分级等温淬火新工艺及其配套连续热处理生产线

供稿|周世康，刘俊友，徐 扬，朱瑞辉，马大卫

分级等温淬火新工艺及其配套连续热处理生产线

供稿|周世康1，刘俊友2，徐 扬1，朱瑞辉3，马大卫4

内容导读

文章综述了等温淬火球铁(ADI)的由来和发展，介绍了ADI分级等温淬火新工艺以及与之配套的连续热处理生产线的特点，以及ADI在磨球、杂质泵壳体、齿轮等产品上的应用。指出分级等温淬火和配套装备可以实现高性能ADI产品的高效率、低成本、稳定化生产，是一种适合国情符合环保节能要求的生产方法。文中有多年来对ADI研究的心得和体会，谨供同行们参阅，以期进一步完善ADI生产核心工艺技术，促进ADI产业的进步和发展。

1939年，美国金属学家Bain在钢中发现通过奥氏体中温等温或连续冷却可以获得一种新的材料组织，并预言这是一种综合机械性能最好的将会得到广泛应用的材料，为纪念他的功绩，材料学中将这种组织命名为贝氏体。随后，Mehll的研究又将贝氏体分为羽毛状上贝氏体和针片状下贝氏体。经过5年的发展，先后在弹簧钢、工具钢、压力容器钢等多种钢件上成功应用[1]，取得了突破性进展，证实了Bain的预言。20世纪60年代末到70年代初，我国和美国、芬兰等国先后开展了贝氏体在球铁中的应用研究。1978年的一次国际会议上，几个国家的科学家不约而同地宣布贝氏体在球铁齿轮上应用取得成功，进一步证实了Bain的预言。不久，在曲轴、轮毂、弹簧钢板、衬套、万向联轴节等重要结构件上的应用也取得了突破，因此，贝氏体球铁被誉为20世纪80年代材料科学的重大进展。

虽然贝氏体球铁的命名到目前为止国内外还存在着争议，但为了与美国等一些发达国家接轨和交流，我国逐步改为等温淬火球铁(Austempered Ductile Iron，简称ADI)予以命名，并于2009年制定GB/T 24733—2009“等温淬火球墨铸铁件”国家标准予以肯定。

20世纪末，由于发动机增压和铁路增速，原用普通球铁(如QT600-3、QT700-2、QT800-2)和碳素钢(如45G)曲轴等重要结构件因不能承受更大的负载而会产生断裂导致早期失效。21世纪初，美国人率先采用ADIQTD900-9和QTD1050-7牌号材料制造曲轴等重要结构件取得成功。我国也陆续开始研究和开发ADI曲轴、齿轮、汽车轮毂、衬套、万象联轴节以及高速列车的斜楔、壳体等重要结构件，取得显著进展，建立了多个专业生产厂和生产车间，取得了良好的技术经济效益[2]。

我国是最早开展ADI在抗磨和抗腐蚀磨损构件上研究和应用的国家，并一直处于世界领先地位。20世纪90代初，首先在磨球产品上的应用取得突破，在多家工厂进行了批量生产，清华大学首先获得专利，并在1998年制定和2009年修定的GB/T 17445“铸造磨球”国家标准中予以肯定。随后，在衬板、锤头和铁路机车斜楔、衬套等许多抗磨件上应用也取得显著成效。

本课题组紧跟ADI发展潮流：1975年起，先后在河北、河南研制和批量生产35拖拉机末端传动ADI齿轮以及中小型拖拉机153、204、118等ADI齿轮；1991年起，开展ADI磨球的研制，承担原机械部“贝氏体球铁杂质泵叶轮泵壳等过流部件的应用研究”课题，先后在河北、山西、北京、山东、广东、海南等省市近20个厂家生产应用；从传统的Cu、Mo合金化，到Mn、Si合金化，然后到现在的以Mn、Si为基础的多元低微合金化；从传统的硝盐等温淬火，到手工操作的分级等温淬火，然后到现在的分级等温淬火配套连续生产线，该技术逐步走向成熟，使产品从试制发展为批量生产，取得了良好的技术经济效益。

