一種球墨鑄鐵軸件的水冷熱處理方法與流程
2023-05-31 08:18:01 1
本發明屬金屬材料領域，涉及球墨鑄鐵等溫處理工藝，具體地說是一種球墨鑄鐵軸件的水冷熱處理方法。
背景技術：
球墨鑄鐵自上世紀40年代被發現以來,其應用不斷擴大,至今已成為重要的工程材料之一,近年來全世界球墨鑄鐵的產量已佔全世界灰鑄鐵產量的1/3,由於機械行業的迅速發展,特別是近年來汽車行業及工程機械的發展,使這個比例繼續在增加,進一步提高球墨鑄鐵性能和優化生產工藝可以提高產品質量和降低成本，對於降低資源消耗和保護環境都具有重要意義,也有利於經濟和社會協調地可持續發展。球墨鑄鐵基體貝氏體化後可以得到貝氏體球墨鑄鐵，這是優化其綜合力學性能的重要途徑，也使其物理性能如耐熱和抗腐蝕性能大有提高，於是可以更廣泛地應用到以鐵代鋼和以鐵代鋁的方面，而且本項目採用環保型新工藝，因此可以產生巨大的經濟和社會效益。
20世紀70年代末期,中、美和芬蘭等國幾乎是同時地宣布,各自都研究開發了等溫貝氏體球墨鑄鐵,並用於汽車曲線齒錐齒輪,根據其組織這種鑄鐵又稱為奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵,簡稱為奧-貝球鐵,這種材質具有強度、塑性和韌度都很高的優良綜合力學性能,它顯著好於珠光體-鐵素體球墨鑄鐵,也好於調質處理的球墨鑄鐵,例,其抗拉強度可達1000mpa,伸長率可達10%,尤其是這種鑄鐵具有高疲勞強度和耐磨性,因此等溫淬火貝氏體球墨鑄鐵的出現被譽為近幾十年來鑄鐵冶金方面的重大成就之一。1978年以來工業界已知,在伸長率相同的情況下,貝氏體球墨鑄鐵的抗拉強度是普通球墨鑄鐵的2倍,並保留了良好的伸長率和衝擊韌度;其彎曲疲勞強度與合金鍛鋼相當;其衝擊韌度是普通球墨鑄鐵的數倍;有關研究表明等溫淬火貝氏體球墨鑄鐵的力學性能已達到鋼的水平,但其生產成本卻要比鋼的低得多。球墨鑄鐵不僅力學性能優良,而且還具有優良的化學性能和物理性能,在耐熱及抗腐蝕方面都有良好的表現。因此等溫淬火貝氏體球墨鑄鐵一經問世就受到了廣泛的關注,特別是材料工程界、汽車製造及相關設計人員進行了大量研究和開發。從1984-1991年連續三屆國際等溫淬火貝氏體球墨鑄鐵學術會議充分肯定了這種材質的優異性能和潛在工程價值。我國鑄造工作者也給予了高度重視,先後召開了專題學術會議,進行交流討論等溫淬火貝氏體球墨鑄鐵的研究成果與生產經驗。近年來貝氏體型球墨鑄鐵在磨球和受力結構零件如齒輪等的應用同樣受到了較多的關注，國內對貝氏體型球墨鑄鐵的研究和應用主要側重於磨球材料。但在受力結構零件方面，我國在70年代取得了突破性的進展，較早地將貝氏體球墨鑄鐵應用於汽車後橋曲線齒錐齒輪，其使用壽命已超過15萬公裡，而成本僅是鋼的50%，生產周期大約可縮短一半。奧-貝球鐵能夠代替鍛鋼作為齒輪材料有很多優越性，如原材料成本下降、良好的加工性、縮短和減少了熱處理環節及其變形、石墨具有減振自潤滑優點等。貝氏體球墨鑄鐵還有更多成功應用的實例，如曲軸、軋輥、礦山車輪、火車車輪以及其它耐磨零件等，有關資料報導用奧貝球鐵製造的柴油內燃機的剎車片，估計使用壽命可達4000小時，而原來用grs26合金剎車片的平均壽命只有180h。並且現已發現奧貝球鐵的應用了除以鐵代鋼外，以鐵代鋁的前景也十分闊，它的強度比優質鑄鋁或鍛鋁件的高3倍，但重量只增2.6倍。然而目前我國用奧貝球鐵生產齒輪類、軸類零件等方面應用較少，據了解大型柴油機曲軸用35crmo製作，其成本高達6～7萬元人民幣左右，而如能用貝氏體球墨鑄鐵生產，其生產成本只有1～2萬元人民幣，並且節約能源60%以上，可見其經濟和社會效益巨大。
