下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
研究等温转变动力学和组织随等温时间变化的目的是得到能够获得最佳力学性能的热处理工艺窗口（工艺控制范围）。对等温时间最为敏感的力学性能是伸长率和冲击韧性。如果等温时间不够，由于晶界区第一阶段反应没有全部完成，晶界区就会形成连续的网状马氏体，造成韧性下降。工艺窗口结束时间的定义：在该等温时间，组织中第二阶段反应形成碳化物的数量对韧性的损害有限，ADI的最低力学性能仍能满足ADI标准要求。但是，第二阶段形成的碳化物数量无法从微观组织中测量。研究证明，第二阶段反应进行到10%是ADI韧性仍能满足ADI标准要求的最小值，相当于90%的最高保留奥氏体含量。
等温热处理工艺窗口的概念最早由Rundman提出，用于确定获得最佳力学性能（特别是韧性）的等温时间。曼彻斯特大学ADI课题组基于对一系列球墨铸铁所测量ADI的力学性能与奥氏体等温参数的关系引入了更为有用的工艺窗口的概念。依据工艺窗口可以确定满足ADI标准的奥氏体等温时间范围。工艺窗口开始和结束的时间根据在满足ADI标准性能的条件下，组织中允许含有的第一阶段未反应奥氏体的数量和第二阶段反应碳化物的数量确定。确定工艺窗口开始的判据是未反应奥氏体体积分数UAV为3%，由定量金相学测定的未反应奥氏体体积分数UAV与等温时间的关系确定。确定工艺窗口结束的判据是最大保留奥氏体体积分数（Volume Reacted Austenite，VRA）的90%，由采用X射线测定的VRA与等温时间的关系曲线获得。
表2-3所列为几种球墨铸铁的化学成分。图2-25所示为几种球墨铸铁的工艺窗口。
表2-3 几种球墨铸铁的化学成分 （质量分数，%）
图2-25a所示为球墨铸铁1和2的工艺窗口。两个窗口在较低温度等温处理时都比较宽，在较高温度等温处理时变窄且最终关闭。对于合金含量较高的球墨铸铁，窗口关闭出现在较低的等温温度。
图2-25b所示为球墨铸铁1和2在低温和高温下奥氏体等温处理时力学性能随等温时间的变化。球墨铸铁1的工艺窗口在两种温度下都是开放的，ASTM标准在两种温度下的等温时间窗口内都可以满足；球墨铸铁2的工艺窗口在低的等温温度下是开放的，在高的等温温度下是关闭的，其力学性能与工艺窗口所预测的结果一致，ASTM标准在较低的等温温度工艺窗口内是满足的，在较高的等温温度下所有的等温时间都不能满足ASTM标准。
图2-25 几种球墨铸铁的工艺窗口
a）球墨铸铁1和2的工艺窗口 b）球墨铸铁1和2的力学性能随等温温度和时间的变化（点上的数字是等温时间） c）球墨铸铁2、3和5奥氏体化（920℃）的工艺窗口 d）球墨铸铁4、5、6奥氏体化（870℃）的工艺窗口 e）球墨铸铁7的工艺窗口 f）球墨铸铁7的力学性能随等温温度和时间的变化（点上的数字是在400℃等温的时间）
图2-25c所示为球墨铸铁2、3和5奥氏体化（920℃）的工艺窗口。该图证明了锰对等温转变，特别是在高的等温温度时的组织转变具有强烈滞后效应。因此，通常建议ADI的锰含量小于0.3%。钼是比锰更有效的提高淬透性的元素。但是，如图2-25d所示，在870℃奥氏体化时，球墨铸铁4、5、6的工艺窗口，增加钼没有出现图2-25c所示的滞后和关闭工艺窗口的情况。
ADI热处理的另一个参数是奥氏体化温度。在满足完全奥氏体化的条件下，降低奥氏体化温度，将减少奥氏体的碳含量，增大第一阶段反应的驱动力，从而使工艺窗口前移，在较高的等温温度下尤其如此。如图2-25e所示，工艺窗口在等温温度为380℃时对奥氏体化温度900℃和950℃是关闭的，但对870℃是开放的。相应的力学性能如图2-25f所示，可以确认奥氏体化温度870℃所获得的ADI的力学性能满足ASTM要求。
确定ADI热处理的最佳工艺范围要花费大量时间和资金进行试验研究。因此，采用计算机模拟获得最佳的ADI热处理工艺规范引起了人们的关注。
ADI生产过程计算机模拟的应用主要体现在以下几个方面：