ADI分级等温淬火新工艺

ADI热处理是获得贝氏体基体大幅度提高材料性能的关键工序。传统的硝盐等温淬火工艺较成熟稳定，但生产率低、能耗大、运行成本高，且生产设备一次性投资较大，亚硝酸盐的排放有污染环境的危险。为解决此问题，本课题组发展了一种ADI分级等温淬火新工艺。

以Mn、Si为基础，采用多元低微合金化技术，发挥各元素的各自作用和交互促进作用，使TTT图呈河湾状(图1)。

将工件加热到合适的奥氏体化温度保温适当时间后，放入第一级等温淬火介质中淬火，避开珠光体和贝氏体C曲线“鼻尖”，过冷到贝氏体开始转变温度BS或MS，然后，按照等温淬火球铁工件要求，在320～380℃温度区间进行第二级等温转变以便获得上贝氏体组织，或在210～290℃温度区间进行第二级等温转变以便获得下贝氏体、马氏体组织。试验结果和生产数据统计分析表明，试验材料力学性能(硬度与冲击韧性)均比传统的硝盐等温淬火高，如表1所示。这是因为分级等温淬火的组织主要决定于第二级。第一级等温淬火时间短，仅以形核为主，而第二级以长大为主，也就是说，贝氏体形态取决于长大温度即第二级等温淬火温度。当第一级等温过冷时，产生大量小晶核，这些晶核是从奥氏体面心立方母相转变而来的。从热力学角度来说，这种晶核可以作为贝氏体或马氏体核心；但从动力学角度来说，则必须提供更大的驱动力即更大过冷度才能产生马氏体[3]——在稍低于Ms温度下(大概不低于160℃)，因分级时间短暂，过冷度不够大，故不可能提供足够大的驱动力，晶核来不及长大，不可能形成过多的马氏体，即使形成一些马氏体，也会因转变温度高和首先转变的奥氏体含碳量低，而形成细针状韧性位错马氏体，且在随后的第二级等温淬火中回火，变成回火马氏体，因而保持很高的韧性。这些晶核和少量的马氏体在随后Ms以上的等温转变中，为贝氏体的形成和长大即第二级等温淬火提供许多核心，细化贝氏体组织，增加位错密度，并缩短合金元素扩散距离，使成分均匀化，加剧贝氏体相变速度，缩短贝氏体转变时间，从而提高硬度、韧性和缩短等温淬火时间。然而，若增大第一级过冷到Ms点以下过低的温度——大概160℃以下时，较大的过冷度提供足够的驱动力，促进过多马氏体的形成，这些马氏体因转变温度低而易形成粗大片状脆性孪晶马氏体，也因其相变膨胀量大，阻碍奥氏体转变，增加残余奥氏体量，不单硬度较低，韧性也差。

图1 分级等温淬火工艺示意图

表1 分级等温淬火与硝盐等温淬火(230℃)性能对比

第一级淬火介质可用油、水玻璃或硝盐。水玻璃的生产稳定性较差，硝盐也存在上文所述的不足，油相对较稳定；第二级用空气炉，便宜、安全、环保、温度均匀又易控制。

分级等温淬火新工艺可降低成本，提高性能，但生产稳定性不如硝盐等温淬火，特别是第一级等温淬火时间需严格控制。手工操作很难达到精确控制、稳定生产的要求，且生产率低、生产成本高，因此研制开发与新技术配套的连续热处理生产线来保证新工艺的实施尤为重要。

新工艺配套连续生产线

在推杆式分级等温淬火连续生产线的基础上，按分级等温淬火新工艺的要求设计制造了新的分级等温淬火生产线，由密封保护气氛少无氧化连续加热炉、淬火油槽和温度均匀的连续等温淬火炉三大部分组成，如图2所示。

