CN103103435B - 一种具有trip效应的球墨铸铁的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有TRIP效应的球墨铸铁及其制备工艺，该具有TRIP效应的球墨铸铁制备工艺，可以生产抗拉强度大于700MPa、延伸率8%，强塑积大于6000MPa％的球墨铸铁件。铸件组织为铁素体基体＋贝氏体＋残余奥氏体＋少量马氏体＋石墨的复相组织，软的铁素体基体为整个铸件贡献了良好的塑性，硬的贝氏体相错综盘结的分布在铁素体基体中充当骨架提高了铸件强度，少量分散的马氏体是组织中最硬相，起到提高铸件强度作用，另外少量的残余奥氏体不仅提高了铸件塑性，同时可在室温下产生TRIP效应，因此该种具有TRIP效应的球墨铸铁比普通等温淬火球墨铸铁的综合性能更好，在提高了强度的同时提升了铸件塑性，强塑积更高。

Description

一种具有TRIP效应的球墨铸铁的制备工艺

技术领域

本技术涉及到具有TRIP效应的球墨铸铁的制备工艺，其主要涉及到制备一种高强度、高刚度及高强塑积球墨铸铁件，将高温退火后获得完全铁素体＋石墨的球墨铸铁经奥氏体铁素体临界区保温后分级等温淬火以获得铁素体基体＋贝氏体＋残余奥氏体＋少量马氏体＋石墨的复相组织，具备良好的强度、硬度及高延伸率。

背景技术

20世纪五十年代球墨铸铁（Ductile Iron，简称DI）的出现使得铸铁材料的综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，已成功地用于铸造受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的汽车零部件，因其组织中有近10%左右的石墨，故同一体积的零件比锻钢件要大约轻10%。20世纪70年代末期中国、芬兰Kymi Kymmene公司和美国的通用汽车公司研究相继研制成功贝氏体球墨铸铁。贝氏体球墨铸铁是将球墨铸铁铸件经过奥氏体等温淬火热处理，获得以贝氏体为主的基体组织，获得很高的强度，所以这种奥氏体等温淬火贝氏体球墨铸铁ADI(Austempered Ductile Iron)是一种高强度的球墨铸铁。由于基体组织中除贝氏体外，还存在一定数量的奥氏体，因此又称为奥氏体－贝氏体球墨铸铁，简称奥贝球铁。

ADI在同等伸长率情况下的抗拉强度是普通球铁的两倍，而在同等抗拉强度情况下，ADI的伸长率是普通球铁两倍以上，ADI的抗拉强度也优于调质处理的碳钢，与低合金钢相当。ADI抗拉强度可以达到800～1600 MPa，伸长率最高可达10%以上。根据欧美牌号，等温淬火球墨铸铁的强度与高强度或超高强度钢相当。美国通用汽车公司于采用等温淬火贝氏体球墨铸铁代替锻钢制作Pontiac轿车的后桥曲线齿锥齿轮副，年生产量达100万副，由此可见ADI优异的性能。

ADI的疲劳强度比一般球墨铸铁高50％，ADI的旋转弯曲疲劳强度可达400~500Mpa，与调质处理低合金钢相当；ADI的接触疲劳强度可达1600～2100Mpa，比低合金钢氮化处理的接触疲劳强度高。因为企组织中存在一定数量的石墨球，降低了材料的缺口敏感性。ADI缺口系数为1.2～1.6，而一般锻钢的敏感系数为2.2～2.4)，因此ADI缺口敏感性低于锻钢。

ADI由于弹性模量低，加上基体中存在石墨球，能迅速吸收震动并增大了噪声阻尼，使部件的运行更安静和平稳。故等淬球铁零件工作时噪声小，这种特性对汽车及其它各种运转的机器十分有利。与锻钢相比较，制作相同强度级别零件，采用ADI的成本低。每公斤等淬球铁比其竞争对手(锻钢、铝铸件)要低。如果以屈服强度单位强度的成本计算，等淬球铁是最便宜的材料。

等温淬火球墨铸铁的生产工艺流程如下：包括熔炼、球化处理、浇注、清理和热处理等工序。其中关键的工艺技术如下：

（1）合理的成分设计

一般等温淬火球墨铸铁采用三高两低的化学成分，即高碳、高硅、高碳当量、低硫、低锰。高碳量可以提高奥氏体的稳定性，高硅可以提高抑制碳化物形成的能力，从而在等温时形成无碳化物贝氏体。

