專利名稱：一種鹽浴自升溫的球墨鑄鐵雙級等溫淬火方法及應用該方法制備的等溫淬火球鐵的制作方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料制備技術領域，具體地說是一種鹽浴自升溫的球墨鑄鐵雙級等溫淬火方法及應用該方法制備的等溫淬火球鐵。
背景技術：
奧氏體等溫淬火球墨鑄鐵(Austempered Ductile Iron),簡稱等溫淬火球鐵 (ADI)，也稱奧貝球鐵，具有比普通球鐵更優良的綜合力學性能，尤其是突出的彎曲疲勞性能和高的耐磨性，引起了材料科學工作者及工程技術人員的廣泛關注。利用奧氏體等溫淬火技術開發出抗拉強度大于lOOOMPa、伸長率超過15%的高強度、高韌性的等溫淬火球鐵。 等溫淬火球鐵同時具有高強度、高韌性的特點，其綜合力學性能明顯優于鐵素體球鐵及珠光體球鐵，其鑄造性能、耐熱性、耐蝕性、耐磨性、減振性、切削性、經濟性等特性優于鑄鋼， 被認為是“真正的廉價新材料”。等溫淬火球鐵是球鐵強韌化方面的一個重要進展，被譽為近30年來鑄鐵冶金學方面的重大成就之一，被期望用來替代價格昂貴的鑄鋼及鍛造工件。
等溫淬火是淬火熱處理中的一種工藝方法。主要包括奧氏體化和等溫處理兩個過程:首先將鑄件加熱到A3線以上某個溫度，并保溫一段時間(稱之為奧氏體化處理);然后以大于珠光體形成的冷卻速度在冷卻介質中快速冷卻至貝氏體轉變區域進行等溫。與普通淬火熱處理不同，等溫淬火熱處理中冷卻介質(等溫介質)的溫度較高，在鑄件的馬氏體相變點Ms以上、珠光體相變溫度以下的溫度區間(即中溫區)，鑄件在等溫介質中保持一段時間 (又稱等溫處理)，發生貝氏體相變，獲得無碳化物的針狀鐵素體(或稱貝氏體型鐵素體)和高碳奧氏體的混合物。鹽浴等溫淬火工藝一直是生產等溫淬火球鐵的主要方法，除此以外還包括分級冷卻、連續冷卻和鑄態、準鑄態等生產工藝。鹽浴等溫淬火熱處理根據鑄件等溫過程中鹽浴溫度的變化，又開發出了以下三種主要的工藝。
( I)通常的等溫淬火熱處理
奧氏體化后的鑄件直接在230 450°C的中溫區保溫一定時間。根據等溫淬火溫度和時間的不同，ADI的組織和性能將有大的差別。研究表明，ADI等溫轉變是以鐵素體在過冷奧氏體晶界上形核開始的。等溫溫度在330°C以下，鐵素體以相當快的速度形核，而碳的擴散速度卻相對較慢，成為析出在鐵素體針內的ε碳化物(Fe2.4C)。奧氏體可以連續不斷地轉變，只有少量的奧氏體殘存于基體之中，占基體90%以上的是由鐵素體和分布于其中的碳化物所組成的細針狀組織，即下貝氏體。下貝氏體組織具有高強度和高硬度特性，但塑性和韌性較差。等溫溫度在330°C以上，由于等溫轉變溫度較高，碳的擴散速度加快，碳從生長著的鐵素體板條中擴散出來進入周圍的奧氏體中，高的碳含量使奧氏體的Ms點溫度降到室溫以下。能獲得無碳化物的貝氏體型鐵素體和殘余奧氏體所組成的基體組織，這種組織具有良好的綜合力學性能。
(2) “兩步法”等溫淬火熱處理`
