專利名稱：可鍛鑄鐵低溫退火的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可鍛鑄鐵低溫退火的方法，更具體地說，是涉及到可鍛鑄鐵在催化劑氣氛作用下的一種低溫快速退火方法。
眾所周知，可鍛鑄鐵退火溫度高、周期長，溫度高達960℃甚至980℃，以致引起鑄件嚴重變形或損壞，周期長達五、六十小時，有些工藝長達70-120小時，這樣不僅造成生產(chǎn)效率低，退火件成品率低、質(zhì)量差，同時還帶來能耗高、退火箱及退火爐壽命短等缺點，所以人們一直在探索降低退火溫度、縮短退火周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量的方法，但一直未取得明顯進展。
四十年代，可鍛鑄鐵采用了還原、可控氣氛或惰性氣氛退火，但這種方法只起到保護鑄件不受或少受氧化的作用，對降低退火溫度及縮短周期沒起多大作用。六十年代范文瑞工程師首次在石家莊柴油機廠處用金屬鋅氣氛進行可鍛鑄鐵催化退火，使周期從80-120小時縮短到24-32小時，并在七十、八十所代廣泛應(yīng)用。鋅氣氛退火雖有如節(jié)煤，可提高退火件機械性能、周期短等優(yōu)點(見“可鍛鑄鐵通訊”84年11期及“鋅氣氛退火資料匯編”)，但因鋅的沸點為907℃，故不能用于低于910℃的低溫退火，退火溫度偏高(高溫采用960-980℃)未得到解決，同時需耗金屬鋅，不利節(jié)省金屬鋅資源。近年國外報導(dǎo)(見“可鍛鑄鐵通訊”84年11期4頁)，適當改變白口坯化學(xué)成份，使含硅提高到1.8%，在含鉍0.01%基礎(chǔ)上添加形核原素硼及鋁，可在不改變退火周期下使退火溫度從920℃降低到820℃，印度P.L.poy等研究表明，經(jīng)氯化鈉處理的鐵水澆成的白口坯件，在700℃退火60-90小時?？傻玫借F素體可鍛鑄鐵。但是，這些研究均未用于實際生產(chǎn)，且既使應(yīng)用于生產(chǎn)也因其寄托于化學(xué)成份的改變及孕育處理，使現(xiàn)行通用成份的可鍛鑄鐵件仍無法采用低溫退火。
本發(fā)明目的是提供一種新型的可鍛鑄鐵低溫退火的方法，它可擺脫單純依靠能量(動能、內(nèi)能)變化促使退火過程石墨化完成的途徑，而采取利用催化作用促使?jié)B碳體分解加快，達到縮短退火周期、降低退火溫度、提高退火質(zhì)量的目的。本發(fā)明特征是利用活性碳與有機硅化物如三氯硅甲烷、硅酸乙酯、或/和無機可溶硅化物如水玻璃、硅酸鋁，最好再加石墨化元素的化合物進行反應(yīng)，水解、風(fēng)干、燜放而制成的多縮硅醇聚合物的催化劑，它能在低溫退火石墨化溫度下線700℃以下氣化，可滲入鑄件內(nèi)，可在700℃后分解產(chǎn)生有強烈催化滲碳體分解作用的羰基、酮基、碳硅鍵合物及其游離的碳及硅鍵原子，等活性原子及基團。
本發(fā)明不同于金屬氣氛或可控氣氛熱處理，自行設(shè)計了一套利用FD-1催化劑氣氛進行熱處理的獨特工藝，將原可鍛鑄鐵退火分離、低溫兩段保溫進行石墨化的方式，改為一次保溫石墨化形式，將退火高溫使用溫度由原來930°-980°，改為830°-890°，以及高溫保溫采用平臺式及上升式。
本發(fā)明的退火方法中，催化劑的加入，是在退火件裝箱時把它放入退火箱內(nèi)，而后與退火件一起加蓋密封退火、這樣退火進入高溫后催化劑便氣化滲入退火件內(nèi)部，分解產(chǎn)生活性原子及基團，催化促使?jié)B碳體分解使石墨化迅速完成，催化劑加入量按退火箱容積計算，即每立方米加入500-1000克。本發(fā)明退火周期由原高溫下(930°-980℃)五、六十小時，縮短到低溫(830°-890℃)電爐9-14小時，一般爐20-30小時。
現(xiàn)通過實例結(jié)合附圖對本發(fā)明的退火方法作更詳細具體的說明。


圖1為本發(fā)明的第一個實施例，表示使用電爐進行本發(fā)明的催化低溫退火的工藝過程圖;
圖2為本發(fā)明的第二個實施例，表示使用普通退火爐進行本發(fā)明的催化低溫退火的工藝過程圖;