但貝氏體球墨鑄鐵的現有生產工藝是主要依賴於等溫淬火處理或者高合金化實現連續冷卻等手段得到。雖然等溫淬火處理工藝具有突出特點，例如：(1)轉變過程容易控制;(2)避免了從奧氏體溫度迅速冷卻到室溫時可能產生的應力、畸變和脆裂現象，因而可以很好地控制等溫淬火貝氏體球墨鑄鐵中的組織相對比例,從而可調控材料的使用性能。然而,等溫淬火貝氏體球墨鑄鐵在開發過程中，出現的困難主要有,一是,由於鹽浴冷卻能力低,當鑄件壁厚大於10mm進行等溫淬火處理時,須加入貴重合金元素(如ni,cu,mo)提高淬透性,進行調控其組織轉變,以確保順利地進行淬火；二是需要等溫鹽浴處理,導致生產成本增加和汙染環境,並且受鹽浴設備特點限制而不能實現大批量生產和流水線作業。
國內已研究了鎳、銅、鉬合金化的貝氏體球墨鑄鐵,並對矽錳合金化的貝氏體球墨鑄鐵進行了系統研究,其中包括在連續冷卻條件下獲得貝氏體及相變機制與強化機理作了研究。矽錳合金化的貝氏體球墨鑄鐵已成功地應用於抗磨材料,但國內生產廠家多採用連續冷卻方式來生產這類材料。但是鑄態連續冷卻貝氏體球墨鑄鐵所得基體組織多樣化,不易獲得單一組織,其綜合力學性能較低,而且連續冷卻方式中所需原材料需要較高的合金化,用來調節組織轉變溫度和區間,導致材料成本較高。由上可見，現有的生產工藝嚴重限制了貝氏體球墨鑄鐵的應用和發展，因此研究貝氏體球墨鑄鐵的方向是,探索不需要採用鹽浴等溫處理來生產貝氏體球墨鑄鐵的新工藝,開發不需貴重元素或需要量較少的貝氏體球墨鑄鐵系列材料。
國外j-h.yang和s.k.putatunda採用兩步等溫淬火工藝製備的奧貝球鐵，發現用兩步等溫淬火法比一步等溫淬火法所得奧貝球鐵的抗拉強度和斷裂韌性有顯著提高，認為是材料基體組織中的細小鐵素體、奧氏體及其中的碳化物所起的貢獻，但在研究對疲勞性能的影響時發現，與一步法相比，該兩步等溫淬火法卻引起了奧貝球鐵較高的疲勞裂紋擴展速率和較低的疲勞極限。國內早在96～99年進行過控制冷卻生產貝氏體/馬氏體的工藝及組織和性能，蔣業華等進行了球鐵控制冷卻獲得貝氏體組織，並成功開發了球磨機襯板、磨球分級機葉片等，其性能/價格比較高。由此表明通過控制球墨鑄鐵等溫前的冷卻工藝，可以控制組織轉變產物，進一步控制其使用性能。控制球墨鑄鐵零件的熱處理過程，優化零件組織結構可以使其達到所需要的使用性能。
技術實現要素：
本發明所涉及的一種球墨鑄鐵軸件的水冷熱處理方法，對於尺寸小於φ50mm的軸件，包括如下步驟：
a.加熱球墨鑄鐵軸件到奧氏體相區保溫1～3小時，使成分均勻化，其中加熱溫度為800～1000℃；
b.冷卻,冷卻水溫的控制範圍在30～90℃之間；
c.均溫調整，工件冷卻取出後，測量表面的溫度，根據工件的尺寸和形狀不同，選擇採用空冷、風冷或噴霧的方式調整並控制溫度，使工件達到或接近等溫溫度，送入等溫爐；
d.等溫處理，均溫調整後，將工件裝入已設定溫度的等溫爐內，完成貝氏體等溫轉變後出爐冷到室溫；
e.回火，根據待處理軸件的性能要求，選用150～250℃低溫回火、350～500℃中溫回火或500～650℃高溫回火。
具體實施方式
實施例1
對於尺寸為φ30mm的軸件，水冷熱處理方法主要包括如下步驟：
a.加熱球墨鑄鐵軸件到奧氏體相區保溫1.5小時，使成分均勻化，其中加熱溫度為850℃；
b.冷卻,冷卻水溫的控制範圍在50℃；
c.均溫調整，工件冷卻取出後，測量表面的溫度，採用風冷的方式調整並控制溫度，使工件達到或接近等溫溫度，送入等溫爐；
d.等溫處理，均溫調整後，將工件裝入已設定溫度的等溫爐內，完成貝氏體等溫轉變後出爐冷到室溫；
e.回火，根據待處理軸件的性能要求，選用200℃低溫回火。