短流程等溫淬火初始溫度對組織及性能的影響*

曲迎東，張 震，尤俊華，蘇睿明，李榮德

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870)

等溫淬火球墨鑄鐵(簡稱ADI)是將特定成分的球墨鑄鐵加熱到共析線以上的溫度保溫一段時(shí)間，然后采用等溫淬火熱處理得到基體組織為奧鐵體(針狀鐵素體和富碳奧氏體)的球墨鑄鐵[1].ADI中獨(dú)特的奧鐵體基體結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到常規(guī)球墨鑄鐵所不能達(dá)到的強(qiáng)度和韌性[2]，因此，在工程領(lǐng)域具有廣泛認(rèn)可度與潛在應(yīng)用.ADI被認(rèn)為是較好的車輪替代材料，并已成功應(yīng)用于鐵路車輪[3].近幾年，提出了“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”，強(qiáng)調(diào)了“三去一降一補(bǔ)”五大任務(wù)，而五大改革任務(wù)之首就是去產(chǎn)能，鋼鐵產(chǎn)業(yè)則是去產(chǎn)能的重中之重[4].尤其在當(dāng)今節(jié)能減排、低碳環(huán)保的大時(shí)代背景下，加強(qiáng)鋼鐵行業(yè)技術(shù)改造，生產(chǎn)高性能優(yōu)質(zhì)鋼鐵材料是提高鋼鐵行業(yè)整體水平的必經(jīng)之路[5].因此，國內(nèi)外很多專家學(xué)者研究了工藝參數(shù)對等溫淬火球墨鑄鐵制備以及組織性能的影響.Filho等[6]對比研究了兩步等溫淬火與單步等溫淬火球墨鑄鐵的組織和力學(xué)性能，結(jié)果表明，通過兩步等溫淬火得到的球墨鑄鐵硬度和沖擊韌性均有明顯提高，但是在實(shí)際生產(chǎn)中利用該方法進(jìn)行大型鑄件制備或批量生產(chǎn)會增加生產(chǎn)難度且操作困難.針對此類問題，舒信福等[7]率先提出了短流程等溫淬火工藝方案，但在球墨鑄鐵中加入了Mn、Cu、Cr合金元素.本文通過對非合金球墨鑄鐵進(jìn)行短流程等溫淬火處理，研究了鑄件的不同初始淬火溫度對等溫淬火球墨鑄鐵組織及性能的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

本文對兩種不同短流程等溫淬火工藝進(jìn)行對比研究，制備的球墨鑄鐵鑄件為非合金球墨鑄鐵，試樣的化學(xué)成分如表1所示.

表1 試樣化學(xué)成分(w)Tab.1 Chemical composition of sample (w) %

利用消失模鑄造技術(shù)制備鑄件，采用TXR3000無紙記錄儀測量溫度.在消失模鑄造工藝澆鑄鑄件的過程中，將測溫?zé)犭娕疾迦胫鳚驳乐?，?dāng)溫度分別達(dá)到1 323和1 273 K時(shí)開箱取件，并進(jìn)行鑄件表面清理.當(dāng)鑄件溫度冷卻到1 223 K(簡稱ADI-1223)和1 173 K(簡稱ADI-1173)時(shí)，將鑄件直接放入50%KNO3+50%NaNO2淬火介質(zhì)中進(jìn)行等溫處理，等溫處理溫度為300 ℃，保溫時(shí)間為1 h.

利用OLYMPS OLS4100 3D測量激光共聚焦顯微鏡對兩種不同短流程等溫淬火球墨鑄鐵的微觀組織進(jìn)行觀察.利用MFT-4000多功能材料表面性能實(shí)驗(yàn)儀對試樣進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，選用直徑為6 mm的Si3N4球體作為配副，施加載荷為10和12 N，運(yùn)動速度為120 mm/min，摩擦路徑長度為8 mm，摩擦?xí)r間為60 min.采用激光共聚焦顯微鏡對磨損路徑的寬度進(jìn)行測量，每個(gè)鑄件測量三次，取其平均值作為最終測量結(jié)果.

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

將分別冷卻到1 223和1 173 K進(jìn)行等溫淬火處理的球墨鑄鐵試樣進(jìn)行微觀組織對比分析，結(jié)果如圖1所示.

