專利名稱：一種具有trip效應的球墨鑄鐵的制備工藝的制作方法
技術領域：
本技術涉及到具有TRIP效應的球墨鑄鐵的制備工藝，其主要涉及到制備一種高強度、高剛度及高強塑積球墨鑄鐵件，將高溫退火后獲得完全鐵素體+石墨的球墨鑄鐵經奧氏體鐵素體臨界區(qū)保溫后分級等溫淬火以獲得鐵素體基體+貝氏體+殘余奧氏體+少量馬氏體+石墨的復相組織，具備良好的強度、硬度及高延伸率。
背景技術：
20世紀五十年代球墨鑄鐵(Ductile Iron,簡稱DI)的出現(xiàn)使得鑄鐵材料的綜合性能接近于鋼，正是基于其優(yōu)異的性能，已成功地用于鑄造受力復雜，強度、韌性、耐磨性要求較高的汽車零部件，因其組織中有近10%左右的石墨，故同一體積的零件比鍛鋼件要大約輕10%。20世紀70年代末期中國、芬蘭Kymi Kymmene公司和美國的通用汽車公司研究相繼研制成功貝氏體球墨鑄鐵。貝氏體球墨鑄鐵是將球墨鑄鐵鑄件經過奧氏體等溫淬火熱處理，獲得以貝氏體為主的基體組織，獲得很高的強度，所以這種奧氏體等溫淬火貝氏體球墨鑄鐵ADI (Austempered Ductile Iron)是一種高強度的球墨鑄鐵。由于基體組織中除貝氏體外，還存在一定數(shù)量的奧氏體，因此又稱為奧氏體一貝氏體球墨鑄鐵，簡稱奧貝球鐵。ADI在同等伸長率情況下的抗拉強度是普通球鐵的兩倍，而在同等抗拉強度情況下，ADI的伸長率是普通球鐵兩倍以上，ADI的抗拉強度也優(yōu)于調質處理的碳鋼，與低合金鋼相當。ADI抗拉強度可以達到800 1600 MPa，伸長率最高可達10%以上。根據(jù)歐美牌號，等溫淬火球墨鑄鐵的強度與高強度或超高強度鋼相當。美國通用汽車公司于采用等溫淬火貝氏體球墨鑄鐵代替鍛鋼制作Pontiac轎車的后橋曲線齒錐齒輪副，年生產量達100萬副，由此可見ADI優(yōu)異的性能。ADI的疲勞強度比一般球墨鑄鐵高50 %, ADI的旋轉彎曲疲勞強度可達40(T500Mpa，與調質處理低合金鋼相當；ADI的接觸疲勞強度可達1600 2100Mpa，比低合金鋼氮化處理的接觸疲勞強度高。因為企組織中存在一定數(shù)量的石墨球，降低了材料的缺口敏感性。ADI缺口系數(shù)為1.2 1.6，而一般鍛鋼的敏感系數(shù)為2.2 2.4)，因此ADI缺口敏感性低于鍛鋼。ADI由于彈性模量低，加上基體中存在石墨球，能迅速吸收震動并增大了噪聲阻尼，使部件的運行更安靜和平穩(wěn)。故等淬球鐵零件工作時噪聲小，這種特性對汽車及其它各種運轉的機器十分有利。與鍛鋼相比較，制作相同強度級別零件，采用ADI的成本低。每公斤等淬球鐵比其競爭對手(鍛鋼、鋁鑄件)要低。如果以屈服強度單位強度的成本計算，等淬球鐵是最便宜的材料。等溫淬火球墨鑄鐵的生產工藝流程如下:包括熔煉、球化處理、澆注、清理和熱處理等工序。其中關鍵的工藝技術如下: (1)合理的成分設計
一般等溫淬火球墨鑄鐵采用三高兩低的化學成分，即高碳、高硅、高碳當量、低硫、低猛。聞碳量可以提聞奧氏體的穩(wěn)定性，聞娃可以提聞抑制碳化物形成的能力，從而在等溫時形成無碳化物貝氏體。為了保證獲得足夠的淬透性，防止基體組織中產生珠光體，還必須加入適量合計元素，如Mo、Ni和銅等，這些合金元素的加入量與零件的大小有關，尺寸越大的零件需要的合金元素越多，勢必增加生產成本。為了保證獲得良好的球化處理效果，要求等溫淬火球墨鑄鐵中含反石墨化的雜質元素所進可能少。(2)良好的球化處理工藝
球化處理時在鑄鐵凝固是加入球化劑，使鑄鐵凝固時石墨以形式析出。凝固析出的石墨越圓整、分布越均勻，即球化效果越好，得到的球鐵的性能越好。因此要獲得高性能的等溫淬火球墨鑄鐵，必須保證良好的球化處理工藝，特別是對于厚大斷面的零件，球化處理更為關鍵。(3)等溫淬火工藝的精確控制
