不同熱處理條件下ADI材料表面刮傷機理

母德強， 馬敬超， Gary Barber

(1.長春工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012; 2.奧克蘭大學(xué) 摩擦實驗室, 美國 羅切斯特 密西根 48326)

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不同熱處理條件下ADI材料表面刮傷機理

母德強1， 馬敬超1， Gary Barber2

(1.長春工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012; 2.奧克蘭大學(xué) 摩擦實驗室, 美國 羅切斯特 密西根 48326)

材料表面刮傷現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)在各類發(fā)動機零部件上，如發(fā)動機活塞、齒輪、凸輪以及傳動軸。由于等溫淬火球墨鑄鐵(ADI)有很好的自潤滑性，所以這種材料的應(yīng)用變得越來越廣泛。文中目的是研究兩種不同鎳(Ni)元素含量的ADI材料(A和C)在不同熱處理條件下的表面刮傷機理。實驗在旋轉(zhuǎn)球-盤測試儀上進行，并使用白礦物油進行潤滑。實驗開始后逐漸加力，直至刮傷產(chǎn)生。實驗結(jié)果證明，鎳含量較高的ADI有比較高的抗刮傷能力。同樣元素組成的樣品之間硬度并不是衡量刮傷性能的決定性因素。

刮傷實驗; 刮傷機理; 熱處理; ADI

0 引 言

Qu[1]等用“刮傷”這個詞來描述不同情況下機械材料表面破壞現(xiàn)象。由于刮傷現(xiàn)象的復(fù)雜性，所以目前并沒有一個統(tǒng)一定義。然而，有一個定義描述了刮傷的主要特征：“刮傷是一種有表面滑動摩擦條件下對滑動軸承表面產(chǎn)生的接觸性破壞。這種破壞經(jīng)常伴隨著顆粒級別的材料塑性變形，產(chǎn)生可見的表面破壞和表面粗糙度變化。而且并沒有大的幾何形變也沒有發(fā)生的征兆”。當(dāng)表面刮傷產(chǎn)生瞬間會伴隨著劇烈的震動和噪聲[2-3]。

通常情況下，刮傷破壞是一種比較嚴重的表面破壞，并且不能“自我修復(fù)”，所以刮傷的部件必須進行更換。 合適晶相結(jié)構(gòu)的金屬材料和有一定表面硬度的金屬材料可以提高材料壽命或者避免刮傷的產(chǎn)生。為了更好地理解復(fù)雜的刮傷機理和發(fā)現(xiàn)材料微觀結(jié)構(gòu)及硬度對抗刮傷性的影響，需要進行大量的不同條件下的實驗研究。

等溫淬火球墨鑄鐵(Austempered Ductile Iron, ADI)具有高強度、較好的延展性和韌性、可加工性和抗磨抗疲勞性。AD良好的綜合性能得益于其獨特的晶體結(jié)構(gòu)(鐵素體α，高碳奧氏體γHC)，也使其成為非常重要的工程材料[4]。常規(guī)的鋼鐵材料由于回火奧鐵體發(fā)生相變會產(chǎn)生鐵素體和碳素體。與常規(guī)材料不同，ADI產(chǎn)品可以熔化并容許晶相還原。鑄造可以去除不必要的鍛造和裝配，從而大大減少造價和重量[5-6]。因此，ADI在工程應(yīng)用上可以代替鍛造和鑄鐵，如凸輪軸、傳動軸、活塞套以及應(yīng)用在許多其他相關(guān)的鐵路和重型工程機械上[5-7]。一種二階熱處理方法用在了ADI材料的處理上：奧氏體化(898.9 ℃/(25 min))， 然后進行等溫淬火(293.3 ℃/(45 min))[4,7-9]。

ADI的機械性能參數(shù)有很大的范圍，主要是由熱處理參數(shù)變化而導(dǎo)致的晶相變化所決定，如奧氏體化的溫度和時間[4,9-11]。對于ADI的摩擦性能的研究有很多[12-19]，但是很少對ADI的刮傷性能進行探討。Magalhaes[20]等發(fā)現(xiàn)ADI的參數(shù)變化在某種程度上可以幫助提高材料的抗刮傷。

J.M.Han[21]等指出，在低速條件下或者含有高含量的殘余奧氏體的ADI材料有較高的抗刮傷性能。 同時,他們還發(fā)現(xiàn)光滑的接觸面和良好的潤滑可以提高材料抗刮傷性能。但是,這些文獻中并沒有進行深入的探討和解釋元素含量及表面硬度對刮傷性能的影響。

