分級(jí)等溫淬火新工藝及其配套連續(xù)熱處理生產(chǎn)線

供稿|周世康，劉俊友，徐 揚(yáng)，朱瑞輝，馬大衛(wèi)

分級(jí)等溫淬火新工藝及其配套連續(xù)熱處理生產(chǎn)線

供稿|周世康1，劉俊友2，徐 揚(yáng)1，朱瑞輝3，馬大衛(wèi)4

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章綜述了等溫淬火球鐵(ADI)的由來(lái)和發(fā)展，介紹了ADI分級(jí)等溫淬火新工藝以及與之配套的連續(xù)熱處理生產(chǎn)線的特點(diǎn)，以及ADI在磨球、雜質(zhì)泵殼體、齒輪等產(chǎn)品上的應(yīng)用。指出分級(jí)等溫淬火和配套裝備可以實(shí)現(xiàn)高性能ADI產(chǎn)品的高效率、低成本、穩(wěn)定化生產(chǎn)，是一種適合國(guó)情符合環(huán)保節(jié)能要求的生產(chǎn)方法。文中有多年來(lái)對(duì)ADI研究的心得和體會(huì)，謹(jǐn)供同行們參閱，以期進(jìn)一步完善ADI生產(chǎn)核心工藝技術(shù)，促進(jìn)ADI產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。

1939年，美國(guó)金屬學(xué)家Bain在鋼中發(fā)現(xiàn)通過(guò)奧氏體中溫等溫或連續(xù)冷卻可以獲得一種新的材料組織，并預(yù)言這是一種綜合機(jī)械性能最好的將會(huì)得到廣泛應(yīng)用的材料，為紀(jì)念他的功績(jī)，材料學(xué)中將這種組織命名為貝氏體。隨后，Mehll的研究又將貝氏體分為羽毛狀上貝氏體和針片狀下貝氏體。經(jīng)過(guò)5年的發(fā)展，先后在彈簧鋼、工具鋼、壓力容器鋼等多種鋼件上成功應(yīng)用[1]，取得了突破性進(jìn)展，證實(shí)了Bain的預(yù)言。20世紀(jì)60年代末到70年代初，我國(guó)和美國(guó)、芬蘭等國(guó)先后開(kāi)展了貝氏體在球鐵中的應(yīng)用研究。1978年的一次國(guó)際會(huì)議上，幾個(gè)國(guó)家的科學(xué)家不約而同地宣布貝氏體在球鐵齒輪上應(yīng)用取得成功，進(jìn)一步證實(shí)了Bain的預(yù)言。不久，在曲軸、輪轂、彈簧鋼板、襯套、萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)等重要結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用也取得了突破，因此，貝氏體球鐵被譽(yù)為20世紀(jì)80年代材料科學(xué)的重大進(jìn)展。

雖然貝氏體球鐵的命名到目前為止國(guó)內(nèi)外還存在著爭(zhēng)議，但為了與美國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家接軌和交流，我國(guó)逐步改為等溫淬火球鐵(Austempered Ductile Iron，簡(jiǎn)稱ADI)予以命名，并于2009年制定GB/T 24733—2009“等溫淬火球墨鑄鐵件”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)予以肯定。

20世紀(jì)末，由于發(fā)動(dòng)機(jī)增壓和鐵路增速，原用普通球鐵(如QT600-3、QT700-2、QT800-2)和碳素鋼(如45G)曲軸等重要結(jié)構(gòu)件因不能承受更大的負(fù)載而會(huì)產(chǎn)生斷裂導(dǎo)致早期失效。21世紀(jì)初，美國(guó)人率先采用ADIQTD900-9和QTD1050-7牌號(hào)材料制造曲軸等重要結(jié)構(gòu)件取得成功。我國(guó)也陸續(xù)開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)ADI曲軸、齒輪、汽車輪轂、襯套、萬(wàn)象聯(lián)軸節(jié)以及高速列車的斜楔、殼體等重要結(jié)構(gòu)件，取得顯著進(jìn)展，建立了多個(gè)專業(yè)生產(chǎn)廠和生產(chǎn)車間，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[2]。

