专利名称：可锻铸铁低温退火的方法
技术领域：
本发明涉及可锻铸铁低温退火的方法，更具体地说，是涉及到可锻铸铁在催化剂气氛作用下的一种低温快速退火方法。
众所周知，可锻铸铁退火温度高、周期长，温度高达960℃甚至980℃，以致引起铸件严重变形或损坏，周期长达五、六十小时，有些工艺长达70-120小时，这样不仅造成生产效率低，退火件成品率低、质量差，同时还带来能耗高、退火箱及退火炉寿命短等缺点，所以人们一直在探索降低退火温度、缩短退火周期、提高产品质量的方法，但一直未取得明显进展。
四十年代，可锻铸铁采用了还原、可控气氛或惰性气氛退火，但这种方法只起到保护铸件不受或少受氧化的作用，对降低退火温度及缩短周期没起多大作用。六十年代范文瑞工程师首次在石家庄柴油机厂处用金属锌气氛进行可锻铸铁催化退火，使周期从80-120小时缩短到24-32小时，并在七十、八十所代广泛应用。锌气氛退火虽有如节煤，可提高退火件机械性能、周期短等优点(见“可锻铸铁通讯”84年11期及“锌气氛退火资料汇编”)，但因锌的沸点为907℃，故不能用于低于910℃的低温退火，退火温度偏高(高温采用960-980℃)未得到解决，同时需耗金属锌，不利节省金属锌资源。近年国外报导(见“可锻铸铁通讯”84年11期4页)，适当改变白口坯化学成份，使含硅提高到1.8%，在含铋0.01%基础上添加形核原素硼及铝，可在不改变退火周期下使退火温度从920℃降低到820℃，印度P.L.poy等研究表明，经氯化钠处理的铁水浇成的白口坯件，在700℃退火60-90小时。可得到铁素体可锻铸铁。但是，这些研究均未用于实际生产，且既使应用于生产也因其寄托于化学成份的改变及孕育处理，使现行通用成份的可锻铸铁件仍无法采用低温退火。
本发明目的是提供一种新型的可锻铸铁低温退火的方法，它可摆脱单纯依靠能量(动能、内能)变化促使退火过程石墨化完成的途径，而采取利用催化作用促使渗碳体分解加快，达到缩短退火周期、降低退火温度、提高退火质量的目的。本发明特征是利用活性碳与有机硅化物如三氯硅甲烷、硅酸乙酯、或/和无机可溶硅化物如水玻璃、硅酸铝，最好再加石墨化元素的化合物进行反应，水解、风干、焖放而制成的多缩硅醇聚合物的催化剂，它能在低温退火石墨化温度下线700℃以下气化，可渗入铸件内，可在700℃后分解产生有强烈催化渗碳体分解作用的羰基、酮基、碳硅键合物及其游离的碳及硅键原子，等活性原子及基团。
本发明不同于金属气氛或可控气氛热处理，自行设计了一套利用FD-1催化剂气氛进行热处理的独特工艺，将原可锻铸铁退火分离、低温两段保温进行石墨化的方式，改为一次保温石墨化形式，将退火高温使用温度由原来930°-980°，改为830°-890°，以及高温保温采用平台式及上升式。
本发明的退火方法中，催化剂的加入，是在退火件装箱时把它放入退火箱内，而后与退火件一起加盖密封退火、这样退火进入高温后催化剂便气化渗入退火件内部，分解产生活性原子及基团，催化促使渗碳体分解使石墨化迅速完成，催化剂加入量按退火箱容积计算，即每立方米加入500-1000克。本发明退火周期由原高温下(930°-980℃)五、六十小时，缩短到低温(830°-890℃)电炉9-14小时，一般炉20-30小时。
现通过实例结合附图对本发明的退火方法作更详细具体的说明。
图1为本发明的第一个实施例，表示使用电炉进行本发明的催化低温退火的工艺过程图;
图2为本发明的第二个实施例，表示使用普通退火炉进行本发明的催化低温退火的工艺过程图;