等溫淬火是將零件加熱到奧氏體化溫度，一般鑄鐵為840 950°C，保溫一段時間后淬入300 400°C熔鹽中等溫一段時間，使零件在600 700°C珠光體轉變的溫度范圍內盡可能快速冷卻，躲過C曲線鼻子尖，避免珠光體轉變，獲得以貝氏體為主的基體組織。精確控制等溫淬火工藝是ADI生產的關鍵技術之一。等溫淬火過程的相變分為兩個階段:一、高溫奧氏體分解為鐵素體和高碳穩(wěn)定奧氏體，如果等溫淬火時間足夠長就會發(fā)生下一個階段。二、在第一階段相變結束后，若繼續(xù)保溫則高碳穩(wěn)定奧氏體分解為鐵素體和碳(通常是滲碳體)，然而這里的碳化物是引起材料開裂的多余相，所以制定等淬工藝需避免碳化物的出現(xiàn)。若第一階段沒有進行完全，在冷卻到室溫后也可能得到馬氏體組織。為了節(jié)能，人們希望選用密度與抗拉強度的比值較低的材料。材料輕而堅固，能滿足產品輕量化的要求。通過對比ADI的比值低于或等于20CrMnTi調質鋼和高強度鋁合金。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于利用臨界區(qū)奧氏體化與分級等溫淬火相結合的方法，生產鐵素體基體+貝氏體+殘余奧氏體+少量馬氏體+石墨組織ADI。為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是:一種具有TRIP效應的球墨鑄鐵的制備工藝，該工藝適用于的球墨鑄鐵合金化學質量百分比如下:
C 1.5 3.6% ;
Si 2.0 2.8% ;
Mn 0.1 2.5% ;
P ≤ 0.05% ;
S ^ 0.02%;
Mg ^ 0.05%;
其余為Fe和不可避免的雜質；
其具體步驟如下:
1)球墨鑄鐵鑄造，按上述化學成分質量百分比稱取原料，冶煉、球化處理、鑄造； 2)將上述步驟制備得到的鑄鐵經930°C 1100°C加熱，保溫2 4小時均熱后隨爐冷卻，得到鐵素體球墨鑄鐵；
3)鐵素體球墨鑄鐵臨界區(qū)奧氏體化，將2)中鐵素體球墨鑄鐵在AeiAc3之間根據(jù)目標組織選擇奧氏體化溫度，保溫時間30mirTl20min ；
4)奧氏體化后的球墨鑄隨爐緩慢冷卻至Ael+5°C繼續(xù)保溫5min，以40°C/S的冷卻速度迅速降溫到貝氏體區(qū)較低溫度20(T230°C，保溫l(T30min，隨后再以5°C /S的加熱速度升到貝氏體區(qū)較高溫度25(T450°C保溫60 120min，最后空冷，即得到具有TRIP效應的球墨鑄鐵。將鐵素體球墨鑄鐵在臨界區(qū)奧氏體化后分級等溫淬火是本發(fā)明在保證ADI優(yōu)異性能的前提下，提高其塑性的主要特征。臨界區(qū)退火溫度是保證ADI最終擁有復相組織并獲得良好韌性的最關鍵工藝參數(shù)，通過調整臨界溫度可以獲得不同體積分數(shù)的鐵素體相，最終的ADI組織中鐵素體含量越高，則韌性越好。常規(guī)ADI材料硬度一般在HRC4(T50之間，通過本專利的工藝可獲得硬度從HRC19 49范圍的具有TRIP效應的ADI組織。以往的等溫淬火工藝只能獲得高碳穩(wěn)定奧氏體和貝氏鐵素體組織，這種組織在獲得高的抗拉強度的同時犧牲了韌性，因此應用領域受到限制。高強ADI —般用于耐磨領域，若要將ADI應用在汽車零件中必須在保證高強度的同時擁有高的韌性。因此本發(fā)明中，采用兩個關鍵工藝，臨界區(qū)退火與低溫分級等溫淬火工藝，不但保留了含碳量較高的先共析鐵素體還能獲得一定量的新生鐵素體，經分級等溫淬火后獲得組織更細的貝氏體鐵素體，通過軟相和硬相的結合使材料最終獲得了較高強度和較高的韌性。在隨爐緩冷的過程中由于新鐵素體相生成，改善了因后續(xù)等溫淬火時貝氏體相集中在先共析鐵素體晶界這一弊端，提高了材料的最終強度。如無緩冷過程，則得到的組織中硬相貝氏體基本集 中在鐵素體晶界，這對材料的性能是及其不利的。分級等溫淬火時，先淬火至貝氏體相變溫度下限，由于這時相變形核是在極高的過冷的下進行，動力學驅動力達到最大，有利于新相的形核。在等溫淬火開始保溫的這段時間，大量的貝氏體相核心生成，在隨后的稍高溫度區(qū)保溫時由于晶核生長所需過冷度更小，因此幾乎所有晶核同時快速生長，這樣可使得最終組織中的貝氏體組織更細小，強度更高。本發(fā)明的有益效果:
I)具備優(yōu)異的綜合力學性能。本發(fā)明涉及到的球墨鑄鐵的抗拉強度為700
850Mpa，延伸率彡8%。2) 操作可行，設備簡單。本發(fā)明都采用常規(guī)的冶煉和球化技術，而且熱處理工藝控制簡易可行，目前等溫淬火設備多且規(guī)格眾多，可以進行工業(yè)化大生產。3) 應用前景廣泛。本發(fā)明制備出的ADI，因其強度高、延伸率大，將其應用在汽車發(fā)動機或連接件、支撐件上，前景可觀。4) 可實現(xiàn)汽車零件輕量化、有利汽車節(jié)能減排。與常規(guī)ADI相比，在提高強度的同時延伸率不降反升，用作連接件和支撐件安全性更高。用以制作汽車零件時，與普通鑄鐵相比可減小零件壁厚，通過優(yōu)化零件結構能實現(xiàn)汽車零件大幅度減重。


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圖1為本發(fā)明熱處理工藝示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發(fā)明的技術方做進一步說明。根據(jù)表I所給出的化學成分，經球化、孕育處理后鑄造成坯，機加工去除表面后進行熱處理。表I為各成分的質量百分數(shù)
權利要求
1.一種具有TRIP效應的球墨鑄鐵的制備工藝，該工藝適用于的球墨鑄鐵合金化學質量百分比如下:C 1.5 3.6% ；Si 2.0 2.8% ；Mn 0.1 2.5% ； P 彡 0.05% ； S 彡 0.02% ；Mg ( 0.05% ； 其余為Fe和不可避免的雜質，其特征在于，其包括如下步驟: 球墨鑄鐵鑄造，按照化學成分質量百分比稱取原料，進行冶煉、球化處理、鑄造； 將上述步驟制備得到的鑄鐵經930°C 1100°C加熱，保溫2 4小時均熱后隨爐冷卻，得到鐵素體球墨鑄鐵； 鐵素體球墨鑄鐵臨界區(qū)奧氏體化，將2)中鐵素體球墨鑄鐵在Aei Ac3之間根據(jù)目標組織選擇奧氏體化溫度，保溫時間30mirTl20min ； 奧氏體化后的球墨鑄隨爐緩慢冷卻`至Ael+5°C繼續(xù)保溫5min，再迅速降溫到貝氏體區(qū)較低溫度20(T230°C保溫l(T30min，隨后快冷到貝氏體區(qū)較高溫度25(T450°C保溫60 120min，最后空冷。
全文摘要
本發(fā)明一種具有TRIP效應的球墨鑄鐵及其制備工藝，該具有TRIP效應的球墨鑄鐵制備工藝，可以生產抗拉強度大于700MPa、延伸率8%，強塑積大于6000MPa％的球墨鑄鐵件。鑄件組織為鐵素體基體＋貝氏體＋殘余奧氏體＋少量馬氏體＋石墨的復相組織，軟的鐵素體基體為整個鑄件貢獻了良好的塑性，硬的貝氏體相錯綜盤結的分布在鐵素體基體中充當骨架提高了鑄件強度，少量分散的馬氏體是組織中最硬相，起到提高鑄件強度作用，另外少量的殘余奧氏體不僅提高了鑄件塑性，同時可在室溫下產生TRIP效應，因此該種具有TRIP效應的球墨鑄鐵比普通等溫淬火球墨鑄鐵的綜合性能更好，在提高了強度的同時提升了鑄件塑性，強塑積更高。
文檔編號C21D5/00GK103103435SQ201310024360
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權日2013年1月23日
發(fā)明者趙愛民, 何建國, 樊紅亮, 唐荻, 米振莉, 武會賓, 趙征志, 陳銀莉 申請人:北京科技大學