圖1 ADI-1223和ADI-1173的微觀組織Fig.1 Microstructures of ADI-1223 and ADI-1173

由圖1可見，ADI-1223和ADI-1173微觀組織中含有珠光體和奧鐵體(殘余奧氏體+針狀鐵素體).由于鑄件為非合金球墨鑄鐵，在鑄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中出現(xiàn)了珠光體.但ADI-1223中的珠光體相對較少，而ADI-1173中的珠光體相對較多，且ADI-1223中分布在石墨球周圍的珠光體數(shù)量少于其在ADI-1173中的情況.這是由于在石墨球周圍的奧氏體中，容易出現(xiàn)貧碳區(qū)和富碳區(qū).在容易形成貧碳區(qū)和富碳區(qū)的地方存在結(jié)構(gòu)漲落和能量漲落，一旦滿足形核條件，則可在貧碳區(qū)構(gòu)建鐵素體，同時(shí)在緊鄰的富碳區(qū)構(gòu)建滲碳體，兩者是同時(shí)同步進(jìn)行的，從而能夠形成珠光體的晶核[8].ADI-1223是在1 223 K時(shí)淬入淬火介質(zhì)進(jìn)行等溫處理的，在進(jìn)行等溫處理之前，ADI-1223中奧氏體的碳原子溶解度高于ADI-1173，從而減少了石墨球周圍的貧碳區(qū)和富碳區(qū)，因此，ADI-1223在石墨球周圍的珠光體數(shù)量少于ADI-1173中的情況.在ADI-1223中奧鐵體中的針狀鐵素體比ADI-1173中的更加細(xì)小.

2.2 硬度

硬度對ADI耐磨性具有重要影響，硬度越高，耐磨性越好[9].對ADI-1223和ADI-1173的硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果如表2所示.

表2 鑄件的硬度Tab.2 Hardness of castings HV

ADI-1223的平均硬度為381 HV，ADI-1173的平均硬度為366 HV，ADI-1223的硬度相比ADI-1173提高了4.1%.Balos等[10]研究表明，珠光體組織的硬度低于奧鐵體組織，且針狀鐵素體越細(xì)小，硬度越高.ADI-1223中的珠光體含量少于ADI-1173，且ADI-1223中的針狀鐵素體更加細(xì)小，因此，ADI-1223比ADI-1173的硬度高.硬度提升對球墨鑄鐵的摩擦磨損性能具有重要影響.

2.3 摩擦系數(shù)

對ADI-1223和ADI-1173的摩擦系數(shù)進(jìn)行了檢測與對比分析，結(jié)果如表3所示.

表3 不同載荷下鑄件的摩擦系數(shù)Tab.3 Friction coefficient of castings under different loads

由表3可見，當(dāng)載荷為10 N時(shí)，ADI-1223的摩擦系數(shù)高于ADI-1173，當(dāng)載荷為12 N時(shí)，ADI-1223的摩擦系數(shù)同樣高于ADI-1173，ADI-1223在載荷為10 N時(shí)的摩擦系數(shù)高于載荷為12 N時(shí)的情況，ADI-1173在載荷為10 N時(shí)的摩擦系數(shù)同樣高于載荷為12 N時(shí)的情況.

在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中，石墨的潤滑效果對鑄件的摩擦系數(shù)具有一定影響.文獻(xiàn)[11]認(rèn)為磨損表面上的石墨有兩個(gè)來源：一個(gè)是在磨損過程中石墨球表面的石墨脫落直接進(jìn)入磨損表面，對鑄件起到潤滑效果；另一個(gè)則是次表面的石墨球和基體組織在切向力作用下發(fā)生塑性流動，石墨滲透到磨損表面并增強(qiáng)潤滑效果.當(dāng)鑄件硬度較低時(shí)，表層組織的塑性流動程度較高，次表面的石墨易于通過表層組織的塑性流動滲透到鑄件的磨損表面，從而增加石墨的潤滑效果；當(dāng)鑄件的硬度較高時(shí)，表層組織的塑性流動程度較低，從而降低了石墨的潤滑效果.

ADI-1223的硬度比ADI-1173高，因此，在相同載荷下ADI-1173表層組織的塑性流動程度較高，次表面的石墨易于滲透到磨損表面，從而增加石墨的潤滑效果.在同一種等溫淬火球墨鑄鐵中，當(dāng)載荷從10 N增加到12 N時(shí)，摩擦系數(shù)會有所降低，這是由于隨著載荷的增加，表層組織的流動程度增加，從而促使次表面的石墨滲透到磨損表面上，增強(qiáng)了石墨潤滑效果，因而降低了等溫淬火球墨鑄鐵在摩擦磨損過程中的摩擦系數(shù).