“兩步法”等溫淬火熱處理，也稱雙極等溫淬火。其工藝過程是:工件經奧氏體化后，先在低溫鹽浴(285°C左右)中保溫10 20min，然后在高溫鹽浴(溫度與普通等溫淬火工藝相同)中進行等溫處理。兩步法工藝得到的組織既含有細小的鐵素體，同時又有較高含碳量的奧氏體及高的奧氏體體積分數，提高了強度和硬度、改善了韌性，進而表現出更加優越的綜合力學性能。但是“兩步法”等溫淬火工藝需要兩個不同溫度的等溫淬火爐，增加了熱處理設備的需求；而且工件在等溫淬火處理過程中，增加了一次取出、淬入過程，不僅增加了工藝操作、溫度控制的難度，也使由于偶然因素引起的工件性能波動增大。
( 3 )分級等溫淬火熱處理
分級等溫淬火熱處理的工藝過程是首先將奧氏體化后的工件先投入到較低溫度下的鹽浴爐中，然后對鹽浴溫度進行一定速度的控制升溫，經過一段時間的升溫、保溫處理后，將工件冷卻至室溫。與雙級等溫淬火熱處理工藝相似，分級等溫淬火熱處理有利于細化初始鐵素體晶核，并增大碳的擴散速度，以得到性能更好的基體組織。而且分級熱處理工藝可以在同一冷卻介質中實現，減少了熱處理設備的投入；在等溫淬火過程中，不需要將工件更換冷卻環境，也減少了熱處理工藝的復雜性和由于工藝差異引起的工件性能分散等問題。但是，分級淬火熱處理在鑄件淬入較低溫度的鹽浴后，靠等溫淬火爐的加熱使鹽浴升溫，升溫時間長，升溫速率要求嚴格，對熱備的加熱能力和溫度控制要求高。發明內容
根據上述提出的技術問題，而提供一種鹽浴自升溫的球墨鑄鐵雙級等溫淬火方法。本發明主要利用在單一鹽浴內實現球墨鑄鐵的雙級等溫淬火，鹽浴的初始溫度低于鑄件的等溫淬火溫度，鑄件淬入鹽浴后利用鑄件及工裝模具的熱量和鹽浴爐的加熱使鹽浴的溫度升高到等溫淬火溫度，獲得的等溫淬火球鐵具有較高的屈服強度和斷裂韌性，也可以提高鑄件的淬透層深度。
本發明采用的技術手段如下:
一種鹽浴自升溫的球墨鑄鐵雙級等溫淬火方法，其特征在于包括以下步驟:
①鑄件奧氏體化:將球墨鑄鐵工件加熱至860 950°C，進行奧氏體化，溫度偏差為±5°C，奧氏體化時間為30 180min ；
②鑄件淬火及鹽浴升溫:將經步驟①處理后的球墨鑄鐵鑄件淬入鹽浴內，鹽浴的初始溫度為230 390°C ；
利用鑄件及工裝模具在奧氏體化時吸收的熱量和鹽浴爐的加熱使鹽浴溫度升高至等溫淬火溫度，等溫淬火溫度高于鹽浴初始溫度10°c以上，為240 400°C，鹽浴的升溫時間小于IOmin ；
③鑄件等溫及冷卻:鹽浴溫度達到鑄件的等溫淬火溫度后，等溫30 180min，溫度偏差為±3°C ;將等溫淬火后的鑄件從鹽浴爐內取出，在空氣或水中冷卻至室溫。
作為優選，所述鹽浴為硝酸鹽和亞硝酸鹽或至少其中一種組成。
本發明還提供了一種由上述鹽浴自升溫的球墨鑄鐵雙級等溫淬火方法制備的等溫淬火球鐵。
本發明的原理( 如圖1所示)，包括以下幾個方面:
1、奧氏體化的鑄件淬入到較低溫度的鹽浴內，相變驅動力大，鐵素體形核速率大， 獲得細小的鐵素體，提高等溫淬火球鐵的強度；
2、激冷后的鑄件在較高溫度的鹽浴中進行等溫，得到較好的貝氏體型鐵素體以及較高體積分數的高碳奧氏體，以便提高其塑性及韌性；
3、較低的初始淬入溫度，降低鑄件表面的溫度，擴大鑄件內外的溫差，鑄件心部的熱量快速導出，增大鑄件內部的冷卻速度，提高淬透層深度；
