等温淬火球墨铸铁件【作者：闫启栋, 韩 非，徐锦锋，曾...

老翻砂匠

等温淬火球墨铸铁件

作者：闫启栋, 韩 非，徐锦锋，曾艺成

1、引言

等温热处理是美国钢铁协会贝茵（E.C.Bain）研究员于20世纪30年代对钢进行等温转变研究而发展起来的。40年代，Flinn教授将其应用于灰铸铁。50年代，美国Intennational Harvester公司对球墨铸铁进行了大量的等温热处理试验，获得了高强度、高韧性及良好耐磨性的球墨铸铁，引起了人们的关注，但尚未正式开发应用。至60年代末，等温处理球墨铸铁在齿轮件上的成功应用，推动了等温处理工艺研发进程。直到70年代末，芬兰、美国和中国几乎同期宣布了等温淬火球墨铸铁（Austempered Ductile Iron,简称：ADI）的成功研发[2]。美国开发的是高强度ADI（奥铁体+马氏体），通用汽车公司用其成功制造了汽车后桥螺旋伞齿轮；芬兰开发的是高韧性ADI（合金化处理），用来制造齿轮等承受高应力的零件，1978年开始用于生产高韧性后桥齿轮；中国开发的则是高强度中等硬度的ADI（较低等温淬火温度），机械科学研究院和郑州机械研究所从1969年开始研究，采用壳型精铸工艺和等温淬火处理生产了BJ212、BJ130等汽车用ADI螺旋伞齿轮，1970年，ADI大减速齿轮装到了“东方红-54”拖拉机上，并在沈阳“五三”和“白塔堡”两个拖拉机站进行了生产考核。

ADI作为一种新兴的工程结构材料，基体中含有特有的高碳热力学性能稳定和力学性能也稳定的奥氏体+针状铁素体的混合组织，而具有强度高（牌号QTD1600，R＞1600MPa）、塑性好（牌号QTD800-10，A＞10%）、动载性高（弯曲疲劳强度达420～500MPa，接触疲劳强度达1600～2100MPa）、耐磨性及减震性好等优点[5]，可代替一些锻钢和铸钢件，发展迅速，应用范围日益扩大，被视为最有望实现“以铁代钢”的材料。

2、ADI件生产现状

据不完全统计，截至2017年，我国ADI（包括CADI）年产量约15万吨，其中工程结构件和抗磨、耐磨件（包括 CADI 磨球和奥贝磨球等）大约各占一半。工程结构件包括汽车悬挂件、支架、控制臂、转向节、铁路机械、农机和工程机械零件，及齿轮、曲轴等。

近年来，随着机械零部件向高性能、轻量化方向的发展，ADI 件生产及应用备受行业关注，因而在ADI应用基础研究、生产工艺及装备及毛坯质量稳定性等方面均取得了新的进展。

( 1 ) 系统和深入的研究工作

对球墨铸铁原始组织、热处理工艺等对ADI微观组织和力学性能的影响规律有了更加深入的研究，特别是对奥氏体化过程中基体类型和热处理工艺参数对奥氏体中碳含量的作用规律、奥氏体等温转变机制及ADI微观组织随工艺因素演变规律等已做了系统深入的研究，为ADI件生产过程的有效控制提供了良好的技术基础。

( 2 ) ADI热处理中心的建立

美国和欧洲的生产经验证明，等温淬火热处理中心的建立可促进ADI产业化的发展，其中，美国有70%以上ADI零件都是由专业ADI热处理中心完成。国内从2007年至今，专业热处理厂在全国范围内逐步形成，苏州艾普零件制造有限公司、河北迁西奥帝爱机械铸造有限公司、河南欧迪艾铸造有限公司、天津SEW传动设备有限公司、长春艾普机电设备有限公司、焦作固德联合机械有限公司及十堰澳-贝汽车零部件轻量化科技有限公司等均陆续建立了专业的等温淬火热处理中心。全国范围内的专业等温淬火热处理中心正在逐步形成，可以促进我国ADI的发展。

( 3 ) 分级淬火生产线的建设

除盐浴淬火外，近年来，新的两步法等温淬火工艺和设备也在逐步完善，主要包括大连三明重型车制造有限公司的盐浴分级淬火工艺生产线、中国农业大学和开封电炉厂合作开发的分级淬火生产线、上海宝华威热处理设备有限公司和河北承德求业钒钛抗磨科技材料有限公司合作的磨球热处理生产线及北京京奥泰尔公司与有关企业研发的分级淬火生产线等。