我國(guó)是最早開(kāi)展ADI在抗磨和抗腐蝕磨損構(gòu)件上研究和應(yīng)用的國(guó)家，并一直處于世界領(lǐng)先地位。20世紀(jì)90代初，首先在磨球產(chǎn)品上的應(yīng)用取得突破，在多家工廠進(jìn)行了批量生產(chǎn)，清華大學(xué)首先獲得專利，并在1998年制定和2009年修定的GB/T 17445“鑄造磨球”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中予以肯定。隨后，在襯板、錘頭和鐵路機(jī)車斜楔、襯套等許多抗磨件上應(yīng)用也取得顯著成效。

本課題組緊跟ADI發(fā)展潮流：1975年起，先后在河北、河南研制和批量生產(chǎn)35拖拉機(jī)末端傳動(dòng)ADI齒輪以及中小型拖拉機(jī)153、204、118等ADI齒輪；1991年起，開(kāi)展ADI磨球的研制，承擔(dān)原機(jī)械部“貝氏體球鐵雜質(zhì)泵葉輪泵殼等過(guò)流部件的應(yīng)用研究”課題，先后在河北、山西、北京、山東、廣東、海南等省市近20個(gè)廠家生產(chǎn)應(yīng)用；從傳統(tǒng)的Cu、Mo合金化，到Mn、Si合金化，然后到現(xiàn)在的以Mn、Si為基礎(chǔ)的多元低微合金化；從傳統(tǒng)的硝鹽等溫淬火，到手工操作的分級(jí)等溫淬火，然后到現(xiàn)在的分級(jí)等溫淬火配套連續(xù)生產(chǎn)線，該技術(shù)逐步走向成熟，使產(chǎn)品從試制發(fā)展為批量生產(chǎn)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

ADI分級(jí)等溫淬火新工藝

ADI熱處理是獲得貝氏體基體大幅度提高材料性能的關(guān)鍵工序。傳統(tǒng)的硝鹽等溫淬火工藝較成熟穩(wěn)定，但生產(chǎn)率低、能耗大、運(yùn)行成本高，且生產(chǎn)設(shè)備一次性投資較大，亞硝酸鹽的排放有污染環(huán)境的危險(xiǎn)。為解決此問(wèn)題，本課題組發(fā)展了一種ADI分級(jí)等溫淬火新工藝。

以Mn、Si為基礎(chǔ)，采用多元低微合金化技術(shù)，發(fā)揮各元素的各自作用和交互促進(jìn)作用，使TTT圖呈河灣狀(圖1)。

將工件加熱到合適的奧氏體化溫度保溫適當(dāng)時(shí)間后，放入第一級(jí)等溫淬火介質(zhì)中淬火，避開(kāi)珠光體和貝氏體C曲線“鼻尖”，過(guò)冷到貝氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度BS或MS，然后，按照等溫淬火球鐵工件要求，在320～380℃溫度區(qū)間進(jìn)行第二級(jí)等溫轉(zhuǎn)變以便獲得上貝氏體組織，或在210～290℃溫度區(qū)間進(jìn)行第二級(jí)等溫轉(zhuǎn)變以便獲得下貝氏體、馬氏體組織。試驗(yàn)結(jié)果和生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，試驗(yàn)材料力學(xué)性能(硬度與沖擊韌性)均比傳統(tǒng)的硝鹽等溫淬火高，如表1所示。這是因?yàn)榉旨?jí)等溫淬火的組織主要決定于第二級(jí)。第一級(jí)等溫淬火時(shí)間短，僅以形核為主，而第二級(jí)以長(zhǎng)大為主，也就是說(shuō)，貝氏體形態(tài)取決于長(zhǎng)大溫度即第二級(jí)等溫淬火溫度。當(dāng)?shù)谝患?jí)等溫過(guò)冷時(shí)，產(chǎn)生大量小晶核，這些晶核是從奧氏體面心立方母相轉(zhuǎn)變而來(lái)的。從熱力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，這種晶核可以作為貝氏體或馬氏體核心；但從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，則必須提供更大的驅(qū)動(dòng)力即更大過(guò)冷度才能產(chǎn)生馬氏體[3]——在稍低于Ms溫度下(大概不低于160℃)，因分級(jí)時(shí)間短暫，過(guò)冷度不夠大，故不可能提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力，晶核來(lái)不及長(zhǎng)大，不可能形成過(guò)多的馬氏體，即使形成一些馬氏體，也會(huì)因轉(zhuǎn)變溫度高和首先轉(zhuǎn)變的奧氏體含碳量低，而形成細(xì)針狀韌性位錯(cuò)馬氏體，且在隨后的第二級(jí)等溫淬火中回火，變成回火馬氏體，因而保持很高的韌性。這些晶核和少量的馬氏體在隨后Ms以上的等溫轉(zhuǎn)變中，為貝氏體的形成和長(zhǎng)大即第二級(jí)等溫淬火提供許多核心，細(xì)化貝氏體組織，增加位錯(cuò)密度，并縮短合金元素?cái)U(kuò)散距離，使成分均勻化，加劇貝氏體相變速度，縮短貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間，從而提高硬度、韌性和縮短等溫淬火時(shí)間。然而，若增大第一級(jí)過(guò)冷到Ms點(diǎn)以下過(guò)低的溫度——大概160℃以下時(shí)，較大的過(guò)冷度提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)過(guò)多馬氏體的形成，這些馬氏體因轉(zhuǎn)變溫度低而易形成粗大片狀脆性孿晶馬氏體，也因其相變膨脹量大，阻礙奧氏體轉(zhuǎn)變，增加殘余奧氏體量，不單硬度較低，韌性也差。