2.4 磨損量

通過檢測磨損軌跡的寬度來對比ADI-1223和ADI-1173的磨損性能.在摩擦磨損過程中Si3N4球體會逐漸進(jìn)入鑄件基體中，從而造成鑄件磨損，Si3N4球體進(jìn)入鑄件基體的深度越深，造成磨損軌跡的寬度越大，磨損體積越大，鑄件磨損量也越大.因此，可以通過檢測磨損軌跡的寬度來計(jì)算磨損體積，從而對比兩種短流程等溫淬火球墨鑄鐵的耐磨性.ADI-1223和ADI-1173在不同載荷下的磨損軌跡寬度如表4所示.

表4 不同載荷下鑄件的磨損軌跡寬度Tab.4 Width of wear track on castings under different loads μm

利用磨損寬度來計(jì)算不同載荷下ADI-1223和ADI-1173的磨損體積，結(jié)果如表5所示.

表5 不同載荷下鑄件的磨損體積Tab.5 Wear volume of castings under different loads 10-5 mm3

由表5可見，在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中當(dāng)載荷為10和12 N時(shí)，ADI-1223的磨損體積均小于ADI-1173.在同一種等溫淬火球墨鑄鐵中，當(dāng)載荷從10 N增加到12 N時(shí)，ADI-1223和ADI-1173的磨損體積均有所增加，因此，在載荷為10和12 N的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中，ADI-1223的耐磨性大于ADI-1173.具有珠光體組織的球墨鑄鐵磨損量大于具有奧鐵體組織的球墨鑄鐵，且具有細(xì)小針狀鐵素體的球墨鑄鐵的耐磨性高于具有粗大針狀鐵素體的球墨鑄鐵[10].ADI-1223中的珠光體含量明顯少于ADI-1173，且針狀鐵素體更加細(xì)小，因而其耐磨性較高.

對ADI-1223和ADI-1173的磨損形貌進(jìn)行對比.當(dāng)載荷為10 N時(shí)，ADI-1223和ADI-1173的磨損形貌如圖2所示.由圖2可見，ADI-1223的磨損表面較為平整，而ADI-1173的磨損表面較為粗糙，且ADI-1223磨損表面上的少量石墨球被表層組織覆蓋，而ADI-1173磨損表面上的大多數(shù)石墨球被表層組織覆蓋.在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過程中，ADI-1223和ADI-1173的表層組織受到Si3N4球體的正應(yīng)力和切應(yīng)力作用，造成表層組織發(fā)生剝落，剝落的表層組織會進(jìn)入磨損表面，在Si3N4球體進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的過程中會在磨損表面產(chǎn)生犁溝.由于ADI-1223的硬度高于ADI-1173，因而產(chǎn)生的磨屑相對較少，減小了磨損量，從而提高了ADI-1223的耐磨性.當(dāng)載荷為12 N時(shí)，ADI-1223和ADI-1173的磨損形貌如圖3所示.由圖3可見，ADI-1223和ADI-1173的石墨球均被表層組織所覆蓋，這是由于隨著載荷的增大，兩種等溫淬火球墨鑄鐵表層組織的塑性流動程度均增大，從而將石墨球覆蓋，且覆蓋在石墨球上面的表層組織邊緣出現(xiàn)了起皮現(xiàn)象.Si3N4球體進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的過程中會發(fā)生剝落并成為磨屑，在磨損表面產(chǎn)生犁溝，增加磨損量，同時(shí)Si3N4球體的正應(yīng)力和切應(yīng)力作用也會造成磨損表面的表層組織發(fā)生剝落，同樣會產(chǎn)生一定的磨屑并增加磨損量.由于ADI-1223的硬度高于ADI-1173，因此，ADI-1223磨損表面上的表層組織剝落程度明顯小于ADI-1173，減少了磨損表面上出現(xiàn)的磨屑，從而降低了ADI-1223的磨損量，因而提高了其耐磨性.

圖2 當(dāng)載荷為10 N時(shí)ADI-1223和ADI-1173的磨損形貌Fig.2 Wear morphologies of ADI-1223 and ADI-1173 under load of 10 N

圖3 當(dāng)載荷為12 N時(shí)ADI-1223和ADI-1173的磨損形貌Fig.3 Wear morphologies of ADI-1223 and ADI-1173 under load of 12 N

3 結(jié) 論

短流程等溫淬火的不同初始溫度對鑄件的組織、硬度、摩擦系數(shù)和磨損體積都會產(chǎn)生一定程度的影響，具體結(jié)論如下：

1) 在ADI-1223和ADI-1173的組織中出現(xiàn)了珠光體.較高的短流程等溫淬火初始溫度有利于碳原子在基體中的溶解以及均勻分布，從而有利于降低珠光體形核率.

2) 由于ADI-1223的組織中珠光體含量少于ADI-1173，因此，ADI-1223的硬度高于ADI-1173，摩擦系數(shù)大于ADI-1173，磨損體積小于ADI-1173.