一种超细密的等温淬火球墨铸铁材料及其制备方法与流程

本发明属于金属材料及其制备技术领域，具体涉及一种超细密的等温淬火球墨铸铁材料(ADI材料，austenite bainite ductile cast iron)，本发明还涉及该等温淬火球墨铸铁材料的制备方法。

背景技术：

将球墨铸铁材料作等温淬火处理，得到一种被称为“奥贝球铁”(austenite bainite ductile cast iron)的新材料，是上世纪七十年代初由中国、美国、芬兰三国铸造行业几乎同时发明出的科技成果。经过多年来的深入研究，现在已经确认，所谓ADI，原来叫“奥贝球铁”，其实准确地应该称作“奥铁组织”，是由细密的铁素体和残余奥氏体构成其基体，并镶嵌有大量石墨球的球铁等温淬火组织。传统的ADI，是将铸态球铁或普通正火、退火后的球铁加热到900-920℃，保温90分钟以上，使其充分奥氏体化后，迅速浸入230-400℃硝盐浴中，保持60分钟以上后所得到的组织。硝盐浴的具体温度范围由所要材料的硬度高低决定。

ADI材料因为具有比普通调质钢更好的切削性能、自润滑性能等等优势，在许多专业工程领域正在越来越多地得到应用。然而在滚动轴承和谐波减速器行业，至今仍是空白。究其原因，分别在于：

滚动轴承——决定滚动轴承寿命的关键指标“接触疲劳强度”，与材料微观组织中基体和第二相碳化物的细密程度紧密相关。对普通铸造的球铁来说，固然可以采用在共析温度上下的球化退火来细化基体组织，但对石墨球的大小却无能为力，因为石墨大小是在更高的共晶温度以上形成的。普通铸造的球铁组织中，石墨球直径至少在0.1mm以上，表现在分布密度上，在100倍显微镜下观察，很难超过100个/mm²以上，在厚壁零件关键部位上很难超过160个/mm²。这种尺寸的石墨球(相当于基体组织中的孔洞)与滚珠和套圈瞬间接触的受力面积之比仅有两个数量级之差，孔洞周边区域将会承受较高的接触应力，产生高频次的弹性应变，成为块状剥落的隐患，由此而大大降低材料的接触疲劳强度，从而缩短轴承寿命。因此时至今日，虽然人们普遍使用镶嵌石墨条的方法来制作具有自润滑功能的滑动轴承，但几乎没有人用本身就含有石墨球的ADI材料制作滚动轴承的套圈的，致使滚动轴承不具备自润滑功能，每年生产的数以亿计的滚动轴承都需要定期加注润滑脂。

谐波减速器——谐波减速器中的内齿刚性轮和柔轮，齿轮的模数仅为0.1-0.3，齿宽齿高仅有0.2mm左右，与普通铸造球铁中的石墨球尺寸大小接近。也就是说，对这种极小模数的齿轮来说，普通球铁中的石墨球实际上成为了不能忽略的孔洞缺陷。因此，虽然球铁或ADI材料的易切削性能十分有利于小模数齿轮的精加工，但时至今日，仍未见有ADI材料的谐波减速器。现在，球铁材料被越来越普遍地用来制作刚性轮，却未见在柔轮和柔性轴承上使用，故至今没有全部采用ADI材料的谐波减速器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超细密的等温淬火球墨铸铁材料，解决了传统的ADI材料中石墨球直径较大、石墨球分布密度较小，不能适用在在滚动轴承和谐波减速器行业的问题。

本发明的另一个目的是提供一种超细密的等温淬火球墨铸铁材料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种超细密的等温淬火球墨铸铁材料，按质量百分比由以下组分组成：C：3.4％-3.7％，Si：2.7％-2.9％，Mn：0.3％-0.5％，Cr：0.3％-0.5％，S≤0.05％，P≤0.05％，残镁含量0.03％-0.045％，Fe为余量，上述组分质量百分比之和为100％。

本发明的特点还在于：

该铸铁材料是由垂直连铸方法获得的球铁空心型材管材或实心棒材。

本发明所采用的第二个技术方案是，一种超细密的等温淬火球墨铸铁材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，使用面包生铁、废钢和铸铁合金材料，按照质量百分比配置铁水组分：C：3.4％-3.7％，Si：1.5％-1.7％，Mn：0.3％-0.5％，Cr：0.3％-0.5％，S≤0.05％，P≤0.05％，Fe和其他杂质为余量，以上各组分质量百分比总和为100％，并将以上材料在中频感应炉中熔化为铁水，经过孕育和球化处理后的终硅量为2.7％-2.9％，残镁含量0.03％-0.045％；