圖1 分級(jí)等溫淬火工藝示意圖

表1 分級(jí)等溫淬火與硝鹽等溫淬火(230℃)性能對(duì)比

第一級(jí)淬火介質(zhì)可用油、水玻璃或硝鹽。水玻璃的生產(chǎn)穩(wěn)定性較差，硝鹽也存在上文所述的不足，油相對(duì)較穩(wěn)定；第二級(jí)用空氣爐，便宜、安全、環(huán)保、溫度均勻又易控制。

分級(jí)等溫淬火新工藝可降低成本，提高性能，但生產(chǎn)穩(wěn)定性不如硝鹽等溫淬火，特別是第一級(jí)等溫淬火時(shí)間需嚴(yán)格控制。手工操作很難達(dá)到精確控制、穩(wěn)定生產(chǎn)的要求，且生產(chǎn)率低、生產(chǎn)成本高，因此研制開(kāi)發(fā)與新技術(shù)配套的連續(xù)熱處理生產(chǎn)線來(lái)保證新工藝的實(shí)施尤為重要。

新工藝配套連續(xù)生產(chǎn)線

在推桿式分級(jí)等溫淬火連續(xù)生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，按分級(jí)等溫淬火新工藝的要求設(shè)計(jì)制造了新的分級(jí)等溫淬火生產(chǎn)線，由密封保護(hù)氣氛少無(wú)氧化連續(xù)加熱爐、淬火油槽和溫度均勻的連續(xù)等溫淬火爐三大部分組成，如圖2所示。

圖2 ADI分級(jí)等溫淬火新工藝配套連續(xù)生產(chǎn)線

加熱爐

工件不重疊地成排均布于爐底板上有序連續(xù)前進(jìn)，爐內(nèi)分為連續(xù)升溫區(qū)和保溫區(qū)，按各區(qū)的要求四周均布加熱器，使?fàn)t底板也始終保持各工作區(qū)的溫度，工件加熱均勻、穩(wěn)定、效率高，縮短加熱時(shí)間。

不需料框等工裝，也不需傳送帶，且爐體出料端密封，避免爐外冷空氣在爐內(nèi)對(duì)流以及工裝帶走熱能的損失，故熱效率高，設(shè)備成本低。

爐體出料端的密封斜槽插入淬火油槽底部，使工件在封閉狀態(tài)下逐個(gè)進(jìn)入強(qiáng)烈攪拌的油槽底，且配以專用的高閃點(diǎn)、低黏度、發(fā)煙少等溫淬火油，閃點(diǎn)高，工件少/無(wú)變形，少/無(wú)油煙、更無(wú)火光產(chǎn)生，既安全又環(huán)保。

