球墨铸铁强韧化热处理工艺

dhzhou8888

球墨铸铁强韧化热处理工艺
              周鼎华
- D1 B- |; X7 ]8 q( 无锡法福表面处理技术有限公司, 江苏 无锡 214145)
摘  要：介绍了球墨铸铁三类常用的强韧化热处理工艺，一是珠光体型强韧化热处理工艺，其中，一步加热快速正火工艺可以使球墨铸铁获得良好的强韧化效果；二是贝氏体型强韧化热处理工艺，是指将球墨铸铁进行等温淬火热处理，得到以针状铁素体和富碳奥氏体混合组织为主的球墨铸铁，称为等温淬火球墨铸铁，英文名Austempered Ductile Iron，简称ADI，该工艺有广阔的应用前景；三是BMP（贝氏体、马氏体和珠光体）复合强韧化热处理工艺，这是一种新工艺。结合生产实际应用作了说明。
关键词：球墨铸铁；强韧化工艺；ADI；BMP；应用
& n+ \' o# t) l7 ]' b4 yStrengthening-Toughening Heat Treatment Technology for Ductile Iron and Its Application
! S6 ~% o" @* d( d' h1 t  J) h/ g                     ZHOU Ding-hua
(Wuxi Fafu Techniques Surfaces Treatment Co., Ltd, Wuxi Jiangsu 214145,China)
Abstract: This paper examines three types of commonly used strengthening-toughening heat treatment technology for ductile iron. One is the pearlite type strengthening- toughening heat treatment technology and the one-step quick heating technology can improve the strengthening-toughening effect of the ductile iron. The second type is Bainite strengthening-toughening heat treatment technology, which describes the  isothermal quenching of the ductile iron to get the acicular ferrite and carbon-rich austenite of ductile iron with hybrid composition. This refers to Austempered Ductile Iron (ADI) and this technology has broad application prospects. The third type is BMP (Bainite, Martensite and Pearlite) compound strengthening-toughening heat treatment technology and this is a new technology. This paper describes the practical application in production.
Key words: Ductile iron; Strengthening-toughening process; ADI；BMP；Application
  
2 g0 }) ~$ y5 t" h6 }2 c3 [. r, O" F现代球墨铸铁是美国国际镍公司（INCO）青年科技人员麦里斯（K.D.Mills）于1943年4月12日首先用镍镁合金作球化剂而研究成功的。此后，INCO在保密状态下进行了五年系统的中间试验。1948年12月20日，INCO与Cooper-Bessemer公司签订了第一个技术转让合同，标志着现代球铁开始了工业化应用[1]。我国的球铁研究工作最早开始于1948年，1950年中国科学院上海冶金陶瓷所周仁研究员和清华大学王遵明教授分别在上海、抚顺进行试验，研究成功了球墨铸铁。1964年底，我国研制成功了符合国情的稀土镁球墨铸铁并在全国迅速推广，从而促进了球铁生产的大普及和大提高。2008年，我国球墨铸铁的产量已达800多万吨，占世界球墨铸铁产量的1/3以上。球铁件的产量及在铸件中的比例迅速增长。应当指出的是，没有球墨铸铁的强韧化热处理，就无法发挥球铁材料的潜力。球墨铸铁的强韧化热处理工艺有很多种，下面简要介绍珠光体型强韧化，贝氏体型强韧化和BMP（贝氏体、马氏体和珠光体）复合强韧化及其应用。

