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摘 要： 摘 要: 研究了等溫淬火工藝對(duì)等溫淬火球墨鑄鐵( ADI) 組織、力學(xué)性能及磨損性能的影響。結(jié)果表明，在等溫淬火溫度 290 ～ 380 ℃范圍內(nèi)，隨著等溫淬火溫度的升高，ADI 基體組織逐漸變粗，殘留奧氏體量增多，硬度逐漸下降，ADI 試樣的磨損率增加，摩擦系數(shù)減
摘 要: 研究了等溫淬火工藝對(duì)等溫淬火球墨鑄鐵( ADI) 組織、力學(xué)性能及磨損性能的影響。結(jié)果表明，在等溫淬火溫度 290 ～ 380 ℃范圍內(nèi)，隨著等溫淬火溫度的升高，ADI 基體組織逐漸變粗，殘留奧氏體量增多，硬度逐漸下降，ADI 試樣的磨損率增加，摩擦系數(shù)減小。研究可知，ADI 磨損機(jī)制主要有微觀切削磨損、氧化剝落磨損、犁溝和表面疲勞磨損。當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟葹檩^低時(shí)， 290 和 320 ℃時(shí) ADI 磨損機(jī)制主要為微觀切削磨損和氧化剝落磨損; 等溫淬火溫度為 350 ℃時(shí)，ADI 磨損機(jī)制主要為微觀剝削磨損和犁溝，以及少量的氧化剝落磨損; 等溫淬火溫度升高至 380 ℃時(shí)，ADI 的磨損機(jī)制主要為表面疲勞磨損和犁溝。
關(guān)鍵詞: 等溫淬火球墨鑄鐵; 等溫淬火工藝; 顯微組織; 殘留奧氏體; 磨損機(jī)制
20 世紀(jì)六七十年代，國(guó)內(nèi)外學(xué)者幾乎同時(shí)研究出等溫淬火球墨鑄鐵( ADI) ，由于 ADI 具有良好的綜合性能，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，已成為 21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ牟牧现籟1-3]。與普通球墨鑄鐵相比，ADI 具有高強(qiáng)度和高韌性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備特有的自潤(rùn)滑和應(yīng)變強(qiáng)化性能，因此抗磨損性能強(qiáng)，廣泛運(yùn)用于各種磨損件上，并且取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益[4-7]。ADI 基體組織由貝氏體型鐵素體和殘留奧氏體組成，由于貝氏體-鐵素體硬度較高，所以 ADI 具有優(yōu)越的耐磨性，廣泛運(yùn)用于各種機(jī)械部件，如車(chē)輛齒輪、曲軸、斜楔等，其中這些部件都會(huì)受到不同程度的滑動(dòng)和滾動(dòng)磨損[8-9]。因此，國(guó)內(nèi)外做了許多關(guān)于 ADI 耐磨性能的研究，其中等溫淬火工藝[10-11]、顯微組織[12]、滑動(dòng)速度[13]、石墨形狀[14]、合金元素[15]對(duì) ADI 耐磨性都有不同程度的影響。因此，需要進(jìn)一步研究 ADI 在不同工況下的磨損試驗(yàn)以及等溫淬火工藝對(duì)磨損行為的影響。本文主要研究不同等溫淬火工藝對(duì) ADI 組織和耐磨性的影響，并探究 ADI 的磨損機(jī)制，為 ADI 抗耐磨件等溫淬火工藝的選取和使用提供指導(dǎo)。
1 實(shí)驗(yàn)材料與方法
1. 1 實(shí)驗(yàn)材料及制備
實(shí)驗(yàn)原材料采用生鐵、回爐料、廢鋼、鉬鐵銅絲等等。采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，鐵液的出爐溫度嚴(yán)格控制在( 1440± 10) ℃ 左右，球化劑采用稀土鎂硅球化劑( FeSiMg8Re7) ，采用蓋包法球化工藝; 孕育劑采用 FeSi75，采用包底孕育和隨流孕育相結(jié)合的方式。澆注溫度為 1350 ℃，采用樹(shù)脂砂造型并澆注標(biāo)準(zhǔn) Y 型試塊。利用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分如表 1。
1. 2 熱處理工藝