一是针对特定的铸态铸件，即已知铸件成分、铸态组织、铸件结构等，通过数值模拟，计算出最佳奥氏体化温度和时间以及奥氏体等温温度和时间，以获得最佳的微观组织和最好的力学性能，满足标准和客户对性能的要求，同时获得高生产率。热处理数值模拟需要运用等温转变动力学、合金元素偏析模型以及其他基本理论，同时需要设定合理的边界条件。
二是根据铸件结构尺寸、性能要求和热处理工艺，选择所需的合金元素化学成分。不加合金元素的ADI只能在比较薄的断面上获得完全的奥铁体组织。如果铸件断面较厚，为了在整个断面上获得完全的奥铁体组织，就需要加入一定的合金元素。加入的合金元素必须适量，加入得太少则不足以淬透，太多不仅会增加成本还会延长等温时间、增加质量控制难度。通过计算机模拟可以计算最佳的合金元素加入量。
要获得满足标准要求的ADI产品，除了通过铸造过程的计算机模拟来获得优质铸件外，ADI热处理过程的数值模拟也非常重要，要考虑铸态基体组织、石墨球数、化学成分及合金元素的偏析，以及等温转变冷却介质的冷却强度对奥氏体等温转变动力学的影响等因素。进一步深入开展ADI热处理过程的计算机模拟工作有助于不断推动ADI应用的发展。
目前，ADI生产过程数值模拟软件及模型主要有以下几种：
1）Applied Process公司开发的ADI工艺软件。美国Applied Process公司开发了一种ADI工艺软件并获得了专利。只要输入铸件的重量和壁厚等参数，就可以设计出ADI的化学成分及热处理工艺，并可预测产品的力学性能，大大缩短产品设计和试制周期，加快了投产速度。
2）Sente Software软件。英国JMatPro and Sente Software公司开发了一套功能强大的金属材料相图计算与材料性能模拟软件，被广泛用于航空航天、船舶制造、机械制造等行业中。我国不少单位采用了这套软件进行贝氏体钢和ADI研究，如东北大学崔君军和陈礼清曾运用该软件根据球墨铸铁的合金成分计算过冷奥氏体等温转变图，然后根据计算的曲线选择合适的等温转变温度和时间，获得了预期的效果。
3）ADI通用计算机数值模型。Tomas等人开发了一种ADI通用计算机数值模型。可以根据热处理过程中的平衡热力学和动力学理论，通过Scheil方法预测一定假设条件下等温淬火球墨铸铁中奥氏体、针状铁素体和马氏体的数量以及抗拉强度、屈服强度、硬度等力学性能。
4）剑桥大学ADI神经网络模型。剑桥大学Yescas等人针对ADI生产变量和最终性能之间的复杂关系，开发了一种ADI神经网络（Neural Networks）模型，可以根据化学成分（C、Mn、Si、Ni、Mo、Cu）以及奥氏体化和等温淬火参数估算ADI中残留奥氏体的含量并预测产品性能等。该模型作为ADI处理工艺或设计的工具已免费开放。
5）根据模数确定最低合金元素含量的模型。澳大利亚的I. K. Lee开发了一种ADI数值模型，可以根据铸件计算凝固时间，确定铸件模数，根据模数确定淬透因子，再由淬透因子根据公式计算铸件完全淬透所需的Cu、Ni和Mo的最低含量。
6）ADI数据驱动模型。M.A. Perzyz等人开发了一种ADI数据驱动模型。该模型通过数据处理、统计、回归、逻辑分析、学习系统、人工神经网络等先进的数学工具，将ADI复杂的生产工艺过程与最终性能关联起来，从而预测ADI的性能，或者根据性能要求优化工艺参数。
7）过程模拟与虚拟试验设计相结合的计算机数值模型。Magma开发了一种完整的过程模拟与虚拟试验设计相结合的计算机数值模型。该模型基于ADI生产的物理过程和原理，模拟球墨铸铁微观组织的形成以及奥氏体化、淬火、等温转变过程中的组织变化，为热处理过程的评价和优化提供了一种新的方法。
在上述软件和计算机数值模型中，除Sente Software软件和Magma开发的计算机数值模型属于基于基本物理原理的硬模型外，其他均为基于实际生产数据、运用数学工具建立的生产初始条件和最终性能之间关系的软模型或混合模型。随着ADI研究的深入，对ADI生产物理过程认识水平的不断提高以及ADI工业生产数据的积累，计算机数值模拟精度会不断提高、功能不断增强，将促进ADI生产更加节能、高效，ADI的成分及生产工艺更加优化。
