短流程等温淬火初始温度对组织及性能的影响*

2020-04-11曲迎东尤俊华苏睿明李荣德

沈阳工业大学学报 2020年2期

曲迎东，张震，尤俊华，苏睿明，李荣德

(沈阳工业大学材料科学与工程学院，沈阳 110870)

等温淬火球墨铸铁(简称ADI)是将特定成分的球墨铸铁加热到共析线以上的温度保温一段时间，然后采用等温淬火热处理得到基体组织为奥铁体(针状铁素体和富碳奥氏体)的球墨铸铁[1].ADI中独特的奥铁体基体结构能够达到常规球墨铸铁所不能达到的强度和韧性[2]，因此，在工程领域具有广泛认可度与潜在应用.ADI被认为是较好的车轮替代材料，并已成功应用于铁路车轮[3].近几年，提出了“供给侧结构性改革”，强调了“三去一降一补”五大任务，而五大改革任务之首就是去产能，钢铁产业则是去产能的重中之重[4].尤其在当今节能减排、低碳环保的大时代背景下，加强钢铁行业技术改造，生产高性能优质钢铁材料是提高钢铁行业整体水平的必经之路[5].因此，国内外很多专家学者研究了工艺参数对等温淬火球墨铸铁制备以及组织性能的影响.Filho等[6]对比研究了两步等温淬火与单步等温淬火球墨铸铁的组织和力学性能，结果表明，通过两步等温淬火得到的球墨铸铁硬度和冲击韧性均有明显提高，但是在实际生产中利用该方法进行大型铸件制备或批量生产会增加生产难度且操作困难.针对此类问题，舒信福等[7]率先提出了短流程等温淬火工艺方案，但在球墨铸铁中加入了Mn、Cu、Cr合金元素.本文通过对非合金球墨铸铁进行短流程等温淬火处理，研究了铸件的不同初始淬火温度对等温淬火球墨铸铁组织及性能的影响.

1 实验

本文对两种不同短流程等温淬火工艺进行对比研究，制备的球墨铸铁铸件为非合金球墨铸铁，试样的化学成分如表1所示.

表1 试样化学成分(w)Tab.1 Chemical composition of sample (w) %

利用消失模铸造技术制备铸件，采用TXR3000无纸记录仪测量温度.在消失模铸造工艺浇铸铸件的过程中，将测温热电偶插入主浇道中，当温度分别达到1 323和1 273 K时开箱取件，并进行铸件表面清理.当铸件温度冷却到1 223 K(简称ADI-1223)和1 173 K(简称ADI-1173)时，将铸件直接放入50%KNO3+50%NaNO2淬火介质中进行等温处理，等温处理温度为300 ℃，保温时间为1 h.

利用OLYMPS OLS4100 3D测量激光共聚焦显微镜对两种不同短流程等温淬火球墨铸铁的微观组织进行观察.利用MFT-4000多功能材料表面性能实验仪对试样进行摩擦磨损实验，选用直径为6 mm的Si3N4球体作为配副，施加载荷为10和12 N，运动速度为120 mm/min，摩擦路径长度为8 mm，摩擦时间为60 min.采用激光共聚焦显微镜对磨损路径的宽度进行测量，每个铸件测量三次，取其平均值作为最终测量结果.

2 结果与分析

2.1 微观组织

将分别冷却到1 223和1 173 K进行等温淬火处理的球墨铸铁试样进行微观组织对比分析，结果如图1所示.

图1 ADI-1223和ADI-1173的微观组织Fig.1 Microstructures of ADI-1223 and ADI-1173

由图1可见，ADI-1223和ADI-1173微观组织中含有珠光体和奥铁体(残余奥氏体+针状铁素体).由于铸件为非合金球墨铸铁，在铸件中未添加有利于提高淬透性的合金元素，因此，在ADI-1223和ADI-1173中出现了珠光体.但ADI-1223中的珠光体相对较少，而ADI-1173中的珠光体相对较多，且ADI-1223中分布在石墨球周围的珠光体数量少于其在ADI-1173中的情况.这是由于在石墨球周围的奥氏体中，容易出现贫碳区和富碳区.在容易形成贫碳区和富碳区的地方存在结构涨落和能量涨落，一旦满足形核条件，则可在贫碳区构建铁素体，同时在紧邻的富碳区构建渗碳体，两者是同时同步进行的，从而能够形成珠光体的晶核[8].ADI-1223是在1 223 K时淬入淬火介质进行等温处理的，在进行等温处理之前，ADI-1223中奥氏体的碳原子溶解度高于ADI-1173，从而减少了石墨球周围的贫碳区和富碳区，因此，ADI-1223在石墨球周围的珠光体数量少于ADI-1173中的情况.在ADI-1223中奥铁体中的针状铁素体比ADI-1173中的更加细小.

2.2 硬度

硬度对ADI耐磨性具有重要影响，硬度越高，耐磨性越好[9].对ADI-1223和ADI-1173的硬度进行检测，结果如表2所示.

表2 铸件的硬度Tab.2 Hardness of castings HV

ADI-1223的平均硬度为381 HV，ADI-1173的平均硬度为366 HV，ADI-1223的硬度相比ADI-1173提高了4.1%.Balos等[10]研究表明，珠光体组织的硬度低于奥铁体组织，且针状铁素体越细小，硬度越高.ADI-1223中的珠光体含量少于ADI-1173，且ADI-1223中的针状铁素体更加细小，因此，ADI-1223比ADI-1173的硬度高.硬度提升对球墨铸铁的摩擦磨损性能具有重要影响.

