專利名稱：低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料，特別是球墨鑄鐵，更具體是低合金貝氏體球墨鑄鐵。
背景技術(shù)：
低合金貝氏體球墨鑄鐵具有較高的強(qiáng)度、硬度和韌性，具有良好的鑄造性能，被譽(yù)為近40年來鑄鐵冶金方面的重大成就之一。目前，獲得貝氏體球墨鑄 鐵的熱處理方法，主要有傳統(tǒng)的鹽浴等溫冷卻和用有水介質(zhì)冷卻方式控制等溫 淬火(CN200510044091.X)。魏德強(qiáng)《貝氏體球墨鑄鐵磨球材料的研制與生產(chǎn)》(湘潭科技大學(xué)學(xué)報(bào)2005. Vol.27No. 1:94-97)，公開了利用鑄造余熱分步等溫淬 火(油淬)的熱處理工藝生產(chǎn)低合金(Mo、 Mn、 Cu、 Cr)球墨鑄鐵磨球材料的 方法，采用900 950°C熱開箱快速冷卻(油淬)到Ms點(diǎn)稍下，避開了上貝氏體 形成區(qū)，然后在Ms點(diǎn)稍上放入等溫爐中進(jìn)行下貝氏體等溫轉(zhuǎn)變，待下貝氏體轉(zhuǎn) 變結(jié)束后，最后出爐空冷。獲得基體組織為下貝氏體加少量馬氏體、殘余奧氏 體和碳化物的球墨鑄鐵，生產(chǎn)的貝氏體球墨鑄鐵磨球綜合性能優(yōu)于其它工藝方 法，且下貝氏體組織均勻細(xì)小，球化率1 2級(jí)，球墨大小7 8級(jí)，沖擊值大于 14J/cm2，硬度52 59HRC。該方法在等溫淬火步驟采取的是放入等溫爐中進(jìn)行 下貝氏體等溫轉(zhuǎn)變。由于等溫淬火時(shí)的等溫溫度是分步等溫淬火工藝的主要因 素，對(duì)球墨鑄鐵材料各種性能的影響非常大，所以如果等溫溫度不能嚴(yán)格地控 制，就勢(shì)必影響球墨鑄鐵的主要性能。在運(yùn)用等溫爐進(jìn)行等溫回火時(shí)，首先需 要將等溫爐升到要求的溫度(如230 240°C)，然后將在油中淬火至表面溫度為 180 220°C的磨球取出，并快速放入等溫爐中保溫l 1.5h即可。然而實(shí)際上，由 于磨球是在930 950°C放入油中淬火的，雖然表面溫度降為200°C左右，但磨球內(nèi)部的溫度卻高于表面溫度，磨球由于溫度梯度的存在，內(nèi)部熱量在等溫爐中 等溫保溫的過程中，不斷通過表面向外釋放，從而使等溫爐的溫度在保溫的前 一段時(shí)間內(nèi)不斷升高，整個(gè)保溫過程實(shí)際上變成了先升溫后等溫兩個(gè)過程。等 溫爐不能有效地控制保溫溫度，影響了球墨鑄鐵的組織結(jié)構(gòu)和材料性能，組織中殘余奧氏體增多，甚至出現(xiàn)珠光體類轉(zhuǎn)變，因而在零件尺寸較大時(shí)，淬透層 深度達(dá)不到要求，使得材料內(nèi)部強(qiáng)度、硬度、韌性均有會(huì)有明顯的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱 處理工藝，能有效地嚴(yán)格控制保溫溫度，實(shí)現(xiàn)真正的等溫保溫，確保球墨鑄鐵 所要求的金相組織和優(yōu)異材料性能。
為此，本發(fā)明的方法中，將含有下述步驟
① 將球墨鑄鐵工件加熱到880 96(TC進(jìn)行奧氏體化；
② 球墨鑄鐵工件在機(jī)械油中淬火；
③ 待球墨鑄鐵工件表面溫度為150 23(TC時(shí)取出；
④ 球墨鑄鐵工件帶溫，快速埋砂等溫回火6 8h;或埋砂保溫回火l 3h，然
后取出空冷。
在上述的步驟①中，是將球墨鑄鐵加熱到880 960°C，或利用鑄造余熱在 900 960℃從鑄型中取出。