文中的目的是研究不同熱處理方法下的鎳元素和材料硬度變化對ADI材料表面刮傷性能的影響。

1 實驗材料和熱處理

選用兩種不同鎳含量的ADI材料A和C。具體元素含量參數(shù)見表1。

表1 A和C材料的化學(xué)成分

把這兩種材料(A 和C)分為兩組(第一組和第二組)。 把第一組樣品平均分成3份,并進行3種不同熱處理。ADI(A和C)在898.9 ℃下鹽浴熱處理20 min進行奧氏體化, 然后在293.3 ℃下鹽浴淬火20 min。 淬火后空冷到室溫。 對于聚合物淬火(Q)的樣品, 把 A和C樣品加熱到916 ℃保持25 min，然后進行聚合物淬火。I樣品在30 kHz下電磁處理5 s,然后進行聚合物淬火。具體每組熱處理方式和樣品組命名方法分別見表2和表3。

表2 樣品熱處理方法

表3 樣品組命名方法

第二組樣品在276 ℃、321 ℃ 和373 ℃不同溫度下分別進行5、30、60 min奧氏體化，然后進行聚合物淬火。具體樣品編號見表4。

表4 樣品熱處理矩陣

2 試 驗

2.1 樣品硬度測試

使用LSCO R-260硬度測試儀進行樣品硬度測試，每個樣品測兩三次取平均值,如圖1所示。

圖1 LSCO R-260 硬度測試儀

2.2 刮傷試驗

試驗在室溫條件下的球-盤摩擦儀上進行,其儀器及采集系統(tǒng)分別如圖2和圖3所示。

圖2 球-盤摩擦測試儀

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

鋼球材料是52100鋼，直徑7.94 mm，硬度66HRC。碟狀樣品直徑65 mm，厚度10 mm。樣品表面在熱處理后用磨床加工到平均粗糙度在0.3～0.4 μm，粗糙度測量使用的是WYKO 3D profiler粗糙度測試儀。 試驗是在轉(zhuǎn)速700 r/min下進行加載，實驗過程中轉(zhuǎn)速變化如圖4所示。

選擇3種不同的鋼球軌跡旋轉(zhuǎn)直徑，這樣可以得出3種不同線速度的軌跡線。一個軌跡圓直徑是0.045 m ，線速度是1.645 m/s, 另一個直徑是0.040 3 m ，線速度是1.467 m/s, 第三個軌跡圓直徑為0.036 3 m ，線速度是1.330 m/s。加載方式為每120 s增加22 N,如圖5所示。

圖4 試驗加載過程中儀器轉(zhuǎn)速變化趨勢

圖5 載荷加載過程示意圖

試驗直到表面摩擦系數(shù)突然增大，表面出現(xiàn)刮傷時立即停止。當(dāng)刮傷出現(xiàn)時摩擦系數(shù)會突然增大，同時伴隨著劇烈的震動和尖銳的噪聲。這時總的載荷定義為刮傷載荷。摩擦力和摩擦系數(shù)通過惠斯通電橋并聯(lián)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行記錄。潤滑方式采用無添加劑的黏性為53cp白礦物潤滑油在室溫下進行潤滑。所有的試驗都至少重復(fù)兩次，并記錄平均摩擦系數(shù)和刮傷載荷。通常情況下摩擦系數(shù)大約在0.1左右，當(dāng)刮傷出現(xiàn),瞬間摩擦系數(shù)會驟然跳到0.25或者更高。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 樣品硬度測試結(jié)果

具體硬度值見表5和表6。

表5 第一組樣品硬度值(HRC)

表6 第二組樣品硬度值(HRC)

第一組結(jié)果顯示，AA和AC樣品硬度最低，其他組硬度較高并都在HRC60左右。 第二組樣品硬度隨熱處理時間的延長和溫度的升高而降低，如圖6所示。

圖6 第二組樣品硬度變化趨勢圖

3.2 第一組試驗數(shù)據(jù)及分析

不同樣品在1.645 m/s的速度下摩擦力/摩擦系數(shù)載荷變化趨勢分別如圖7、圖8所示。

圖7 實驗過程中摩擦力變化圖

圖8 摩擦系數(shù)變化圖

摩擦系數(shù)隨載荷的增加而變大,但在加載之前一直保持相對穩(wěn)定直到表面刮傷出現(xiàn)導(dǎo)致摩擦系數(shù)突然增大。結(jié)果如下：

