一种高接触疲劳抗性新型奥贝球铁的制备方法、应用
阅读说明：本技术 一种高接触疲劳抗性新型奥贝球铁的制备方法、应用 (Preparation method and application of novel austempered ductile iron with high contact fatigue resistance ) 是由 陈晓 王丙旭 李正刚 胡明 许徐浩 陈海雨 徐超 于 2021-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉球墨铸铁制备领域,涉及一种高接触疲劳抗性奥贝球铁的制备方法和应用。所述奥贝球铁的制备方法,包括以下步骤：(1)采用冲入法和多次孕育法制备球墨铸铁；(2)对步骤(1)中得到的球墨铸铁依次进行奥氏体化、第一级等温淬火、第二级等温淬火和低温回火,最终得到所述的奥贝球铁。本发明得到的奥贝球铁具有较高的接触疲劳抗性和接触疲劳寿命；能够促进增碳剂的溶入,成品组织中球墨大小、分布更加均匀；能够应用于齿轮、曲轴连杆和曲柄连杆,使其薄壁化和轻量化。(The invention relates to the field of preparation of nodular cast iron, and relates to a preparation method and application of high-contact fatigue resistance austempered ductile iron. The preparation method of the austempered ductile iron comprises the following steps: (1) preparing the nodular cast iron by adopting a punching method and a multiple inoculation method; (2) and (2) sequentially carrying out austenitizing, primary isothermal quenching, secondary isothermal quenching and low-temperature tempering on the nodular cast iron obtained in the step (1) to finally obtain the austempered ductile iron. The austempered ductile iron obtained by the method has higher contact fatigue resistance and contact fatigue life; the dissolution of the carburant can be promoted, and the size and distribution of the ink in the finished product tissue are more uniform; can be applied to gears, crankshaft connecting rods and crank connecting rods, and enables the gears, the crankshaft connecting rods and the crank connecting rods to be thin-walled and light.)
技术领域
本发明涉球墨铸铁制备领域，尤其涉及一种高接触疲劳抗性新型奥贝球铁的制备方法、应用。
背景技术
奥贝球铁最初是球墨铸铁在等温淬火条件下得到的，因此也称为等温淬火球墨铸铁。其独有的奥铁体组织包括针状铁素体和富碳奥氏体。相比于传统的钢铁材料，奥贝球铁具有更高的比强度、冲击韧性、断裂韧性和耐磨性，被广泛应用于齿轮、曲轴、链轮等汽车零部件，普通抗磨件以及高性能高精度要求的重要结构件。