淬火用的機(jī)械油為普通20號(hào)機(jī)械油，即可保證性能，又不增加成本。
在油中淬火至球墨鑄鐵的表面溫度到一定溫度時(shí)就需將球墨鑄鐵從油中取 出，這個(gè)溫度值稱為出油溫度。為了確保奧氏體向下貝氏體的等溫轉(zhuǎn)變，出油 溫度最好為180 220°C。
球墨鑄鐵出油后需快速埋入砂中進(jìn)行保溫，以實(shí)現(xiàn)等溫轉(zhuǎn)變，因此從出油 到埋入砂中的時(shí)間間隔以小于180s為好。這個(gè)時(shí)間和工件的尺寸大小有關(guān)，是 個(gè)不確定的參數(shù)，工件的有效厚度越小，時(shí)間可以縮短，對(duì)10xlOxllOmm的沖 擊試樣，要求小于60秒為好。
本發(fā)明中，并不是直接將球墨鑄鐵埋入冷砂中，而是要先將球墨鑄鐵放入 保溫包或放入地坑中。保溫包內(nèi)層為耐火磚，外層為金屬，磚和外層鋼板之間 有耐火粉體材料。要使保溫包很好地起到保溫作用，保溫包內(nèi)層耐火磚厚度不 宜太薄，當(dāng)然也不能太厚，否則會(huì)影響熱量的傳遞，最好是8 16mm。磚和外層 鋼板之間有8 15mm厚的耐火粉體材料。地坑用耐火磚砌坑壁和坑底，耐火磚 層厚度8 16mm。
埋砂用的砂是普通鑄造型砂。本發(fā)明最關(guān)鍵的步驟是埋砂保溫，它決定著
球墨鑄鐵的最終組織結(jié)構(gòu)。埋砂的方法具體包括
① 在地上挖坑，用耐火磚砌坑壁和坑底，耐火磚層厚度8 16mm;或者制作
保溫包內(nèi)層為耐火磚，外層為金屬，中間夾層為耐火磚粉體材料，耐火磚層
厚度8 16mm，磚和外層鋼板之間有8~15mm厚的耐火粉體材料。
② 然后在底部鋪10 20mm厚的底砂；
③ 裝有鑄鐵件的金屬框置于底砂上；
填砂，至金屬框上部砂層厚度為10 20mm，周圍5 20mm的間隙亦用砂 填滿；
⑤連續(xù)地交替地一層鑄鐵一層砂，最上面的那層砂上，再加蓋10 20mm厚 的耐火磚。
本發(fā)明通過地坑的耐火磚層(或保溫包)，維持出油后球墨鑄鐵工件的緩慢 降溫，然后通過墊底、隔層和周圍填塞的砂以及地坑中的耐火磚，形成從球墨 鑄鐵內(nèi)部到表面到砂層再到地坑耐火磚的合理的溫度梯度，建立緩慢的穩(wěn)定的 符合要求的降溫速度，對(duì)保溫溫度進(jìn)行有效的控制，從而實(shí)現(xiàn)奧氏體向貝氏體 的等溫轉(zhuǎn)變，更有利于貝氏體組織的形成。這個(gè)過程中，表面產(chǎn)生下貝氏體、 少量馬氏體加少量殘余奧氏體和合金碳化物，內(nèi)部的奧氏體逐漸地轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑?氏體和奧氏體加上貝氏體，最終形成由里到外的組織為上貝氏體加奧氏體—— 下貝氏體加奧氏體——下貝氏體——表面為10~15%馬氏體加下貝氏體、加合金 碳化物、加少量殘余奧氏體；這樣的組織結(jié)構(gòu)更為合理，且貝氏體組織均勻細(xì)
小，表面強(qiáng)度高、硬度高、耐磨性好，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)又能確保有良好的韌性，在 受到?jīng)_擊時(shí)能吸收更多的沖擊能量，提高了材料的抗沖擊性。所以本發(fā)明所得 到的球墨鑄鐵是綜合性能優(yōu)異的抗磨抗沖擊材料，特別適宜于強(qiáng)度高、硬度高、 耐磨性好、有良好沖擊韌性的零件如齒輪、曲軸、磨球等。
