分析了熱處理工藝中奧氏體化溫度和時間、等溫淬火溫度和時間對奧貝球鐵性能的影響。確定了閥門驅動裝置用奧貝球鐵材料蝸輪的生產工藝。通過裝機試驗驗證，研制的奧貝球鐵材料蝸輪滿足使用性能要求，降低了生產成本。

1、概述

　　閥門電動裝置( 閥門電動執行機構) 是一種過程控制系統常用的機電一體化的閥門驅動機構。通過操作電動裝置控制閥門的介質流量和壓力。閥門電動裝置的主傳動大多數采用蝸輪蝸桿傳動，其優點是結構緊湊、傳動平穩、噪音小和高傳動比，易實現閥門電動裝置的轉矩控制。但是蝸輪蝸桿傳動效率低，需采用貴重的減摩性有色金屬制造，如銅合金ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 等。銅合金的價格高，導致蝸輪的制造成本高，在小轉距閥門電動裝置中尤為突出。

2、材料分析

　　奧氏體等溫淬火球墨鑄鐵( Austempered Ductile Iron———ADI) 是球墨鑄鐵經奧氏體化等溫淬火處理后獲得的一種新型球墨鑄鐵，也稱其為奧貝球鐵。與其他材料相比，ADI 具有更高的抗拉強度、疲勞強度、斷裂韌度和耐磨性，而且加工尺寸更近于無余量，性價比很好。我國ADI 的應用主要集中在高強度和高硬度的耐磨零件上。而高強韌性的ADI 因其生產技術難度較高，應用較少。根據電動裝置的技術標準、驗收要求及生產現場的實際條件，經多次試制，掌握了高強度和高韌性ADI 蝸輪的生產工藝，實現了批量生產。

3、蝸輪的研制

　　等溫淬火球墨鑄鐵蝸輪的生產過程由鑄造和熱處理兩部分組成。鑄造時需對球化情況進行嚴格控制，保證較高的球化率和石墨球數，并具有鐵素體組織和較少碳化物; 熱處理時要嚴格控制等溫淬火溫度和時間、奧氏體化溫度和保溫時間等工藝參數，從而使球鐵得到適量的殘余奧氏體，利用組織中存在的部分共析前鐵素體提高塑韌性，適當降低屈服強度、彎曲疲勞強度和硬度，在滿足電動裝置蝸輪綜合力學性能要求的前提下改善其力學性能，便于蝸輪的批量生產。

　　3.1、鑄造工藝

　　選擇優質低P、低S 的QlO 生鐵( 表1) ，廢鋼使用普碳鋼，球化劑選用釔基重稀土鎂( ZY - 2，含有適量Ca、Ba 和Bi) 。孕育劑選用75SiFe—A 及特種孕育劑，添加適量的微量元素銻。組成合金的成分見表2。

表1 QlO 成分Wt%

表2 合金成分Wt%

　　采用500kg 中頻爐熔煉，爐前進行快速化學分析并調節化學成分，利用廢舊電極增碳，球化處理前在鐵水中加入鋁和硅鐵進行預處理，有效地脫氧、脫氮，提高石墨化能力，增加石墨形核的核心。以稀土鎂合金為球化劑，75%硅鐵為孕劑，保證蝸輪鑄態毛坯的球化率為2 級，球徑大小為6 ～ 7 級。

　　3.2、熱處理工藝

　　熱處理工藝對奧貝球鐵蝸輪的最終組織及性能有極其重要的影響，其熱處理工藝主要包括奧氏體化溫度和保溫時間、等溫淬火溫度和保溫時間。在具體實施過程中，試驗采用奧氏體化后，保溫一段時間，然后空冷的方法，分析試樣中組織的變化，進而確定奧氏體化溫度為820 ～ 880℃( 表3) 。

　　奧氏體化溫度既要考慮奧貝球鐵零件的最終性能要求，又要考慮奧貝球鐵零件的熱處理生產效率。較高的奧氏體化溫度有利于組織的轉變和均勻化，縮短保溫時間，也有利于提高奧貝球鐵中穩定的殘余奧氏體量，從而提高奧貝球鐵的塑韌性。但過高的奧氏體化溫度會粗化奧氏體晶粒度，最終使奧貝球鐵的性能降低( 圖1，圖2) 。另外，奧氏體化溫度還與球鐵的化學成分有關，如對于含硅量較高的球鐵件，則應適當提高奧氏體化加熱溫度〔4〕。

表3 熱處理方案

圖1 奧氏化溫度820℃

圖2 奧氏化溫度880℃

　　奧氏體化保溫時間不僅與奧氏體化加熱溫度有關，而且與熱處理設備、工件的大小、裝爐量的多少以及零件的基體原始組織等有關。工件大，裝爐量多，則奧氏體化保溫時間應相對延長。

　　等溫淬火溫度越高殘余奧氏體體積分數也越多。較高的等溫淬火溫度( 圖3) 將會帶來較低的抗拉強度和屈服強度，但會提高伸長率，較低的等溫淬火溫度( 圖4) 可以得到較高的硬度和極限抗拉強度。等溫淬火時間對力學性能的影響也較為明顯，當其為30min 時( 圖5) ，最終組織為少量馬氏體、破碎狀鐵素體、針狀鐵素體和殘余奧氏體。隨著時間的延長( 圖6) ，奧貝球鐵強度、塑性、延伸率逐漸提高直至達到最大值，隨之延伸率會迅速降低，而抗拉強度和硬度變化不大。

　　4.2、裝機試驗

　　將試制的合金奧貝球鐵蝸輪分別裝配到開關型和調節型閥門電動裝置上，按DL/T 641 - 2005 中開關型和調節型電動裝置的壽命試驗要求進行整機命試驗，考核奧貝球鐵蝸輪副的壽命。當開關型電動裝置壽命試驗達到了10 000 次循環( 一開、一關為一次循環) 操作，調節型電動裝置帯載運行200 000次操作后( 標準規定的壽命試驗次數) ，閥門電動裝置各項性能均良好。試驗后拆卸檢驗，蝸輪齒面無裂紋和點飾等缺陷，齒面磨損量小，磨損均勻。

5、結語

　　鑄造工藝和熱處理工藝對電動裝置用奧貝球鐵蝸輪的力學性能影響較為顯著，需要嚴格控制化學成分、球化孕育、合金化處理工藝，并合理制定等溫淬火工藝。實踐表明，奧貝球鐵蝸輪材料可以代替銅合金用于電動裝置蝸輪的生產。