图3为本发明第三实施例，表示使用大型退火炉进行本发明的催化低温退火的工艺过程图。
普通退火炉采用8吨活底占式煤粉炉内实施，大型退火炉采用15吨活底占式煤粉炉内实施，电炉采用箱式实验炉内实施，但本发明不限于这些实施例，现对具体工艺加以说明。
为便于了解，先将原理作如下扼要阐述。
有机硅化物三氯硅甲烷是比水重的液体，由于si-cl键易断裂性质活泼，易水解或醇解，其水解产物为硅原子上连有三个羟基的硅醇。
三氯硅甲烷在特殊反应床(碳床)水解，可生成具有一定化学组份的含有类羰键的多缩硅醇及部分亲合性碳硅键合物，它可减弱退火过程的氧化作用防止退火件氧化脱碳。多缩硅醇的沸点在250°-300℃左右，多缩硅醇及碳硅键合物的分解温度在600°-700℃，它们在退火时进入铸件后受热分解产生羰基、酮基(醚基)，有时有部分羟基、以及碳硅键合物游离的碳、硅键原子等活性原子及基团，可促进渗碳体分解加快退火时石墨化进程20-40倍，故可用于可锻铸铁退火以及灰铸铁硬点消除的处理，及某些钢材、合金的处理。
可锻铸铁退火无论高温渗碳体(或菜氏体)的分解石墨化，或是低温珠光体的分解石墨化，基实质是碳化三铁分解生成铁素体及石墨，Fe3C(渗碳体，菜氏体，珠光体) (△)/(催化剂) 3Fe(铁素体)+C(石墨)。这一化学反应的进行。任何化学反应只要能够找到理想催化剂，在催化剂存在下其反应速度便会大大增加。问题的症结是能否找到理想催化剂，以及如何将催化剂加入固态的金属内部。本发明利用FD-1催化剂可加速渗碳体分解速度20-40倍，以及能够在700℃前气化进入铸件内部的特性，解决了这两个十分关键和困难的问题。催化退火打破了过去热处理相变理论的陈规，提出催化理论新内容，本发明一改过去分别在930°-980℃及735°-760℃分高、低温两段石墨化退火为一次在830°-890℃保温进行石墨退火的过程，为渗碳体分解是直接进行还是通过奥氏体转变进行这一长期争论的问题，提供了更直观条件并丰富了资料。本发明奇特的二段石墨化速度由过去12-14小时变为几十分钟这一事实的出现，以及催化作用加快渗碳体分解20-40倍，无疑会对相变理论研究上的突破作出贡献。
现对可锻铸铁催化法低温快速退火方法作一说明(1)升温本发明保证实际退火工艺曲线与设计曲线的同步，是充分发挥催化效果的关键。因为催化剂气化后渗入铸件内部进而分解起催化作用能够维持高效的时间不是无限的，如果退火升温过慢，催化剂气化后退火件长期达不到石墨化所需温度，就可能有部份催化气氛逸失或氧化失效，使催化石墨化的效果削弱，故在400℃后升温宜快，最好在4小时内升到高温830°-890℃。
(2)保温高温石墨保温采用平台式或上升式。因为任何气体温度每升高一度体积增加1/273，降低一度体积缩小1/273。假如在850℃保温时温度下降27度，退火箱内气体体积便缩小1/10，此时如密封不好或退火箱破裂(应严格防止出现这些现象)，便会有空气(炉气)进入箱内，不仅使1/10空间的退火件失去催化气氛，而且还会使箱内气氛氧化失效。又，假如降温后重新升温到850℃，这时箱内混合气氛又要1/10飞出箱外，从而又使部分催化气氛逸失，如此往返升降数次之后，箱内气氛就会全部变为炉气，故万不可采用下滑式或锯齿式保温。
(3)降温从830℃或890℃降至780℃时，速度可快，每小时下降120℃未出现问题。尾段出炉温度应略低，一般以600-650℃为宜，退火炉温差大时选用600℃，温差小可选用650℃。
