铁素体球铁二次高频淬火技术的探讨

作者：信息来源:模具 2008-6-5

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摘要: 探讨了铁素体球铁二次高频淬火的工艺、应用范围及机理。实践表明，铁素体球铁二次淬火后的金相组织和机械性能均满足了工作的要求，解决了生产中长期存在的难题。关键词：铁素体球铁。二次高频淬火。...

摘要: 探讨了铁素体球铁二次高频淬火的工艺、应用范围及机理；实践表明，铁素体球铁二次淬火后的金相组织和机械性能均满足了工作的要求，解决了生产中期存在的难题。
关键词： 铁素体球铁；二次高频淬火；工艺规范
文献标识码： A　　文章编号：1000-8365(1999)04-0010-02

Discussion on Twice High-frequency Hardening Process of Ferrite Ductile Iron

Kong Fan-le,LI Yi-ren
(Hefei Hydraulic Components Factory,Hefei 230031, China)

Abstract： In this paper,the technique,mechanism and application of twice high-frequency harding process of ferrite ductile iron has been discussed. The result Shows that,the metallographic structure and mechanical properties of ferrit ductile iron after twice high-frequency harding process can meet requirement of the workpiece.
Key Words: Ferrite ductile; Twice high-frequency harding process; Processing rule

　　Ⅱ-倒挡拨叉拖拉机的主要零件，图1为我厂加工的泰山25拖拉机Ⅱ-倒挡拨叉(见图1)。

图1　Ⅱ-倒挡拨叉
Fig.1　Poke fork

　　材料为QT42-10球铁，热处理要求：长度在L=30 mm和M面从槽顶到槽底5 mm范围内硬度为HRC45～53。原先采用的热处理工艺为：槽口M面火焰表面淬火；长度L盐浴炉穿透淬火。淬火的结果是：M面淬硬区小(2 mm左右)、硬度低(HRC～27)；长度L硬度虽达到图纸要求，但在整形和使用中时有断爪现象。为了解决上述问题，我们采用了铁素体球铁二次高频淬火工艺，取得了初步成果。

1　槽口二次高频淬火工艺介绍

　　M面淬火技术是我厂一直未解决的难题。困难有3点：(1)槽口宽只有13 mm，不易加热；(2)离槽底4.5 mm处有一个15 mm的孔，公差仅有0.03 mm，在槽口加热高达1 000 ℃时，很难保证不超差；(3)铁素体球铁采用常规的高频淬火工艺，硬度达不到要求，针对上述问题采用了如下工艺措施，解决了一技术难题，经过几年来的生产考核，效果较理想。
1.1　设计特殊感应加热器
　　我们设计的感应器用8 mm×1 mm紫铜管砸成9 mm×4 mm方管做成(见图2)，外面搪磁。加热时将槽口卡在感应器上(见图3)，感应器与工件间隙较大，以便延长加热时间，增加奥氏体中碳的含量。

图2　感应器结构示意图
Fig.2　Schematic constructure of
induction apparatus图3　槽口加热示意图
Fig.3　Skeme of heating
method at notch

1.2　槽口加热时将孔浸入水中
　　自制了一把钳子，用钳子夹住工件进行加热。调整冷却水箱和感应器的距离，在槽口加热时保证Ø15 mm孔的4/5浸入水中。淬火后Ø15 mm孔基本无变形。
1.3　二次高频淬火
　　QT42-10球铁组织80%以上为铁素体，硅含量为2.4%～2.8%。硅有阻碍碳在奥氏体中溶解的能力，要使奥氏体中溶有必要量的碳，必须提高淬火温度，延长保温时间。但高频加热速度快、时间短，没有保温时间，对于熔点较低的铁素体球铁来讲，要直接进行高频淬火是十分困难的。一般情况下，都是先将铁素体球铁充分保温，穿透加热正火成珠光体球铁(珠光体含量75%以上)，再进行高频淬火。开始，我们试验了一次高频正火+高频淬火和二次高频正火+高频淬火2种工艺，发现都不理想，硬度不够。试验了多次，发现二次高频正火后珠光体含量都不超过60%。后来试验了二次高频淬火，效果较理想。
　　(1) 工艺曲线

图4　二次高频淬火工艺曲线
Fig.4　Technique curve of twice high-frequency harding process.

　　(2) 淬火结果
　　淬硬区可达6.5 mm(见图5)，在距槽顶3 mm处淬硬层深2.5 mm，金相组织为隐晶马氏体。

图5　二次高频硬度分布
Fig.5　Hardness distribution of twice frequency harding process.

