[0001] 本发明属于材料技术领域，特别是一种ADI表面淬火工艺。

[0002] 等温淬火球墨铸铁(ADI)是在球墨铸铁的基础上经过等温淬火得到的一种新型工程材料，其基体组织为针状铁素体与高碳奥氏体(即奧铁体)，又称为奥铁体球墨铸铁，因其独特的奥铁体组织，ADI具有优异的力学性能，是一种新型高性能工程材料，是钢铁材料领域适合制造高端装备关键零部件和轻量化创新极具竞争优势的新型工程材料。

[0003] ADI当塑性与韧性越好时，其硬度及耐磨性就越差；反之，硬度及耐磨性越高，其塑性与韧性就越低。对于希望既要求高塑性、高韧性同时表面具有高耐磨性的应用场合难以满足要求。如果在高塑性及高韧性ADI的基础上，采用适当的后续表面热处理工艺，在保持内部基体塑性及韧性不变的同时大幅提高表面硬度与耐磨性，则无疑能够进一步扩大ADI的应用范围，提高使用寿命。

[0004] 表面淬火是快速加热钢铁材料表层至奥氏体化，然后迅速冷却，使得钢铁材料表层组织变成马氏体的一种表面热处理工艺。在保证工件心部组织不发生转变的前提下，通过表层组织相变，提高钢铁工件的表面硬度及耐磨性。ADI的显微组织由高碳奥氏体+针状铁素体基体以及球状石墨组成，这种由高碳奥氏体+针状铁素体形成的奥铁体(Ausferrite)组织不同于钢中的贝氏体，针状铁素体晶界处无碳化物析出，而钢中的贝氏体是以铁素体及沉淀的碳化物为其特征的。通过表面淬火的方式，在保证ADI心部高塑性及高韧性的前提下进一步提高其表面硬度与耐磨性，使ADI材料在具有高强度，高耐磨性表面的同时，其心部仍具有良好的塑性及韧性。

[0005] 然而实际操作中ADI表面淬火非常容易造成淬火裂纹，无法得到心部具有高塑性和高韧性且表面具有高硬度和高耐磨性的ADI材料，因此需要改善ADI的表面淬火工艺。

[0006] 为了解决上述问题，本发明对于QTD800‑10、QTD900‑8、QTD1050‑6等具有较高塑性与韧性的ADI材料，提供一种ADI的表面淬火工艺，使ADI材料在心部具有良好塑性和韧性的同时，表面具有高硬度与高耐磨性。具体方法为：对ADI工件进行预先热处理，再用感应加热的方式进行表面淬火，得到心部具有高塑性和高韧性且表面具有高硬度和高耐磨性的ADI材料。

[0007] 具体步骤为：步骤1预先热处理：将工件放在感应加热设备工作台上，对准需要处理的ADI工件表面进行感应加热3‑8s后，停止加热并立即对加热表层进行通风冷却；

[0008] 步骤2表面淬火：将工件放在感应加热设备工作台上，对准需要淬火的ADI工件表面，感应加热3‑6s后，停止加热并立即进行喷水冷却。

[0009] 其中，步骤1预先热处理和步骤2表面淬火中，感应加热设备的参数为；电流密度为2
50A/mm，电流频率为68KHz。

[0010] 其中，步骤1预先热处理中通风冷却的时间为30‑50s，步骤2表面淬火中喷水冷却的时间为7‑12s。

[0011] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)采用预先热处理+表面淬火两步热处理法，可避免表面淬火时过渡层产生裂纹及防止开裂，并细化表层组织；(2)采用本工艺处理后，ADI表层基体组织由奥铁体转变为细小的针状马氏体组织，从而大幅度提高了ADI的表层硬度与耐磨性，而心部仍保留原奧铁体组织，具有良好的塑性和韧性，可以在保证ADI心部高韧性与高塑性的前提下大幅提高其表面硬度与耐磨性；(3)在第1步预先热处理中：感应加热时间3‑8s后，停止加热并立即对加热表层进行通风冷却30‑50s，采取通风冷却的原因是提高冷却速度，细化表层晶粒，使组织更均匀，避免第2步表面淬火时产生裂纹及开裂；在第2步表面淬火中：采取了能进一步加快冷却速度的喷水冷却，且喷水冷却能直接对工件进行，避免了将工件取出、转移、再冷却的繁琐操作导致的时间延长而影响表面淬火质量，可获得晶粒细小的马氏体组织，大幅度提高表面硬度与耐磨性；(4)本工艺清洁环保，节能高效。

[0012] 对本发明的原理解释及本方案的效果分析如下：

[0013] 一、ADI表面淬火的可行性分析

[0014] 对ADI工件进行感应加热的表面淬火，感应线圈产生的涡流引起的热效应使ADI工件表面加热至淬火温度，因为集肤效应，ADI工件截面的涡流分布不均匀，ADI工件表面涡流强度最高，越靠近心部，涡流强度越小，呈指数规律衰减，所以可以实现对ADI工件的表面层快速加热，而不影响心部组织。

[0015] ADI的基体为奥铁体，在ADI基体组织中，铁素体非常细小，所以存在大量的晶界，基体中的奥氏体是充分反应的稳定高碳奥氏体，这种过饱和间隙固溶体会造成奥氏体晶格畸变，形成畸变应力场。所以ADI的屈服强度与抗拉强度比一般铸铁强度要高。ADI的塑性与韧性来自于针状铁素体之间的块状奥氏体，块状奥氏体数量越多，其塑性与韧性越好。

