，以铸件厚度尺寸与脱壳时间为主要参数限定三种合金元素的添加上限，保证铸件的淬透性与铸件内外组织的均匀一致性。

(2)球化工艺保证球化率在90％以上、球化级别达到2级；石墨球大小在7级以上、石墨球球数不少于200个/mm²，因石墨球数越多、越细小，则越有利于贝氏体的形成，并有利于减少偏析和晶间碳化物的形成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明显著降低铸态奥贝球墨铸铁成分中贵重合金元素(如Mo、Ni和Cu)含量，生产成本低；生产的铸件内外组织均匀性良好，可同时获得奥贝组织；采用本发明方法获得的铸态奥贝球铁具有优良的综合力学性能，抗拉强度超过900MPa、屈服强度不低于600MPa，伸长率大于4％，冲击韧性大于65J/cm²；铸态下获得的奥贝球铁的布氏硬度为为250～310HBS，满足机械加工的要求。本发明方法制备的铸态奥贝球铁可用于承受大载荷、安全系数要求高的各种金属部件，尤其适用于高性能发动机曲轴。

附图说明

图1为本发明的保温-冷却双功能箱结构示意图；

图2为本发明的圆柱形试样铸态奥贝球铁边部与心部的显微组织照片；

图3为本发明的铸态奥贝曲轴不同厚度处心部的显微组织对比图片。

具体实施方式

下面通过附图1-3和具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用装置、器材、材料、试剂等均可从商业渠道获得。

实施例1

(1)球墨铸铁铸件的铸造：制作圆柱形试样，直径为100mm，最大截面面积为100mm，根据成分设计要求，简单试样冷却速率较快，三种主要合金元素含量取下限值，Mo 0.3％，Ni 0.5％，Cu 0.5％，其余元素控制在如下范围内，C3.0-4.5％，Si 2.0-3.5％，Mn 0.2-0.4％，P<0.05％，S<0.02％，Mg<0.06％。主要原料为低硫的本溪铸造生铁，用感应电炉熔炼合金，熔炼后的铁水成分如表1所示，球化处理采用0.9％的Z6S球化剂，浇注前进行脱硫和孕育处理；试样采用壳型铸造，每次浇注3个壳型。

(2)铸件脱壳工艺控制：每个壳型的浇注时间10s，浇注间隔为1min；第一个壳型脱壳时间设定为15min，每个壳型脱壳的时间间隔设定为3min。因此，综合考虑各阶段时间后，三个壳型的脱壳时间分别为：15min、19min10s和23min20s；脱壳后的温度测量显示，铸件表面温度仍在850℃以上，满足冷却工艺要求。

(3)铸态奥贝球铁冷却保温工艺控制：铸件脱壳后立即放入自行设计的“保温-冷却双功能箱”(如图1所示)中的内支架上进行冷却，先取出外层的保温层，同时开启风冷与雾冷装置。保温箱外支架由钢筋焊接而成，可保证通风顺畅。当铸件表面温度降至250℃左右时停止降温。然后，再次包裹上外层的保温层并利用铸件余热进行贝氏体转变等温保温，保温时间60min；控制箱内保温温度在下贝氏体保温温度，250℃。当保温过程中温度超出10℃以上时，开启通风装置缓慢降温至合理范围内，从而保证功能箱内部温度的稳定性；保温结束后铸件采用空冷方式冷却至室温。

表1圆柱形铸态奥贝球墨铸铁试样的化学成分

圆柱形试样中心部与边部的显微组织对比如图1所示，显微组织主要由贝氏体型铁素体、残余奥氏体及球状石墨组成。铸态奥贝球铁曲轴的抗拉强度为936MPa，屈服强度695MPa，伸长率为6.7％，冲击韧度为75J/cm²，截面硬度的平均值为305HBS。

实施例2

利用本发明提供的高性能铸态奥贝球铁，生产柴油发动机曲轴。

曲轴的主要尺寸(如表2所示)，作为曲轴最大尺寸承载部位的主轴颈尺寸达到了90mm。

表2某柴油发动机曲轴的主要尺寸(mm)

全长主轴颈连杆颈回转半径法兰直径小头直径650Ф90Ф7458Ф108Ф45

曲轴生产过程如下：

(1)球墨铸铁铸件的铸造：根据主轴颈90mm确定曲轴的化学成分，考虑到曲轴的尺寸的复杂性以及生产过程中的降温速率较低特性，三种主要合金元素的添加量有所增加，分别为：Mo 0.5％，Ni 0.8％，Cu 1.0％，其余元素控制在如下范围内，C 3.0-4.5％，Si 2.0-3.5％，Mn 0.2-0.4％，P<0.05％，S<0.02％，Mg<0.06％。熔炼后铁水的化学成分如表3所示。

曲轴的铸造采用壳型铸造方式。

(2)铸件脱壳工艺控制：壳型铸造箱总共为4箱，每箱的浇注时间1min，浇注间隔为1min；第一箱从生产线上的取出时间为12min，第四箱的取出时间为21min，其中，箱与箱的时间间隔为3min。综合考虑浇注时间，第一至四箱的脱壳时间分别为：16min、18min、20min和22min；脱壳后的温度测量显示，铸件最小截面处的温度仍在850℃以上，满足冷却工艺要求。

(3)铸态奥贝球铁冷却保温工艺控制：曲轴脱壳后立即放入与之尺寸匹配的保温-冷却双功能箱中(根据图1所示)先进行冷却，开启风机与雾冷装置。当曲轴厚度较薄部位的表面温度降至250℃左右时停止降温。随后，包裹上外层的保温层并利用铸件余热进行贝氏体转变等温保温，保温时间60min；控制箱内保温温度在所需温度，当保温过程中温度超出10℃以上时，开启通风装置缓慢降温至合理范围内，从而保证功能箱内部温度的稳定性；保温结束后铸件采用空冷方式冷却至室温。

表3柴油发动机曲轴的化学成分

曲轴主轴颈不同厚度处的心部显微组织对比如图2所示，显微组织主要由贝氏体型铁素体、残余奥氏体及球状石墨组成，其在铸件复杂程度影响下的组织均匀性略低于图1所示的简单圆柱体的奥贝组织。铸态奥贝球铁曲轴的抗拉强度为915MPa，屈服强度670MPa，伸长率为5.6％，冲击韧度为70J/cm²，截面硬度的平均值为291HBS。各项力学性能满足汽车用曲轴的性能要求。

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发明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。