本發(fā)明的低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工藝，不用等溫 爐，耐火磚也不需要預(yù)先加熱，型砂利用落砂余熱，減少了設(shè)備投資和能源消 耗，充分利用了鑄造余熱的能量，降低了工藝成本，也簡(jiǎn)化了操作，容易實(shí)現(xiàn) 機(jī)械化和自動(dòng)化。此外，還可以根據(jù)生產(chǎn)量的大小來挖掘地坑或制作保溫包， 很簡(jiǎn)單地就可以調(diào)整生產(chǎn)能力，比之固定容量的等溫爐要靈活得多，非常有利 于減少投資浪費(fèi)和以銷定產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
濕砂造型，用一噸沖天爐熔制合金。
(1) 金屬爐料優(yōu)質(zhì)18號(hào)本溪生鐵、回爐鐵、鉬鐵、硅鐵、錳鐵、廢銅、 廢鋼、回爐料及球化合金。球鐵的化學(xué)成份要求如下(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))
C: 3.60 Si: 2.80 Mn: 0.15 Cr: 0.18
Mo: 0.35 S: 0.02 P: 0.07 Mg: 0.05
Cu: 0.50 Bi: 0.02 Re: 0.05 Fe:余量。
(2) 鐵水熔制把生鐵、廢鋼、回爐料按要求分批裝爐進(jìn)行熔制，鐵合金 爐后加入，出鐵溫度控制在1420~1450°C。
(3) 球化處理球化劑采用稀土鎂硅合金，用量為鐵水的1.6%，粒度為 10 20mm (范圍)，采用沖入法處理。
(4) 孕育處理出鐵前在包底球化合金上加0.8%的75硅鐵，粒度為 10~20mm (范圍)，同時(shí)加入適量的冰晶石粉，扒渣并加入冰晶石，用草木灰或 珍珠巖覆蓋，待澆。
(5) 澆注澆注溫度1380~1420°C，澆注時(shí)間為10min，轉(zhuǎn)小包瞬時(shí)孕育 采用浮硅孕育加入0.2%的75硅鐵，粒度為3 5mm (范圍)。
(6) 開箱落砂待鑄型內(nèi)鑄件冷卻到910士10℃時(shí)，開箱落砂，進(jìn)行熱處理。
熱處理將鑄件放入普通20號(hào)機(jī)械油中快速冷卻(油淬)，至鑄件表面溫 度為190℃時(shí)取出，迅速放入地坑中，并立即分層埋砂。從油中取出至埋入砂中 總時(shí)間間隔不超過180s。埋砂保溫1.5h后，取出鑄件在空氣中冷卻至室溫。
得到的球墨鑄鐵件(磨球)經(jīng)掃描電鏡分析，表面為10 15%馬氏體加下貝 氏體加合金碳化物加少量殘余奧氏體，貝氏體組織均勻細(xì)小，里層組織為下貝 氏體加奧氏體，心部組織為上貝氏體加奧氏體，這種組織結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)度高、硬 度好、耐磨，心部有良好的韌性。磨球(cp60)的測(cè)試結(jié)果為表面硬度56.0HRC， 沖擊韌性為16J/CM2。
上述磨球應(yīng)用于水泥生產(chǎn)，使用壽命是鍛鋼球的8~10倍，中錳球的2~4倍，低合金球的1~3倍，且破碎率低(小于0.5)，只是高鉻球的五分之一。在質(zhì)量 參數(shù)上，只是耐磨性略低于高鉻球，但在經(jīng)濟(jì)性上，生產(chǎn)成本只是高鉻球的0.7 0.8倍。與鍛鋼球比較，生產(chǎn)一噸水泥用本發(fā)明所得的球墨鑄鐵磨球比鍛鋼球節(jié) 約2.3元， 一年按50萬噸計(jì)可節(jié)約115萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
實(shí)施例2:
濕砂造型，用一噸沖天爐熔制合金。
(1) 金屬爐料優(yōu)質(zhì)18號(hào)本溪生鐵、回爐鐵、鉬鐵、硅鐵、錳鐵、廢銅、
