一种高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法专利检索-铁的冶金专利检索查询-专利查询网

一种高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法
申请号	CN202410254328.X	申请日	2024-03-06	公开(公告)号	CN117904406A	公开(公告)日	2024-04-19
申请人	黑龙江省科学院高技术研究院;			发明人	张煜; 郭二军; 王丽萍; 冯义成; 赵思聪; 宋美慧; 李艳春; 李岩; 薛文峰;
摘要	一种高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法，它涉及等温淬火制备球墨铸铁的方法。它是要解决现有的等温淬火球墨铸铁强度和韧性不能兼得，以及其阻尼性能偏低的问题。本方法：称取生铁、硅铁、45# 钢、中锰铁和铜作为原料，熔化后得到铁液，经球化处理和孕育处理后浇铸成型，对工件进行奥氏体化后，再进行两次等温淬火；得到高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁。本发明的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的抗拉强度为1350～1380MPa、屈服强度为1270～1300MPa、伸长率为7％～9％、冲击功为110～140J，阻尼值Q‑1为0.024～0.029。可制造传动件用于汽车制造领域。
权利要求	1.一种高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：一：按质量百分比称取73.6％～81.2％的生铁、2％～3％的硅铁、15％～21％的45#钢、 0.3％～0.4％的中锰铁和1.5％～2％铜作为原料，再将原料放入中频感应电炉中，以20～ 25℃/min的升温速率升温至1500～1600℃并保持3～4h，使全部原料熔化，得到铁液；二：在保持铁液温度为1500～1600℃的条件下，向铁液中加入球化剂进行球化处理；再在铁液温度为1500～1600℃的条件下，向铁液中加入孕育剂进行孕育处理，其中孕育剂共加入两次，第一次孕育剂的加入质量为铁液质量的1％～2％，第二次孕育剂加入量为铁液质量的0.2％～0.4％，最后浇铸成型，得到球墨铸铁工件；三：将步骤二得到的工件放在马弗炉中，在温度为900～1000℃的条件下保持90～ 100min进行奥氏体化；四：将步骤三得到的奥氏体化后的工件在温度为240～320℃的淬火介质中进行第一次等温淬火，淬火时间为5～25min；然后加入集渣剂进行扒渣；接着在温度为340～400℃的淬火介质中进行第二次等温淬火，淬火时间为30～90min，然后空冷至室温，得到高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁。 2.根据权利要求1所述的一种高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于，步骤二中所述的球化剂为低稀土球化剂。 3.根据权利要求1或2所述的一种高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于，步骤二中所述的球化剂的加入量为铁液质量的3％～4％。 4.根据权利要求1或2所述的一种高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于，步骤二中所述的球化处理是采用感应炉熔炼，利用冲入法或转包法进行。 5.根据权利要求1或2所述的一种高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于，步骤二中所述的孕育剂为75硅铁，75硅铁中各元素的质量分数如下：Si：75％～79％； Al：0.8％～1.6％；Mn：0.1％～0.5％；其余为Fe。 6.根据权利要求1或2所述的一种高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于，步骤二中所述的孕育剂的加入量为铁液质量的0.2％～0.4％。 7.根据权利要求1或2所述的一种高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法，其特征在于，步骤四中所涉及的淬火介质为无水淬火盐，无水淬火盐是按质量百分比由50％的KNO3和50％的NaNO2混合而成。