图2 ADI分级等温淬火新工艺配套连续生产线

加热炉

工件不重叠地成排均布于炉底板上有序连续前进，炉内分为连续升温区和保温区，按各区的要求四周均布加热器，使炉底板也始终保持各工作区的温度，工件加热均匀、稳定、效率高，缩短加热时间。

不需料框等工装，也不需传送带，且炉体出料端密封，避免炉外冷空气在炉内对流以及工装带走热能的损失，故热效率高，设备成本低。

炉体出料端的密封斜槽插入淬火油槽底部，使工件在封闭状态下逐个进入强烈搅拌的油槽底，且配以专用的高闪点、低黏度、发烟少等温淬火油，闪点高，工件少/无变形，少/无油烟、更无火光产生，既安全又环保。

炉体出料端密封，往炉内滴入甲醇，便可燃烧形成正压的保护气氛，避免工件氧化。

淬火油槽

淬火油容量合理，即为入油工件容量的10～15倍，使油量处于合理深度和容积，再配以强烈搅拌装置，确保工件淬火的均匀性和稳定性。

设有槽内加热和槽外冷却循环装置以及油温自动控制系统，确保油温稳定在±5℃。

槽内设有连续运转提升机构，可按工件的入油时间要求调整运行速度，工件出油后加速运转，快速进入等温炉，以满足分级等温淬火工艺的要求。

等温炉

炉内设置密封连续运转的传动带和自动控制装置，可据分级等温淬火工艺要求的时间调整运行速度。

炉顶装置密封风扇进行搅拌，加强空气对流，使炉内温度均匀，并装上温度自动控制仪，确保炉内温度即等温温度的准确性和稳定性。

进出口装上带专利性的密封保温炉门，防止炉外冷空气的侵入和对流，加上传动带的密封，也没有装料框等工装带走热量的损失。

生产应用

磨球

我国磨球市场巨大，生产厂家众多，竞争激烈。铸造磨球因成本低、耐磨性高而逐渐取代锻造磨球成为市场的主要占领者，但其冲击韧性低，易破碎的缺点又阻碍它的进一步发展。20世纪80年代初期，我国引进开发了高铬铸铁磨球制造技术，并带动低铬和中铬铸铁磨球的发展，形成铬合金铸铁磨球系列，并取得突破性进展，迅速占领80%以上市场。90年代初，我国创新发展了ADI磨球，成为研究、开发和应用ADI磨球最早的国家，并一直处于世界领先地位，在多家工厂进行了批量生产，清华大学首获专利。多年的实践和理论都证明[4]，ADI磨球比铬合金铸铁磨球具有更高的综合机械性能，特别是更高的冲击韧性和抗矿山湿磨工况的腐蚀性能，故不但适用于电力、水泥等行业使用，更特别适用于大磨机、大磨球以及湿磨工矿条件下的各类矿山使用。分级等温ADI 磨球成本与价格最低的低铬球相当，但磨耗小，为其40%；磨耗与最佳的、价格最高的高铬合金(ZQCr15)磨球也相当，但破碎率很低(＜1%)，失圆度小，性价比最高。也因含有石墨，噪音小；密度小，使产品轻量化，从而节能15%～20%。因而分级等温ADI 磨球被列为八五期间重点推广项目，但进展速度很慢，目前占领市场仅7%左右。究其原因，除了多用手工操作，生产率低，没形成规模生产外，更主要的是生产稳定性差，产品时好时坏，性能和质量多不到位，用户不放心，市场便难以迅速打开。生产稳定性差的原因，除了制度、政策和管理等不够规范外，从技术上来说，主要是：(1)ADI抗磨损腐蚀磨球是我国创新、研究和应用最早的国家，并一直处于世界领先地位，因此它的发展和提高，特别是生产稳定性的提高，是“摸着石头过河”，更是有过程、要时间的。(2)ADI的生产对原材料的要求较之一般球墨铸铁更加严格，原材料的不稳定性对它的影响更为敏感，而目前国内铸造生铁生产厂家虽多，但能提供优质高纯球磨生铁的厂家并不多，需要进一步培育原材料供应市场。(3)等温淬火工序是获得合格的贝氏体基体，大幅度提高性能和质量的关键，传统的硝盐等温淬火工艺与其配套的设备处理成本高、热效率低，氧化严重，性能提高幅度仍不够，有一定的环境污染，更因处理时间较长，生产率低，与熔炼和造型工序不平衡等问题而成为屏障和急待解决的难题。引进国外先进的硝盐真空或带保护气氛的等温淬火设备，生产稳定性高，少、无氧化，但一次性投资大(为本研究的分级等温淬火新工艺配套的连续生产线10～15倍)，且还没有摆脱传统的硝盐等温淬火工艺存在的问题；带专利性的水玻璃水溶液连续冷却方法，虽能获得下贝氏体为主的基体组织，成本低、污染少，但生产稳定性仍不足，加热时氧化也很严重。