2.3 摩擦系数

对ADI-1223和ADI-1173的摩擦系数进行了检测与对比分析，结果如表3所示.

表3 不同载荷下铸件的摩擦系数Tab.3 Friction coefficient of castings under different loads

由表3可见，当载荷为10 N时，ADI-1223的摩擦系数高于ADI-1173，当载荷为12 N时，ADI-1223的摩擦系数同样高于ADI-1173，ADI-1223在载荷为10 N时的摩擦系数高于载荷为12 N时的情况，ADI-1173在载荷为10 N时的摩擦系数同样高于载荷为12 N时的情况.

在摩擦磨损实验中，石墨的润滑效果对铸件的摩擦系数具有一定影响.文献[11]认为磨损表面上的石墨有两个来源：一个是在磨损过程中石墨球表面的石墨脱落直接进入磨损表面，对铸件起到润滑效果；另一个则是次表面的石墨球和基体组织在切向力作用下发生塑性流动，石墨渗透到磨损表面并增强润滑效果.当铸件硬度较低时，表层组织的塑性流动程度较高，次表面的石墨易于通过表层组织的塑性流动渗透到铸件的磨损表面，从而增加石墨的润滑效果；当铸件的硬度较高时，表层组织的塑性流动程度较低，从而降低了石墨的润滑效果.

ADI-1223的硬度比ADI-1173高，因此，在相同载荷下ADI-1173表层组织的塑性流动程度较高，次表面的石墨易于渗透到磨损表面，从而增加石墨的润滑效果.在同一种等温淬火球墨铸铁中，当载荷从10 N增加到12 N时，摩擦系数会有所降低，这是由于随着载荷的增加，表层组织的流动程度增加，从而促使次表面的石墨渗透到磨损表面上，增强了石墨润滑效果，因而降低了等温淬火球墨铸铁在摩擦磨损过程中的摩擦系数.

2.4 磨损量

通过检测磨损轨迹的宽度来对比ADI-1223和ADI-1173的磨损性能.在摩擦磨损过程中Si3N4球体会逐渐进入铸件基体中，从而造成铸件磨损，Si3N4球体进入铸件基体的深度越深，造成磨损轨迹的宽度越大，磨损体积越大，铸件磨损量也越大.因此，可以通过检测磨损轨迹的宽度来计算磨损体积，从而对比两种短流程等温淬火球墨铸铁的耐磨性.ADI-1223和ADI-1173在不同载荷下的磨损轨迹宽度如表4所示.

表4 不同载荷下铸件的磨损轨迹宽度Tab.4 Width of wear track on castings under different loads μm

利用磨损宽度来计算不同载荷下ADI-1223和ADI-1173的磨损体积，结果如表5所示.

表5 不同载荷下铸件的磨损体积Tab.5 Wear volume of castings under different loads 10-5 mm3

由表5可见，在摩擦磨损实验中当载荷为10和12 N时，ADI-1223的磨损体积均小于ADI-1173.在同一种等温淬火球墨铸铁中，当载荷从10 N增加到12 N时，ADI-1223和ADI-1173的磨损体积均有所增加，因此，在载荷为10和12 N的摩擦磨损实验中，ADI-1223的耐磨性大于ADI-1173.具有珠光体组织的球墨铸铁磨损量大于具有奥铁体组织的球墨铸铁，且具有细小针状铁素体的球墨铸铁的耐磨性高于具有粗大针状铁素体的球墨铸铁[10].ADI-1223中的珠光体含量明显少于ADI-1173，且针状铁素体更加细小，因而其耐磨性较高.

对ADI-1223和ADI-1173的磨损形貌进行对比.当载荷为10 N时，ADI-1223和ADI-1173的磨损形貌如图2所示.由图2可见，ADI-1223的磨损表面较为平整，而ADI-1173的磨损表面较为粗糙，且ADI-1223磨损表面上的少量石墨球被表层组织覆盖，而ADI-1173磨损表面上的大多数石墨球被表层组织覆盖.在摩擦磨损实验过程中，ADI-1223和ADI-1173的表层组织受到Si3N4球体的正应力和切应力作用，造成表层组织发生剥落，剥落的表层组织会进入磨损表面，在Si3N4球体进行往复运动的过程中会在磨损表面产生犁沟.由于ADI-1223的硬度高于ADI-1173，因而产生的磨屑相对较少，减小了磨损量，从而提高了ADI-1223的耐磨性.当载荷为12 N时，ADI-1223和ADI-1173的磨损形貌如图3所示.由图3可见，ADI-1223和ADI-1173的石墨球均被表层组织所覆盖，这是由于随着载荷的增大，两种等温淬火球墨铸铁表层组织的塑性流动程度均增大，从而将石墨球覆盖，且覆盖在石墨球上面的表层组织边缘出现了起皮现象.Si3N4球体进行往复运动的过程中会发生剥落并成为磨屑，在磨损表面产生犁沟，增加磨损量，同时Si3N4球体的正应力和切应力作用也会造成磨损表面的表层组织发生剥落，同样会产生一定的磨屑并增加磨损量.由于ADI-1223的硬度高于ADI-1173，因此，ADI-1223磨损表面上的表层组织剥落程度明显小于ADI-1173，减少了磨损表面上出现的磨屑，从而降低了ADI-1223的磨损量，因而提高了其耐磨性.