阅读说明：本技术 一种球墨铸铁制件表面显微组织梯度化及提高耐磨性的新型淬火-配分-等温热处理工艺 (Novel quenching-partitioning-isothermal heat treatment process for gradient microstructure on surface of nodular cast iron product and improvement of wear resistance ) 是由 董克文 王璇 周文韬 刘澄 于 2020-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种球墨铸铁制件表面显微组织梯度化及提高耐磨性的新型淬火-配分-等温热处理工艺,包括以下步骤：步骤1)、奥氏体化控制；奥氏体化过程包括两个部分的控制,即奥氏体化过程的参数控制以及球墨铸铁制件的表层碳粉浓度、厚度控制；步骤2)、设置加热炉温度,在球墨铸铁制件表层包覆碳粉,然后将包裹有碳粉的球墨铸铁制件置于坩埚内,此后将坩埚盖盖上；在炉温达到设定温度后,将坩埚置于炉内；保温时间后迅速将球墨铸铁制件放于60-80℃的水基淬火液中进行快速冷却,冷却2-6秒；步骤3)、将淬火后的球墨铸铁制件迅速取出保温处理；步骤4)、将球墨铸铁制件取出,悬置并空冷至室温。通过本发明,使制件的耐磨性得到提高。(The invention relates to a novel quenching-partitioning-isothermal heat treatment process for gradient microstructure and improvement of wear resistance of a surface of a nodular cast iron workpiece, which comprises the following steps: step 1), austenitizing control; the austenitizing process comprises two parts of control, namely parameter control of the austenitizing process and control of the concentration and thickness of carbon powder on the surface layer of the nodular cast iron product; step 2), setting the temperature of the heating furnace, coating carbon powder on the surface layer of the nodular cast iron part, then placing the nodular cast iron part coated with the carbon powder in a crucible, and then covering the crucible with a cover; after the furnace temperature reaches the set temperature, placing the crucible in the furnace; after the heat preservation time, rapidly placing the nodular cast iron workpiece in water-based quenching liquid at the temperature of 60-80 ℃ for rapid cooling for 2-6 seconds; step 3), rapidly taking out the quenched ductile cast iron workpiece for heat preservation treatment; and 4) taking out the nodular cast iron part, suspending and air-cooling to room temperature. By the invention, the wear resistance of the part is improved.)

一种球墨铸铁制件表面显微组织梯度化及提高耐磨性的新型 淬火-配分-等温热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种球墨铸铁制件表面显微组织梯度化及提高耐磨性的新型淬火-配分-等温热处理工艺，属于铸铁制件热加工技术领域。

背景技术

磨损是引起机械零件失效的主要原因之一，据统计大约75％机器零件因磨损而报废。我国每年因磨损消耗的材料就有100万吨以上，加上停机和维修费用，造成了数十亿元的经济损失。研究表明，世界上大约有1/3～1/2的能源消耗在各种不同形式的摩擦磨损上，因其造成的损失高达1000亿美元。由此可见，提高材料的耐磨性是一项具有重大社会经济意义的技术研发。

球墨铸铁具有良好的综合性能，引起了国内外学者的广泛关注，已成为21世纪最具发展潜力的材料之一。它具有较高强度和高韧性等优点，同时具备特有的自润滑和应变强化性能，因此抗磨损性能强，广泛运用于各种磨损件的制备，已经取得了明显的经济效益。

随着高性能球墨铸铁作为锻钢甚至铝合金的替代品在机械制造和国防工业中的应用越来越多，其服役期间如何在重载和冲击的环境下，依旧保持较高的摩擦磨损抗力，已经越来越受到重视。

球墨铸铁制件的表面是最先受到磨损的区域，也是变形最大和受力最大的区域，若充分利用制件在服役期间所承受的外力而产生变形，并通过该变形诱发或促发产生相应的相变(例如形变诱发应马氏体相变)，在表面形成多相结构组织进而对表面形成协调强韧化效果，达到铸铁制件表面耐性的提高。与此同时，调整制件的次表层和心部多相结构组织的性质、形状、数量以及分布，使其始终保持一定的硬度以及韧性，达到整体提高耐磨性的目的。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有问题，提供一种球墨铸铁制件表面显微组织梯度化及提高耐磨性的新型淬火-配分-等温热处理工艺。

本发明的目的是这样实现的，一种球墨铸铁制件表面显微组织梯度化及提高耐磨性的新型淬火-配分-等温热处理工艺，其特征是，包括以下步骤：

步骤1)、奥氏体化控制；奥氏体化过程包括两个部分的控制，即奥氏体化过程的参数控制以及球墨铸铁制件的表层碳粉浓度、厚度控制；

Ⅰ、奥氏体化过程的参数控制如下:

奥氏体化温度(T_A，℃)按照公式(1)来制定：

式中：T_A为奥氏体化温度，单位为摄氏度；％C为碳元素的质量分数；％Ni为镍元素的质量分数；％Si为硅元素的质量分数；％V为钒元素的质量分数；％Mo为钼元素的质量分数；％W为钨元素的质量分数；％Mn为锰元素的质量分数；％Cr为铬元素的质量分数；％Cu为铜元素的质量分数；％P为磷元素的质量分数；％Al为铝元素的质量分数；％A为砷元素的质量分数；％Ti为钛元素的质量分数；