针对上述问题，本研究组从1991年起，开展了分级等温淬火新工艺和配套设备以及淬火用油的研究和开发。开始时用手工操作方法，先后在全国各地10多个厂家试制和批量生产，并在矿山、电力、建筑等行业的大量用户应用，都得到认可，并充分肯定ADI磨球产品和分级等温淬火新工艺的优势和正确的发展方向，但产品质量不稳定，使用户不够放心，又阻碍了它的发展。为此，本研究组又开发了与此工艺配套的连续热处理生产线，并进行生产验证。对批量生产ADI磨球质量检测数据和走访用户收集的使用效果的大量数据进行统计分析，对比检验耐磨不破碎的“好球”和不耐磨破碎的“不好球”，并有针对性地进行补充试验，得到如下结果：(1)铸坯不健全、铸造缺陷严重、球化率在3级以下的磨球，或等温淬火后以珠光体、索氏体为主要基体，且硬度低(≤HRC40)的磨球，都易破碎也不耐磨。(2)对于CADI磨球，碳化物形态好，呈细小块团状均布，含量为12%～20% 时，能提高硬度和耐磨性；碳化物形态不好，连网率≥60%时，易破碎；碳化物量≤12 %时，对耐磨性贡献不大[4]。(3)白亮区是由碳化物、马氏体、残余奥氏体组成，裂纹源常在白亮区中的碳化物周边产生，迅速在周围的脆性组织中扩散，使磨球破碎，所以白亮区应尽力排除(≤3%)[5]。(4)铁素体和索氏体存在石墨球周围，降低耐磨性。索氏体还降低韧性，磨球易破碎，两者都应尽力排除(≤3%)[5]。(5)因ADI磨球含石墨，故降噪音，对一电厂的现场实测结果表明，单用时，降2～4分贝，配套ADI衬板同用时，降5～10分贝。(6)生产ADI磨球的技术路线是：Mn、Si为基础、多元低、微合金化的成分为前提，铁水冶金质量为基础，铸造工艺为质量的主要保证，分级等温淬火新工艺及其配套的连续生产线为提高性能、生产稳定性和降低成本的关键。(7)用油与空气炉分级等温淬火新工艺生产ADI磨球，与传统的硝盐等温淬火工艺比较，因细化晶粒，硬度、强度和抗冲韧性分别提高10%～20%、15%～25%和20%～30%，淬透性提高15%～20%，等温处理时间缩短10%～30%，生产效率提高，生产成本降低，且节能15%～20%，没有亚硝酸盐等有害物污染[3]。(8)细针下贝氏体与适量的韧性马氏体及其共存的少量残余奥氏体组成的混合组织，硬度高(HRC 55-60)，冲击韧性高(15～20 J/cm2)，耐磨且不易破碎。但在过去的手工操作中，出现的概率仅为10%～20%；用推杆式连续生产线，因磨球装框，框内外的磨球性能不均匀，也不稳定，出现的概率仅为25%～35%；分级等温淬火新工艺及其配套的连续生产线，因不重叠而成排均布有序连续前进，四周均匀加热，逐个淬火，全自动数字化控制，可以稳定地获得理想的基体组织。