步骤2，将步骤1中的铁水通过垂直连铸方法，拉制成型材原坯；

步骤3，将步骤2得到的型材原坯进行金相检测；

步骤4，将步骤3处理的型材原坯进行循环球化退火处理；

步骤5，将步骤4处理的型材原坯进行粗加工或半精加工，之后进行等温淬火处理；

步骤6，对步骤5得到的粗加工或半精加工零件作金相检验，即得到等温淬火球墨铸铁材料。

本发明的特点还在于，

步骤2中型材原坯为球铁空心型材管材或实心棒材。

步骤2中垂直连铸方法中采用的结晶器为双螺旋两进两出的水冷结晶器，其结构为：包括相互套接的内筒体和外筒体，内筒体和外筒体的顶端连接有上法兰盘，内筒体和外筒体的底端连接有下法兰盘，外筒体的上部分别设有进水嘴I和进水嘴II，外筒体的下部分别设有出水嘴I和出水嘴II，内筒体的外圆上车出了双螺旋筋板，内外筒体套装后，形成了双螺旋的水流通道。

步骤3中的金相检测包括：

1)距表面20mm以内的石墨球球化率≥90％；

2)球密度在100倍放大视场内，距型材原坯表面5mm内的石墨球密度≥550个/mm²；距表面5-10mm范围内的石墨球密度≥450个/mm²，距表面10-15mm范围内的石墨球密度≥350个/mm²，距表面15-25mm范围内的石墨球密度≥250个/mm²。

步骤4中循环球化退火处理包括以下步骤：

a.将步骤3处理的型材原坯在井式或箱式热处理炉中升温至共析转变温度Ac₁+50℃，保温55-65min；

b.将步骤a处理的球铁管材炉冷至共析转变温度Ac₁-50℃，保温55-65min；

c.继续重复步骤a和步骤b不少于两次；

d.将步骤c处理的球铁管材炉冷至595-605℃后，空冷至常温。

步骤5中等温淬火处理包括以下步骤：

1)将步骤4处理的型材原坯机械加工成半成品，在井式或箱式炉中将半成品加热至880-900℃，保温50-60min；

2)将步骤1)处理的半成品浸入230-400℃的等温硝盐槽中，保持40-50min；盐浴的温度范围由零件所要求的硬度高低决定；

3)将步骤2)处理的半成品从等温硝盐槽中取出空冷至常温，转入清水槽中，冲洗表面盐渍。

步骤6中的金相检验，包括：石墨球化率≥93％；石墨球密度≥400个/mm²。基体组织是只能在500倍以上显微镜下才可观察清楚的奥铁组织。

本发明的有益效果是，本发明的超细密等温淬火球墨铸铁材料，通过在垂直上引无芯连铸设备上，采用强冷结晶器，拉制超细密的铸铁型材，进行循环球化退火，最后经过等温淬火，获得基体组织的细密程度超过现有ADI标准，也接近或达到了轴承钢的热处理金相标准。超细密ADI材料的石墨球直径≤20μm，关键部位的石墨球分布密度≥400个/mm²。这种材料适于制造具有自润滑功能的滚动轴承套圈和谐波减速器中的刚性轮、柔轮和柔性轴承。

附图说明

图1是本发明拉制超细密的球墨铸铁材料的成型设备中结晶器的内筒体示意图；

图2是本发明拉制超细密的球墨铸铁材料的成型设备中结晶器的主视图；

图3是本发明对球墨铸铁连铸型材作循环球化退火的工艺曲线图；

图4是本发明对球墨铸铁连铸型材半成品零件进行等温淬火的工艺曲线图；

图5是本发明超细密的等温淬火球墨铸铁材料的制备方法中铸铁组织放大500倍的金相组织图；

图6是机械行业标准JB/T 1255—2014《滚动轴承高碳铬轴承钢零件热处理技术条件》P.11中的“第五级别图贝氏体淬火组织”的金相组织图。

图中，1.内筒体，2.外筒体，3.上法兰盘，4.下法兰盘，5.进水嘴I，6.进水嘴II，7.出水嘴I，8.出水嘴II，9.双螺旋筋板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明超细密的等温淬火球墨铸铁材料，按质量百分比由以下组分组成：C：3.4％-3.7％，Si：2.7％-2.9％，Mn：0.3％-0.5％，Cr：0.3％-0.5％，S≤0.05％，P≤0.05％，残镁含量0.03％-0.045％，Fe为余量，上述组分质量百分比之和为100％。操作中尽量避免稀土和钛的掺入，以求获得最高球化率。