本實(shí)驗(yàn)采用的 SX2-2-12 型箱式電阻爐進(jìn)行奧氏體化處理，奧氏體化為 900 ℃ ×90 min。在鹽浴爐中進(jìn)行等溫淬火處理，等溫淬火介質(zhì)為 50% KNO3 + 50% NaNO2 鹽浴。采用的等溫淬火溫度為 290、320、 350 和 380 ℃，等溫淬火時(shí)間均為 90 min，然后空冷。等溫淬火工藝圖如圖 1 所示。為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試樣從電阻爐中轉(zhuǎn)入鹽浴爐中的時(shí)間應(yīng)小于 5 s，鹽浴爐的溫差控制在±5 ℃。
1. 3 耐磨性實(shí)驗(yàn)
采用 MMW-1 立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)等溫淬火球墨鑄鐵進(jìn)行滑動(dòng)摩擦磨損性能研究，摩擦磨損過(guò)程示意圖如圖 2 所示。將 試 樣 做 成 4. 8 mm × 12. 7 mm 的小圓柱銷(xiāo)，對(duì)磨盤(pán)選取淬火 45 鋼，硬度為 52 ～ 55 HRC，尺寸為 31. 7 mm×16 mm×10 mm。采用電子天平稱(chēng)量磨損前后試樣質(zhì)量，分別記為 m1、 m2。試驗(yàn)載荷為 150 N，轉(zhuǎn)速 200 r /min，時(shí)間 3600 s，環(huán)境溫度為 22 ℃，濕度為 60 ～ 70 RH%。
1. 4 微觀分析
從熱處理完成后的試樣上取樣進(jìn)行打磨和拋光，在用 4%硝酸酒精對(duì)試樣腐蝕后使用 OLYMOUS GX5 光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察。采用 401 MVD 型數(shù)顯微維氏硬度計(jì)對(duì)磨損前后 ADI 基體組織進(jìn)行了硬度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)載荷為 980 N，加載時(shí)間為 15 s，為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每個(gè)試樣在不同的位置測(cè)試多次，最終取平均值。使用日本理學(xué) Smart-lab 型 X 射線衍射儀對(duì) ADI 磨損前后進(jìn)行衍射分析。采用 X 衍射分析軟件( MDI Jade 5. 0) 對(duì)磨損前后試樣進(jìn)行尋峰處理，分別選取 γ( 220) 和 α( 200) 衍射峰，采用直接對(duì)比法計(jì)算出 ADI 中殘留奧氏體含量。在磨損試驗(yàn)后，采用 Merlin Compact 掃描電鏡觀察 ADI 試樣磨損后表面形貌，利用 OXFOFD 能譜分析儀( EDS) 分析磨損形貌成分，探討 ADI 的磨損機(jī)制。
2 結(jié)果與討論
2. 1 ADI 顯微組織與力學(xué)性能
圖 3 為不同等溫淬火溫度下，保溫時(shí)間 90 min 的 ADI 顯微組織; 圖 4 為 ADI 硬度和殘留奧氏體含量與等溫淬火溫度的關(guān)系。由圖 3 可知，所有的 ADI 的基體組織主要由貝氏體和殘留奧氏體組成，當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟葹?290 ℃時(shí)，其基體組織為細(xì)小的針狀下貝氏體和少量殘留奧氏體。隨著等溫淬火溫度的升高，基體組織逐漸變粗，由針狀貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛鹈珷钌县愂象w，同時(shí)由圖 4 可以看出，殘留奧氏體量逐漸增加，到 380 ℃時(shí)殘留奧氏體量最多，貝氏體組織也最粗大。由圖 4 可知，隨著等溫淬火溫度升高，硬度逐漸下降，由 290 ℃時(shí)的 435. 6 HV100 降低至 380 ℃時(shí)的 288. 1 HV100; 而殘留奧氏體含量逐漸增加，由 290 ℃ 時(shí) 26. 4%的增加至 380 ℃時(shí)的 38. 6%。由此可知，硬度的變化與殘留奧氏體含量的變化有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即硬度隨著殘留奧氏體含量增加而降低。當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟容^低時(shí)，基體組織中殘留奧氏體含量較少，針狀下貝氏體硬度較高，所以 ADI 硬度較高; 隨著等溫淬火溫度升高，基體組織中殘留奧氏體含量增多，羽毛狀上貝氏體硬度較低，導(dǎo)致 ADI 硬度降低。