(4)本发明在实用工艺上将过去高温(930°-980°)及低温(735°-760℃)两段石墨化退火方法改为一次在820°-890℃完成，这是由于本发明珠光体分解速度快，只需30-150分钟，而所有退火炉从820°-890℃降至650℃均在两个小时以上，故无需再进行二段保温。
(5)本发明退火过程中实际对石墨化进行有用的时间(即各段时间参数)为，400℃时效处理0-3小时，820°-890℃高温石墨化3-7小时，珠光分解30-150分钟，总共需4-12小时，这也是目前所有工艺中未曾有过的先进数据。
(6)催化剂加入方法及加入量FD-1催化剂不是把它加入铁水中进行孕育处理，也不可能在退火过程中直接加入退火铸件内部，而是在退火件装箱时把它放入退火箱内(箱内不得有砂土、杂物或填充料)，而后与退火件一起加盖密封退火，这样，当退火进入高温，FD-1催化剂即气化渗入退火件内起催化作用。FD-1剂的用量按退火箱容积计算，即每立方米加入500-1000克。为防止退火箱跑火后催化剂氧化失效，可在装箱时于箱内装入少许木炭(特别在上部高温区箱内)，每立方米加250-500克。
为便于了解，通过本发明三种不同退火炉型的实施例加以阐明。电炉(见图一)在本发明实施例中高温保温采用的温度最低为820°-860℃，因电炉温差小、炉温易于平衡。图1升温过程在400℃有2-3小时时效处理，是为了防止升温过快引起退火件崩裂，同时也可增加退火件石墨核心，利于高温石墨化进行。电炉高温石墨化时间3-6小时，降温从860℃降至600℃为2.5-3小时，总周期9-14小时，是目前国内外周期最短，采用温度最低的唯一工艺。普通退火炉(见图2)升温为7-8小时，升温过程没有400℃时效处理，因这种炉从常温升至400℃需要3小时以上时间，它在升温同时已对退火件起了时效处理的作用。普通退火炉在本发明实施例中高温保温温度最高840°-890℃，保温时间最长4-7小时，因为这种炉型温差大，炉温不易平衡。降温普通炉较电炉时间长，从890℃降至650℃7-9小时，是因这种炉降温速度慢造成。总周期为16-24小时，也是目前国内外生产上周期最短、温度最低的艺。大型炉(见图3)升温最长12-16小时，是由于退火件装载量大造成。因升温较前两种炉型更慢，故不仅略去时效处理，而且也将高温保温温度适当降低，采用830°-870℃，保温时间适当缩短，采用3-6小时，因为退火件在较长的升温过程中已开始石墨化，大型炉降温时间较长9-10小时，原因与普通退火炉相同。由上三例，可见，充分发挥催化工艺优势，宜选用升、降温快，温差小的炉型。但既是选用现行一般炉型也可取得十分理想的，目前国内外尚未有的效果。
此外，保温温度随退火件化学成份好坏在760°-890℃间选择(见下表一)。
表一
高温石墨化时间随退火壁厚变动(见表二)一般可选用3-8小表二
本发明对白口铁水孕育处理适应性广，它可用不进行孕育的白口坯件退火，也可采用高硅加铋孕育，硅铝、铋复合孕育，硼、铋孕育等处理的白口坯铁退火，本发明对退火件化学成分在不影响退火性能前题下可适当放宽，如低硅、高铬件(硅＜1.2%甚至0.8%;Cr0.06-0.13%)只要略略提高退火温度，本发明便可使其退火石墨化完成得到性能良好的合格退火铸件。
本发明退火件较常法组织细，氧化及变形极小，机械性能高，下表三是本发明一组实施例数据。(工艺见图二)