爐體出料端密封，往爐內(nèi)滴入甲醇，便可燃燒形成正壓的保護(hù)氣氛，避免工件氧化。

淬火油槽

淬火油容量合理，即為入油工件容量的10～15倍，使油量處于合理深度和容積，再配以強(qiáng)烈攪拌裝置，確保工件淬火的均勻性和穩(wěn)定性。

設(shè)有槽內(nèi)加熱和槽外冷卻循環(huán)裝置以及油溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，確保油溫穩(wěn)定在±5℃。

槽內(nèi)設(shè)有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)提升機(jī)構(gòu)，可按工件的入油時(shí)間要求調(diào)整運(yùn)行速度，工件出油后加速運(yùn)轉(zhuǎn)，快速進(jìn)入等溫爐，以滿足分級(jí)等溫淬火工藝的要求。

等溫爐

爐內(nèi)設(shè)置密封連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的傳動(dòng)帶和自動(dòng)控制裝置，可據(jù)分級(jí)等溫淬火工藝要求的時(shí)間調(diào)整運(yùn)行速度。

爐頂裝置密封風(fēng)扇進(jìn)行攪拌，加強(qiáng)空氣對(duì)流，使?fàn)t內(nèi)溫度均勻，并裝上溫度自動(dòng)控制儀，確保爐內(nèi)溫度即等溫溫度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

進(jìn)出口裝上帶專利性的密封保溫爐門(mén)，防止?fàn)t外冷空氣的侵入和對(duì)流，加上傳動(dòng)帶的密封，也沒(méi)有裝料框等工裝帶走熱量的損失。