奥氏体化保温时间(t_A，分钟)按照公式(2)来制定:

t_A＝3H+18 (2)

式中：H为球墨铸铁制件厚度，单位为毫米；t_A为奥氏体化保温时间，单位为分钟；

Ⅱ、奥氏体化的碳粉控制参数如下:

球墨铸铁制件表层包覆碳粉，其中碳粉的浓度≥98.0％，碳粉的颗粒尺寸≤1×10^-6毫米；

球墨铸铁制件表层包覆碳粉，碳粉层厚度d根据公式(3)来计算：

式中：d为碳粉层厚度，单位为米；Q为碳原子在奥氏体中的扩散激活能，1.34×10⁵焦/摩尔；R为气体常数，8.314焦/(摩尔·开)；T为绝对温度，单位为开；D为扩散系数；其中，D可由式(4)计算确定；

式中：C_s＝0.02；C＝0.85C₀；C₀为钢中原始的碳元素质量分数，％；t为奥氏体化保温时间，分钟；

步骤2)、根据步骤1)中计算的奥氏体化温度设置加热炉温度，根据步骤1)中计算的碳粉层厚度在球墨铸铁制件表层包覆碳粉，然后将包裹有碳粉的球墨铸铁制件置于坩埚内，此后将坩埚盖盖上；在炉温达到设定温度后，将坩埚置于炉内；保温时间达到步骤1)计算的奥氏体化保温时间后迅速将球墨铸铁制件放于60-80℃的水基淬火液中进行快速冷却，冷却2-6秒；

步骤3)、低温等温处理控制；

将淬火后的球墨铸铁制件迅速取出，放置于160-220℃进行5-10小时的保温处理。

步骤4)、空冷控制；将球墨铸铁制件取出，悬置并空冷至室温。

本发明方法先进科学，通过本发明，提供的一种球墨铸铁制件表面显微组织梯度化及提高耐磨性的新型淬火-配分-等温热处理工艺，球墨铸铁制件表面以及内部的碳原子含量控制是达到本发明目的重要影响因素。碳是稳定奥氏体的元素，奥氏体中碳含量不同，C曲线位置不同。随着奥氏体碳含量的减少，过冷奥氏体等温转变孕育期缩短，C曲线向左移动。本发明首先通过奥氏体化过程中对碳原子从表层到心部的浓度控制，形成制件表层贫碳奥氏体，次表层以及心部的奥氏体含量出现递增的趋势，从而在各个区域形成针对高耐磨性要求所对应的多相结构显微组织。

与工业常规的球墨铸铁相比，经本发明热处理工艺后的球墨铸铁具有以下优势：

经本发明的热处理工艺处理后，球磨铸铁制件的基体与工业常规的珠光体加铁素体的双相显微组织不同，为上贝氏体、回火马氏体、贝氏体型铁素体和残余奥氏体组成的多相结构显微组织。通过其中的强化相(例如，回火马氏体和贝氏体型铁素体)和韧化相(例如，残余奥氏体)的相互作用，可以使制件的强度以及塑韧性都得到提高。

与工业常规的球墨铸铁相比较，本发明获得的球墨铸铁制件的表面至心部的显微组织呈现梯度变化，其中上贝氏体由表及里的含量从50％递减至5％，回火马氏体由表及里的含量从5％递增至20％。

这种新型热处理方法方案可以使制件表面在摩擦过程中，多相显微组织中的上贝氏体产生较大的形变，实现变形强化；回火马氏体和贝氏体型铁素体具有较高的硬度，可以提高摩擦抗力；其中的奥氏体在摩擦剪切力的作用下，产生马氏体相变，即所谓的TRIP效应，达到应变诱发塑性的目的。也就是说通过充分利用各个组成相的强韧特点，有效地提高球墨铸铁的耐磨性。

本发明采用一种球墨铸铁制件表面显微组织梯度化及提高耐磨性的新型淬火-配分-等温热处理工艺，获得了具有以上所述的组织梯度结构和高耐磨性的球墨铸铁。该工艺具有新颖性(目前尚无此工艺参数的设置和设计)、先进性(直接在铸铁工件由表及里形成多相结构和性能梯度)和实用性(工艺不复杂，可直接应用于实际工业生产)，因而具有广泛的工业应用前景。

附图说明

图1为经本发明处理后的球磨铸铁制件在200N摩擦磨损过后，纵截面(垂直摩擦表面)扫描电子显微(SEM)的显微组织。

图2为经本发明处理后的球墨铸铁制件在200N摩擦磨损过后，纵截面(垂直摩擦表面)出现的应变马氏体扫描电子显微(SEM)形貌。

图3为不同磨损载荷条件下，经本发明处理后的球墨铸铁制件与传统球墨铸铁制件磨损率的比较。

具体实施方式

一种球墨铸铁制件表面显微组织梯度化及提高耐磨性的新型淬火-配分-等温热处理工艺，包括以下步骤：

步骤1)、奥氏体化控制；奥氏体化过程包括两个部分的控制，即奥氏体化过程的参数控制以及球墨铸铁制件的表层碳粉浓度、厚度控制；

Ⅰ、奥氏体化过程的参数控制如下:

奥氏体化温度(T_A，℃)按照公式(1)来制定：

式中：T_A为奥氏体化温度，单位为摄氏度；％C为碳元素的质量分数；％Ni为镍元素的质量分数；％Si为硅元素的质量分数；％V为钒元素的质量分数；％Mo为钼元素的质量分数；％W为钨元素的质量分数；％Mn为锰元素的质量分数；％Cr为铬元素的质量分数；％Cu为铜元素的质量分数；％P为磷元素的质量分数；％Al为铝元素的质量分数；％A为砷元素的质量分数；％Ti为钛元素的质量分数；

奥氏体化保温时间(t_A，分钟)按照公式(2)来制定:

t_A＝3H+18 (2)

式中：H为球墨铸铁制件厚度，单位为毫米；t_A为奥氏体化保温时间，单位为分钟；

Ⅱ、奥氏体化的碳粉控制参数如下:

球墨铸铁制件表层包覆碳粉，其中碳粉的浓度≥98.0％，碳粉的颗粒尺寸≤1×10^-6毫米；

球墨铸铁制件表层包覆碳粉，碳粉层厚度d根据公式(3)来计算：

式中：d为碳粉层厚度，单位为米；Q为碳原子在奥氏体中的扩散激活能，1.34×10⁵焦/摩尔；R为气体常数，8.314焦/(摩尔·开)；T为绝对温度，单位为开；D为扩散系数；其中，D可由式(4)计算确定；

式中：C_s＝0.02；C＝0.85C₀；C₀为钢中原始的碳元素质量分数，％；t为奥氏体化保温时间，分钟；

步骤2)、根据步骤1)中计算的奥氏体化温度设置加热炉温度，根据步骤1)中计算的碳粉层厚度在球墨铸铁制件表层包覆碳粉，然后将包裹有碳粉的球墨铸铁制件置于坩埚内，此后将坩埚盖盖上；在炉温达到设定温度后，将坩埚置于炉内；保温时间达到步骤1)计算的奥氏体化保温时间后迅速将球墨铸铁制件放于60-80℃的水基淬火液中进行快速冷却，冷却2-6秒；

步骤3)、低温等温处理控制；

将淬火后的球墨铸铁制件迅速取出，放置于160-220℃进行5-10小时的保温处理。

步骤4)、空冷控制；将球墨铸铁制件取出，悬置并空冷至室温。

具体为：

(1)首先根据公式(1)与公式(2)计算出球墨铸铁制件相应的奥氏体化温度与保温时间。

(2)选择合适的碳粉并根据公式(3)与公式(4)计算出球墨铸铁制件相应控制的碳粉层厚度。

(3)根据计算的奥氏体化温度和时间设置加热炉温度，按照计算的碳粉厚度将制件包裹住置于坩埚内，此后将坩埚盖盖上。

(4)在炉温达到设定温度后，将坩埚置于炉内.

(5)保温时间达到设定温度后迅速将制件放于60-80℃水基淬火液中进行快速冷却，冷却2-6秒。

(6)迅速将制件放置在160-220℃的炉子内进行回火，回火时间为5-10小时。

(7)回火结束后，将制件从炉内取出，冷却至室温。

实例1:

采用化学元素为3.2C-2.5Si-0.2Mn-0.25Mo-0.75Cu的原材料，经本发明处理过后的制件基体由珠光体加铁素体组成的显微组织转化为由上贝氏体、回火马氏体、贝氏体型铁素体和残余奥氏体组成的多相结构显微组织，上贝氏体由表及里的含量从50％递减至5％，回火马氏体由表及里的含量从5％递增至20％。这种表面显微组织存在上贝氏体和回火马氏体的梯度材料变化，在摩擦磨损的过程中，其表面可见上贝氏体易产生强烈的变形，如图1所示。

在上贝氏体促进变形的作用下，材料表面经由摩擦磨损的加工硬化作用得到强化。大量的应变诱发马氏体在块状奥氏体区域中得以形成，如图2所示。在200N的载荷下，这种材料的磨损率为2.5×10^-3mg/m。

实例2：

采用化学元素为3.6C-2.4Si-0.4Mn-0.1Mo-0.8Cu的原材料，经900℃、90min奥氏体化，290℃、90min的等温处理，并空冷至室温的处理后，在150N的载荷，其余磨损条件与实例1无差别的情况下，磨速率为2.63×10^-3mg/m。这种传统等温淬火工艺加工的球墨铸铁，耐磨性不如本发明工艺所加工的球墨铸铁。其对比数据如图3所示。这是由于强烈的加工硬化作用大大提升了材料的耐磨性，相对于传统的等温淬火球墨铸铁，这种新型的含有上贝氏体组织的梯度材料表面拥有更强的变形能力，可产生强烈的加工硬化作用，使材料表面拥有更高的耐磨性。