圖3為本發(fā)明第三實施例，表示使用大型退火爐進行本發(fā)明的催化低溫退火的工藝過程圖。
普通退火爐采用8噸活底占式煤粉爐內(nèi)實施，大型退火爐采用15噸活底占式煤粉爐內(nèi)實施，電爐采用箱式實驗爐內(nèi)實施，但本發(fā)明不限于這些實施例，現(xiàn)對具體工藝加以說明。
為便于了解，先將原理作如下扼要闡述。
有機硅化物三氯硅甲烷是比水重的液體，由于si-cl鍵易斷裂性質(zhì)活潑，易水解或醇解，其水解產(chǎn)物為硅原子上連有三個羥基的硅醇。
三氯硅甲烷在特殊反應(yīng)床(碳床)水解，可生成具有一定化學(xué)組份的含有類羰鍵的多縮硅醇及部分親合性碳硅鍵合物，它可減弱退火過程的氧化作用防止退火件氧化脫碳。多縮硅醇的沸點在250°-300℃左右，多縮硅醇及碳硅鍵合物的分解溫度在600°-700℃，它們在退火時進入鑄件后受熱分解產(chǎn)生羰基、酮基(醚基)，有時有部分羥基、以及碳硅鍵合物游離的碳、硅鍵原子等活性原子及基團，可促進滲碳體分解加快退火時石墨化進程20-40倍，故可用于可鍛鑄鐵退火以及灰鑄鐵硬點消除的處理，及某些鋼材、合金的處理。
可鍛鑄鐵退火無論高溫滲碳體(或菜氏體)的分解石墨化，或是低溫珠光體的分解石墨化，基實質(zhì)是碳化三鐵分解生成鐵素體及石墨，F(xiàn)e3C(滲碳體，菜氏體，珠光體) (△)/(催化劑) 3Fe(鐵素體)+C(石墨)。這一化學(xué)反應(yīng)的進行。任何化學(xué)反應(yīng)只要能夠找到理想催化劑，在催化劑存在下其反應(yīng)速度便會大大增加。問題的癥結(jié)是能否找到理想催化劑，以及如何將催化劑加入固態(tài)的金屬內(nèi)部。本發(fā)明利用FD-1催化劑可加速滲碳體分解速度20-40倍，以及能夠在700℃前氣化進入鑄件內(nèi)部的特性，解決了這兩個十分關(guān)鍵和困難的問題。催化退火打破了過去熱處理相變理論的陳規(guī)，提出催化理論新內(nèi)容，本發(fā)明一改過去分別在930°-980℃及735°-760℃分高、低溫兩段石墨化退火為一次在830°-890℃保溫進行石墨退火的過程，為滲碳體分解是直接進行還是通過奧氏體轉(zhuǎn)變進行這一長期爭論的問題，提供了更直觀條件并豐富了資料。本發(fā)明奇特的二段石墨化速度由過去12-14小時變?yōu)閹资昼娺@一事實的出現(xiàn)，以及催化作用加快滲碳體分解20-40倍，無疑會對相變理論研究上的突破作出貢獻。
現(xiàn)對可鍛鑄鐵催化法低溫快速退火方法作一說明(1)升溫本發(fā)明保證實際退火工藝曲線與設(shè)計曲線的同步，是充分發(fā)揮催化效果的關(guān)鍵。因為催化劑氣化后滲入鑄件內(nèi)部進而分解起催化作用能夠維持高效的時間不是無限的，如果退火升溫過慢，催化劑氣化后退火件長期達不到石墨化所需溫度，就可能有部份催化氣氛逸失或氧化失效，使催化石墨化的效果削弱，故在400℃后升溫宜快，最好在4小時內(nèi)升到高溫830°-890℃。
(2)保溫高溫石墨保溫采用平臺式或上升式。因為任何氣體溫度每升高一度體積增加1/273，降低一度體積縮小1/273。假如在850℃保溫時溫度下降27度，退火箱內(nèi)氣體體積便縮小1/10，此時如密封不好或退火箱破裂(應(yīng)嚴格防止出現(xiàn)這些現(xiàn)象)，便會有空氣(爐氣)進入箱內(nèi)，不僅使1/10空間的退火件失去催化氣氛，而且還會使箱內(nèi)氣氛氧化失效。又，假如降溫后重新升溫到850℃，這時箱內(nèi)混合氣氛又要1/10飛出箱外，從而又使部分催化氣氛逸失，如此往返升降數(shù)次之后，箱內(nèi)氣氛就會全部變?yōu)闋t氣，故萬不可采用下滑式或鋸齒式保溫。
(3)降溫從830℃或890℃降至780℃時，速度可快，每小時下降120℃未出現(xiàn)問題。尾段出爐溫度應(yīng)略低，一般以600-650℃為宜，退火爐溫差大時選用600℃，溫差小可選用650℃。