随着汽车、农机和基础设施建设等领域的高速发展，对奥贝球铁的机械性能提出了更高的要求，对奥贝球铁的热处理工艺也提出了新的挑战。就汽车制造业而言，对于使用奥贝球铁生产的齿轮和曲轴，由于服役条件具有高局部应力、高相对运动速度等特点，滚动接触疲劳损伤是其失效的主要原因之一，然而当前方法大多通过控制毛坯质量、添加合金元素等方法，且在制备球墨铸铁的过程中，存在增碳剂上浮，难以充分溶入铁水的问题，导致奥贝球铁的滚动接触疲劳抗性很难进一步提升。
授权号CN110295265B，公开了一种奥贝球铁及其制备方法和应用，奥贝球铁包括以下质量百分比的元素：C 3.35-3.44％、Si 2.37-2.45％、Mn 0.21-0.23％、Ni 1.02-1.26％、Cu 0.69-0.8％、Mo 0.17-0.32％、Mg 0.05-0.07％、P≤0.02％、S≤0.02％、余量为Fe。制备方法包括：a、将生铁、废钢、回炉料、增碳剂、碳化硅、硅混合熔炼，熔炼温度为1500-1550℃，得铁液，静置，除渣，待铁液温度降至1480±10℃；b、包内加入一次孕育剂，加入球化剂，加入覆盖剂，夯实，之后，倒入铁液；除渣；倒包二次孕育，加入二次孕育剂；除渣；浇注得铸件，浇注时，随流加入三次孕育剂；c、等温淬火处理。
授权号CN107723583B，公开了一种高性能铸态奥贝球铁及其生产方法和应用。该发明以球墨铸铁壳型铸造为基础，根据铸件尺寸以及脱壳时间限定贝氏体形成元素Mo、Ni和Cu元素的加入量范围，通过对脱壳时间、冷却与保温工艺的精细控制，最终确定适合具有复杂形状特征的铸态奥贝球铁生产方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种具有高接触疲劳抗性新型奥贝球铁的制备方法，具有较高的接触疲劳抗性和接触疲劳寿命；球墨大小易于控制，并且球墨分布均匀。
具体发明内容为：一种高接触疲劳抗性新型奥贝球铁的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
(1)球墨铸铁的制备：
1a.熔炼原材料得到铁水，静置除渣，加入增碳剂，随后将铁水浇入铺有球化剂和一次孕育剂的预热包坑中；
1b.将包坑中的铁水静置除渣，待液面平静后进行浇注，浇注过程中随流加入二次孕育剂，随后自然冷却至室温得到球墨铸铁；
(2)新型奥贝球铁的制备：
2a.对步骤(1)中得到的球墨铸铁加热至900-920℃进行奥氏体化处理，保温时间为80-100min；
2b.将奥氏体化的球墨铸铁在1min内进行第一级等温淬火，等温温度为260-280℃，保温时间为2-3min；
2c.将一级等温淬火后的球墨铸铁在1min内进行第二级等温淬火，等温温度为380-400℃，保温时间为60-70min，随后空冷至室温，获得奥贝球铁粗产品；
2d.将2c获得的奥贝球铁粗产品在280-300℃条件下回火，回火时间为25-30min，然后空冷至室温，最终得到新型奥贝球铁成品。
本发明的技术方案中，在对球墨铸铁的制备中，分步加入增碳剂和孕育剂，目的是为了控制碳含量，并且使球墨化更加均匀。具体操作时，采用中频感应炉在1560-1580℃条件下熔炼球墨铸铁原材料得到铁水，静置除渣，炉渣主要是由原料中的杂质引入，加入增碳剂，随后在浇入包坑时加入球化剂和孕育剂，将其预先铺设在包坑底部是为了浇入的时候能够将球化剂和孕育剂搅入铁水中。步骤1b中对剩余炉渣进行去除，保障产品品质。获得球墨铸铁后，置入高温盐浴炉，将温度升至900-920℃对球墨铸铁进行奥氏体化处理，保温80-100min后在1min内转入至低温盐浴炉中进行第一级等温淬火处理，保温2-3min取出，此时下贝氏体大量形核，再在1min内转入中温盐浴炉中进行第二级等温淬火处理，这个过程碳原子能够迅速扩散，并促使第一级等温淬火处理中形核的下贝氏体生长，形成较为均匀的下贝氏体组织。取出后空冷至室温，然后将其放入箱式炉中进行低温回火，回火温度为380-400℃，保温时间为60-70min，最后空冷至室温，得到本发明的奥贝球铁。通过对添加剂的质量分数的控制，调整控制奥贝球铁中的元素成分。
作为优选，步骤(1)中所述增碳剂的添加步骤为：
A.将碳化钨载体埋入装有增碳剂粉体容器中，震荡容器，使碳化钨粉体负载于碳化钨载体表面的小孔中；
B.将步骤A所得的负载有增碳剂的碳化钨载体放入步骤1a的铁水中，静置，随后进行超声震荡，静置；
