不同牌号的球墨铸铁氮化性能研究

2022-08-31蔡伟肖雅兮张诚刘鑫段悦洪杨鹏李尚春

石油和化工设备 2022年8期

蔡伟，肖雅兮，张诚，刘鑫，段悦洪，杨鹏，李尚春

（中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川成都610100）

球墨铸铁具有优异的机械性能，其总合性能与钢相近，因而广泛的应用于一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的领域。[1]压缩缸是往复活塞式压缩机的重要部件之一，对球墨铸铁压缩缸的缸孔进行气体氮化，能有效地提高缸体内孔的硬度、耐磨性和疲劳强度，减少工件畸变，延长使用寿命，降低成本[2-5]。

目前，公司压缩机的球墨铸铁压缩缸选用的牌号主要有QT600-3和QT450-10，公司的氮化方法主要以气体氮化为主，因此选用QT600-3和QT450-10两种牌号的球墨铸铁进行气体氮化，研究两者氮化后的性能，为今后球墨铸铁压缩缸批量氮化提供一定的参考依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

本次实验材料选用中频炉熔炼铸造的试块，分别为铸态的QT600-3和QT450-10试块。其化学成分和力学性能如表1和表2所示。

表1 化学成分（质量分数，%）

表2 力学性能

1.2 实验方法

现对铸态的QT600-3和QT450-10试块的金相进行测定，再将铸态试块悬挂在井式氮化炉中进行氮化，氮化工艺如图1.

图1 氮化工艺图

本次实验采用两段式氮化，第一阶段温度为490-520℃，保温10h，较低的氨分解率15%-25%。选用的温度较低，便于在试块表面形成弥散度大而硬度高的合金渗氮物。此时渗氮层深度比较浅，试块表面的氮原子浓度比较高，为第二阶段扩散做准备。第二阶段选用的温度较第一阶段有所增加，同时氨分解率也增高。提高温度是为了加速氮原子在试块中的扩散速度，使得第一阶段富集在试块表面的氮原子向试块内部进行扩散。提高氨分解率，炉内的氮势降低，试块表面的化合物的形成速度明显下降，有利于扩散层向工件内部生长，有利于得到更厚的渗层，同时也缩短了渗氮的时间，降低氮化成本。另一方面，提高氨分解率，降低炉内氮势值，也可以降低试块表面的氮原子浓度，降低渗氮层的脆性，提升氮化质量。

1.3 检验方法

依据GB/T24234-2009《铸铁多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法》，在热电光谱仪上测定化学成分，依据GB/T 1348-2019《球墨铸铁件》，试块显微组织在OLYMPUS GX-51金相显微镜上观察，浸蚀液4%硝酸酒精溶液。依据GB/T 11354-2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》，渗氮显微组织在OLYMPUS GX-51金相显微镜上观察，浸蚀液4%硝酸酒精溶液。依据GB/T 228-2010《金属材料拉伸试验》，室温拉伸试验在SHT4605型60t微机控制电液伺服万能试验机上进行。

2 实验结果及结论

2.1 试块显微组织

对QT600-3和QT450-10的试块本体的显微组织进行检测，如图2和图3.从图2和图3可以看出，QT600-3的球化等级为3级，基体组织为珠光体+铁素体，其中珠光体的含量为70%，符合标准要求。QT450-10的球化等级为2级，基体组织为铁素体+珠光体，珠光体含量为25%。通过对基体金相组织对比可以看出，QT600-3基体组织以珠光体为主，QT450-10基体组织以铁素为主，符合标准要求。在球墨铸铁中，强度的高低主要取决于珠光体的含量，韧性的高低主要取决了铁素体的含量，所以QT600-3的试块强度高于QT450-10的试块强度，韧性低于QT450-10的韧性，符合表2的测定结果。

2.2 氮化结果

QT600-3和QT450-10试块的表面硬度值、渗氮层脆性级别、渗氮层深度如表3所示。通过与表3的结果进行对比，采用两段式氮化工艺进行氮化，QT450-10试块和QT600-3试块均满足标准GB/T 11354-2005和特殊设计指标要求。

通过将表2和表3的结果进行对比可以看出，氮化能够明显增加试块的硬度。这是因为在氮化过程中，在试块表面形成了含氮化合物。当氮含量浓度在试块表面达到一定浓度是时，会形成ε和γ′两种组织。ε和γ′是两种硬度较高的细小质点，两种组织均匀的分布在试块的基体组织上，起到了弥散硬化的效果，因此氮化能够显著提升试块的硬度。[6]

通过表3的结果可以看出。QT600-3试块氮化后的硬度要高于QT450-10，这是由于两种试块的基体组织所决定。QT600-3的基体组织主要以珠光体为主，强度和硬度都较高，QT450-10的基体组织主要以铁素体为主，强度和硬度相对较低，因此氮化后的硬度也会存在差异。