(4)本發(fā)明在實用工藝上將過去高溫(930°-980°)及低溫(735°-760℃)兩段石墨化退火方法改為一次在820°-890℃完成，這是由于本發(fā)明珠光體分解速度快，只需30-150分鐘，而所有退火爐從820°-890℃降至650℃均在兩個小時以上，故無需再進行二段保溫。
(5)本發(fā)明退火過程中實際對石墨化進行有用的時間(即各段時間參數(shù))為，400℃時效處理0-3小時，820°-890℃高溫石墨化3-7小時，珠光分解30-150分鐘，總共需4-12小時，這也是目前所有工藝中未曾有過的先進數(shù)據(jù)。
(6)催化劑加入方法及加入量FD-1催化劑不是把它加入鐵水中進行孕育處理，也不可能在退火過程中直接加入退火鑄件內(nèi)部，而是在退火件裝箱時把它放入退火箱內(nèi)(箱內(nèi)不得有砂土、雜物或填充料)，而后與退火件一起加蓋密封退火，這樣，當退火進入高溫，F(xiàn)D-1催化劑即氣化滲入退火件內(nèi)起催化作用。FD-1劑的用量按退火箱容積計算，即每立方米加入500-1000克。為防止退火箱跑火后催化劑氧化失效，可在裝箱時于箱內(nèi)裝入少許木炭(特別在上部高溫區(qū)箱內(nèi))，每立方米加250-500克。
為便于了解，通過本發(fā)明三種不同退火爐型的實施例加以闡明。電爐(見圖一)在本發(fā)明實施例中高溫保溫采用的溫度最低為820°-860℃，因電爐溫差小、爐溫易于平衡。圖1升溫過程在400℃有2-3小時時效處理，是為了防止升溫過快引起退火件崩裂，同時也可增加退火件石墨核心，利于高溫石墨化進行。電爐高溫石墨化時間3-6小時，降溫從860℃降至600℃為2.5-3小時，總周期9-14小時，是目前國內(nèi)外周期最短，采用溫度最低的唯一工藝。普通退火爐(見圖2)升溫為7-8小時，升溫過程沒有400℃時效處理，因這種爐從常溫升至400℃需要3小時以上時間，它在升溫同時已對退火件起了時效處理的作用。普通退火爐在本發(fā)明實施例中高溫保溫溫度最高840°-890℃，保溫時間最長4-7小時，因為這種爐型溫差大，爐溫不易平衡。降溫普通爐較電爐時間長，從890℃降至650℃7-9小時，是因這種爐降溫速度慢造成。總周期為16-24小時，也是目前國內(nèi)外生產(chǎn)上周期最短、溫度最低的藝。大型爐(見圖3)升溫最長12-16小時，是由于退火件裝載量大造成。因升溫較前兩種爐型更慢，故不僅略去時效處理，而且也將高溫保溫溫度適當降低，采用830°-870℃，保溫時間適當縮短，采用3-6小時，因為退火件在較長的升溫過程中已開始石墨化，大型爐降溫時間較長9-10小時，原因與普通退火爐相同。由上三例，可見，充分發(fā)揮催化工藝優(yōu)勢，宜選用升、降溫快，溫差小的爐型。但既是選用現(xiàn)行一般爐型也可取得十分理想的，目前國內(nèi)外尚未有的效果。
此外，保溫溫度隨退火件化學(xué)成份好壞在760°-890℃間選擇(見下表一)。
表一
高溫石墨化時間隨退火壁厚變動(見表二)一般可選用3-8小表二
本發(fā)明對白口鐵水孕育處理適應(yīng)性廣，它可用不進行孕育的白口坯件退火，也可采用高硅加鉍孕育，硅鋁、鉍復(fù)合孕育，硼、鉍孕育等處理的白口坯鐵退火，本發(fā)明對退火件化學(xué)成分在不影響退火性能前題下可適當放寬，如低硅、高鉻件(硅＜1.2%甚至0.8%;Cr0.06-0.13%)只要略略提高退火溫度，本發(fā)明便可使其退火石墨化完成得到性能良好的合格退火鑄件。
本發(fā)明退火件較常法組織細，氧化及變形極小，機械性能高，下表三是本發(fā)明一組實施例數(shù)據(jù)。(工藝見圖二)