本发明新用炉第一次退火高温石墨化完成的需时间，总要比第二炉所需时间长1/3，而第二炉又比第三炉长1/3，四五炉后石墨化完成时间才趋于固定范围;又，用同炉进行一个时期催化退火后改用普通退火，头两三炉效果仍与催化退火相同，四五炉后才减退，这种效果滞后的原因。是因为退火窑及退火箱对催化剂的吸收有一饱和过程的缘故。不注意这点不仅开头会拟定冒进的失败工艺，还会误认为催化退火效果不大而终止其使用。又，我们在同一炉内，将退火炉中央的退火箱不加催化剂(其余均加)，采用催化工艺退火，结果这未加催化剂箱内的退火件，与各加催化剂箱内的退火件石墨化效果相同。原因是因退火箱是用与退火件化学成份相同的铁水浇成，催化剂气化后既可进入退火件内，自然也可穿过箱壁进入其它箱内。这种穿透现象的优点是，偶然装箱时个别箱忘加催化剂，也不致出现生品。但是因为这种穿透现象，不可在同一炉内作加催化剂与不加催化剂的对比试验。
本发明的退火方法不只限于普通可锻铸铁的退火，还可用于合金锻铸铁和钢的退火，以及灰铸铁硬点消除的处理，与某些合金钢材的处理。
综上所述，本发明的退火方法有如下优点周期短，可提高工效。一般只要二十多小时，电炉(或专用炉)还可使用周期缩短到数小时，较现行工艺缩短周期数至十倍。
退火温度低，高温石墨化温度成百度大幅度下降，减少了退火件的氧化、变形以及流活造成的废品，提高了成品率。同时也减少了退火箱、退火窑的塌裂损失，还进一步节约了能耗，降低了成本，每吨件根据管理水平不同下降8-50元，并节约了紧缺昂贵的金属锌。
退火件性能好。组织较常法细，氧化及变形极小，机械性能较高。
对退火件化学成份适应性广，不仅可用于各种不同孕育方式的白口坯件，而且可使按规定不合格的低硅、高铬坯件处理得到合格的产品。
本发明将两段保温进行石墨化退火改为一次完成，工艺简便、容易掌握，便于推广应用。
总之，本发明打破了目前单纯依靠热能完成锻铸铁件退火常规，采用催化法使可锻铸铁退火周期缩短，退火温度降低，退火质量提高，退火件化学成份范围放宽，为改变可锻铸铁性能，扩大可锻铸铁应用范围，以及增加合金可锻铸铁品种创造了条件，为可锻铸铁发展开辟了新前景。本发明也为其它金属处理提供了方法，为金属热处理理论研究增添了新的内容。
权利要求
1.一种可锻铸铁低温退火的方法，其特征在于a.退火件装箱时把多缩硅醇聚合物的催化剂放入退火箱内，与退火件一起加盖密封，b.升温，炉温400℃后升温快，4小时内升到830°-890℃，c.保温，高温(830°-890℃)石墨化保温采用平台式或上升式，d.降温，从830℃或890℃降至780℃时，速度可快，每小时下降120℃，出炉温度为600°-650℃。
2.根据权利要求1所说的可锻铸铁低温退火方法，其特征在于将高温(930°-980℃)及低温(735°-760℃)两段石墨化退火方式改为一次在820°-890℃完成。
3.根据权利要求1所说的可锻铸铁低温退火方法，其特征在于催化剂加入量以退火箱容积计算，每立方米加入500-1000克，并加入木炭250-500克。
全文摘要
本发明涉及可锻铸铁在催化气氛作用下一种低温快速退火方法。该方法采用多缩硅醇聚合物的催化剂，使可锻铸铁退火从先前的高、低温两段保温下，改为一次保温下进行石墨化形式，退火温度从930℃-980℃降为830—890℃。本方法退火周期短，退火温度降低，退火质量提高，退火件化学成分范围放宽。
文档编号C21D1/32GK1083116SQ93108460
公开日1994年3月2日 申请日期1993年7月2日 优先权日1993年7月2日
发明者范文瑞 申请人:范文瑞