基于原位内生纳米陶瓷颗粒与热处理协同提高灰铸铁力学性能的方法 |
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申请号 | CN202310944884.5 | 申请日 | 2023-07-31 | 公开(公告)号 | CN117070726A | 公开(公告)日 | 2023-11-17 |
申请人 | 浙江五洲新春集团股份有限公司; | 发明人 | 张冰; 王丙旭; 王静; 张迅雷; 俞春兰; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及基于原位内生纳米陶瓷颗粒与 热处理 协同提高灰 铸 铁 力 学性能的方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)、Ti‑C‑Fe粉末预制 块 的制备;(2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强 灰 铸铁 的制备;(3)、等温淬火‑ 碳 分配‑回火灰铸铁的制备。本方法所得到的灰铸铁样品的基体组织由细小的 贝氏体 、回火 马 氏体和残余奥氏体组成,其 抗拉强度 、冲击韧性和硬度等力学性能指标均有不同程度的提升。 | ||||||
权利要求 | 1.基于原位内生纳米陶瓷颗粒与热处理协同提高灰铸铁力学性能的方法,其特征在于:包括以下步骤: |
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说明书全文 | 基于原位内生纳米陶瓷颗粒与热处理协同提高灰铸铁力学性能的方法 技术领域: [0002] 灰铸铁在汽车、农机、管道和基础设施建设等领域应用广泛。随着相关行业的不断进步,灰铸铁零件逐渐向着高性能化和轻量化方向发展,因此我们对灰铸铁的强韧性也提出了更高的要求。通过传统的合金成分设计和热处理实现对灰铸铁的强韧化目前已经到达了极限,很难在短时间内取得较大突破。 [0003] 随着纳米材料领域的快速发展,研究人员开始尝试使用纳米级陶瓷颗粒细化钢铁材料的基体组织,液固相变和固态相变过程中,纳米陶瓷颗粒能够作为初生相的异质形核核心,提高形核效率,同时一部分纳米陶瓷颗粒可以作用于液固界面阻碍界面推移,有效减小晶粒尺寸。所以纳米级陶瓷颗粒是一种能够显著提升灰铸铁服役性能的新方法。发明内容: [0004] 本发明的目的就是针对现有技术之不足,而提供了基于原位内生纳米陶瓷颗粒与热处理协同提高灰铸铁力学性能的方法,其方法所得到的灰铸铁样品的基体组织由细小的贝氏体、回火马氏体和残余奥氏体组成,其抗拉强度、冲击韧性和硬度等力学性能指标均有不同程度的提升。 [0005] 基于原位内生纳米陶瓷颗粒与热处理协同提高灰铸铁力学性能的方法,其特征在于:包括以下步骤: [0006] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备: [0007] (1‑1)、称取定量的Ti粉、C粉和Fe粉,将称取的粉末混合均匀,Fe粉占混合粉末总量的75~80%,Ti粉和C粉的摩尔比为1:1; [0008] (1‑2)、将Ti粉、C粉和Fe粉的混合粉末放入行星式球磨机中,以40rpm的转速球磨活化48hr; [0009] (1‑3)、将活化后的混合粉末从球磨机中取出,用厚度为30~32μm的镍箔包覆活化后的混合粉末; [0010] (1‑4)、将包覆好的混合粉末装入圆柱形的钢模内,采用小型液压机将钢模内的混合粉冷压压制成Ti‑C‑Fe粉末预制块;小型液压机的压力为20~22KN; [0011] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备: [0014] (2‑3)、将铁水浇入到浇包中,待浇包中的铁水液面平静后,将铁水浇注入砂型模具中,冷却后得到原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁;铁水的浇铸温度为1430~1450℃; [0015] (3)、等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备: [0016] (3‑1)、将上述步骤制备的原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁加热至920~940℃进行奥氏体化处理,保温时间为30~40min; [0017] (3‑2)、将热模拟试验炉的温度降至330~350℃对灰铸铁进行等温淬火,保温时间为8~10min; [0018] (3‑3)、再将灰铸铁水淬至140~160℃,保温时间为3~4min,实现碳分配,然后空冷至室温; [0020] 优选的,步骤(1‑1)中,所述Ti粉、C粉和Fe粉的粒径分别为25~30μm、10~12μm和40~50μm。 [0021] 优选的,步骤(1‑3)中,所述镍箔的纯度为99.999%。 [0023] 优选的,步骤(2‑2)中,所述的75硅铁孕育剂的粒度为4~6mm。 [0024] 优选的,步骤(3)中,灰铸铁在完成等温淬火‑碳分配后需要在15min内进行步骤(3‑4)的低温回火处理。 [0025] 优选的,最后所得到的等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁样品包括以下化学成分:C 3.08‑3.12wt%,Si 1.35‑1.51wt%,Mn 0.74‑0.80wt%,P≤0.05wt%,S≤0.05wt%,余量为铁。 [0026] 本发明的有益效果在于: [0028] 图1为本发明方法具体步骤的流程示意图; [0029] 图2为本发明方法等温淬火‑碳分配‑回火热处理工艺图。