为了保证获得足够的淬透性，防止基体组织中产生珠光体，还必须加入适量合计元素，如Mo、Ni和铜等，这些合金元素的加入量与零件的大小有关，尺寸越大的零件需要的合金元素越多，势必增加生产成本。

为了保证获得良好的球化处理效果，要求等温淬火球墨铸铁中含反石墨化的杂质元素所进可能少。

（2）良好的球化处理工艺

球化处理时在铸铁凝固是加入球化剂，使铸铁凝固时石墨以形式析出。凝固析出的石墨越圆整、分布越均匀，即球化效果越好，得到的球铁的性能越好。因此要获得高性能的等温淬火球墨铸铁，必须保证良好的球化处理工艺，特别是对于厚大断面的零件，球化处理更为关键。

（3）等温淬火工艺的精确控制

等温淬火是将零件加热到奥氏体化温度，一般铸铁为840～950℃，保温一段时间后淬入300～400℃熔盐中等温一段时间，使零件在600～700℃珠光体转变的温度范围内尽可能快速冷却，躲过C曲线鼻子尖，避免珠光体转变，获得以贝氏体为主的基体组织。精确控制等温淬火工艺是ADI生产的关键技术之一。

等温淬火过程的相变分为两个阶段：一、高温奥氏体分解为铁素体和高碳稳定奥氏体，如果等温淬火时间足够长就会发生下一个阶段。二、在第一阶段相变结束后，若继续保温则高碳稳定奥氏体分解为铁素体和碳（通常是渗碳体），然而这里的碳化物是引起材料开裂的多余相，所以制定等淬工艺需避免碳化物的出现。若第一阶段没有进行完全，在冷却到室温后也可能得到马氏体组织。

为了节能，人们希望选用密度与抗拉强度的比值较低的材料。材料轻而坚固，能满足产品轻量化的要求。通过对比ADI的比值低于或等于20CrMnTi调质钢和高强度铝合金。

发明内容

本发明的目的在于利用临界区奥氏体化与分级等温淬火相结合的方法，生产铁素体基体＋贝氏体＋残余奥氏体＋少量马氏体＋石墨组织ADI。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种具有TRIP效应的球墨铸铁的制备工艺，该工艺适用于的球墨铸铁合金化学质量百分比如下：

C   1.5～3.6% ;

Si   2.0～2.8% ;

Mn  0.1～2.5% ;

P    ≤0.05% ;

S    ≤0.02%;

Mg  ≤0.05%;

其余为Fe和不可避免的杂质；

其具体步骤如下：

1）球墨铸铁铸造，按上述化学成分质量百分比称取原料，冶炼、球化处理、铸造；

2）将上述步骤制备得到的铸铁经930℃～1100℃加热，保温2～4小时均热后随炉冷却，得到铁素体球墨铸铁；

3）铁素体球墨铸铁临界区奥氏体化，将2）中铁素体球墨铸铁在A_c1 ~ A_c3之间根据目标组织选择奥氏体化温度，保温时间30min~120min；

4）奥氏体化后的球墨铸随炉缓慢冷却至A_c1+5℃继续保温5min，以40℃/S的冷却速度迅速降温到贝氏体区较低温度200~230℃，保温10~30min，随后再以5℃/S的加热速度升到贝氏体区较高温度250~450℃保温60～120min，最后空冷，即得到具有TRIP效应的球墨铸铁。

将铁素体球墨铸铁在临界区奥氏体化后分级等温淬火是本发明在保证ADI优异性能的前提下，提高其塑性的主要特征。

临界区退火温度是保证ADI最终拥有复相组织并获得良好韧性的最关键工艺参数，通过调整临界温度可以获得不同体积分数的铁素体相，最终的ADI组织中铁素体含量越高，则韧性越好。常规ADI材料硬度一般在HRC40~50之间，通过本专利的工艺可获得硬度从HRC19~49范围的具有TRIP效应的ADI组织。以往的等温淬火工艺只能获得高碳稳定奥氏体和贝氏铁素体组织，这种组织在获得高的抗拉强度的同时牺牲了韧性，因此应用领域受到限制。高强ADI一般用于耐磨领域，若要将ADI应用在汽车零件中必须在保证高强度的同时拥有高的韧性。因此本发明中，采用两个关键工艺，临界区退火与低温分级等温淬火工艺，不但保留了含碳量较高的先共析铁素体还能获得一定量的新生铁素体，经分级等温淬火后获得组织更细的贝氏体铁素体，通过软相和硬相的结合使材料最终获得了较高强度和较高的韧性。