C.在铁水浇入包坑后，取出碳化钨载体，冷却后置于硫酸溶液中，待表面附着的铁溶解后取出。
考虑到碳化钨不溶于铁水，密度大于铁水，同时与铁水具有很好的润湿性，熔点也高于本发明的铁水温度，此外，少量融出的钨元素还能增加铸铁的耐磨性。因此本发明将其作为增碳剂的载体，用于解决增碳剂上浮的问题。本发明将增碳剂填充于碳化钨载体中，当填充有增碳剂的碳化钨载体置于铁水中时，碳化钨载体下沉，这个过程中由于铁水与碳化钨表面具有较好的润湿性，铁水也会填充到碳化钨载体中，这过程中，由于铁水渗入负载增碳剂的小孔中，碳化钨载体小孔中的增碳剂会浮出到铁水中。超声前的静置是为了让碳化钨载体能够充分下沉，超声处理的作用主要有两个，其一是使碳化钨载体中的增碳剂尽可能地扩散到铁水中，其二在于使增碳剂尽可能地均匀分布在载体中。将铁水浇入包坑后，取出碳化钨载体，冷却后置于硫酸溶液中。由于碳化钨不溶于硫酸溶液，因此在硫酸溶液中，能够去除填充于碳化钨载体的铁，使得碳化钨能够被重复利用。
作为优选，所述步骤A中的增碳剂为纯度>99％的碳粉，碳粉的粒径<10μm，氮含量<0.03％，硫含量<0.02％，且碳粉于铁水的添加量为0.1-1.0wt％。
本发明采用的增碳剂是纯度>99％的碳粉，为了使碳粉均匀分布于铁水中，且能够较好地填充于碳化钨载体中，本发明使用的碳粉的粒径小于10μm。由于P和S会对奥贝球铁带来性能上的危害，因此要严格控制增碳剂添加量中这两种元素的成分。
作为优选，步骤(1)中，所述步骤A中的碳化钨载体的粒径为3-5cm；所述碳化钨载体具有表面均匀分布的小孔；所述小孔孔径为＜2mm，深度＜5mm。
为了使增碳剂均匀分散，本发明选用的碳化钨载体的粒径为3-5cm，且表面有均匀分布的小孔，用于填充增碳剂，小孔的孔径和深度不宜过大，防止增碳剂过早浮出，因此本发明中小孔孔径为＜2mm，深度＜5mm。
作为优选，步骤(1)中，1a所述的球化剂为1.3-1.7wt％的稀土镁，且粒度为10-30mm；步骤(1)中，1a所述的一次孕育剂为0.4-0.6wt％的75硅铁，且粒度为5-10mm；1c所述的二次孕育剂为0.15-0.25wt％的75硅铁，且粒度为1-3mm。
稀土的添加有净化铁水，减小应力集中，减小疲劳裂纹萌生的作用，为了细化球墨并使其能够在奥贝球铁中均匀弥散，本发明严格控制了加入球化剂和孕育剂的粒径，同时，二次孕育剂粒径小于一次孕育剂。
作为优选，步骤(2)中，2b所述第一级等温淬火为盐浴等温淬火，所述盐浴介质为质量比为0.9-1.1:1的KNO3和NaNO3；将奥氏体化的球墨铸铁在20S内进行第一级等温淬火。
作为优选，步骤(2)中，2c所述第二级等温淬火为盐浴等温淬火，所述盐浴介质为质量比为4.5-5.5:1.5-2.5:2.5-3.5的KCl、NaCl和CaCl2；将2b获得的球墨铸铁在20S内进行第二级等温淬火。
KNO3和NaNO3高温盐浴会产生亚硝酸盐，采用KCl、NaCl和CaCl2能够避免这个问题，对环境友好。
作为优选，步骤(2)中，2c获得奥贝球铁粗产品在1h以内进行2d所述的回火过程。
由于2c获得奥贝球铁粗产品中具有一定的残余应力，并且由于奥氏体的存在，需要在较短时间内回火处理，否则表面容易产生微裂纹形核。
其次，本发明提供了一种利用上述方法制备得到高接触疲劳抗性新型奥贝球铁，包括以下组分：C 3.50-3.60wt％，Si 2.20-2.40wt％，Mn 0.16-0.17wt％，P≤0.05wt％，S≤0.05wt％，Mo 0.01-0.03wt％，Ni 0.04-0.06wt％，Cu 0.70-0.80wt％，Mg 0.04-0.06wt％，Cr 0.03-0.05wt％，余量为铁。
本发明中，C是奥贝球铁中石墨形成的关键，碳含量在适当范围下能够增强铁液的流动性，提高最终产品的成分均匀性和性能稳定性。Si能够控制球墨和铁素体数量，本发明中，Si的质量百分含量严格控制在2.20-2.40wt％，获得较为合适的球墨数量分布。Mn能够细化珠光体，提高强度、硬度，但在奥贝球铁中不宜过高，因此Mn的质量百分含量控制在0.16-0.17wt％。Mg的存在有利于球化。
此外，本发明还提供了一种上述奥贝球铁的应用方法，用于制备齿轮、曲轴和链轮。
本发明的有益效果是：
1.制得的奥贝球铁的滚动接触疲劳抗性和疲劳寿命得到了明显提高；