杂质泵叶轮泵壳等过流部件

杂质泵应用的污水、砂浆、泥浆、海水油砂等介质环境，多含有腐蚀性(如H2S、CO2)和坚硬颗粒(如石英砂)，对杂质泵叶轮、泵壳等过流部件产生腐蚀磨损而导致失效报废，对这类结构件除了要求较高的结构强度和一定韧性之外，还要求具有良好的抗腐蚀磨损性能。目前国内外普遍采用各种类型不锈钢和高镍耐蚀铸铁或锡青铜、锰黄铜等材料，虽然抗腐蚀性不错，但抗磨性不足。高铬铸铁具有优异的抗磨性能和较好的抗腐蚀性能，但其加工性能和铸造性能极差，制造难度大，生产成本高。20世纪80年代我国发展了双相不锈钢技术制造杂质泵过流部件，虽然综合性能指标有所提高，但并不十分理想。因此，进一步研究和开发抗腐蚀磨损材料成为国内外急待解决的课题。

20世纪90年代初，本研究组与清华大学、机械科学研究院合作，用Cu、Mo合金化、风雾冷连续冷却方法，在河北、北京、山西等省市4个厂家试制和生产抗磨损腐蚀ADI杂质泵叶轮泵壳等过流部件，取得成效，但稳定性极差，成本也高。随后，承担原机械部 “贝氏体球铁在杂质泵叶轮泵壳等过流部件应用研究”课题，先用Mn、Si为基础多元低微合金化以及手工操作的分级等温淬火新工艺，最后改进为类似ADI磨球生产的以Mn、Si为基础多元低微合金化，自动化控制的分级等温淬火新工艺及其配套的连续生产线，先后在全国各地10多个厂家试制和批量生产。实践表明，新工艺拥有下列特点，能满足杂质泵叶轮、泵壳等过流部件的要求：(1)综合性能优异，硬度(HRC52～58)、 抗拉强度(750～1050 MPa)、冲击值(12～18 J/cm2),能满足产品的抗磨性和结构强度高的要求。(2)高含量的Si能形成表面钝化膜，并提高基体的电极电位，满足产品抗腐蚀性能要求。(3)材质成本低，为双相不锈钢1/5～1/3，高镍铬高合金不锈钢、高铬耐蚀铸铁和锡青铜、锰黄铜1/10～1/8，产品具有最高的性价比。(4)加工性能优异，因为粗、精加工时硬度适中(HRC20～25)，加工后用分级等温淬火进行硬化处理(硬度HRC52～56)，变形小甚至为零变形，且少/无氧化，精度可达IT7～8级，一般不需再进行昂贵磨削加工，降低产品成本。(5)生产稳定性高。

根据生产应用的实践和理论计算分析表明，一般杂质泵叶轮、泵壳等过流部件属低应力磨粒磨损，带坚硬颗粒液流的冲刷力，远不如磨球工作时抛落运动和泻落运动的撞击力大，ADI的高强度和高韧性已足够且有富余。因此，可牺牲一些强度和韧性，发展硬度更高、抗腐蚀磨损性能更强的带碳化物等温淬火球铁，即抗腐蚀磨损CADI，也就是在保证ADI特点和优势基础上，增加Cr量和其他低微量合金元素以及强化孕育和变质等措施，获取适量的形态良好的碳化物，进一步增加硬度(HRC56～62)，提高抗磨性的同时，进一步增强表面钝化膜和提高基体的电极电位，以强化抗腐蚀磨损能力。