dhzhou8888

1 珠光体型强韧化工艺
) ^3 v# o7 a0 \0 `% s1.1 工艺介绍
    球墨铸铁的珠光体强化就是正火工艺。球铁件奥氏体化后，经过一段时间的保温，出炉后立即空气冷却，包括风冷和喷雾冷却，使基体转变为珠光体（pearlite，P）组织，达到提高硬度、强度和耐磨性的效果。众所周知，球墨铸铁是以铁、碳、硅三元素为主的合金，其共析转变有一个临界温度范围。这个范围是三相区，区内存在γ-Fe、α-Fe和G（石墨）。球墨铸铁由室温加热，开始出现奥氏体（γ-Fe）的温度叫加热时临界温度范围的下限（用 表示），全部转变为奥氏体或铁素体（α-Fe）最后消失的温度叫加热时临界温度的上限（用 表示）。球墨铸铁的高温完全奥氏体化正火是将工件加热到 +（30～50℃），保温一段时间，使基体全部转变为奥氏体并使奥氏体均匀化，而后空冷。正火加热温度一般为900～940℃，过高的温度不能增加珠光体数量，反而引起奥氏体晶粒粗大，使碳溶入奥氏体的数量过多，冷却时容易在晶界析出网状二次渗碳体，使球铁件的强度和韧性变差。增加正火的冷却速度，可以增加珠光体量。当奥氏体化温度高于 时，球墨铸铁的组织中会发生一系列的变化。奥氏体的平衡含碳量随温度上升而增加。奥氏体的增碳需要石墨碳的溶解和扩散，因此，奥氏体的含碳量也是随时间的延续而逐步达到该温度下的平衡数量的。提高加热速度和缩短保温时间，可以使奥氏体的实际含碳量低于该温度下的平衡含碳量，得到低碳奥氏体。如果加热速度很快，则原始组织将会影响奥氏体的实际含碳量。铁素体基体的球墨铸铁在 以上随炉升温中，吸收不多的碳量即可能转变为含碳量较低的奥氏体。珠光体基体的球墨铸铁，因其中碳的扩散距离较短，很容易转变为含碳量较高的奥氏体。奥氏体化温度、保温时间及加热速度，甚至原始组织的不同，都会影响奥氏体的实际含碳量，使奥氏体的实际含碳量在一个很广的范围内变化。奥氏体的含碳量对它在冷却时的转变过程和转变产物的性能有重要影响[2]。据此原理，出现了部分奥氏体化正火和不平衡状态快速正火，也就是低碳奥氏体化正火。这些工艺就是球墨铸铁的珠光体强韧化正火工艺，简称珠光体型强韧化工艺。

dhzhou8888

1.2 部分奥氏体化正火
1.3不平衡状态快速正火
2 贝氏体型强韧化工艺
1 v. O; [- R; B) E+ [贝氏体强韧化工艺是指将优质健全的球墨铸铁进行等温淬火热处理，得到以针状铁素体和富碳奥氏体混合组织为主的球墨铸铁，称为等温淬火球墨铸铁，英文名Austempered Ductile Iron，简称ADI。这种针状铁素体和富碳奥氏体混合组织，美国材料试验协会（ASTM）将它命名为奥铁体(Ausferrite)。关于等温淬火球铁组织的命名问题，我国曾经有很多种说法，我国的国家标准GB/T 24733-2009《等温淬火球墨铸铁件》采用了奥铁体(Ausferrite)的名称[5]。
7 J% E1 \/ V. {球墨铸铁等温淬火的过程实质上就是贝氏体相变的过程。球铁的等温淬火源于钢的等温淬火处理。1977年芬兰的M. Johansson宣布他们开发了一种性能优异的奥氏体-贝氏体球墨铸铁，并于1978 年在第45届国际铸造年会上宣读了论文，引起广泛重视。他们还在英美法德等13国申请了专利 。在此前后，美国通用汽车公司也用贝氏体-马氏体球铁制造汽车后桥螺旋伞齿轮。其实, 我国是最早研究和应用贝氏体球铁的国家。国内早就用普通球铁等温淬火生产下贝氏体球铁零件。由于信息闭塞, 等外国宣布获得专利时, 我国在此前已有多家工厂坚持用下贝氏体球铁生产310轴承、拖拉机齿轮和汽车用螺旋伞齿轮了。球铁下贝氏体等温淬火后, 组织中必然残留较多奥氏体, 所以我国生产的就是奥氏体-贝氏体球铁[6]。无锡柴油机厂从1965年开始把等温淬火球铁（ADI）用于柴油机凸轮轴，随着柴油机的不断强化，新机型的增加，至今仍有许多机型使用该材料的凸轮轴[7]。ADI作为一种工程材料正日益受到人们的关注。