本發(fā)明新用爐第一次退火高溫石墨化完成的需時間，總要比第二爐所需時間長1/3，而第二爐又比第三爐長1/3，四五爐后石墨化完成時間才趨于固定范圍;又，用同爐進行一個時期催化退火后改用普通退火，頭兩三爐效果仍與催化退火相同，四五爐后才減退，這種效果滯后的原因。是因為退火窯及退火箱對催化劑的吸收有一飽和過程的緣故。不注意這點不僅開頭會擬定冒進的失敗工藝，還會誤認為催化退火效果不大而終止其使用。又，我們在同一爐內(nèi)，將退火爐中央的退火箱不加催化劑(其余均加)，采用催化工藝退火，結(jié)果這未加催化劑箱內(nèi)的退火件，與各加催化劑箱內(nèi)的退火件石墨化效果相同。原因是因退火箱是用與退火件化學(xué)成份相同的鐵水澆成，催化劑氣化后既可進入退火件內(nèi)，自然也可穿過箱壁進入其它箱內(nèi)。這種穿透現(xiàn)象的優(yōu)點是，偶然裝箱時個別箱忘加催化劑，也不致出現(xiàn)生品。但是因為這種穿透現(xiàn)象，不可在同一爐內(nèi)作加催化劑與不加催化劑的對比試驗。
本發(fā)明的退火方法不只限于普通可鍛鑄鐵的退火，還可用于合金鍛鑄鐵和鋼的退火，以及灰鑄鐵硬點消除的處理，與某些合金鋼材的處理。
綜上所述，本發(fā)明的退火方法有如下優(yōu)點周期短，可提高工效。一般只要二十多小時，電爐(或?qū)Ｓ脿t)還可使用周期縮短到數(shù)小時，較現(xiàn)行工藝縮短周期數(shù)至十倍。
退火溫度低，高溫石墨化溫度成百度大幅度下降，減少了退火件的氧化、變形以及流活造成的廢品，提高了成品率。同時也減少了退火箱、退火窯的塌裂損失，還進一步節(jié)約了能耗，降低了成本，每噸件根據(jù)管理水平不同下降8-50元，并節(jié)約了緊缺昂貴的金屬鋅。
退火件性能好。組織較常法細，氧化及變形極小，機械性能較高。
對退火件化學(xué)成份適應(yīng)性廣，不僅可用于各種不同孕育方式的白口坯件，而且可使按規(guī)定不合格的低硅、高鉻坯件處理得到合格的產(chǎn)品。
本發(fā)明將兩段保溫進行石墨化退火改為一次完成，工藝簡便、容易掌握，便于推廣應(yīng)用。
總之，本發(fā)明打破了目前單純依靠熱能完成鍛鑄鐵件退火常規(guī)，采用催化法使可鍛鑄鐵退火周期縮短，退火溫度降低，退火質(zhì)量提高，退火件化學(xué)成份范圍放寬，為改變可鍛鑄鐵性能，擴大可鍛鑄鐵應(yīng)用范圍，以及增加合金可鍛鑄鐵品種創(chuàng)造了條件，為可鍛鑄鐵發(fā)展開辟了新前景。本發(fā)明也為其它金屬處理提供了方法，為金屬熱處理理論研究增添了新的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種可鍛鑄鐵低溫退火的方法，其特征在于a.退火件裝箱時把多縮硅醇聚合物的催化劑放入退火箱內(nèi)，與退火件一起加蓋密封，b.升溫，爐溫400℃后升溫快，4小時內(nèi)升到830°-890℃，c.保溫，高溫(830°-890℃)石墨化保溫采用平臺式或上升式，d.降溫，從830℃或890℃降至780℃時，速度可快，每小時下降120℃，出爐溫度為600°-650℃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的可鍛鑄鐵低溫退火方法，其特征在于將高溫(930°-980℃)及低溫(735°-760℃)兩段石墨化退火方式改為一次在820°-890℃完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的可鍛鑄鐵低溫退火方法，其特征在于催化劑加入量以退火箱容積計算，每立方米加入500-1000克，并加入木炭250-500克。
全文摘要
本發(fā)明涉及可鍛鑄鐵在催化氣氛作用下一種低溫快速退火方法。該方法采用多縮硅醇聚合物的催化劑，使可鍛鑄鐵退火從先前的高、低溫兩段保溫下，改為一次保溫下進行石墨化形式，退火溫度從930℃-980℃降為830—890℃。本方法退火周期短，退火溫度降低，退火質(zhì)量提高，退火件化學(xué)成分范圍放寬。
文檔編號C21D1/32GK1083116SQ93108460
公開日1994年3月2日 申請日期1993年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月2日
發(fā)明者范文瑞 申請人:范文瑞