专利名称：一种贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种贝氏体球墨铸铁淬火工艺，尤其涉及一种利用水为淬火介质的贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺。
背景技术：
贝氏体球墨铸铁具有强度、塑性和韧性都很高的综合力学性能，它显著地优于球光体一铁素体球墨铸铁，也优于经调质热处理的球墨铸铁。例如，它的抗拉强度达1000Mpa，伸长率可达10％。特别是这种铸铁具有很高的弯曲疲劳强度和良好的耐磨性。因此等温淬火贝氏体球墨铸铁的出现被誉为是近40年来铸铁冶金方面的重大成就之一。但目前常用的等温淬火贝氏体球墨铸铁工艺存在下述问题1、目前主要发展的是盐浴等温淬火，由于盐浴冷却能力低，当铸件壁厚大于10mm进行等温淬火处理时，须加入合金元素(镍、铜、钼等)提高淬透性，以确保顺利地进行淬火。因此会造成生产成本的增加，铸造工艺的复杂化以及不利于机加工等弊端。
2、盐浴淬火介质普遍采用的是混合硝酸盐(NaNo3、NaNo2、KNo3等)。在工作过程中硝酸盐受热挥发出的气体，以及硝酸盐熔融液体均是有毒的，严重危害操作人员的身体健康并污染环境，同时生产量也受到限制、成本增加。
3、铸态连续冷却贝氏体球墨铸铁，同样会遇到随着合金元素量的增加，造成铸造工艺复杂、成本增加等问题。
这些工艺中的不足导致等温淬火贝氏体球墨铸铁的产量受限，成本增加，无法满足国内市场的需要。
发明内容
本发明就是为了解决目前等温淬火贝氏体球墨铸铁工艺中采用盐浴不利加工，还会造成污染，加入合金元素后使成本增加的问题，提供一种采用水做为介质的加工工艺，具有无污染，所得产品组织、性能可以控制，质量可靠等优点。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案一种贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺，它采用水做为淬火介质，分为快冷-等温两段式操作，其具体工艺步骤如下，a.将球墨铸铁加热到奥氏体区并均匀化，保温1-2小时；b.冷却，即将球墨铸铁迅速放入水中，控制水温和工件在水中停留时间，使工件冷却至上贝氏体区或下贝氏体区附近；c.等温，将冷却好的工件移至等温炉中进行等温，完成贝氏体转变，并通过控制工件在炉中的停留时间，控制贝氏体的转变数量；d.将等温好的工件出炉，冷却即可。
所述步骤a中，加热温度在800-1000℃。
所述步骤a中，加热温度在880-920℃；其中铸态球墨铸铁中的珠光体数量大于80％时，加热温度为880℃；珠光体数量小于60％时，加热温度为900-920℃。
所述步骤b中，水温在0-100℃，即在马氏体点以上使用水冷，使工件快速通过了铸铁C曲线鼻尖处，到达贝氏体转变区，通过控制工件在水中的停留时间获得上贝氏体组织或下贝氏体组织。
所述步骤b中，水温在20-80℃。
所述步骤b中，与一定规格尺寸工件相对应，其在水中停留时间按公式S＝S0+n计算，其中S为目前使用水温条件下需停留的时间；S0为20℃水温需停留的时间；n＝(T-T0/t)×n0，其中，T为当前水温，T0为20℃，t为温升，n0为每升高10℃时的停留时间增加秒数，按此公式可确定获得上贝氏体或下贝氏体组织时需要的冷却时间。
所述步骤c中，采用的等温炉为箱式炉或回火炉，对于上贝氏体组织等温温度在350-320℃；对于下贝氏体组织等温温度为280-260℃；停留时间根据工件大小及质量要求在40-90分钟。
所述步骤d中，采用空冷或水冷方式进行冷却，所得上贝氏体组织硬度在34-37HRc，所得下贝氏体组织硬度在37-45HRc。