生產(chǎn)應(yīng)用

磨球

我國(guó)磨球市場(chǎng)巨大，生產(chǎn)廠家眾多，競(jìng)爭(zhēng)激烈。鑄造磨球因成本低、耐磨性高而逐漸取代鍛造磨球成為市場(chǎng)的主要占領(lǐng)者，但其沖擊韌性低，易破碎的缺點(diǎn)又阻礙它的進(jìn)一步發(fā)展。20世紀(jì)80年代初期，我國(guó)引進(jìn)開(kāi)發(fā)了高鉻鑄鐵磨球制造技術(shù)，并帶動(dòng)低鉻和中鉻鑄鐵磨球的發(fā)展，形成鉻合金鑄鐵磨球系列，并取得突破性進(jìn)展，迅速占領(lǐng)80%以上市場(chǎng)。90年代初，我國(guó)創(chuàng)新發(fā)展了ADI磨球，成為研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用ADI磨球最早的國(guó)家，并一直處于世界領(lǐng)先地位，在多家工廠進(jìn)行了批量生產(chǎn)，清華大學(xué)首獲專利。多年的實(shí)踐和理論都證明[4]，ADI磨球比鉻合金鑄鐵磨球具有更高的綜合機(jī)械性能，特別是更高的沖擊韌性和抗礦山濕磨工況的腐蝕性能，故不但適用于電力、水泥等行業(yè)使用，更特別適用于大磨機(jī)、大磨球以及濕磨工礦條件下的各類礦山使用。分級(jí)等溫ADI 磨球成本與價(jià)格最低的低鉻球相當(dāng)，但磨耗小，為其40%；磨耗與最佳的、價(jià)格最高的高鉻合金(ZQCr15)磨球也相當(dāng)，但破碎率很低(＜1%)，失圓度小，性價(jià)比最高。也因含有石墨，噪音??；密度小，使產(chǎn)品輕量化，從而節(jié)能15%～20%。因而分級(jí)等溫ADI 磨球被列為八五期間重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，但進(jìn)展速度很慢，目前占領(lǐng)市場(chǎng)僅7%左右。究其原因，除了多用手工操作，生產(chǎn)率低，沒(méi)形成規(guī)模生產(chǎn)外，更主要的是生產(chǎn)穩(wěn)定性差，產(chǎn)品時(shí)好時(shí)壞，性能和質(zhì)量多不到位，用戶不放心，市場(chǎng)便難以迅速打開(kāi)。生產(chǎn)穩(wěn)定性差的原因，除了制度、政策和管理等不夠規(guī)范外，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，主要是：(1)ADI抗磨損腐蝕磨球是我國(guó)創(chuàng)新、研究和應(yīng)用最早的國(guó)家，并一直處于世界領(lǐng)先地位，因此它的發(fā)展和提高，特別是生產(chǎn)穩(wěn)定性的提高，是“摸著石頭過(guò)河”，更是有過(guò)程、要時(shí)間的。(2)ADI的生產(chǎn)對(duì)原材料的要求較之一般球墨鑄鐵更加嚴(yán)格，原材料的不穩(wěn)定性對(duì)它的影響更為敏感，而目前國(guó)內(nèi)鑄造生鐵生產(chǎn)廠家雖多，但能提供優(yōu)質(zhì)高純球磨生鐵的廠家并不多，需要進(jìn)一步培育原材料供應(yīng)市場(chǎng)。(3)等溫淬火工序是獲得合格的貝氏體基體，大幅度提高性能和質(zhì)量的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的硝鹽等溫淬火工藝與其配套的設(shè)備處理成本高、熱效率低，氧化嚴(yán)重，性能提高幅度仍不夠，有一定的環(huán)境污染，更因處理時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)率低，與熔煉和造型工序不平衡等問(wèn)題而成為屏障和急待解決的難題。引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的硝鹽真空或帶保護(hù)氣氛的等溫淬火設(shè)備，生產(chǎn)穩(wěn)定性高，少、無(wú)氧化，但一次性投資大(為本研究的分級(jí)等溫淬火新工藝配套的連續(xù)生產(chǎn)線10～15倍)，且還沒(méi)有擺脫傳統(tǒng)的硝鹽等溫淬火工藝存在的問(wèn)題；帶專利性的水玻璃水溶液連續(xù)冷卻方法，雖能獲得下貝氏體為主的基體組織，成本低、污染少，但生產(chǎn)穩(wěn)定性仍不足，加熱時(shí)氧化也很嚴(yán)重。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究組從1991年起，開(kāi)展了分級(jí)等溫淬火新工藝和配套設(shè)備以及淬火用油的研究和開(kāi)發(fā)。開(kāi)始時(shí)用手工操作方法，先后在全國(guó)各地10多個(gè)廠家試制和批量生產(chǎn)，并在礦山、電力、建筑等行業(yè)的大量用戶應(yīng)用，都得到認(rèn)可，并充分肯定ADI磨球產(chǎn)品和分級(jí)等溫淬火新工藝的優(yōu)勢(shì)和正確的發(fā)展方向，但產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，使用戶不夠放心，又阻礙了它的發(fā)展。為此，本研究組又開(kāi)發(fā)了與此工藝配套的連續(xù)熱處理生產(chǎn)線，并進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。對(duì)批量生產(chǎn)ADI磨球質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)和走訪用戶收集的使用效果的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比檢驗(yàn)?zāi)湍ゲ黄扑榈摹昂们颉焙筒荒湍テ扑榈摹安缓们颉?，并有針?duì)性地進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，得到如下結(jié)果：(1)鑄坯不健全、鑄造缺陷嚴(yán)重、球化率在3級(jí)以下的磨球，或等溫淬火后以珠光體、索氏體為主要基體，且硬度低(≤HRC40)的磨球，都易破碎也不耐磨。(2)對(duì)于CADI磨球，碳化物形態(tài)好，呈細(xì)小塊團(tuán)狀均布，含量為12%～20% 時(shí)，能提高硬度和耐磨性；碳化物形態(tài)不好，連網(wǎng)率≥60%時(shí)，易破碎；碳化物量≤12 %時(shí)，對(duì)耐磨性貢獻(xiàn)不大[4]。(3)白亮區(qū)是由碳化物、馬氏體、殘余奧氏體組成，裂紋源常在白亮區(qū)中的碳化物周邊產(chǎn)生，迅速在周圍的脆性組織中擴(kuò)散，使磨球破碎，所以白亮區(qū)應(yīng)盡力排除(≤3%)[5]。(4)鐵素體和索氏體存在石墨球周圍，降低耐磨性。索氏體還降低韌性，磨球易破碎，兩者都應(yīng)盡力排除(≤3%)[5]。(5)因ADI磨球含石墨，故降噪音，對(duì)一電廠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，單用時(shí)，降2～4分貝，配套ADI襯板同用時(shí)，降5～10分貝。(6)生產(chǎn)ADI磨球的技術(shù)路線是：Mn、Si為基礎(chǔ)、多元低、微合金化的成分為前提，鐵水冶金質(zhì)量為基礎(chǔ)，鑄造工藝為質(zhì)量的主要保證，分級(jí)等溫淬火新工藝及其配套的連續(xù)生產(chǎn)線為提高性能、生產(chǎn)穩(wěn)定性和降低成本的關(guān)鍵。(7)用油與空氣爐分級(jí)等溫淬火新工藝生產(chǎn)ADI磨球，與傳統(tǒng)的硝鹽等溫淬火工藝比較，因細(xì)化晶粒，硬度、強(qiáng)度和抗沖韌性分別提高10%～20%、15%～25%和20%～30%，淬透性提高15%～20%，等溫處理時(shí)間縮短10%～30%，生產(chǎn)效率提高，生產(chǎn)成本降低，且節(jié)能15%～20%，沒(méi)有亞硝酸鹽等有害物污染[3]。(8)細(xì)針下貝氏體與適量的韌性馬氏體及其共存的少量殘余奧氏體組成的混合組織，硬度高(HRC 55-60)，沖擊韌性高(15～20 J/cm2)，耐磨且不易破碎。但在過(guò)去的手工操作中，出現(xiàn)的概率僅為10%～20%；用推桿式連續(xù)生產(chǎn)線，因磨球裝框，框內(nèi)外的磨球性能不均勻，也不穩(wěn)定，出現(xiàn)的概率僅為25%～35%；分級(jí)等溫淬火新工藝及其配套的連續(xù)生產(chǎn)線，因不重疊而成排均布有序連續(xù)前進(jìn)，四周均勻加熱，逐個(gè)淬火，全自動(dòng)數(shù)字化控制，可以穩(wěn)定地獲得理想的基體組織。