廢鋼、回爐料及球化合金。球鐵的化學(xué)成份要求如下(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))
C: 3.56 Si: 3.2 Mn: 0.15 Cr: 0.20
Mo: 0.35 S: 0.02 P: 0.07Mg: 0.05 Cu: 0.50 Bi: 0.02 Re: 0.05 Fe:余量。
(2) 鐵水熔制把生鐵、廢鋼、回爐料按要求分批裝爐進(jìn)行熔制，鐵合金
爐后加入，出鐵溫度控制在1420~1450°C。
(3) 球化處理球化劑采用稀土鎂硅合金，用量為鐵水的1.6%,粒度為 10~20mm (范圍)，采用沖入法處理。
(4) 孕育處理出鐵前在包底球化合金上加0.8%的75硅鐵，粒度為 10~20mm (范圍)，同時(shí)加入適量的冰晶石粉，扒渣并加入冰晶石，用草木灰或 珍珠巖覆蓋，待澆。
(5) 澆注澆注溫度1380 1420°C，澆注時(shí)間為10min，轉(zhuǎn)小包瞬時(shí)孕育 采用浮硅孕育加入0.2。/。的75硅鐵，粒度為3 5mm (范圍)。
(6) 開箱落砂待鑄型內(nèi)鑄件冷卻到930士1(TC時(shí)，開箱落砂，進(jìn)行熱處理。
熱處理將鑄件放入普通20號(hào)機(jī)械油中快速冷卻(油淬)，至鑄件表面溫 度為19(TC時(shí)取出，迅速放入保溫包中，并立即分層埋砂。從油中取出至埋入砂 中總時(shí)間間隔不超過180s。埋砂保溫2.5h后，取出鑄件在空氣中冷卻至室溫。
得到的球墨鑄鐵件(磨球)經(jīng)掃描電鏡分析，表面為10~15%馬氏體加下貝 氏體加合金碳化物加少量殘余奧氏體，貝氏體組織均勻細(xì)小，里層組織為下貝 氏體加奧氏體，心部組織為上貝氏體加奧氏體，這種組織結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)度高、硬度好、耐磨，心部有良好的韌性。磨球( 60)的測(cè)試結(jié)果為表面硬度56.8HRC， 沖擊韌性為16.6J/CM2。
實(shí)施例3:
濕砂造型，用一噸沖天爐熔制合金。
(1) 金屬爐料優(yōu)質(zhì)18號(hào)本溪生鐵、回爐鐵、鉬鐵、硅鐵、錳鐵、廢銅、 廢鋼、回爐料及球化合金。球鐵的化學(xué)成份要求如下(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))
C: 3.62 Si: 3.5 Mn: 0.15 Cr: 0.19
Mo: 0.40 S: 0.02 P: 0.07 Mg: 0.05
Cu: 0.50 Bi: 0.03 0.05 Fe:余量。
(2) 鐵水熔制把生鐵、廢鋼、回爐料按要求分批裝爐進(jìn)行熔制，鐵合金爐后加入，出鐵溫度控制在1420~1450°C。
(3) 球化處理球化劑采用稀土鎂硅合金，用量為鐵水的1.6%，粒度為 10 20mm (范圍)，采用沖入法處理。
(4) 孕育處理出鐵前在包底球化合金上加0.8%的75硅鐵，粒度為 10~20mm (范圍)，同時(shí)加入適量的冰晶石粉，扒渣并加入冰晶石，用草木灰或 珍珠巖覆蓋，待澆。
(5) 澆注澆注溫度1380~1420°C，澆注時(shí)間為10min，轉(zhuǎn)小包瞬時(shí)孕育 采用浮硅孕育加入0.2。/。的75硅鐵，粒度為3 5mm (范圍)。
(6) 開箱落砂待鑄型內(nèi)鑄件冷卻到940土1(TC時(shí)，開箱落砂，進(jìn)行熱處理。
熱處理將鑄件放入普通20號(hào)機(jī)械油中快速冷卻(油淬)，至鑄件表面溫 度為170'C時(shí)取出，迅速放入地坑中，并立即分層埋砂。從油中取出至埋入砂中 總時(shí)間間隔不超過180s。埋砂保溫6h后，取出鑄件。
