位于密歇根州利沃尼亚的应用过程公司(Applied Process)是一家等温热处理供应商，该公司首席执行官约翰·基奥(John Keough)说:“在非公路设备中，可能很难找到一件不含等温球墨铸铁的重要设备。”
这是一个强有力的声明。许多人可能会问:“等温球墨铸铁到底是什么?”自从1984年热处理公司开始提供等温淬火(ADI)作为一种选择以来，Keough和他在应用过程公司的同事们就一直致力于回答这个问题。
奥氏体化的第一步与许多传统热处理工艺没有什么不同，因为铸件被加热到红热或奥氏体化。对于淬火和回火等常规工艺，随后将工件淬火到水浴或油浴中，通常保持在室温。这种加热和淬火的顺序在铁中产生了一种称为马氏体的晶体结构，这是一种坚硬但易脆的材料。
与等温淬火的区别在于淬火介质。它不用油或水，而是在熔融的亚硝酸盐/硝酸盐盐溶液中“冷却”，温度保持在230℃至400℃之间，具体温度取决于所需的ADI等级。它从未达到马氏体起始(Ms)温度，因此脆性马氏体组织从未发展。取而代之的是一种叫做奥氏铁素体的材料。
在常规热处理中，当零件达到Ms温度时，显微组织发生瞬时转变。组件的表面可能会冷却和变硬，但内部仍然可能是红热的。因此，构件将不会均匀地变形，从而导致零件变形和小裂纹，降低其整体强度。
在等温热处理中，奥氏铁素体在数分钟或数小时内形成，因此零件均匀变形。由此产生的材料比传统热处理球墨铸铁更坚固。
基奥说:“在给定硬度的情况下，ADI为我们提供了更高的韧性。”“如果我们将球墨铸铁淬火和回火到一定硬度，然后从中抽出一根拉伸棒，我们可能会得到2%的伸长率。如果我们用同样的球墨铸铁等温淬火，它可能得到12%的伸长率。它是一种更坚固的结构——不像淬火和回火的铁那样易碎。”
设计的好处
ADI为设计工程师提供了一组新的铸造黑色材料，其机械性能相当于铸钢和锻钢，生产成本与传统球墨铸铁相似。以下是一些主要的好处:
的强度重量比。ADI具有极好的力量重量比。在非公路和重型工业中，它经常被用作更昂贵的铝铸件或锻件的替代材料。ADI的强度是铸造或锻造铝的三倍，但重量只有2.5倍。由于ADI的强度大得多，设计合理的ADI部件可以取代铝材，从而节省重量，因为所需的材料较少。“所以从理论上讲，如果你能让ADI部件足够薄，你就可以取代更昂贵的铝部件，”Keough说。
对于给定的形状，ADI组件比钢轻10%，因为球墨铸铁中存在石墨。因此，当ADI用于钢焊件或锻件时，也可以实现重量的节省。
耐磨性。一般来说，ADI会在给定的硬度水平上淘汰具有磨损竞争力的材料。例如，在磨料磨损环境中，30至40 Rc的ADI组件与近60 Rc的调质钢组件的磨损程度相当。通过改变淬火温度可以产生不同的ADI性能组合。例如，当需要高韧性和耐磨性的组合时，应使用350℃至375℃范围内的等温。当需要高强度和耐磨性的组合时，260℃的等温温度将产生最佳效果。
切削加工性能。当考虑到ADI提供的强度和耐磨性的大幅增加时，假设ADI可能会出现加工问题是合乎逻辑的。但事实恰恰相反。造成这种情况的原因有两个方面:首先，ADI较软牌号的可加工性等于或优于同等强度的钢。其次，在许多情况下，等温淬火过程中ADI的可预测增长特性允许在热处理前以柔软的铸态或退火状态进行完整的加工。这允许更快的机床进给和速度，并增加了刀具寿命。此外，球墨铸铁和ADI都能产生致密的、不连续的切屑，很容易处理。
收益率。球墨铸铁很容易铸造成复杂的形状，所以它有非常高的成品率，即金属浇注与金属运输的比例。
应用程序
第一个商业化生产的ADI部件是用于密封冰箱压缩机的小型曲轴。它是由瓦格纳铸造公司在1972年为特库姆塞产品铸造的。在此之前，等温热处理基本上是一种实验室工艺，规模相对较小，直到炉膛和加工技术取得进步，可以大批量生产。
1977年，ADI在北美取得了重大突破，当时通用汽车将庞蒂克后驱汽车的锻造和硬化钢环形齿轮和小齿轮转换为ADI。这一决定是在9年的研发工作和6年的现场测试之后做出的。通过更改ADI，汽车制造商能够获得显著的成本节约和产品改进。
1983年，康明斯发动机公司开始在其B系列和C系列柴油发动机中使用符合AGMA 8级标准的ADI正时齿轮。这些齿轮加工和滚刀从退火球墨铸铁铸件。这些齿轮的年产量超过3万套，与以前使用的锻造和渗碳1022钢齿轮相比，成本节约估计为30%。
ADI在非公路行业的应用清单是详尽的:定时齿轮;无水氨刀、挖掘机斗齿等地面施工工具;职业卡车的转向节;轴轴;销钩和锁扣;起落架组件和商用割草机齿轮和轴部件，仅举几例。
但还有许多其他潜在的应用。目前，限制等温淬火零件尺寸的唯一因素是熔炉本身的尺寸。应用过程有熔炉，可以处理零件高达72 x 36 x 54英寸。而它在英国的授权商可以容纳72 x 72 x 54英寸的产品。
在北美有许多热处理提供等温作为一种选择。Keough和他在Applied Process的团队的独特之处在于，他们专门帮助设计工程师从其他材料转换为ADI。
基奥说:“我们所做的工作中约95%是转换，我们将一种材料工艺组合替换为一种帮助客户生产低成本产品的工艺组合。”
基奥说，在非公路行业，他遇到了许多机械工程师，他们非常精通他们正在设计的机器的机械工作原理，但除了钢和铝，加工和锻造之外，他们不太了解材料和工艺如何帮助提高强度、重量或磨损特性。
因此，这种转换过程通常以讨论用铸造件取代六件焊接制造的好处开始。从那里，讨论转移到哪些材料是合适的:钢，铝，青铜等。Keough希望这个问题的答案越来越多地是ADI。
本文部分内容摘自J.K. Keough于1998年8月发表的题为“等温球墨铸铁”的论文。