雜質(zhì)泵葉輪泵殼等過(guò)流部件

雜質(zhì)泵應(yīng)用的污水、砂漿、泥漿、海水油砂等介質(zhì)環(huán)境，多含有腐蝕性(如H2S、CO2)和堅(jiān)硬顆粒(如石英砂)，對(duì)雜質(zhì)泵葉輪、泵殼等過(guò)流部件產(chǎn)生腐蝕磨損而導(dǎo)致失效報(bào)廢，對(duì)這類結(jié)構(gòu)件除了要求較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和一定韌性之外，還要求具有良好的抗腐蝕磨損性能。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用各種類型不銹鋼和高鎳耐蝕鑄鐵或錫青銅、錳黃銅等材料，雖然抗腐蝕性不錯(cuò)，但抗磨性不足。高鉻鑄鐵具有優(yōu)異的抗磨性能和較好的抗腐蝕性能，但其加工性能和鑄造性能極差，制造難度大，生產(chǎn)成本高。20世紀(jì)80年代我國(guó)發(fā)展了雙相不銹鋼技術(shù)制造雜質(zhì)泵過(guò)流部件，雖然綜合性能指標(biāo)有所提高，但并不十分理想。因此，進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)抗腐蝕磨損材料成為國(guó)內(nèi)外急待解決的課題。

20世紀(jì)90年代初，本研究組與清華大學(xué)、機(jī)械科學(xué)研究院合作，用Cu、Mo合金化、風(fēng)霧冷連續(xù)冷卻方法，在河北、北京、山西等省市4個(gè)廠家試制和生產(chǎn)抗磨損腐蝕ADI雜質(zhì)泵葉輪泵殼等過(guò)流部件，取得成效，但穩(wěn)定性極差，成本也高。隨后，承擔(dān)原機(jī)械部 “貝氏體球鐵在雜質(zhì)泵葉輪泵殼等過(guò)流部件應(yīng)用研究”課題，先用Mn、Si為基礎(chǔ)多元低微合金化以及手工操作的分級(jí)等溫淬火新工藝，最后改進(jìn)為類似ADI磨球生產(chǎn)的以Mn、Si為基礎(chǔ)多元低微合金化，自動(dòng)化控制的分級(jí)等溫淬火新工藝及其配套的連續(xù)生產(chǎn)線，先后在全國(guó)各地10多個(gè)廠家試制和批量生產(chǎn)。實(shí)踐表明，新工藝擁有下列特點(diǎn)，能滿足雜質(zhì)泵葉輪、泵殼等過(guò)流部件的要求：(1)綜合性能優(yōu)異，硬度(HRC52～58)、 抗拉強(qiáng)度(750～1050 MPa)、沖擊值(12～18 J/cm2),能滿足產(chǎn)品的抗磨性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的要求。(2)高含量的Si能形成表面鈍化膜，并提高基體的電極電位，滿足產(chǎn)品抗腐蝕性能要求。(3)材質(zhì)成本低，為雙相不銹鋼1/5～1/3，高鎳鉻高合金不銹鋼、高鉻耐蝕鑄鐵和錫青銅、錳黃銅1/10～1/8，產(chǎn)品具有最高的性價(jià)比。(4)加工性能優(yōu)異，因?yàn)榇?、精加工時(shí)硬度適中(HRC20～25)，加工后用分級(jí)等溫淬火進(jìn)行硬化處理(硬度HRC52～56)，變形小甚至為零變形，且少/無(wú)氧化，精度可達(dá)IT7～8級(jí)，一般不需再進(jìn)行昂貴磨削加工，降低產(chǎn)品成本。(5)生產(chǎn)穩(wěn)定性高。