2.能够促进增碳剂的溶入，成品组织中球墨大小、分布更加均匀；
3.应用于齿轮、曲轴连杆和曲柄连杆，使其薄壁化和轻量化。
附图说明
图1为本发明所述的奥贝球铁热处理工艺过程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。在本发明中所涉及的装置、试剂和方法，若无特指，均为本领域公知的装置、试剂和方法。
图1所示为本发明所述的奥贝球铁热处理工艺过程示意图，将制备得到的球墨铸铁在900-920℃条件下奥氏体化，奥氏体温度为80-100min，完成后在1min内进行第一级等温淬火，温度为260-280℃，保温时间为2-3min，完成后在1min内进行第二级等温淬火，温度为380-400℃，保温时间为60-70min，随后空冷到室温，冷却完成后在1h以内进行回火处理，回火温度为280-300℃，保温时间为25-30min，完成后空冷获得本发明所述的新型奥贝球铁。
实施例1
实施例的奥贝球铁的制备方法包括如下步骤：
(1)球墨铸铁的制备：
1a.熔炼原材料得到铁水，静置除渣，将直径为5cm的若干碳化钨载体置入铁水中，碳化钨表面小孔中填充有0.5wt％碳粉，静置一分钟，随后超声震荡10min，完成后将铁水浇入铺有球化剂和一次孕育剂的预热包坑中；
1b.将包坑中的铁水静置除渣，待液面平静后进行浇注，浇注过程中随流加入二次孕育剂，随后自然冷却至室温得到球墨铸铁；
(2)奥贝球铁的制备：
2a.使用高温盐浴炉将步骤(1)中得到的球墨铸铁在900℃下奥氏体化，保温时间为80min；
2b.20S内将奥氏体化的球墨铸铁转入低温盐浴炉中进行第一级等温淬火，等温温度为260℃，保温时间为2min；
2c.20S内将球墨铸铁转入中温盐浴炉中进行第二级等温淬火，等温温度为380℃，保温时间为60min，取出球墨铸铁空冷至室温；
2d.将冷却后的球墨铸铁在30min后放入到箱式炉中低温回火，回火温度为280℃，回火时间为25min，然后空冷至室温，最终得到新型奥贝球铁。
实施例2
(1)球墨铸铁的制备：与实施例1相同；
(2)奥贝球铁的制备：
2a.使用高温盐浴炉将步骤(1)中得到的球墨铸铁在900℃下奥氏体化，保温时间为80min；
2b.20S内将奥氏体化的球墨铸铁转入低温盐浴炉中进行第一级等温淬火，等温温度为260℃，保温时间为2min；
2c.20S内将球墨铸铁转入中温盐浴炉中进行第二级等温淬火，等温温度为400℃，保温时间为60min，取出球墨铸铁空冷至室温；
2d.将冷却后的球墨铸铁在30min后放入到箱式炉中低温回火，回火温度为280℃，回火时间为25min，然后空冷至室温，最终得到新型奥贝球铁。
实施例3
(1)球墨铸铁的制备：与实施例1相同；
(2)奥贝球铁的制备：
2a.使用高温盐浴炉将步骤(1)中得到的球墨铸铁在900℃下奥氏体化，保温时间为80min；
2b.20S内将奥氏体化的球墨铸铁转入低温盐浴炉中进行第一级等温淬火，等温温度为280℃，保温时间为2min；
2c.20S内球墨铸铁转入中温盐浴炉中进行第二级等温淬火，等温温度为380℃，保温时间为60min，取出球墨铸铁空冷至室温；
2d.将冷却后的球墨铸铁在30min后放入到箱式炉中低温回火，回火温度为280℃，回火时间为25min，然后空冷至室温，最终得到新型奥贝球铁。
实施例4
(1)球墨铸铁的制备：与实施例1相同；
(2)奥贝球铁的制备：
2a.使用高温盐浴炉将步骤(1)中得到的球墨铸铁在900℃下奥氏体化，保温时间为80min；
2b.20S内将奥氏体化的球墨铸铁转入低温盐浴炉中进行第一级等温淬火，等温温度为260℃，保温时间为2min；
2c.20S内将球墨铸铁转入中温盐浴炉中进行第二级等温淬火，等温温度为380℃，保温时间为60min，取出球墨铸铁空冷至室温；
2d.将冷却后的球墨铸铁在30min后放入到箱式炉中低温回火，回火温度为300℃，回火时间为25min，然后空冷至室温，最终得到新型奥贝球铁。
实施例5
(1)球墨铸铁的制备：与实施例1相同；
(2)奥贝球铁的制备：
2a.使用高温盐浴炉将步骤(1)中得到的球墨铸铁在900℃下奥氏体化，保温时间为80min；