2. 2 ADI 試樣的磨損率
圖 5 為不同等溫淬火溫度下 ADI 試樣的磨損率。由圖 5 可知，當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟葹?290 ℃時(shí)，ADI 的磨損率最小，為 2. 64×10-3 mg /m，表現(xiàn)出良好的耐磨性。試樣磨損率隨著等溫淬火溫度的升高而增加，當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟壬咧?380 ℃時(shí)，ADI 的磨損率最大，為 3. 34× 10-3 mg /m，其耐磨性最差。主要因?yàn)殡S著等溫淬火溫度的升高，ADI 基體組織逐漸變粗，由針狀貝氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛鹈珷钬愂象w，殘留奧氏體量也會(huì)隨之增多，導(dǎo)致材料的硬度發(fā)生下降，耐磨性能也隨之降低[16]。
2. 3 磨損表面殘留奧氏體量的變化
為了研究 ADI 磨損過(guò)程中材料表面可能發(fā)生的ADI 試樣進(jìn)行磨損后試樣表面的物相分析，與磨損前的 XRD 圖譜進(jìn)行對(duì)比，如圖 6 所示。由圖 6 可以定性地觀察不同等溫淬火溫度下試樣磨損前和磨損后 γ( 奧氏體) 峰的差異。經(jīng)過(guò)磨損試驗(yàn)后，γ ( 111) 、 ( 220) 和 ( 200) 峰的尺寸大幅減小，幾乎完全消失，同時(shí) α( 110) 、( 200) 、( 211) 峰有所變寬，這表明基體組織中殘留奧氏體幾乎全部轉(zhuǎn)換為馬氏體，使磨損后 ADI 材料表面硬度顯著增加，材料的耐磨性得到提高。同時(shí)有關(guān)研究表明: 馬氏體轉(zhuǎn)變只發(fā)生在磨損表面，其內(nèi)部組織保持不變[17]。
2. 4 磨損前后 ADI 硬度的變化
圖 7 為 ADI 磨損前后的硬度值對(duì)比。通過(guò)分析磨損后 ADI 的硬度可知，磨損后 ADI 試樣的硬度相比于磨損前的硬度都有一定程度的增加，這是因?yàn)樵嚇釉谀p過(guò)程中都發(fā)生了加工硬化現(xiàn)象，基體中的殘留奧氏體受到應(yīng)力應(yīng)變作用，發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，提高了磨損后試樣的硬度，增強(qiáng)了材料的耐磨性。從圖 7 還可以看出，隨著等溫淬火溫度的升高，試樣磨損后硬度的增加量也隨著增加。這是因?yàn)殡S著等溫淬火溫度的升高，ADI 基體組織中殘留奧氏體量逐漸增加，在磨損的過(guò)程中發(fā)生加工硬化現(xiàn)象程度也隨之增加，導(dǎo)致 ADI 表面硬度增加明顯。
2. 5 ADI 試樣的摩擦系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系
將實(shí)驗(yàn)得到的摩擦系數(shù)進(jìn)行修正得到試樣的瞬時(shí)摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖 8 所示，在相同條件下摩擦系數(shù)各不相同。由各個(gè)等溫淬火溫度下摩擦系數(shù)曲線可以看出，在初始階段各個(gè)摩擦系數(shù)都呈上升趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，摩擦系數(shù)呈小幅度波動(dòng)，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，具體穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)如表 2 所示。
受到更大的塑性變形，導(dǎo)致更多的石墨脫落到摩擦副表面，使其自潤(rùn)滑能力增加，摩擦系數(shù)隨之減小。 2. 6 磨損形貌及能譜分析圖 9 為在相同條件下不同等溫淬火溫度 ADI 磨損后的磨損形貌，圖 10 為不同等溫淬火溫度下 ADI 高倍下磨損表面形貌，磨損表面能譜分析結(jié)果見(jiàn)表 3。由圖 9 可以清楚的看出，經(jīng)過(guò)磨損后 ADI 表面都發(fā)生了不同程度的磨損，石墨球在外力作用下發(fā)生脫落，同時(shí)試樣表面都出現(xiàn)了深淺不同的犁溝，并且犁溝方向都與摩擦副的運(yùn)動(dòng)方向平行。