根據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用的實(shí)踐和理論計(jì)算分析表明，一般雜質(zhì)泵葉輪、泵殼等過(guò)流部件屬低應(yīng)力磨粒磨損，帶堅(jiān)硬顆粒液流的沖刷力，遠(yuǎn)不如磨球工作時(shí)拋落運(yùn)動(dòng)和瀉落運(yùn)動(dòng)的撞擊力大，ADI的高強(qiáng)度和高韌性已足夠且有富余。因此，可犧牲一些強(qiáng)度和韌性，發(fā)展硬度更高、抗腐蝕磨損性能更強(qiáng)的帶碳化物等溫淬火球鐵，即抗腐蝕磨損CADI，也就是在保證ADI特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，增加Cr量和其他低微量合金元素以及強(qiáng)化孕育和變質(zhì)等措施，獲取適量的形態(tài)良好的碳化物，進(jìn)一步增加硬度(HRC56～62)，提高抗磨性的同時(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)表面鈍化膜和提高基體的電極電位，以強(qiáng)化抗腐蝕磨損能力。

抗腐蝕磨損CADI已在油田、海水、砂漿、泥漿、污水等工況用雜質(zhì)泵的葉輪、泵殼等過(guò)流部件中應(yīng)用，表現(xiàn)出比ADI更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)和更好的效益，預(yù)料在此領(lǐng)域，CADI會(huì)較大范圍取代昂貴的雙相不銹鋼、高鎳鉻合金不銹鋼、高鉻鎳耐蝕鑄鐵、錫青銅、錳黃銅等材質(zhì)，獲取更良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

齒輪

齒輪是機(jī)械傳動(dòng)的主要零部件，應(yīng)用遍及許多領(lǐng)域，也是ADI應(yīng)用最早最具代表性的產(chǎn)品之一。本研究組首先著手中小型拖拉機(jī)重要齒輪的應(yīng)用，原因之一是市場(chǎng)廣闊，ADI有用武之地；其二是揚(yáng)長(zhǎng)避短：與鋼齒輪點(diǎn)蝕疲勞剝落和磨損失效形成不同，ADI齒輪失效的主要形式是斷齒，即彎曲疲勞強(qiáng)度和沖擊韌度不足，而中小型拖拉機(jī)傳動(dòng)扭矩和沖擊載荷都較小，正好避其易斷齒之不足，揚(yáng)其耐磨和抗點(diǎn)蝕疲勞之長(zhǎng)；其三是效益高，中小型拖拉機(jī)重要齒輪多采用20CrMnTi滲碳鋼制造制造成本較高。而采用ADI制造具有原材料成本低、易成形、切削加工量小的優(yōu)點(diǎn)，此外，ADI密度小，重量比20CrMnTi降低10%左右，更重要的是，20CrMnTi高溫滲碳淬火降低精度1.5～2.5級(jí)，需要磨削，而ADI齒輪采用中溫加熱、等溫淬火，齒輪變形小，精度降低半級(jí)以下，可取消昂貴的磨削工序，使得總成本可降低15%～25%。