( 4 ) ADI毛坯质量及其稳定性得到稳步提升

ADI的制备主要由球墨铸铁坯件的生产、热处理和机加工三个环节组成，而提供健全、质量稳定的球墨铸铁毛坯件是制备ADI的基础。近年来，由于我国在球墨铸铁生产技术上取得了较大的进步，球墨铸铁的内在质量和质量稳定性均得到了大幅度的提升，具体表现在以下4个方面：

① 原、辅材料的供应和质量有了很大的改善，特别是高纯生铁的使用，提高了球墨铸铁材质的塑（韧）性指标；

② 发展和改善了各种球化和孕育处理技术，如盖包法、喂线法处理等，并得到不断的推广和应用，还有富镧球化剂和高钡钙孕育剂的研发与使用，使石墨球的圆整度、大小及数量等得到了有效的控制；

③ 生产工序的严格控制，使球墨铸铁质量的稳定性提高；

④ 超声波、表面磁粉及射线探伤等无损检测技术的应用，特别是在批量生产时实行在线检测，保证了每一件产品的质量。球墨铸铁生产技术的进步，显著地提升了ADI毛坯件的内在质量及质量稳定性。

( 5 ) 应用面的扩大

实现轻量化的重型卡车ADI零部件、新能源汽车ADI零部件及ADI抗（耐）磨零部件等的开发有了新的进展，ADI抗（耐）磨零部件主要用于农机具、煤机、工程机械斗齿及渣浆泵等零部件的制造。

3、ADI 件生产案例

( 1 ) 重型汽车后桥板簧座的生产

山东省青岛市某铸造公司主要生产重型汽车后桥板簧座ADI铸件，牌号相当于德国铸造标准化委员会“DIN EN 1564-1977 EN-GJS-1200-2”，DIN EN 1564-1977 EN-GJS-1200-2 要求：抗拉强度为1200MPa，屈服强度为850MPa，布氏硬度为340～440HB，伸长率≥ 2%；化学成分（质量分数）控制范围：C含量为3.4%～3.6%，Si含量为2.4%～2.6%，Mn含量≤0.3%、P含量≤0.035%，S含量≤0.015%；铸件毛坯的基体组织以铁素体为主，球化率1～2 级，石墨大小5～7级，石墨球数大于150个/mm2。

( 2 ) ADI防护支座产品的开发与应用

湖北十堰东风商用车有限公司最初将ADI材料主要应用于军车底盘产品。近年来，则开始在东风商用车上推广应用。早期主要是利用 ADI件的耐磨性，应用于导向座、滑板之类产品，产量一直不多。直到2015年，开发了一系列的防护支座零件，产量才实现了质的突破，年产量约2000t。

( 3 ) CADI农机具的开发

第一拖拉机股份有限公司通过添加适量的铬、钼、钒及镍等元素，显著地提高了CADI犁铧尖铸件的耐磨性，并已达到批量生产。

( 4 ) ADI在汽车钢板弹簧座上的应用

采用推送式等温淬火生产线，可以制备材料牌号为QTD1050-700-6的载重工程车用汽车钢板弹簧座ADI铸件。化学成分（质量分数）范围要求：C含量为3.5%～3.7%，Si含量为2.5%～2.7%，Mn含量为0.2%～0.5%，Cu含量为0.4%～0.6%，Mo含量为0.2%，S含量≤0.02%，P含量≤0.06%。铸件各项性能稳定达到：抗拉强度1100MPa以上，伸长率为10%以上，硬度为310～380HBW。

( 5 ) ADI拔叉的生产

黑龙江齐齐哈尔第一机床厂生产的某拨叉铸件有5种，每种每年仅需5000件，批量较小。采用的等温淬火介质为50%KNO3+50%NaNO3。等温淬火工艺：奥氏体化温度900℃，保温时间75min；等温淬火温度300～350℃，保温时间 60min。