4、雙級淬火在同一冷卻介質中實現，減少了熱處理設備的投入，不需要將工件更換冷卻環境，也減少了熱處理工藝的復雜性和由于工藝差異引起的工件性能分散等問題；
5、鹽浴的升溫充分利用鑄件及工裝模具在鑄件奧氏體化時吸收的熱量，鹽浴升溫速度快，能耗小。
本發明采用了上述技術方案，具有以下優點:等溫淬火球鐵可以同時獲得高強度和高韌性；提高淬透層深度，對于尺寸厚大的鑄件，可以減少合金元素加入量，降低生產成本；在一個鹽浴內進行雙級等溫淬火，操作簡便，生產工藝穩定；充分利用鑄件及工裝模具自身的熱量，能耗小，熱處理成本低。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。
圖1是本發明的原理圖。
圖2是本發明應用到1.8L轎車增壓發動機等溫淬火球鐵曲軸的顯微組織。
圖3是本發明應用到柴油發動機等溫淬火球鐵曲軸的顯微組織。
具體實施方式
實施例1
利用本發明提供的鹽浴自升溫的球墨鑄鐵雙級等溫淬火方法，進行1.8L轎車增壓發動機球墨鑄鐵曲軸的等溫淬火熱處理。
曲軸的主要尺寸和化學成分分別如表I和表2所示。
表11.8L轎車增壓發動機球墨鑄鐵曲軸的主要尺寸(mm)
權利要求
1.一種鹽浴自升溫的球墨鑄鐵雙級等溫淬火方法，其特征在于包括以下步驟: ①鑄件奧氏體化:將球墨鑄鐵工件加熱至860 950°C，進行奧氏體化，溫度偏差為±5°C，奧氏體化時間為30 180min ； ②鑄件淬火及鹽浴升溫:將經步驟①處理后的球墨鑄鐵鑄件淬入鹽浴內，鹽浴的初始溫度為230 390°C ； 利用鑄件及工裝模具在奧氏體化時吸收的熱量和鹽浴爐的加熱使鹽浴溫度升高至等溫淬火溫度240 400°C，鹽浴的升溫時間小于IOmin ； ③鑄件等溫及冷卻:鹽浴溫度達到鑄件的等溫淬火溫度后，等溫30 180min，溫度偏差為±3°C ;將等溫淬火后的鑄件從鹽浴爐內取出，在空氣或水中冷卻至室溫。
2.根據權利要求1所述的一種鹽浴自升溫的球墨鑄鐵雙級等溫淬火方法，其特征在于:所述鹽浴為硝酸鹽和亞硝酸鹽或至少其中一種組成。
3.一種采用權利要求1所述的鹽浴自升溫的球墨鑄鐵雙級等溫淬火方法制備的等溫淬火球鐵。
全文摘要
本發明公開了一種鹽浴自升溫的球墨鑄鐵雙級等溫淬火方法，其特征在于包括以下步驟①鑄件奧氏體化；②鑄件淬火及鹽浴升溫；③鑄件等溫及冷卻。本發明可實現在單一鹽浴內實現球墨鑄鐵的雙級等溫淬火，本發明還提供了一種利用上述等溫淬火方法生產的等溫淬火球鐵，該等溫淬火球鐵具有發生等溫相變時兼有高形核率和快生長速度的特點，同時大大改善了球鐵的強度和韌性，并提高鑄件的淬透層深度。本發明具有等溫淬火設備需求少，工藝操作簡便、能耗小、產品的質量穩定性好及生產成本低等優點。
文檔編號C21D5/00GK103205544SQ201310136609
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月17日 優先權日2013年4月17日
發明者張興國, 蔡勇, 賈非, 張國輝, 郝海, 劉恒樂, 房燦峰, 孟憲軍, 周秉文, 張寶昌 申請人:遼寧北方曲軸有限公司, 大連理工大學