本发明还提供上述铸铁材料的制备方法，该制备方法在专利“低塑性金属空心型材的连铸成形设备”(专利号：ZL200710018928.2，公开号：101134231，公开日：2008-03-05)上实施，与原装置不同之处在于，原装置中的结晶器与本发明中结晶器的结构不同，本发明中结晶器为双螺旋两进两出的水冷结晶器，如图1～2所示，其结构为：包括相互套接的内筒体1和外筒体2，内筒体1和外筒体2的顶端连接有上法兰盘3，内筒体1和外筒体2的底端连接有下法兰盘4，外筒体2的上部分别设有进水嘴I5和进水嘴II6，外筒体2的下部分别设有出水嘴I7和出水嘴II8，内筒体1的外圆上车出了双螺旋筋板9，内外筒体套装后，形成了双螺旋的水流通道。双螺旋水道将提供更大的冷却能力。内筒体的内孔中镶着石墨套筒，是与铁水直接接触的耐高温组件，用来使铁水凝固成型材，并利用其自润滑特性使型材能被拉出结晶器。

一种超细密的等温淬火球墨铸铁材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，使用面包生铁、废钢和铸铁合金材料，按照质量百分比配置铁水组分：C：3.4％-3.7％，Si：1.5％-1.7％，Mn：0.3％-0.5％，Cr：0.3％-0.5％，S≤0.05％，P≤0.05％，Fe和其他杂质为余量，以上各组分质量百分比总和为100％，并将以上材料在中频感应炉中熔化为铁水，经过孕育和球化处理后的终硅量为2.7％-2.9％，残镁含量0.03％-0.045％；

步骤2，将步骤1中的铁水通过垂直连铸方法，拉制成型材原坯，型材原坯为球铁空心型材管材或实心棒材；

步骤3，将步骤2得到的型材原坯进行金相检测；

金相检测包括：

1)距表面20mm以内的石墨球球化率≥90％；

2)球密度在100倍放大视场内，距型材原坯表面5mm内的石墨球密度≥550个/mm²；距表面5-10mm范围内的石墨球密度≥450个/mm²，距表面10-15mm范围内的石墨球密度≥350个/mm²，距表面15-25mm范围内的石墨球密度≥250个/mm²；

步骤4，将步骤3处理的型材原坯进行循环球化退火处理；

如图3所示，循环球化退火处理包括以下步骤：

a.将步骤3处理的型材原坯在井式或箱式热处理炉中升温至共析转变温度以上，约780℃，保温55-65min；

b.将步骤a处理的球铁管材炉冷至共析转变温度680℃，保温55-65min；

c.继续重复步骤a和步骤b不少于两次；

d.将步骤c处理的球铁管材炉冷至595-605℃后，转为空冷至常温；

步骤5，将步骤4处理的型材原坯进行粗加工或半精加工，之后进行等温淬火处理；

等温淬火处理包括以下步骤：

1)将步骤5所加工的半成品零件装入井式或箱式热处理炉中，加热至880-900℃，保温50-60min；

2)将步骤1)处理的半成品零件浸入230-400℃的等温硝盐槽中，保持40-50min；硝盐浴的准确温度范围由零件硬度决定。对高硬度要求的零件，盐浴温度为230—250℃，工艺曲线见图4。

3)将步骤2)处理的半成品零件从等温硝盐槽中取出空冷至常温，转入清水槽中，冲洗表面盐渍；

步骤6，对步骤5得到的半成品零件进行金相检验，包括：石墨球化率≥93％；石墨球密度≥400个/mm²，即得到等温淬火球墨铸铁材料。

对制作自润滑滚动轴承的ADI材料，根据《滚动轴承高碳铬轴承钢零件热处理技术条件》(JB/T 1255—2014)中有关的规定，等温淬火球墨铸铁材料要与该标准P.11中的“第五级别图贝氏体淬火组织”的金相组织的细密程度相近，见图5和图6。

本发明获得的超细密ADI材料，在基体组织极其细密之外的突出特点是，石墨球体积比普通球铁中的石墨球的最小体积提高了一个数量级，零件关键部位上的分布密度达到400—700个/mm²，不仅大大超过了铸造行业生产的先进水平，还超过了国家标准和国际标准规定的最高级400个/mm²。

用本发明超细密的ADI材料，制作出自润滑的滚动轴承，便可以使用在普通轴承较难适应或无法使用的70-200℃的场合和工作环境。

用本发明超细密的ADI材料，制作谐波减速器的刚性轮、柔轮和柔性轴承，便可以使减速器具有自润滑、免除油脂、降低温升和噪音，加速度输出转矩强劲、耐磨损、长寿命的特征。

实施例1

按照质量百分比分别称取以下组分：C：3.7％，Si：1.7％，Mn：0.4％，Cr：0.3％，S≤0.05％，P≤0.05％，Fe和其他杂质为余量，以上各组分质量百分比总和为100％，并将以上材料熔化为铁水，终硅量为2.7％，残镁含量0.04％；