抗腐蚀磨损CADI已在油田、海水、砂浆、泥浆、污水等工况用杂质泵的叶轮、泵壳等过流部件中应用，表现出比ADI更强的优势和更好的效益，预料在此领域，CADI会较大范围取代昂贵的双相不锈钢、高镍铬合金不锈钢、高铬镍耐蚀铸铁、锡青铜、锰黄铜等材质，获取更良好的技术经济效益。

齿轮

齿轮是机械传动的主要零部件，应用遍及许多领域，也是ADI应用最早最具代表性的产品之一。本研究组首先着手中小型拖拉机重要齿轮的应用，原因之一是市场广阔，ADI有用武之地；其二是扬长避短：与钢齿轮点蚀疲劳剥落和磨损失效形成不同，ADI齿轮失效的主要形式是断齿，即弯曲疲劳强度和冲击韧度不足，而中小型拖拉机传动扭矩和冲击载荷都较小，正好避其易断齿之不足，扬其耐磨和抗点蚀疲劳之长；其三是效益高，中小型拖拉机重要齿轮多采用20CrMnTi渗碳钢制造制造成本较高。而采用ADI制造具有原材料成本低、易成形、切削加工量小的优点，此外，ADI密度小，重量比20CrMnTi降低10%左右，更重要的是，20CrMnTi高温渗碳淬火降低精度1.5～2.5级，需要磨削，而ADI齿轮采用中温加热、等温淬火，齿轮变形小，精度降低半级以下，可取消昂贵的磨削工序，使得总成本可降低15%～25%。

本研究组在中小型拖拉机的153、204和118等齿轮的批量生产中选用QTD1050-6牌号，采用优质生铁、高温熔炼，Mn、Si、Cu等多元低微合金化、强化孕育、炉前快速测试等措施，获取优质稳定的铁水；用金属型铸造，定向凝固补缩齿部和铁素体化退火等工艺，保证在齿轮铸坯特别是齿部，获得石墨球细化、无碳化物、无缩孔和缩松等铸造缺陷的全铁素体组织的铸件，经280℃和350℃分级等温淬火处理，获得30%～40%的高碳奥氏体和无碳化物贝氏体组织即奥铁体组织，强度和韧性大幅度提高，达到QTD1050-6牌号要求，再经喷丸或滚压强化处理，表面硬化并产生压应力，弯曲疲劳强度和磨性进一步提高，使用寿命较20CrMnTi齿轮提高20%～30%。ADI在中小型拖拉机重要齿轮应用具有明显的优势。

结束语

分级等温淬火新工艺能显著提高ADI强度、韧性和耐腐蚀性、耐磨性。ADI磨球综合性能和性价比高、抗腐蚀磨损能力强，适用于矿山湿磨特别是大磨机、大磨球；ADI、CADI在杂质泵叶轮泵壳等过流部件上的应用优势突出；ADI在中小型拖拉机重要齿轮以及曲轴等重要结构件上的应用前景广阔。与新工艺配套的连续热处理生产线，显著提高ADI产品生产的稳定性，并具有全自动数字化控制、少无氧化、热效率高、投资少、成本低、节能环保的特点，是符合我国国情的生产ADI产品的好方法。

项目联系人朱国峰，北京国际高技术中心项目经理，联系电话13466336556，E-mail：ihtc@ustb. edu.cn。联系地址：100083海淀区学院路30号 北京科技大学办公楼224。

致谢：清华大学吴德海教授和中国机械科学研究总院曾艺成教授级高工认真审阅本文并提出许多宝贵修改意见，在此谨致敬谢！

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New Step Austempered Technology and Supported Continuous Heat Treatment Line

/ ZHOU Shi-kang1, LIU Jun-you2, XU Yang1, ZHU Rui-hui3，

MA Da-wei4

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.02.22

1. 中国农业大学，北京 100083；2. 北京科技大学，北京 100083；3. 高州创建铸造有限公司，广东 高州 525200；4. 开封市华能电炉有限责任公司，河南 开封 475002