dhzhou8888

3 BMP（贝氏体、马氏体和珠光体）复合强韧化热处理工艺
1 S3 K/ c: X& D# ~球墨铸铁的BMP复合强韧化热处理工艺是一种新工艺。该工艺最初是为球铁曲轴而开发的。优质的球铁曲轴应该具有高的强韧性，在超载时不断裂；同时，轴颈有很好的耐磨性，能有效地长期运行；最好表面形成压应力，有好的疲劳强度。为此，我们发明了球墨铸铁件一次加热深层强韧化复合处理工艺，简称BMP工艺[14,15,16]。
我们对曲轴进行BMP处理的材料是非合金球墨铸铁，连杆颈Φ65mm、轴颈Φ70mm。轴颈和连杆颈的表面硬度为40～50HRC，由表及里硬度逐渐降低。曲轴本体取样，抗拉强度Rm≥860MPa，断后伸长率A≥4%。对曲轴轴颈和过渡圆角处进行了应力测定，其表面平均压应力为400N/mm2，这有利于提高曲轴的疲劳强度。
* h# ~, l3 e, v( M我们随机抽取一组经BMP处理的曲轴进行了本体疲劳强度测试，曲轴在承受294,200N-cm弯矩下，循环次数重复地超过5×106，都没有断裂的迹象，因为未显示出静标位移。计算其对应的疲劳强度为174.6MPa，比报导的较高数据122.5MPa还要高出40%[14]。并且，这次试验尚未测得极限弯矩，估计会达到更高的水平，因而曲轴本体的疲劳强度应高于174.6MPa。
BMP曲轴装机后经过500h连续无故障强化试验，结果表明，曲轴不但能胜任超负荷运行，而且在试验结束后的拆检中，测量不出轴颈的磨损。
用户长期超载运行表明，BMP处理曲轴能够经得住可靠性和耐磨性的考验，说明这种曲轴保持最佳工作状态的期限较长，实现了强度、韧性和耐磨性的优化结合。
9 g; x3 E( ?; o! p0 l4 结语
- p. v& O* D: P! [3 C, @, f) T 美国著名的ADI专家 John R. Keough 关于球铁铸件质量对ADI质量的影响有过一段精辟透彻的论述：我们必须认识到，等温淬火的工艺能把一个好的球铁件变得更卓越，但它却不能把一个劣质的球铁件变好，ADI需要稳定的、高质量的球铁铸件。我们对这句话的理解没有难度，球墨铸铁件通过热处理可以获得高强度和高韧性的性能，其基础是优质的球铁铸件。何谓优质铸件？优质球墨铸铁件的定义[17]：石墨球数＞100个/mm2；球化率＞90%；碳化物和夹杂物＜0.5%；显微缩松和缩孔＜1%；稳定的珠光体/铁素体比例；稳定的化学成分。近年来，我国的球铁产量、原材料的质量、生产技术和装备水平、检测技术与仪器、管理水平等都取得了较大的发展，但具备或者通过努力能够稳定生产优质球铁件的生产企业并不多，这是现状。因此，根据零件的服役条件，对不同的球墨铸铁进行不同的强韧化热处理就显得非常重要。我们的目标是清楚的，就是把好的球铁件，通过热处理，使其变得更加卓越。

合金钢

回复 4# dhzhou8888
2 P% t/ ?( O0 o, E  a+ P

/ Z  y. R+ X) S! J    对铸铁的热处理有无论是理论还是实践，都有着非常深奥的领域空间，但一般对此接触不多，在这里只是学习了。

dhzhou8888

回复 5# 合金钢
) ~) X' Z1 u/ k1 k您客气了，我们互相交流吧。我虽然在企业搞球铁热处理有几十年的时间，但没有条件进行深入的理论研究，而近十年又主要是搞表面处理，所以对有些问题的理解尚属肤浅。

合金钢

回复 6# dhzhou8888


5 f+ W# O2 p; V& h8 r2 e    我记得上学的时候老师说过这样的话，铸钢就象海棉一样，你可以调整它基体的碳含量，而且可以改变它的石墨分布状态，以达到各种目的。对它的研究是非常深奥的。可惜工作后，对它的接触很少，没有深入研究。希望在这里同大家交流学习啦。

浇注陶瓷管

回复 7# 合金钢


    合金钢师傅目前在哪呢？我做陶瓷管的 交个朋友  13957243133