得到的球墨鑄鐵件(磨球)經(jīng)掃描電鏡分析，表面為10 15%馬氏體加下貝 氏體加合金碳化物加少量殘余奧氏體，貝氏體組織均勻細(xì)小，里層組織為下貝 氏體加奧氏體，心部組織為上貝氏體加奧氏體，這種組織結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)度高、硬 度好、耐磨，心部有良好的韌性。磨球(cp70)的測(cè)試結(jié)果為表面硬度57.2HRC， 沖擊韌性為17.8J/CM2。
實(shí)施例4:
濕砂造型，用一噸沖天爐熔制合金。
(1) 金屬爐料優(yōu)質(zhì)18號(hào)本溪生鐵、回爐鐵、鉬鐵、硅鐵、錳鐵、廢銅、 廢鋼、回爐料及球化合金。球鐵的化學(xué)成份要求如下(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))
C: 3.65 Si: 3.6 Mn: 0.25 Cr: 0.22
Mo: 0.45 S: 0.02 P: 0.07 Mg: 0.05
Cu: 0.50 Bi: 0.03 Re: 0.05 Fe:余量。
(2) 鐵水熔制把生鐵、廢鋼、回爐料按要求分批裝爐進(jìn)行熔制，鐵合金爐后加入，出鐵溫度控制在1420~1450°C。
(3) 球化處理球化劑采用稀土鎂硅合金，用量為鐵水的1.6%，粒度為 10 20mm (范圍)，采用沖入法處理。
(4) 孕育處理出鐵前在包底球化合金上加0.8%的75硅鐵，粒度為 10 20mm(范圍)，同時(shí)加入適量的冰晶石粉，扒渣并加入冰晶石，用草木灰或 珍珠巖覆蓋，待澆。
(5) 澆注澆注溫度1380 1420°C，澆注時(shí)間為10min，轉(zhuǎn)小包瞬時(shí)孕育 采用浮硅孕育加入0.2%的75硅鐵，粒度為3 5mm (范圍)。
(6) 開箱落砂待鑄型內(nèi)鑄件冷卻到950土10°C時(shí)，開箱落砂，進(jìn)行熱處理。
熱處理將鑄件放入普通20號(hào)機(jī)械油中快速冷卻(油淬)，至鑄件表面溫
度為170°C時(shí)取出，迅速放入地坑中，并立即分層埋砂。從油中取出至埋入砂中
總時(shí)間間隔不超過180s。埋砂保溫8h后，
取出鑄件。
得到的球墨鑄鐵件(磨球)經(jīng)掃描電鏡分析，表面為10~15%馬氏體加下貝 氏體加合金碳化物加少量殘余奧氏體，貝氏體組織均勻細(xì)小，里層組織為下貝 氏體加奧氏體，心部組織為上貝氏體加奧氏體，這種組織結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)度高、硬 度好、耐磨，心部有良好的韌性。磨球((p80)的測(cè)試結(jié)果為表面硬度59.0HRC， 沖擊韌性為19.4J/CM2。
權(quán)利要求
1.低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工藝，其特征在于含有下述步驟①將球墨鑄鐵工件加熱到880～960℃進(jìn)行奧氏體化；②球墨鑄鐵工件在機(jī)械油中淬火；③待球墨鑄鐵工件表面溫度為150～230℃時(shí)取出；④球墨鑄鐵工件帶溫，快速埋砂保溫回火6～8h；或埋砂保溫回火1～3h，然后取出空冷。
2. 如權(quán)利要求1所述的低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工 藝，其特征在于步驟①中，是將球墨鑄鐵加熱到880 96(TC，或利用鑄造余熱 在卯0 960 °C從鑄型中取出。
3. 如權(quán)利要求1所述的低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工藝，其特征在于機(jī)械油為普通20號(hào)機(jī)械油。