具体实施方式: [0030] 实施例: [0031] 见图1所示,基于原位内生纳米陶瓷颗粒与热处理协同提高灰铸铁力学性能的方法,其特征在于:包括以下步骤: [0032] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备: [0033] (1‑1)、称取定量的Ti粉、C粉和Fe粉,将称取的粉末混合均匀,Fe粉占混合粉末总量的75~80%,Ti粉和C粉的摩尔比为1:1; [0034] (1‑2)、将Ti粉、C粉和Fe粉的混合粉末放入行星式球磨机中,以40rpm的转速球磨活化48hr; [0035] (1‑3)、将活化后的混合粉末从球磨机中取出,用厚度为30~32μm的镍箔包覆活化后的混合粉末; [0036] (1‑4)、将包覆好的混合粉末装入圆柱形的钢模内,采用小型液压机将钢模内的混合粉冷压压制成Ti‑C‑Fe粉末预制块;小型液压机的压力为20~22KN;具体操作时,可以将Ti‑C‑Fe粉末压制呈直径为50mm、高度为20mm的预制块; [0037] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备: [0038] (2‑1)、采用中频感应电炉熔化灰铸铁原材料,熔炼温度为1500~1530℃,待灰铸铁原材料熔化成铁水后,向铁水中加入Ti‑C‑Fe粉末预制块,然后继续熔炼1hr;具体操作,直径为50mm、高度为20mm的预制块加入熔化的灰铸铁原材料内,熔炼后得到的铁水总重量约300kg左右; [0039] (2‑2)、将浇包预热,然后往浇包的包坑内加入孕育剂;孕育剂为75硅铁,加入量为0.2wt%;浇包的容量采用500kg的大容量浇包,完全能盛载300kg左右的铁水; [0040] (2‑3)、将铁水浇入到浇包中,待浇包中的铁水液面平静后,将铁水浇注入砂型模具中,冷却后得到原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁;铁水的浇铸温度为1430~1450℃; [0041] (3)、等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备: [0042] (3‑1)、将上述步骤制备的原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁加热至920~940℃进行奥氏体化处理,保温时间为30~40min; [0043] (3‑2)、将热模拟试验炉的温度降至330~350℃对灰铸铁进行等温淬火,保温时间为8~10min; [0044] (3‑3)、再将灰铸铁水淬至140~160℃,保温时间为3~4min,实现碳分配;然后空冷至室温; [0045] 灰铸铁在等温淬火过程中得到足够量的下贝氏体和残余奥氏体,下贝氏体本身具有优异的综合性能,然后将温度降至140~160℃进行快速淬火至马氏体形成的温度以下,等于将淬火中剩余的不稳定奥氏体将转变为硬度和强度较高的马氏体与少量残余奥氏体,至此灰铸铁微观组织有下贝氏体、马氏体和残余奥氏体组成,完成了碳分配,当温度达到马氏体形成温度以下时,保温一段时间,目的是为了将下贝氏体和马氏体中的一部分碳扩散进残余奥氏体中,起到稳定残余奥氏体的作用,防止其在服役过程中发生相变; [0046] (3‑4)、将空冷后的灰铸铁放进箱式电阻炉中进行低温回火热处理,回火温度为200~220℃,保温时间为8~10min,最后空冷至室温,得到等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁样品; [0047] 最后再对灰铸铁进行回火热处理,目的是降低整体的硬度和强度,提高韧性和塑性。 [0048] 优选的,步骤(1‑1)中,所述Ti粉、C粉和Fe粉的粒径分别为25~30μm、10~12μm和40~50μm。 [0049] 优选的,步骤(1‑3)中,所述镍箔的纯度为99.999%。 [0050] 优选的,步骤(2‑1)中,所述的灰铸铁原材料由生铁、回炉料、锰铁、硅铁、铜和碳素废钢组成。 [0051] 优选的,步骤(2‑2)中,所述的75硅铁孕育剂的粒度为4~6mm。 [0052] 优选的,步骤(3)中,灰铸铁在完成等温淬火‑碳分配后需要在15min内进行步骤(3‑4)的低温回火处理。 [0053] 优选的,最后所得到的等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁样品包括以下化学成分:C 3.08‑3.12wt%,Si 1.35‑1.51wt%,Mn 0.74‑0.80wt%,P≤0.05wt%,S≤0.05wt%,余量为铁。 [0054] 通过下述对比例,将制作得到的样品与实施例中得到的样品的力学性能测试分析; [0055] 对比例1: [0056] 对比例1中灰铸铁的制备与实施例相同,但未添加Ti‑C‑Fe粉末预制块,同时未进行等温淬火‑碳分配‑回火热处理。 [0057] 对比例2: [0058] 对比例2中Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备和原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备与实施例相同,但未进行等温淬火‑碳分配‑回火热处理。 [0059] 对比例3: [0060] 对比例3中灰铸铁的制备和等温淬火‑碳分配‑回火热处理与实施例相同,但未添加Ti‑C‑Fe粉末预制块。 [0061] 对比例4: [0062] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备,与实施例相同; [0063] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备,与实施例相同,但纳米颗粒的添加量为0.02wt%; [0064] (3)、等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备:与实施例相同。 [0065] 对比例5: [0066] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备:与实施例相同; [0067] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备:与实施例相同,但纳米颗粒的添加量为0.04wt%; [0068] (3)、等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备:与实施例相同。 [0069] 对比例6: [0070] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备:与实施例相同; [0071] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备:与实施例相同,但纳米颗粒的添加量为0.06wt%; [0072] (3)、等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备:与实施例相同。 [0073] 对比例7: [0074] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备:与实施例相同; [0075] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备:与实施例相同,但纳米颗粒的添加量为0.1wt%; [0076] (3)、等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备:与实施例相同。 [0077] 对比例8: [0078] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备:与实施例相同; [0079] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备:与实施例相同,但纳米颗粒的添加量为0.12wt%; [0080] (3)、等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备:与实施例相同。 [0081] 对比例9: [0082] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备:与实施例相同; [0083] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备:与实施例相同; [0084] (3)、等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备: [0085] (3‑1)、将步骤(2)中制备的原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁加热至930℃进行奥氏体化处理,保温时间为30min; [0086] (3‑2)、将热模拟试验炉的温度降至330℃进行等温淬火,保温时间为8min; [0087] (3‑3)、将灰铸铁水淬至150℃,保温时间为3min,随后空冷至室温; [0088] (3‑4)、将空冷后的灰铸铁放进箱式电阻炉中进行低温回火热处理,回火温度为200℃,保温时间为9min,最后空冷至室温,得到第二种等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁样品。 [0089] 对比例10: [0090] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备:与实施例相同; [0091] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备:与实施例相同; [0092] (3)、等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备: [0093] (3‑1)、将步骤(2)中制备的原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁加热至930℃进行奥氏体化处理,保温时间为30min; [0094] (3‑2)、将热模拟试验炉的温度降至350℃进行等温淬火,保温时间为10min; [0095] (3‑3)、将灰铸铁水淬至150℃,保温时间为3min,随后空冷至室温; [0096] (3‑4)、将空冷后的灰铸铁放进箱式电阻炉中进行低温回火热处理,回火温度为200℃,保温时间为9min,最后空冷至室温,得到第三种等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁样品。 [0097] 对比例11: [0098] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备:与实施例相同; [0099] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备:与实施例相同; [0100] (3)、新型等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备: [0101] (3‑1)、将步骤(2)中制备的原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁加热至930℃进行奥氏体化处理,保温时间为30min; [0102] (3‑2)、将热模拟试验炉的温度降至340℃进行等温淬火,保温时间为9min; [0103] (3‑3)、将灰铸铁水淬至140℃,保温时间为3min,随后空冷至室温; [0104] (3‑4)、将空冷后的灰铸铁放进箱式电阻炉中进行低温回火热处理,回火温度为200℃,保温时间为9min,最后空冷至室温,得到第四种等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁样品。 [0105] 对比例12: [0106] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备:与实施例相同; [0107] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备:与实施例相同; [0108] (3)、等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备: [0109] (3‑1)、将步骤(2)中制备的原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁加热至930℃进行奥氏体化处理,保温时间为30min; [0110] (3‑2)、将热模拟试验炉的温度降至340℃进行等温淬火,保温时间为9min; [0111] (3‑3)、将灰铸铁水淬至160℃,保温时间为3min,随后空冷至室温; [0112] (3‑4)、将空冷后的灰铸铁放进箱式电阻炉中进行低温回火热处理,回火温度为200℃,保温时间为9min,最后空冷至室温,得到第四种等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁样品。 [0113] 对比例13: [0114] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备:与实施例相同; [0115] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备:与实施例相同; [0116] (3)、等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备: [0117] (3‑1)、将步骤(2)中制备的原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁加热至930℃进行奥氏体化处理,保温时间为30min; [0118] (3‑2)、将热模拟试验炉的温度降至340℃进行等温淬火,保温时间为9min; [0119] (3‑3)、将灰铸铁水淬至150℃,保温时间为3min,随后空冷至室温; [0120] (3‑4)、将空冷后的灰铸铁放进箱式电阻炉中进行低温回火热处理,回火温度为200℃,保温时间为8min,最后空冷至室温,得到第五种等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁样品。 [0121] 对比例14: [0122] (1)、Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备:与实施例相同; [0123] (2)、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备:与实施例相同; [0124] (3)、等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备: [0125] (3‑1)、将步骤(2)中制备的原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁加热至930℃进行奥氏体化处理,保温时间为30min; [0126] (3‑2)、将热模拟试验炉的温度降至340℃进行等温淬火,保温时间为9min; [0127] (3‑3)、将灰铸铁水淬至150℃,保温时间为3min,随后空冷至室温; [0128] (3‑4)、将空冷后的灰铸铁放进箱式电阻炉中进行低温回火热处理,回火温度为220℃,保温时间为10min,最后空冷至室温,得到第六种等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁样品; [0129] 针对上述实施例蠕墨铸铁进行力学性能和摩擦学性能测试,获得以下数据: [0130] 本发明的等温淬火‑碳分配‑回火热处理工艺图如附图图2所示; [0131] 下表为本发明与不同工艺条件下灰铸铁的力学性能: [0132] [0133] 下表为不同纳米陶瓷颗粒含量下等温淬火‑碳分配‑回火处理灰铸铁的力学性能: [0134] [0135] [0136] 下表为不同等温淬火‑碳分配‑回火热处理工艺条件下纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的力学性能: [0137] [0138] 本发明提出的提高灰铸铁力学性能的方法,方法包括Ti‑C‑Fe粉末预制块的制备、原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的制备和等温淬火‑碳分配‑回火灰铸铁的制备这三项大步骤;其中得到原位内生纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁的方法为原位内生法,其是在生产过程中实现灰铸铁内自发形成纳米颗粒;相比于外加法和中间合金法,原位内生法能够实现纳米级陶瓷颗粒在铁熔体内的均匀分散,有效解决陶瓷颗粒表面易污染、熔体内易上浮、易团聚、易偏聚以及中间合金基体材料熔点过高等问题,具有不改变当前灰铸铁铸造设备,具有操作简便、绿色环保等特点。 [0139] 然后进一步对纳米陶瓷颗粒增强灰铸铁进行等温淬火‑碳分配‑回火热处理时,纳米陶瓷颗粒,细小的铸态组织和增加的晶界能够明显细化灰铸铁的热处理组织,改善组织中的宏观和微观偏析,最终实现对灰铸铁抗拉强度、冲击韧性和硬度等力学性能指标的协同调控。 |