说明书全文	一种高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法技术领域 [0001] 本发明涉及等温淬火制备球墨铸铁的方法。背景技术 [0002] 随着汽车产业的不断发展，对汽车舒适度的要求越来越高。而舒适度在很大程度上决定于汽车的振动和噪声。因此，振动和噪声已成为评价汽车品质的重要指标。噪声是汽车构件振动所产生的声波叠加。因此，降低噪声的关键在于减振。研究表明，汽车噪音的30％源于变速箱，所以，如何降低变速箱噪音成为汽车减振降噪的重点之一。变速箱噪音主要取决于变速箱齿轮啮合质量和材料阻尼性能，故寻找高阻尼的传动件替代材料成为变速箱减振的关键。目前，变速箱齿轮多采用低合金钢，其疲劳强度为430MPa左右，比重低为 3 7.8g/cm 。随着对汽车减震降噪和轻量化要求的不断提高，研发新的替代材料具有重要意义。等温淬火球墨铸铁具有优异的综合力学性能，其疲劳强度可达480MPa，比重为7.2g/ 3 cm ，且成本低，同时等温淬火球墨铸铁因其等温淬火工艺使其具有特殊的微观组织结构，石墨球和基体间以及基体的不同相之间存在大量界面，同时基体中还含有大量位错，这些晶体缺陷在振动过程中会消耗能量，从而产生阻尼效果，其阻尼性能的大小取决于因工艺不同而产生的不同组织。 [0003] 现有的等温淬火球墨铸铁的制备工艺是采用单步等温淬火工艺，所到的奥贝球铁的强度和韧性难以兼顾。发明内容 [0004] 本发明是要解决现有的等温淬火球墨铸铁强度和韧性不能兼得，以及其阻尼性能偏低的问题，而提供一种高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法。 [0005] 本发明的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法，按以下步骤进行： [0006] 一：按质量百分比称取73.6％～81.2％的生铁、2％～3％的硅铁、15％～21％的45#钢、0.3％～0.4％的中锰铁和1.5％～2％铜作为原料，再将原料放入中频感应电炉中，以20～25℃/min的升温速率升温至1500～1600℃并保持3～4h，使全部原料熔化，得到铁液； [0007] 二：在保持铁液温度为1500～1600℃的条件下，向铁液中加入球化剂进行球化处理；再在铁液温度为1500～1600℃的条件下，向铁液中加入孕育剂进行孕育处理，其中孕育剂共加入两次，第一次孕育剂的加入质量为铁液质量的1～2％，第二次孕育剂加入量为铁液质量的0.2～0.4％，最后浇铸成型，得到球墨铸铁工件； [0008] 三：将步骤二得到的工件放在马弗炉中，在温度为900～1000℃的条件下保持90～100min进行奥氏体化； [0009] 四：将步骤三得到的奥氏体化后的工件在温度为240～320℃的淬火介质中进行第一次等温淬火，淬火时间为5～25min；然后加入集渣剂进行扒渣；接着在温度为340～400℃的淬火介质中进行第二次等温淬火，淬火时间为30～90min，然后空冷至室温，得到高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁。 [0010] 更进一步地，步骤二中所述的球化剂为低稀土球化剂。 [0011] 更进一步地，步骤二中所述的球化剂的加入量为铁液质量的3％～4％。 [0012] 更进一步地，步骤二中所述的球化处理是采用感应炉熔炼，利用冲入法或转包法进行。更进一步地，步骤二中所述的孕育剂为75硅铁，75硅铁中各元素的质量分数如下：Si：75～79％；Al：0.8％～1.6％；Mn：0.1～0.5％；其余为Fe。 [0013] 更进一步地，步骤二中所述的孕育剂的加入量为铁液质量的0.2％～0.4％。 [0014] 更进一步地，步骤四中所涉及的淬火介质为无水淬火盐，无水淬火盐是按质量百分比由50％的KNO3和50％的NaNO2混合而成。 [0015] 上述方法得到的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的元素组成如下：C：3.4％～3.6％；Si：2.2％～2.5％；Mn：0.4％～0.5％；Cu：1.4％～1.6％；Ni：1.2％～1.4％；P： 0.025％～0.035％；Mo：0.28％～0.3％；S：≤0.01％；余量为Fe。 [0016] 本发明利用两步等温淬火工艺获得高强度、高韧性的奥贝球铁，这是因为一步等温淬火工艺控制基体形核，在较低温度形核，相变驱动力大、形核率高、晶核尺寸小；二步等温淬火工艺控制晶粒长大，通过改变淬火温度和时间获得晶粒细化且残余奥氏体体积分数高的奥贝球铁，进而实现奥贝球铁的强韧化。 [0017] 本发明的球墨铸铁工件的热处理工艺流程图如图1所示，利用两步等温淬火工艺，通过控制等温淬火温度和时间，得到基体组织形貌及含奥氏体、贝氏体的奥贝球铁。石墨+奥氏体/贝氏体的独特显微组织结构使得材料同时具有较高的强度和韧性。此外，奥贝球铁因其等温淬火工艺使得石墨球和基体间以及基体的不同相之间存在大量界面，同时基体中还含有大量位错，这些晶体缺陷在振动过程中会消耗能量，从而产生阻尼效果，具有优异的阻尼减振性能。本发明的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的抗拉强度为1350～1380MPa、屈‑1服强度为1270～1300MPa、伸长率为7％～9％、冲击功为110～140J，阻尼值Q 为0.024～ 0.029。 [0018] 本发明的方法具有制造设备简单、成本较低等特点，它解决了传统球墨铸铁强度和韧性无法兼顾的问题，同时材料具有较高的阻尼减振性能，能够同时满足汽车构件所要求的安全、轻量化、低成本和舒适度的要求，是替代合金钢制造变速箱齿轮的理想材料，可用于制造传动件，用于汽车制造领域。附图说明 [0019] 图1为本发明的球墨铸铁工件的热处理工艺流程图； [0020] 图2为实施例1制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的金相组织照片； [0021] 图3为实施例1制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的基体组织中界面的透射照片； [0022] 图4为实施例2制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的金相组织照片； [0023] 图5为实施例2制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的基体组织中界面的透射照片。具体实施方式 [0024] 用下面的实施例验证本发明的有益效果。 [0025] 实施例1：本实施例的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法，按以下步骤进行： [0026] 一：按质量百分比称取16100g生铁、4050g45#钢、253g硅铁、63g中锰和295g铜作为原料，再将原料放入中频感应电炉中，以20℃/min的升温速率升温至1500℃并保持3h进行熔炼，使全部原料熔化，得到铁液； [0027] 二：在保持感应炉内铁液温度为1500℃的条件下，利用冲入法向铁液中加入316g稀土镁球化剂进行球化处理2min；再在铁液温度为1500℃的条件下，向铁液中第一次加入孕育剂75SiFe，第一次孕育剂75SiFe的加入质量为211g，第一次孕育处理后向铁液内加入集渣剂，然后进行扒渣；再第二次向铁液中加入孕育剂75SiFe，75SiFe的加入量为42g，最后浇铸成型，得到球墨铸铁工件； [0028] 三：将步骤三得到的球墨铸铁工件放在马弗炉中，在温度为920℃的条件下保持90min进行奥氏体化； [0029] 四：将KNO3和NaNO2按质量比为1:1混合均匀，得到的无水淬火盐，将经步骤三处理后的工件在温度为280℃的无水淬火盐中进行第一次等温淬火，淬火时间为15min；接着在温度为320℃的无水淬火盐中进行第二次等温淬火，淬火时间为30min，然后空冷至室温，得到高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁。 [0030] 本实施例1制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的金相组织照片如图2所示，从图2可以看出，等温淬火奥贝球铁的显微组织由石墨球和基体组成。石墨球形态圆整分布于基体之中，基体由细针状铁素体和残余奥氏体构成。由于石墨与基体间的结合力较弱，在振动过程中，石墨与基体界面发生微塑性变形，且振幅越大二者相对位移较大，内摩擦力做功较多，振动能损耗大，阻尼值高。基体组织中分布着大量细长的针状铁素体，基体中铁素体/奥氏体界面面积较大，当发生振动时，在外应力作用下，基体中相界面的滑移量较大，界面摩擦力做功较多，界面阻尼较高。 [0031] 本实施例1制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的基体组织中界面的透射照片如图3所示，从图3可以看出，奥贝球铁的基体组织中存在大量的束状铁素体，这些束状铁素体由许多位相相同的片状铁素体构成。同时，铁素体与奥氏体交替排列，奥氏体被分割成若干片状区域，基体中的铁素体/奥氏体的相界面面积较大。同时，基体晶粒较为细小，晶界面积较大，在相同外应力作用下，相界面和晶界的滑移量较大，界面摩擦力做功较多，界面阻尼较大。 [0032] 本实施例1制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁中，球墨铸铁的石墨个数为582 个/mm，球化率为94％，石墨球平均直径在37μm～60μm。 [0033] 本实施例1制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的元素组成如下：C：3.5％；Si：2.4％；Mn：0.4％；Cu：1.5％；Ni：1.3％；P：0.027％；Mo：0.28％；S：≤0.01％；余量为Fe。 [0034] 按GB/T228.1‑2021《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》、GB/T 229‑2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》、GB/T 16406‑1996《声学声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法》对实施例1制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁进行性能测试，结果为：抗拉‑1强度为1352MPa、屈服强度为1293MPa、伸长率为8.6％、冲击功为133J，阻尼值Q 为0.029。 [0035] 实施例2：本实施例的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的制备方法，按以下步骤进行： [0036] 一：按质量百分比称取16100g生铁、4100g45#钢、313g硅铁、62g中锰、295g铜作为原料，再将原料放入中频感应电炉中，以20℃/min的升温速率升温至1500℃并保持3h进行熔炼，使全部原料熔化，得到铁液； [0037] 二：在保持感应炉内铁液温度为1500℃的条件下，利用冲入法向铁液中加入211g球化剂稀土镁进行球化处理2min；再在铁液温度为1500℃的条件下，向铁液中第一次加入孕育剂75SiFe，第一次孕育剂75SiFe的加入质量为211g，第一次孕育处理后向铁液内加入集渣剂，然后进行扒渣；再第二次向铁液中加入孕育剂75SiFe，75SiFe的加入量为60g，最后浇铸成型，得到球墨铸铁工件； [0038] 三：将步骤三得到的球墨铸铁工件放在马弗炉中，在温度为950℃的条件下保持90min进行奥氏体化； [0039] 四：将KNO3和NaNO2按质量比为1:1混合均匀，得到的无水淬火盐，将经步骤三处理后的球墨铸铁工件在温度为260℃的无水淬火盐中进行第一次等温淬火，淬火时间为20min；接着在温度为360℃的无水淬火盐中进行第二次等温淬火，淬火时间为30min，然后空冷至室温，得到高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁。 [0040] 图4为实施例2制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的金相组织照片；从图4可以看出，等温淬火奥贝球铁的显微组织由石墨球和基体组成。石墨球形态圆整分布于基体之中，基体由细针状铁素体和残余奥氏体构成。 [0041] 本实施例1制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的基体组织中界面的透射照片如图5所示，从图5可以看出，奥贝球铁的基体组织中存在大量的束状铁素体，这些束状铁素体由许多位相相同的片状铁素体构成。同时，铁素体与奥氏体交替排列，奥氏体被分割成若干片状区域，基体中的铁素体/奥氏体的相界面面积较大。另外，基体晶粒较为细小，晶界面积较大，在相同外应力作用下，相界面和晶界的滑移量较大，界面摩擦力做功较多，界面阻尼较大。 [0042] 本实施例2制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁中，球墨铸铁的石墨个数为622 个/mm，球化率为92％，石墨球平均直径在35μm～60μm。 [0043] 本实施例1制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的元素组成如下：C：3.6％；Si：2.5％；Mn：0.5％；Cu：1.4％；Ni：1.3％；P：0.03％；Mo：0.29％；S：≤0.01％；余量为Fe。 [0044] 按GB/T228.1‑2021《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》、GB/T 229‑2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》、GB/T 16406‑1996《声学声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法》对实施例1制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁进行性能测试，结果为：抗拉‑1强度为1380MPa、屈服强度为1270MPa、伸长率为7.2％、冲击功为112J，阻尼值Q 为0.024。 [0045] 实施例1和实施例2制备的高强韧高阻尼等温淬火球墨铸铁的强度和韧性都很高，取得了很好的效果。对于完全奥氏体化的球墨铸铁在进行等温转变时分为两个阶段，首先是奥氏体分解为铁素体和高碳奥氏体，其次，随着反应的继续，其中的高碳奥氏体加快分解，得到了更多的碳化物和铁素体。在现有的一步等温淬火反应过程中，由于温度较低，铁素体形核的过冷度较大，形核半径较小，形核率较高，因此，铁素体快速大量形核，残余奥氏体大量生成。等温淬火过程是相变热力学与动力学共同作用的结果。根据相变热力学，一步等温淬火温度越低，过冷度越大，铁素体的形核率越高，组织越细小。但碳原子在此时的扩散能力较低，且铁素体晶粒比较细小，高碳奥氏体因此在组织中被保留下来，从而提高了组织中的残余奥氏体含量。一步等温淬火温度较高时，虽然铁素体形核的过冷度减小，形核率降低，但贝氏体反应速率增大，大量铁素体在奥氏体晶粒内形核长大，铁素体含量增加，残余奥氏体含量降低。同时，由于一步等温淬火引发的奥氏体稳定化作用，导致马氏体转变起始温度Ms点升高，从而形成片状马氏体。 [0046] 而本发明的二步等温淬火，在反应过程中，由于等温淬火温度较一步反应有所提高，同时，Ms点高于等温淬火温度，因此铁素体细化的同时，基体内的马氏体消失。此外，随着二步等温淬火温度的升高，碳原子的扩散能力增强，其扩散速度加快，从而促使残余奥氏体含碳量的降低。在本发明的两步等温淬火反应过程中，等温淬火温度直接决定着ADI中的铁素体与奥氏体的形貌。因为等温淬火温度决定了铁素体的过冷度和形核率、碳原子扩散的速度以及残余奥氏体的分解。而等温淬火时间则通过控制铁素体的长大和碳原子扩散的时间决定了铁素体和残余奥氏体的含量。 [0047] 现有技术的一步等温淬火的淬火时间较短时，铁素体相变反应不完全，大量未分解的奥氏体空冷后形成残余奥氏体。而本发明的二步等温淬火，淬火温度较高，碳原子扩散速度加快，残余奥氏体含碳量和稳定性增加，残余奥氏体量也因此显著增加。再加上延长一步等温淬火的时间，受较大过冷度的影响，铁素体的形核率逐渐增大，相变反应更加充分，奥氏体分解得到细长的针状铁素体，同时残余奥氏体含量逐渐降低。从而使得球墨铸铁基体中的残余奥氏体/铁素体相界面面积增加，阻尼性能提高。 [0048] 本发明的等温淬火奥贝球铁的微观组织由球状石墨和基体组织构成，基体组织又由针状铁素体和残余奥氏体构成。材料的微观组织决定其性能。等温淬火奥贝球铁的阻尼性能与显微组织中的界面息息相关。在等温淬火奥贝球铁中，石墨与基体间、石墨内部片层之间、基体中铁素体与残余奥氏体间、奥氏体与马氏体间均存在大量界面，在振动过程中，这些界面会发生相对运动，产生相对位移，界面摩擦力做功消耗能量，从而产生阻尼现象。 [0049] 本发明通过两步等温淬火工艺，材料内部，特别是基体内部的相组成和含量均发生较大变化，不同相之间的界面面积因此大幅增加，阻尼性能得到大幅提升，得到强度和韧性都很高的材料。

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