为了获得性能优越的ADI零件，除了要有合格的球墨铸铁铸件外，最重要的是要优化等温淬火工艺参数，选择合适的奥氏体化温度和时间、等温淬火温度和时间，也就是使所选择的工艺参数位于工艺窗口内。采用合格的球墨铸铁铸件和优化的等温淬火工艺所得到的ADI零件的性能通常都高出标准要求。
图2-26所示为美国CMI International公司连续18个月生产的牌号为ADI 850-550-10的性能实测结果，其性能指标明显高于牌号要求，其中1ksi=6.895MPa。图2-27所示为英国Russell公司连续1000炉ADI力学性能的实测结果，其性能指标明显高于牌号要求。这说明大批量工业生产完全可以得到满足要求的ADI零件。
图2-26 美国CMI International公司连续18个月生产的牌号为ADI 850-550-10的性能实测结果
LCL（Lower Confidence Limit）—下置信点值UCL（Upper Confidence Limit）—上置信点值
ASTM minimum—ASTM标准最小值 MEAN—平均值
在等温淬火工艺参数中，选择合适的等温淬火温度和时间是最重要的。等温温度决定了ADI可能达到的强度和韧性，最佳的等温时间可以得到所期望的强度和韧性。如前面等温转变动力学部分所阐述的，等温时间过短，第一阶段反应未能充分完成，不能获得最大数量的高碳保留奥氏体；等温时间过长，第二阶段反应产生了碳化物，又会降低韧性。
图2-27 英国Russell公司连续1000炉ADI力学性能的实测结果
图2-28所示为不同等温温度所能达到的屈服强度和伸长率。
图2-28 不同等温温度所能达到的屈服强度和伸长率
a）屈服强度 b）伸长率
从图2-28a可见，在250～275℃等温处理将获得最高的强度。低于这个温度范围时，会由于奥铁体组织中可能存在马氏体而造成硬度提高、强度降低。换句话说，从250℃开始逐步降低等温温度，球墨铸铁的组织性能将逐渐接近淬火回火的球墨铸铁。
图2-29所示为ASTM标准力学性能指标（抗拉强度、屈服强度、伸长率和冲击功）和工业生产中采用优化的等温处理工艺所能达到的典型性能。
从图2-29可见，典型性能参数值都高出标准要求的最低值许多。合理的工艺包括采用优化的球墨铸铁件生产工艺获得优质球墨铸铁铸件，同时采用正确的奥氏体化温度和时间、合理的等温温度和时间。如果生产中获得的ADI零件未能达到标准性能指标要求，则说明铸态组织、热处理奥氏体化工艺、等温温度及时间三者中至少有一项不符合正确的工艺规范。最佳的等温时间需要根据铸件的合金元素含量、壁厚、结构等确定，通常为0.5～4h。壁厚越厚，所添加的合金元素越多，达到最佳力学性能（特别是韧性）所需的时间越长。
图2-29 ASTM标准力学性能指标和工业生产中采用优化的等温处理工艺所能达到的典型性能
a）抗拉强度 b）屈服强度 c）伸长率 d）冲击功
○ ASTM最低值 ● 典型性能参数值
为了达到如前所述的ADI所要求的热处理工艺，要求在奥氏体保温阶段保证炉内温度均匀，铸件不被氧化，铸件从高温炉出炉淬入等温盐浴炉时的速度要快，以防止发生珠光体转变。铸件从奥氏体化炉出炉淬入等温盐浴炉后，要求盐浴炉尽快达到要求的等温淬火温度，并使盐浴保持温度稳定，使整个盐池的温度保持均匀。
图2-30所示为等温淬火过程中铸件可能出现的三条冷却曲线。当铸件从奥氏体化炉出炉淬入等温盐浴炉时的速度不够快，盐浴淬火强度不够，铸件的冷却曲线如曲线1时，铸件中将形成部分珠光体。当铸件的冷却曲线如曲线2时，铸件中将不会产生珠光体，但是等温淬火组织在比所要求的等温温度高的温度开始形成，当铸件冷却到等温温度时，已有相当一部分组织在较高温度下转变了，最后所得到的是一定温度范围等温转变的混合组织，其性能也是混合组织的性能。当铸件的冷却曲线为曲线3时，ADI的组织全部在所要求的等温温度下形成，其强度也高于曲线2的强度。
图2-30 ADI等温淬火过程中铸件可能的冷却曲线