将铁水使用垂直连铸方法，使用双螺旋两进两出水冷结晶器，拉制成型材原坯；

对型材原坯进行金相检测，包括：Ⅰ.距表面不大于20mm的石墨球球化率≥90％；Ⅱ.球密度在100倍放大视场内，距型材原坯表面5mm内的石墨球密度≥550个/mm²；距表面5-10mm范围内的石墨球密度≥450个/mm²，距表面10-15mm范围内的石墨球密度≥350个/mm²，距表面15-25mm范围内的石墨球密度≥250个/mm²；

将型材原坯进行循环球化退火处理，包括以下步骤：a.将型材原坯在井式或箱式炉中升温至共析转变温度780℃，保温55min；b.将步骤a处理的型材原坯炉冷至共析转变温度680℃，保温55min；c.继续重复步骤a和步骤b两次；d.将步骤c处理的型材原坯炉冷至595℃，继续空冷至常温；

将上述型材原坯作半精加工，对其零件进行等温淬火处理包括：1)在井式或箱式炉中将零件加热至880℃，保温50min；2)将步骤1)处理的零件浸入230℃的等温硝盐槽中，保持40min；3)将步骤2)处理的零件从等温硝盐槽中取出空冷至常温，转入清水槽中进行冲洗盐渍；

检验半成品零件的铸铁组织：石墨球化率不小于93％；石墨球密度不小于400个/mm²，硬度≥48HRC。

实施例2

按照质量百分比分别称取以下组分：C：3.6％，Si：1.5％，Mn：0.3％，Cr：0.5％，S≤0.05％，P≤0.05％，Fe和其他杂质为余量，以上各组分质量百分比总和为100％，并将以上材料熔化为铁水，终硅量为2.8％，残镁含量0.045％；

将铁水使用垂直连铸方法，使用双螺旋两进两出水冷结晶器，拉制成型材原坯；

对型材原坯进行金相检测，包括：Ⅰ.距表面不大于20mm的石墨球球化率≥90％；Ⅱ.球密度在100倍放大视场内，距型材原坯表面5mm内的石墨球密度≥550个/mm²；距表面5-10mm范围内的石墨球密度≥450个/mm²，距表面10-15mm范围内的石墨球密度≥350个/mm²，距表面15-25mm范围内的石墨球密度≥250个/mm²；

将型材原坯进行循环球化退火处理，包括以下步骤：

a.将型材原坯在井式或箱式炉中升温至共析转变温度780℃，保温60min；

b.将步骤a处理的型材原坯炉冷至共析转变温度680℃，保温60min；

c.继续重复步骤a和步骤b两次；

d.将步骤c处理的型材原坯炉冷至600℃，转为空冷至常温；

将上述型材原坯锯切、车削为半精加工零件后，进行等温淬火处理。包括：1)在井式或箱式炉中将零件加热至890℃，保温55min；2)将步骤1)处理的型材原坯浸入320℃的等温硝盐槽中，保持45min；3)将步骤2)处理的零件从等温硝盐槽中取出空冷至常温，转入清水槽中冲洗盐渍；

检验零件的淬火组织：石墨球化率不小于93％；石墨球密度不小于400个/mm²，硬度39—42HRC。

实施例3

按照质量百分比分别称取以下组分：C：3.4％，Si：1.6％，Mn：0.5％，Cr：0.4％，S≤0.05％，P≤0.05％，Fe和其他杂质为余量，以上各组分质量百分比总和为100％，并将以上材料熔化为铁水，终硅量为2.9％，残镁含量0.04％；

将铁水使用垂直连铸方法，使用双螺旋两进两出水冷结晶器，拉制成型材原坯；

对型材原坯进行金相检测，包括：Ⅰ.距表面不大于20mm的石墨球球化率≥90％；Ⅱ.球密度在100倍放大视场内，距型材原坯表面5mm内的石墨球密度≥550个/mm²；距表面5-10mm范围内的石墨球密度≥450个/mm²，距表面10-15mm范围内的石墨球密度≥350个/mm²，距表面15-25mm范围内的石墨球密度≥250个/mm²；

将型材原坯进行循环球化退火处理，包括以下步骤：a.将型材原坯在井式或箱式炉中升温至共析转变温度780℃，保温65min；b.将步骤a处理的型材原坯炉冷至共析转变温度680℃，保温65min；c.继续重复步骤a和步骤b两次；d.将步骤c处理的型材原坯炉冷至605℃，转而空冷至常温；

将上述型材原坯锯切、车削为半精加工零件后，进行等温淬火处理。包括：1)在井式或箱式炉中将型材原坯加热至900℃，保温60min；2)将步骤1)处理的零件浸入390℃的等温硝盐槽中，保持50min；3)将步骤2)处理的零件从等温硝盐槽中取出，空冷至常温，转入清水槽中冲洗盐渍；

检验ADI零件的淬火组织：石墨球化率不小于93％；石墨球密度不小于400个/mm²，硬度26-28HRC。