本研究組在中小型拖拉機(jī)的153、204和118等齒輪的批量生產(chǎn)中選用QTD1050-6牌號(hào)，采用優(yōu)質(zhì)生鐵、高溫熔煉，Mn、Si、Cu等多元低微合金化、強(qiáng)化孕育、爐前快速測(cè)試等措施，獲取優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的鐵水；用金屬型鑄造，定向凝固補(bǔ)縮齒部和鐵素體化退火等工藝，保證在齒輪鑄坯特別是齒部，獲得石墨球細(xì)化、無(wú)碳化物、無(wú)縮孔和縮松等鑄造缺陷的全鐵素體組織的鑄件，經(jīng)280℃和350℃分級(jí)等溫淬火處理，獲得30%～40%的高碳奧氏體和無(wú)碳化物貝氏體組織即奧鐵體組織，強(qiáng)度和韌性大幅度提高，達(dá)到QTD1050-6牌號(hào)要求，再經(jīng)噴丸或滾壓強(qiáng)化處理，表面硬化并產(chǎn)生壓應(yīng)力，彎曲疲勞強(qiáng)度和磨性進(jìn)一步提高，使用壽命較20CrMnTi齒輪提高20%～30%。ADI在中小型拖拉機(jī)重要齒輪應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)束語(yǔ)

分級(jí)等溫淬火新工藝能顯著提高ADI強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性、耐磨性。ADI磨球綜合性能和性價(jià)比高、抗腐蝕磨損能力強(qiáng)，適用于礦山濕磨特別是大磨機(jī)、大磨球；ADI、CADI在雜質(zhì)泵葉輪泵殼等過(guò)流部件上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)突出；ADI在中小型拖拉機(jī)重要齒輪以及曲軸等重要結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用前景廣闊。與新工藝配套的連續(xù)熱處理生產(chǎn)線，顯著提高ADI產(chǎn)品生產(chǎn)的穩(wěn)定性，并具有全自動(dòng)數(shù)字化控制、少無(wú)氧化、熱效率高、投資少、成本低、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，是符合我國(guó)國(guó)情的生產(chǎn)ADI產(chǎn)品的好方法。

項(xiàng)目聯(lián)系人朱國(guó)峰，北京國(guó)際高技術(shù)中心項(xiàng)目經(jīng)理，聯(lián)系電話13466336556，E-mail：ihtc@ustb. edu.cn。聯(lián)系地址：100083海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào) 北京科技大學(xué)辦公樓224。

致謝：清華大學(xué)吳德海教授和中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院曾藝成教授級(jí)高工認(rèn)真審閱本文并提出許多寶貴修改意見(jiàn)，在此謹(jǐn)致敬謝！

[1] 徐祖耀，劉世揩．貝氏體及貝氏體相變. 北京：科學(xué)出版社，1991.

[2] 曾藝成，張忠仇，李克銳. 我國(guó)等溫淬火球鐵的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展前景//第七屆全國(guó)鑄鐵及熔煉學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 鄭州，2004.

[3] 徐揚(yáng). 貝氏體球鐵熱處理新工藝的研究[學(xué)位論文]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，1994.

[4] 魏秉慶, 梁吉, 吳德海. 貝氏體球墨鑄鐵. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.

[5] 王玉磊. 奧貝球鐵中碳化物對(duì)耐磨性能的影響[學(xué)位論文]. 北京：北京科技大學(xué)，2007.

[6] 劉俊友，徐揚(yáng)，王玉磊，等. 抗磨等溫球鐵磨球的研究和應(yīng)用//美國(guó)拉斯維加斯鑄鐵國(guó)際會(huì)議. 拉斯維加斯, 2009.

[7] 徐揚(yáng)，李致國(guó)，馬占洪，等. 貝氏體球鐵生產(chǎn)應(yīng)用中若干問(wèn)題的探討. 鑄造，2003(7)： 510-514.

[8] Peng J R K. ADI-your means to enhanced economic and engineering opportunities (abridged version)//全國(guó)鑄鐵及熔煉學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.鄭州：鄭州機(jī)械研究所, 2004：15-20.

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. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083；2. 北京科技大學(xué)，北京 100083；3. 高州創(chuàng)建鑄造有限公司，廣東 高州 525200；4. 開(kāi)封市華能電爐有限責(zé)任公司，河南 開(kāi)封 475002