本发明从热处理工艺上进行了改进，采用了来源广泛，价格低廉，物理、化学性能稳定、无污染的水做为淬火介质。水的特点是高温区、低温区冷却能力都比较强，特别是低温区，当温度在300℃以下时，具有最大的冷却速度，接近马氏体转变点，如果在水中完成马氏体转变，会造成较大的组织应力和热应力，容易造成工件的变形和开裂。为此本发明在马氏体点以上使用水冷却，组织转变不在水中完成，而是在等温炉中完成。也就是说利用水在高温区冷却能力相对较强的优点，使工件快速通过铸铁C曲线的鼻尖处，到达贝氏体转变区。回避了水在低温区冷却能力太强，易变形开裂的缺点。贝氏体的转变在等温炉中完成，由于转变缓和、组织应力很小，并缓解了热应力，因此变形、开裂倾向很小。此外工件在高温区冷却比较快，由于没有组织转变，没有组织应力，只有热应力，开裂的危险很小。本发明的优点为1.消除了添加合金元素对贝氏体球铁工艺性能和机械性能的不利作用，降低了成本。现有工艺中添加的合金元素，如铜、镍、钼等，这些元素的加入，会对铸铁中球墨体的形成造成破坏，从而影响铸铁的机械性能和工艺性能；2.采用了水为介质，利用了水的温度变化，其冷却能力变化大的特点，使工艺的可操作性、稳定性增加，同时也消除了污染，减少了对人体的伤害；破除了现有工艺中将水介质视为禁区的问题，充分利用了水的物理化学性能，替代了盐浴；3.热处理过程采用了快冷-等温二段式操作，组织转变不是在冷却介质中完成，而是在更为缓和的空气中等温条件下完成，得到的是C曲线中间阶段的贝氏体组织，由于是采用球墨铸铁，其中的石墨球使传热减慢，工艺操作更易掌握；4.解决了目前盐浴池的容积有限，工件的尺寸、产量受到很大限制的问题，提高了生产效率。
具体实施例方式
本发明的贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺，它采用水做为淬火介质，分为快冷-等温两段式操作，其具体工艺步骤如下，a.将球铁加热到奥氏体区，并均匀化，保温1-2小时；加热温度在800-1000℃，其中铸态球铁中的珠光体大于80％时，加热温度为880℃；珠光体小于60％时，加热温度为900-920℃；b.冷却，即将球铁迅速水中，控制水温和工件在水中停留时间，使工件冷却至上贝氏体区或下贝氏体区附近；即水温在0-100℃间，进一步水温可选择在20-80℃，即在马氏体点以上使用水冷，使工件快速通过了铸铁C曲线鼻尖处，到达贝氏体转变区，通过控制工件在水中的停留时间获得上贝氏体组织或下贝氏体组织；工件在水中的停留时间按公式S＝S0+n计算，其中S为目前使用水温条件下需停留的时间；S0为20℃水温需停留的时间；n为(T-T0)/t×n0，其中T为实际水温，T0为20℃水温，并以此为基准，做为以后测量的依据。t为温升，例如可采用10℃，n0为停留时间增加秒数，它可是对应水温升高10℃时需增加的时间，按此公式可确定获得上贝氏体或下贝氏体组织时需要的冷却时间；例如，要得到下贝氏体时，在水温为80℃时，取20℃时n0为0.5秒，温升t为10℃，则n＝(80-20)/10×0.5＝3秒，S＝3+3＝6秒，即可得到下贝氏体组织。本发明在大量实验的基础上，通过观察得出了上述计算公式，它根据所生产的工件的尺寸范围内，建立起淬火水温与停留时间之间的关系，使本工艺可操作性增加，质量的稳定性增加。
例如a)工件尺寸小，欲获得上贝氏体+残余奥氏体基体，20℃水中需停留2秒钟，若担心操作有误，可提高水温，增加了在水中的停留时间，从容操作。b)工件尺寸大，需提高淬透性，可采用较低温度的水。c)如果在工作过程中，水温发生变化，可随之调整。特别在机械化生产中，可建立起水温与停留时间之间的关系。水温升高，停留时间相应增加，反之亦然。保证了工件在水中冷却至贝氏体区范围。
c.等温，将冷却好的工件移置等温炉中进行等温，完成贝氏体转变，并通过控制工件在炉中的停留时间，控制贝氏体的转变数量；等温炉采用箱式炉或回火炉，对于上贝氏体组织等温温度在350-320℃；对于下贝氏体组织等温温度为280-260℃；停留时间根据工件大小及质量要求在40-90分钟。
d.将等温好的工件出炉，采用空冷或水冷方式进行冷却，所得上贝氏体组织硬度在34-37HRc，所得下贝氏体组织硬度在37-45HRc。
对于水温、冷却时停留时间与组织硬度的关系，举例如下例120℃水温、停留时间与组织硬度之间的关系
例240℃水温，停留时间与组织硬度关系
例380℃水停留时间与组织硬度之间的关系