2　断爪的探讨

　　经试验与分析，断裂部位为硬度过渡区K=5 mm部位(见图1)。该部位硬度≥HRC36，组织为马氏体+屈氏体+铁素体。由于屈氏体中渗碳体呈层状分布，特别是混合组织晶粒间滑动困难，所以K区韧性差、冲击值低。为了降低K区的硬度，提高韧性，做了3种工艺试验，见表1。
　　从表1中可以看出，3种工艺试验L部位都淬透，硬度都达到图纸要求，但是K区的硬度相差很大。采用二次高频淬火，K区硬度最低，这是因为二次高频淬火后，K区组织绝大部分仍为铁素体，韧性好。适当调整电气数，二次高频淬火后爪部可以不淬透，心部仍为铁素体，可增加爪部的韧性。因此，采用二次高频淬火是解决断爪问题的理想热处理工艺。目前由于爪部存在大量的缩孔、疏松等铸造缺陷。高频加热时易熔化，所以爪部长度L二次高频淬火工艺尚未实施。

表1　3种工艺试验对比
Tab.1　Testing contrast of three kinds of technology

<DIV align=center>试样
编号热处理工艺硬度
HRC层深
LK区硬度
HRC1盐浴炉淬火50～51淬透≥362盐浴炉正火+高频淬火47～53淬透24～273二次高频淬火44～53淬透16～18</DIV>

3　铁素体二次高频淬火应用范围的探讨

　　由以上2个问题的讨论，可以看出，铁素体球铁二次高频淬火工艺适用于以下3种情况：
　　(1) 位置特殊的局部高频表面淬火：该部位不能或不便进行奥氏体穿透加热，通过正火处理后又得不到75%以上珠光体；
　　(2) 热影响区要求有较高冲击值的局部淬火；
　　(3) 心部要求有较好韧性的表面淬火。

4　铁素体球铁二次高频淬火中几个理论问题的探讨

　　铁素体球铁二次高频淬火是个新问题，它和钢的循环淬火有共同处，也有不同点。
4.1　关于二次高频淬火提高硬度的问题
　　一次高频淬火后的组织为马氏体+铁素体，二次高频淬火后的组织为隐晶马氏体。第二次加热到奥氏体转变温度后，由于马氏体组织细，奥氏体成核率高，晶粒细，淬火后得到的马氏体更细，硬度提高(这也是钢循环淬火硬度提高的原因)。硬度提高的第二个原因是：第一淬火时，溶于奥氏体中的碳份来不及返回到石墨库中去，被固定在马氏体中。第二次加热到奥氏体转变温度后，由马氏体中析出的碳份分布较均匀，易溶于奥氏体中，同时在以后的加热过程中，石墨库中的碳份又进一步向奥氏体中溶解，这就增加了奥氏体中的含碳量，消除了贫碳奥氏体。淬火后原来为马氏体的那部分转变为含碳量更高的马氏体，原来的铁素体(白贫碳奥氏体转变)的那部分也转变为马氏体，这样就大大地提高了硬度。这也是铁素体球铁二次高频淬火比钢的二次高频淬火硬度提高更显著的原因。
4.2　关于二次高频淬火不裂的问题
　　球铁含碳量高，组织不均匀，石墨分割了基体，淬火时易裂。但是拨叉槽口应用二次高频淬火工艺已有几年，淬了30 000多件，从未发现开裂现象。我们认为原因有2点：一是因为二次高频淬火后得到的是含碳量不高以板条马氏体为主的隐晶马氏体，韧性好，不易开裂；二是因为基体是韧性很好的铁素体，淬硬层的微小裂纹不易扩展。因此，只要不淬透，一般不会开裂的。
4.3　二次高频正火珠光体含量不高的问题
　　铁素体球铁中碳份集中在石墨库中，碳要经过较长距离的扩散才能到达远离石墨库的奥氏体中；由于大量硅的存在，降低了碳在奥氏体中的扩散速度。因此，奥氏体从石墨库中得到碳份的速度很慢。高频加热速度快、时间短。当温度达到终止加热温度时，奥氏体中的含碳量仍不高，还存在一部分贫碳奥氏体。在正火较慢冷却时，因为硅是强烈促进石墨化的元素，在冷到共析转变温度以前，除贫碳奥氏体早已转变为铁素体外，还有较多奥氏体因碳份返回石墨库而转变为铁素体。由于以上原因，铁素体球铁一次高频正火后珠光体含量仍然不高。

作者简介：孔凡乐(1942-　)，男，安徽合肥，高级工程师.