生产的拔叉铸件的铸态组织中球径大小为16～60μm，球化率≥85%，基体组织为铁素体+珠光体。

淬火后的基体为致密的奥铁体+20% 残留奥氏体的组织。淬火后单铸试样的抗拉强度为1050MPa，屈服强度为750MPa，伸长率达到7%，硬度为302～375HB（内控标准为308～367HB），室温下铸件本体的冲击吸收功为60J，致密度达到3级以上，均满足客户所提出的验收标准。

( 6 ) 特种越野卡车系列高强度球墨铸铁铸件的生产[12]吉林长春一汽铸造有限公司生产的特种越野卡车的左/右齿轮壳、左/右齿轮壳盖等4种铸件设计均为等温淬火球墨铸铁材质，材料选择的牌号为DQT800-10。铸件的化学成分（质量分数）：C含量为3.72%，Si含量为2.67%，Mn含量为0.36%，P含量 为0.022%，S含量≤0.005%，Re含量为0.016%，Mg含量为0.045%，适量的Cu和Mo。

采用的等温淬火工艺：奥氏体化温度850℃，保温时间为90min；等温淬火温度为392℃，保温时间为90min。生产的轮边减速器壳/盖铸件的抗拉强度达885MPa，伸长率为15%，硬度为270HB，性能指标完全达到牌号要求。

( 7 ) 水平连铸球墨铸铁 LZQT500-7 等温淬火工艺的优化研究

水平连铸球墨铸铁型材具备组织致密、晶粒细小及弹性模数好等特点，其优良的力学性能和高的质量稳定性完全可以满足ADI坯件的生产要求，是开发ADI系列产品的基材之一，甚至无需添加Cu和Mo等合金化元素亦可获得ADI组织。奥氏体化温度是等温淬火过程形成残留奥氏体的首要因素，等温淬火温度是影响 ADI材质抗拉强度的显著性因素，等温淬火温度和等温淬火时间是影响伸长率的主要参数。

( 8 ) 部分企业近年来 ADI 材料的生产状况

① 宁国市华丰耐磨材料有限公司，采用1.5t钢壳中频炉熔炼铁液，选用喂丝法进行球化和孕育处理，铸型为铁模或铁型覆砂型。采用连续推杆式淬火生产线和回火生产线对球墨铸铁进行等温淬火处理，淬火介质为淬火油。主要产品是用于矿山湿法磨中的两种 CADI磨球，其规格为ø40～150mm，单重为0.26～13.5kg。在生产过程中发现，等温淬火ADI的性能低于铸态CADI。

② 扬州五亭桥缸套有限公司，采用6tABP中频熔化炉熔炼铁液，选用冲入法进行球化处理。铸造工艺为离心铸造，采用硝盐对球墨铸铁进行等温淬火处理。主要产品为用于内燃机中的两种不同规格的气缸套：一种气缸套是采用低硼铜合金化，规格为 ø127mm×275mm，单重为10kg，主要壁厚为15mm，年需求量为1000t；另一种气缸套是采用铬钼铜合金化，规格为ø210mm×380mm，单重为42kg，主要壁厚为22mm。生产过程发现等温淬火ADI性能不及铸态贝氏体球铁。

③ 福建金山耐磨材料有限公司采用1.5t中频电炉熔炼铁液，选用喂丝法进行球化孕育处理，树脂砂造型，采用硝盐对球墨铸铁进行等温淬火处理。主要产品是用于选矿的单重8.6kg的ø130mmADI磨球。

从上述ADI件生产及应用情况分析，最近一年，我国的ADI件产量仍与往年持平，在15t左右，企业产量普遍偏小，在1000～12000t之间，产品种类、产量和应用范围有待于进一步扩展，仍需要加大相关基础研究和新产品研发及投资力度，加速新成果推广进程，进一步推动我国ADI产业快速发展。

4、结束语

将产品的轻量化作为工程材料可持续发展的重要方向已经成为装备制造业领域的共识。ADI材料因其高的比强度和优异的综合性能，为我国机械装备轻量化提供了一个好的机遇。作为铸造生产大国，应抓住这个机遇，大力设计和开发ADI新产品，为促进我国制造业的发展贡献力量。迄今，ADI材料已在我国汽车工业和耐磨材料领域得到了广泛认可和生产应用，不久，我国ADI材料的应用领域将不断扩大，产品的多样化及需求量将得到大幅度的提升。

     （来源：铸造工程）