1)A樣品比C樣品有更好的抗刮傷性；

2)電磁處理的樣品刮傷載荷最大，而普通處理的ADI刮傷載荷最低。

通過對比不同樣品之間的平均刮傷載荷來直觀表示樣品性能，實驗樣品平均刮傷載荷如圖9所示。

圖9 第一組實驗樣品平均刮傷載荷

A和C兩種材料在700 r/min轉(zhuǎn)速條件下分別以半徑R為22.5、20.15、18.15 mm重復(fù)試驗兩次。結(jié)果顯示，硬度最高的淬火樣品和電磁處理樣品有較高的抗刮傷性。A組樣品(Ni含量較高)在高速條件下比C材料有更好的抗刮傷性能。

3.3 第二組試驗數(shù)據(jù)及分析

第二組實驗只對A種材料進行了測試，目的是進一步了解熱處理對材料刮傷性能的影響。結(jié)果顯示A1樣品平均硬度值最高為HRC 57.5，同時抗刮傷性能最好。A15和A17號樣品平均硬度值最低，分別為HRC 33.5 和30.7，但是抗刮傷性卻好于其他樣品。余下的樣品硬度值在54 到38.95之間，且性能差距很小。試驗結(jié)果如圖10所示。

刮傷區(qū)域的寬度和深度情況見表7。

圖10 第二組實驗平均刮傷載荷

溫度/℃時間/min53060276321373

結(jié)果顯示：劃痕的深度和寬度隨樣品表面硬度的降低而變深、變寬。在373 ℃保持恒溫60 min的樣品表面劃痕最深、最寬， 同時在276 ℃下保持5 min的樣品表面劃痕最淺、最窄。當(dāng)鋼球在硬度較低的材料表面作用時，接觸面積也就相應(yīng)地增大了。這就意味著接觸壓力的降低，使其具有更好的潤滑和自我修復(fù)能力。

4 結(jié) 語

為了更加深入地了解表面刮傷機制，文中對兩種不同化學(xué)組成的灰鑄鐵樣品進行了表面刮傷實驗。實驗對比了鎳元素含量對樣品抗刮傷性能的影響，對比了不同熱處理條件下刮傷載荷的變化以及材料硬度對劃痕的產(chǎn)生影響。

1)載荷越大，塑性變形越大，使實驗樣件直接接觸面積增加和潤滑條件變好，最終能夠提高材料的抗刮傷性。

2)含有更高鎳含量的A材料比C材料有更好的抗刮傷性能，說明鎳元素能夠有效地提高材料表面抗刮傷性能。

3)電磁處理的ADI樣品比其他熱處理條件下的樣品更難產(chǎn)生表面刮傷。

4)高硬度的樣品表面劃痕比硬度低的樣品表面劃痕更淺更窄。同時高硬度材料的劃痕內(nèi)及兩側(cè)的塑性變形量也較小。

5)在276 ℃下保持 5 min的樣品A1和A2 表面硬度最高，抗刮傷性能最好。

6)樣品A15(A16) 和A17(A18) 硬度最低但他們的抗刮傷能力僅次于5)中的樣品。分析原因歸結(jié)為：低硬度表面材料之間接觸面積增大,使接觸壓力減小，同時也改善了潤滑條件。

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The study of the heat treated Austempered Ductile Iron (ADI) scuffing mechanism

MU Deqiang1, MA Jingchao1, Gary Barber2

(1.School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China; 2.Tribology Lab, Oakland University, Rochester MI 48309, Michigan, USA)

Scuffing can be occurred in various engineering components, such as engine cylinders and liners, gears, crankshafts, and camshafts. Because of self-lubricating characteristics and excellent mechanical properties, Austempered Ductile Iron (ADI) is finding increasing application in those components. The objective of this research is to study the difference of scuffing behavior between two different ductile iron materials (A and C) with several different treatments (austempered with different time and temperature, quenched and inducted). Rotational ball-on-disk tests were run under lubricant of white mineral oil. A step load was applied until scuffing occurred. The results indicate that ADI with Ni have better scuffing resistance, and the hardness is not the dominate parameter of scuffing resistance between specimens which have same chemical composition.

scuffing test; scuffing mechanism; heat treatment; Austempered Ductile Iron (ADI).

2017-03-10

母德強(1961-)，男，漢族，遼寧昌圖人，長春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事精密加工與檢測技術(shù)研究,E-mail:mudq@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.3.03

TG 174.4

A

1674-1374(2017)03-0224-07