4. 如權(quán)利要求1所述的低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工 藝，其特征在于步驟③球墨鑄鐵工件的帶溫溫度為1S0 22(TC。
5. 如權(quán)利要求1所述的低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工 藝，其特征在于步驟③與步驟④之間的時(shí)間間隔小于180s。
6. 如權(quán)利要求1所述的低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工藝，其特征在于埋砂保溫回火在地坑中或保溫包中進(jìn)行。
7. 如權(quán)利要求6所述的低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工藝，其特征在于保溫包內(nèi)層為耐火磚，外層為金屬，磚和外層鋼板之間有耐火粉體材料。
8. 如權(quán)利要求7所述的低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工 藝，其特征在于保溫包內(nèi)層耐火磚厚度是8 16mm，磚和外層鋼板之間的耐火粉體材料厚度為8~15mm。
9. 如權(quán)利要求6所述的低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工 藝，其特征在于地坑用耐火磚砌坑壁和坑底，耐火磚層厚度8 16mm。
10. 如權(quán)利要求1或6所述的低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工藝，其特征在于埋砂用的砂是普通鑄造型砂，埋砂的方法包括① 在地上挖坑，用耐火磚砌坑壁和坑底，耐火磚層厚度8 16mm;或者制作 保溫包內(nèi)層為耐火磚，外層為金屬，中間夾層為耐火磚粉體材料，耐火磚層厚度8 16mm，磚和外層鋼板之間有8 15mm厚的耐火粉體材料；② 然后在底部鋪10 20mm厚的底砂；③ 裝有鑄鐵件的金屬框置于底砂上；④ 填砂，至金屬框上部砂層厚度為10 20mm，周圍5~20mm的間隙亦用砂 填滿；⑤ 連續(xù)地交替地一層鑄鐵一層砂，最上面的那層砂上，再加蓋10 20mm厚 的耐火磚。
全文摘要
低合金貝氏體球墨鑄鐵油淬帶溫等溫回火熱處理工藝，含有①將球墨鑄鐵工件加熱到880～960℃進(jìn)行奧氏體化；②球墨鑄鐵工件在機(jī)械油中淬火；③待球墨鑄鐵工件表面溫度為150～230℃時(shí)取出；④球墨鑄鐵工件帶溫，快速埋砂保溫回火6～8h；或埋砂保溫回火1～3h，然后取出空冷。該工藝通過保溫包或地坑中的耐火磚及型砂，形成從球墨鑄鐵內(nèi)部到表面到沙層到保溫包或到地坑的合理的溫度梯度，建立緩慢的穩(wěn)定的符合要求的降溫速度，對(duì)等溫回火溫度進(jìn)行有效的控制，利用球墨鑄鐵工件熱處理后的余熱實(shí)現(xiàn)奧氏體向貝氏體的等溫轉(zhuǎn)變，更有利于貝氏體組織的形成。所得球墨鑄鐵工件組織結(jié)構(gòu)合理綜合性能優(yōu)異，特別適宜于齒輪、曲軸、磨球等。
文檔編號(hào)C21D1/18GK101200774SQ20071004955
公開日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月12日
發(fā)明者榮 王, 魏德強(qiáng) 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)