2b.20S内将奥氏体化的球墨铸铁转入低温盐浴炉中进行第一级等温淬火，等温温度为260℃，保温时间为3min；
2c.20S内将球墨铸铁转入中温盐浴炉中进行第二级等温淬火，等温温度为380℃，保温时间为60min，取出球墨铸铁空冷至室温；
2d.将冷却后的球墨铸铁在30min后放入到箱式炉中低温回火，回火温度为280℃，回火时间为25min，然后空冷至室温，最终得到新型奥贝球铁。
实施例6
(1)球墨铸铁的制备：与实施例1相同；
(2)奥贝球铁的制备：
2a.使用高温盐浴炉将步骤(1)中得到的球墨铸铁在900℃下奥氏体化，保温时间为80min；
2b.20S内将奥氏体化的球墨铸铁转入低温盐浴炉中进行第一级等温淬火，等温温度为260℃，保温时间为2min；
2c.20S内将球墨铸铁转入中温盐浴炉中进行第二级等温淬火，等温温度为380℃，保温时间为70min，取出球墨铸铁空冷至室温；
2d.将冷却后的球墨铸铁在30min后放入到箱式炉中低温回火，回火温度为280℃，回火时间为25min，然后空冷至室温，最终得到新型奥贝球铁。
实施例7
(1)球墨铸铁的制备：与实施例1相同；
(2)奥贝球铁的制备：
2a.使用高温盐浴炉将步骤(1)中得到的球墨铸铁在900℃下奥氏体化，保温时间为80min；
2b.20S内将奥氏体化的球墨铸铁转入低温盐浴炉中进行第一级等温淬火，等温温度为260℃，保温时间为2min；
2c.20S内将球墨铸铁转入中温盐浴炉中进行第二级等温淬火，等温温度为380℃，保温时间为60min，取出球墨铸铁空冷至室温；
2d.将冷却后的球墨铸铁在30min后放入到箱式炉中低温回火，回火温度为280℃，回火时间为30min，然后空冷至室温，最终得到新型奥贝球铁。
实施例8
(1)球墨铸铁的制备：
1a.熔炼原材料得到铁水，静置除渣，将直径为5cm的若干碳化钨载体置入铁水中，碳化钨表面小孔中填充有1.0wt％碳粉，静置一分钟，随后超声震荡10min，完成后将铁水浇入铺有球化剂和一次孕育剂的预热包坑中；
1b.将包坑中的铁水静置除渣，待液面平静后进行浇注，浇注过程中随流加入二次孕育剂，随后自然冷却至室温得到球墨铸铁；
(2)奥贝球铁的制备：与实施例1相同。
实施例9
(1)球墨铸铁的制备：
1a.熔炼原材料得到铁水，静置除渣，加入0.5wt％的碳粉，随后将铁水浇入铺有球化剂和一次孕育剂的预热包坑中；
1b.将包坑中的铁水静置除渣，待液面平静后进行浇注，浇注过程中随流加入二次孕育剂，随后自然冷却至室温得到球墨铸铁；
(2)奥贝球铁的制备：与实施例1相同。
对比例1
球墨铸铁的制备：与实施例1相同；
不进行等温淬火。
对比例2
(1)球墨铸铁的制备：与实施例1相同；
(2)奥贝球铁的制备，进行一次等温淬火：
2a.使用高温盐浴炉将步骤(1)中得到的球墨铸铁在900℃下奥氏体化，保温时间为80min；
2b.20S内将奥氏体化的球墨铸铁转入低温盐浴炉中进行一次等温淬火，等温温度为380℃，保温时间为60min。
性能测试
使用UMT-3多功能摩擦磨损试验机进行球-盘旋转滚动接触疲劳试验，结果如表1所示。
表1
序号
滚动接触疲劳寿命(min)
实施例1
981
实施例2
950
实施例3
973
实施例4
934
实施例5
985
实施例6
938
实施例7
921
实施例8
984
实施例9
853
对比例1
641
对比例2
778
对比实施例1-9与对比例1-2所示结果表明，本发明的分级等温淬火+回火的热处理工艺对于奥贝球铁的解除疲劳寿命具有较好的促进作用。究其原因可能是本发明的分级等温淬火过程中，第一级等温淬火生成了大量的下贝氏体形核，下贝氏体具有较好的力学性能，而在第二级等温淬火过程中，碳原子在奥贝球铁中均匀扩散，下贝氏体长大，回火工艺消除了表面应力，并且促使组织进一步均匀化，同时消除了微裂纹的形核。实施例1-8的结果之间的结果差异在于，实施例4,6和7的条件形成的组织较大，实施例1-8与实施例9的差异在于实施例9未应用碳化钨对增碳剂进行负载，导致增碳剂部分上浮，影响实际成品的碳含量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
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