早期生产ADI时没有专门的ADI热处理设备，往往是采用两台通用热处理炉，即高温奥氏体化炉和等温盐浴炉，通过手工或简单的机械操作来完成等温淬火处理。无论是燃气、电加热气氛炉还是高温奥氏体化盐浴炉，当铸件完成奥氏体化、从高温炉出炉时，都不能非常迅速地淬入等温盐浴炉。铸件从早期的高温奥氏体化盐浴炉出炉淬入低温盐浴炉时，其上会沾带高温盐浴并带入低温盐浴中。这不但会降低淬火速度，而且高温熔盐与低温熔盐混合会改变盐浴的淬火速度并形成有害物质。因此，低温盐浴不得不经常更换，从而增加了成本。另外，往往没有或只有简单的搅拌及盐浴降温措施，盐池温度不均匀，铸件达到所设定等温温度的时间长，等温盐浴炉温度波动大（30～40℃），劳动条件差，环境恶劣。
可见，依靠这种传统的热处理炉是不可能大批量稳定生产高质量ADI零件的。国内外大量的经验早已证实，传统热处理炉不能满足ADI的热处理工艺要求，不能真正执行ADI热处理工艺，所获得的ADI性能一致性差。因此，要生产性能优良的高质量ADI零件，需要采用现代先进ADI等温淬火热处理设备。
为了使铸件在等温淬火时能尽快达到所要求的温度，除了要尽快将高温铸件转移到等温盐浴炉中之外（减少在空气中停留的时间），还要求盐浴有足够高的激冷度，以尽快将铸件的热量带走，达到所要求的等温淬火温度。这就要求：
1）盐槽中盐浴的容量和铸件相比要足够大，盐浴量越大，铸件降温速度越快，盐浴温度越稳定，铁盐比（质量）一般为1∶（20～30）。
2）对盐浴进行机械搅拌，使盐浴的温度尽快均匀。
3）向盐浴中加适量的水，通过形成过热蒸汽将盐浴的热量带走，使盐浴尽快达到所要求的温度。盐浴的激冷度与盐浴池含水量、搅拌和等温温度有关。
表2-4所列为不同温度、不同操作条件下的等温淬火介质激冷度。可见，盐浴+12%水+搅拌的操作条件具有高的激冷度。
表2-4 等温淬火介质激冷度
现代ADI专用热处理设备不仅采用了大的等温盐池，还采取机械搅拌措施，并对盐池四周进行通风冷却，同时通过补水装置定期向盐浴中补加适量的水以增大激冷度。采用上述措施后，球墨铸铁铸件的最大淬透厚度可达到150mm以上，也有报道说等温盐浴采用12%的水可以处理截面厚度为320mm的铸件。
使用新型的ADI专用等温热处理炉，高温铸件从控制气氛炉直接淬入等温盐浴中，不会将高温熔盐带入低温盐浴中。此外，高温铸件从控制气氛炉淬入等温盐浴中的速度快（时间少于1min），淬火盐浴量大，且有机械搅拌作用，等温盐浴的温度波动小于±1℃。因此，只需添加较少的合金元素，单个铸件的整体性能就较均匀，整批铸件的性能一致性更好，这对设计者及使用者更有吸引力。由于实现了自动化，劳动强度低，只需要较少的操作人员，进一步降低了ADI的生产成本，使其更具竞争力。
现代ADI专用热处理设备工作原理图如图2-31所示。经过预热的铸件由入口进入高温可控气氛炉（后室）；铸件奥氏体化完成后，高温炉门打开，铸件离开高温炉进入中间室①，高温炉门关闭；然后中间门打开，铸件进入隔离室②；接着中间门关闭，铸件进入等温盐浴炉（前室）。整个过程在封闭的空间内进行，淬入时间约1min。中间室①、隔离室②和等温盐浴炉为偏正压保护性气氛。等温盐浴池通过注水和搅拌来提高激冷度。在整个等温处理过程中，等温盐浴熔池的瞬间温升小于3℃，5min内可控制达到所要求的等温温度（误差为±1℃）。
美国AFC-Holcroft公司与Applied Process公司合作，于1984—2013年陆续研制出UBQA36-48-36（最大装炉量1500kg）、UBQA36-72-36（最大装炉量2200kg）、UBQA36-72-56（最大装炉量3000kg）、UBQA80-80-56（最大装炉量4500kg）、UBQA84-96-56（最大装炉量9000kg）等UBQA系列ADI专用热处理设备。该系列ADI专用热处理炉是一种全自动、可控气氛、高淬火速度、精确控温的ADI零件批量生产等温热处理专用设备。
图2-31 现代ADI专用热处理设备工作原理图
现代ADI专用热处理设备采用了先进的自动化和智能化技术，所有数据都可自动记录，有可追溯性，由于清洗铸件损失的盐可以完全回收重复使用，因此环境友好、无污染、无有害物排放。随着ADI应用的快速增长，ADI专用热处理设备不断向大型化发展。