在随炉缓冷的过程中由于新铁素体相生成，改善了因后续等温淬火时贝氏体相集中在先共析铁素体晶界这一弊端，提高了材料的最终强度。如无缓冷过程，则得到的组织中硬相贝氏体基本集中在铁素体晶界，这对材料的性能是及其不利的。

分级等温淬火时，先淬火至贝氏体相变温度下限，由于这时相变形核是在极高的过冷的下进行，动力学驱动力达到最大，有利于新相的形核。在等温淬火开始保温的这段时间，大量的贝氏体相核心生成，在随后的稍高温度区保温时由于晶核生长所需过冷度更小，因此几乎所有晶核同时快速生长，这样可使得最终组织中的贝氏体组织更细小，强度更高。

本发明的有益效果：

1)      具备优异的综合力学性能。本发明涉及到的球墨铸铁的抗拉强度为700～850Mpa，延伸率≥8%。

2)      操作可行，设备简单。本发明都采用常规的冶炼和球化技术，而且热处理工艺控制简易可行，目前等温淬火设备多且规格众多，可以进行工业化大生产。

3)      应用前景广泛。本发明制备出的ADI，因其强度高、延伸率大，将其应用在汽车发动机或连接件、支撑件上，前景可观。

4)      可实现汽车零件轻量化、有利汽车节能减排。与常规ADI相比，在提高强度的同时延伸率不降反升，用作连接件和支撑件安全性更高。用以制作汽车零件时，与普通铸铁相比可减小零件壁厚，通过优化零件结构能实现汽车零件大幅度减重。

附图说明：

图1为本发明热处理工艺示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方做进一步说明。

根据表1所给出的化学成分，经球化、孕育处理后铸造成坯，机加工去除表面后进行热处理。

表1为各成分的质量百分数

表1

编号	C	Si	Mn	S	P	Mg	余量
								1	3.42	2.5	0.18	0.016	0.041	0.047	Fe和不可避免杂质

铸造球磨铸铁经980℃保温四小时后随炉冷却，获得铁素体＋石墨组织球铁。随后入加热炉835℃保温30min，缓慢随炉冷却至805℃保温5min，以40℃/S的冷却速度迅速分别降温至200℃、210℃.、220℃和230℃保温5min，再以5℃/S的加热速度升温分别至280℃、300℃、350℃和450℃，保温2h，空冷。

本发明采用了四种不同的两相区奥氏体化温度，835℃、830℃、825℃和820℃，不同工艺参数所对应的组织及硬度如表2所示：

表2为 主要工艺参数对应的主要组织含量及硬度

表2

Claims (1)

1. 一种具有TRIP效应的球墨铸铁的制备工艺，该工艺适用于的球墨铸铁合金化学质量百分比如下：

C   1.5～3.6%；

Si   2.0～2.8% ；

Mn  0.1～2.5%；

P    ≤0.05%；

S    ≤0.02%；

Mg  ≤0.05%；

其余为Fe和不可避免的杂质，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤1：球墨铸铁铸造，按照化学成分质量百分比称取原料，进行冶炼、球化处理、铸造；

步骤2：将:步骤1制备得到的铸铁经930℃～1100℃加热，保温2～4小时均热后随炉冷却，得到铁素体球墨铸铁；

步骤3：铁素体球墨铸铁临界区奥氏体化，将步骤2得到的铁素体球墨铸铁在A_c1 ~ A_c3之间根据目标组织选择奥氏体化温度，保温时间30min~120min；

步骤4：奥氏体化后的球墨铸随炉缓慢冷却至A_c1+5℃继续保温5min，再迅速降温到贝氏体区较低温度200~230℃保温10~30min，随后快冷到贝氏体区较高温度250~450℃保温60～120min，最后空冷。