[0016] 二、ADI表面淬火所得材料的结构层次分析

[0017] ADI表面感应淬火由于加热速度极快，导致相变时过热度很大，在奥氏体与铁素体界面上会形成大量很细的奥氏体晶粒，在快速降温后，会生成隐晶马氏体。同时快速加热会使得碳元素来不及扩散，使得生成的过冷奥氏体稳定性差。不同成分奥氏体淬火后，生成的马氏体含碳量差别很大，在淬火组织中，高碳马氏体与低碳马氏体同时存在。ADI工件经过感应加热表面淬火后，其界面可以从内到外分为心部区、过渡区(部分相变)、淬硬层三个部分。

[0018] 心部区：这部分区域在感应加热淬火时，温度没有达到下临界温度，没有发生奥氏体转变，基体组织依然是奥铁体组织，所以性能没有发生变化。

[0019] 过渡区(部分相变):在感应加热淬火时温度介于下临界温度和上临界温度之间，部分基体奥氏体化，淬火后基体组织为铁素体、屈氏体、马氏体组成的混合组织。同时，铁素体含量随着温度降低而增加。

[0020] 淬硬层：这部分区域在感应加热淬火过程中温度超过上临界温度,但是依然存在温度梯度。靠近表面的温度较高，奥氏体化充分，淬火后形成的是含碳量均匀的针状马氏体组织；越远离表层，奥氏体组织中碳元素扩散越不充分，淬火后得到含碳量不均匀的针状马氏体组织。

[0021] 三、ADI表面淬火容易造成淬火裂纹的原因

[0022] 对等温淬火处理后所得的ADI工件用透入式感应加热的方法进行表面淬火，透入式加热是指通过感应线圈的电流在ADI工件表面的透入深度大于所要求的淬硬层深度。透入式感应加热方式加热速度快、节能环保，因为加热速度快，时间短，热量集中在ADI工件表面，通过快速冷却表层可以得到马氏体组织。同时因为心部热传导很少，ADI工件心部可以保持原有的基体组织不变。但感应淬火加热速度很快，温度梯度大，各部位温度分布很不均匀，淬火冷却时因热应力与组织应力的共同作用容易在淬硬层与心部之间的过渡区形成裂纹。

[0023] 四、解决淬火裂纹的方法及原理

[0024] 在对ADI进行表面淬火前进行一个预先热处理，细化均匀组织，以避免表面淬火时过渡区产生裂纹及防止开裂。

[0025] 预先热处理能有效的防止过渡层淬火裂纹的产生是因为在表面淬火工艺中，过渡区出现裂纹的主要原因是由于工件内部温度及组织不均匀，产生了较大的热应力及组织应力。ADI工件表面淬火时产生应力的主要原因是表层与心部受热不均匀。在表面淬火之前，先进行表面预先热处理，使表层得到细小弥散的索氏体组织，然后再经过感应加热表面淬火，这样在感应加热淬火过程中，奥氏体可以在很短时间内均匀化，从而避免表面淬火过渡区产生淬火裂纹。同时采用透入式感应加热使得工件在过渡层有着平缓的硬度梯度与强度梯度，可进一步避免淬火裂纹的出现。

[0026] 感应加热表面淬火在发生马氏体相变时，淬硬层生成的马氏体体积膨胀，但心部未发生马氏体相变，制约着淬硬层马氏体的胀大，所以在淬硬层会形成压应力，当淬硬层受压应力作用时，淬硬层的原子会有向彼此压紧的倾向，有利于阻止淬火裂纹的产生。这种压应力同样有利于提高工件淬硬层的硬度与耐磨性。

[0027] 五、本发明采取的最佳工艺

[0028] ADI的表面淬火分两步进行。第1步预先热处理：将工件放在感应加热设备工作台上，线圈对准需要处理的ADI表面，检查无误后，开启电源。调整设备上的处理工艺参数为；2
电流密度为50A/mm ，电流频率为68KHz，感应加热时间3‑8s后，停止加热并立即对加热表层进行通风冷却30‑50s；第2步表面淬火：将工件放在感应加热设备工作台上，线圈对准需要淬火的ADI表面，检查无误后，开启电源。调整设备上的淬火工艺参数为；电流密度为50A/
2
mm，电流频率为68KHz，感应加热时间3‑6s后，停止加热并立即进行喷水冷却7‑12s。

[0029] 六、本工艺的效果分析

[0030] (1)采用预先热处理+表面淬火两步热处理法，可避免表面淬火时过渡层产生裂纹及防止开裂。

[0031] (2)采用本工艺处理后，ADI表层基体组织由奥铁体转变为针状马氏体，从而大幅度提高了ADI的表层硬度与耐磨性，而心部仍保留原奧铁体组织，具有良好的塑性和韧性，可以在保证ADI心部高塑性与高韧性的前提下大幅提高其表面硬度与耐磨性。

[0032] (3)在第1步预先热处理中：感应加热时间3‑8s后，停止加热并立即对加热表层进行通风冷却30‑50s，采取通风冷却的原因是提高冷却速度，细化表层晶粒，使组织更均匀，避免第2步表面淬火时产生裂纹及开裂；在第2步表面淬火中：采取了能进一步加快冷却速度的喷水冷却，且喷水冷却能直接对工件进行，避免了将工件取出、转移、再冷却的繁琐操作导致的时间延长而影响表面淬火质量，可获得晶粒细小的马氏体组织，大幅度提高表面硬度与耐磨性。

[0033] (4)本工艺清洁环保，节能高效。