其中T-屈氏体，B上-上贝氏体，B下-下贝氏体，M-马氏体，A’-残余奥氏体。
上述表格中的数据是根据实验中的数据而来，在计算中可以20℃水温为准，从1.5-4秒间的数据做为S0，然后其余数据分别对应选取即可。
权利要求
1.一种贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺，其特征是它采用水做为淬火介质，分为快冷—等温两段式操作，其具体工艺步骤如下，a.将球墨铸铁加热到奥氏体区并均匀化，保温1-2小时；b.冷却，即将球墨铸铁迅速放入水中，控制水温和工件在水中停留时间，使工件冷却至上贝氏体区或下贝氏体区附近；c.等温，将冷却好的工件移至等温炉中进行等温，完成贝氏体转变，并通过控制工件在炉中的停留时间，控制贝氏体的转变数量；d.将等温好的工件出炉，冷却即可。
2.根据权利要求1所述的贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺，其特征是所述步骤a中，加热温度在800-1000℃。
3.根据权利要求1所述的贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺，其特征是所述步骤a中，加热温度在880-920℃；其中铸态球墨铸铁中的珠光体数量大于80％时，加热温度为880℃；珠光体数量小于60％时，加热温度为900-920℃。
4.根据权利要求1所述的贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺，其特征是所述步骤b中，水温在0-100℃，即在马氏体点以上使用水冷，使工件快速通过了铸铁C曲线鼻尖处，到达贝氏体转变区，通过控制工件在水中的停留时间获得上贝氏体组织或下贝氏体组织。
5.根据权利要求1所述的贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺，其特征是所述步骤b中，水温在20-80℃。
6.根据权利要求1或4所述的贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺，其特征是所述步骤b中，与一定规格尺寸工件相对应，其在水中停留时间按公式S＝S0+n计算，其中S为目前使用水温条件下需停留的时间；S0为20℃水温需停留的时间；n＝(T-T0/t)×n0，其中，T为当前水温，T0为20℃，t为温升，n0为每升高10℃时的停留时间增加秒数，按此公式可确定获得上贝氏体或下贝氏体组织时需要的冷却时间。
7.根据权利要求1所述的贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺，其特征是所述步骤c中，采用的等温炉为箱式炉或回火炉，对于上贝氏体组织等温温度在350-320℃；对于下贝氏体组织等温温度为280-260℃；停留时间根据工件大小及质量要求在40-90分钟。
8.根据权利要求1所述的贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺，其特征是所述步骤d中，采用空冷或水冷方式进行冷却，所得上贝氏体组织硬度在34-37HRc，所得下贝氏体组织硬度在37-45HRc。
全文摘要
本发明公开了一种贝氏体球墨铸铁等温淬火工艺。它解决了目前等温淬火贝氏体球墨铸铁工艺中采用盐浴不利加工，还会造成污染，加入合金元素后使成本增加的问题，采用水做为介质的加工工艺，具有无污染，所得产品组织、性能可以控制，质量可靠等优点。其工艺为a.将球墨铸铁加热到奥氏体区保温；b.在水中进行冷却；c.放入等温炉中冷却；d.等温好的工件出炉冷却即可。
文档编号C21D1/20GK1718768SQ20051004409
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月20日 优先权日2005年7月20日
发明者许爱民, 刘科高, 李成美, 管庭兰 申请人:山东建筑工程学院材料科学研究所