由圖 9( a) 可以看出，當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟葹?290 ℃ 時(shí)，ADI 試樣的磨損表面相對(duì)平滑、剝落層不明顯，犁溝相對(duì)較淺，此溫度下表現(xiàn)出良好的耐磨性。這是因?yàn)樵?290 ℃ 下 ADI 基體組織由針狀下貝氏體和殘留奧氏體組成，基體表面硬度較高，試樣耐磨性良好。當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟壬咧?320 ℃和 350 ℃時(shí)，針狀下貝氏體發(fā)生長(zhǎng)大變粗，基體表面硬度降低，使 ADI 在磨損過(guò)程中切削加深，產(chǎn)生明顯的犁溝，增加磨損率，使 ADI 的耐磨性降低。當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟壬咧?380 ℃ 時(shí)，由 9( d) 可以看出試樣磨損表面犁溝比較深，金屬剝落層清晰可見(jiàn)，此時(shí)耐磨性最差。這是因?yàn)樵?380 ℃ 時(shí)，基體組織變粗，轉(zhuǎn)變?yōu)橛鹈珷钌县愂象w，基體表面硬度較低，容易磨損。此溫度下在不斷磨損過(guò)程中，其產(chǎn)生的反復(fù)作用的接觸應(yīng)力使材料表面發(fā)生了塑性變形現(xiàn)象，磨損表面出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致部分基體材料發(fā)生了剝落。
由表 2 可以得出，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，ADI 的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)隨著等溫淬火溫度的升高而減小，由 0. 806 降低至 0. 672。有研究表明，材料的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)的值會(huì)隨試樣硬度的降低而減小[6]。一方面， ADI 硬度隨著等溫淬火溫度的升高逐漸減小，導(dǎo)致 ADI 的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)減小; 另一方面 ADI 在摩擦過(guò)程中，由于受到應(yīng)力的作用，ADI 會(huì)發(fā)生塑性變形，從而使得試樣次表面的石墨球在切向力的作用下最終脫落到摩擦副表面，石墨可以起到潤(rùn)滑劑作用，同時(shí)隨著等溫淬火溫度升高，ADI 硬度降低，在摩擦過(guò)程中受到更大的塑性變形，導(dǎo)致更多的石墨脫落到摩擦副表面，使其自潤(rùn)滑能力增加，摩擦系數(shù)隨之減小。
2. 6 磨損形貌及能譜分析
圖 9 為在相同條件下不同等溫淬火溫度 ADI 磨損后的磨損形貌，圖 10 為不同等溫淬火溫度下 ADI 高倍下磨損表面形貌，磨損表面能譜分析結(jié)果見(jiàn)表 3。由圖 9 可以清楚的看出，經(jīng)過(guò)磨損后 ADI 表面都發(fā)生了不同程度的磨損，石墨球在外力作用下發(fā)生脫落，同時(shí)試樣表面都出現(xiàn)了深淺不同的犁溝，并且犁溝方向都與摩擦副的運(yùn)動(dòng)方向平行。由圖 9( a) 可以看出，當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟葹?290 ℃ 時(shí)，ADI 試樣的磨損表面相對(duì)平滑、剝落層不明顯，犁溝相對(duì)較淺，此溫度下表現(xiàn)出良好的耐磨性。這是因?yàn)樵?290 ℃ 下 ADI 基體組織由針狀下貝氏體和殘留奧氏體組成，基體表面硬度較高，試樣耐磨性良好。當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟壬咧?320 ℃和 350 ℃時(shí)，針狀下貝氏體發(fā)生長(zhǎng)大變粗，基體表面硬度降低，使 ADI 在磨損過(guò)程中切削加深，產(chǎn)生明顯的犁溝，增加磨損率，使 ADI 的耐磨性降低。當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟壬咧?380 ℃ 時(shí)，由 9( d) 可以看出試樣磨損表面犁溝比較深，金屬剝落層清晰可見(jiàn)，此時(shí)耐磨性最差。這是因?yàn)樵?380 ℃ 時(shí)，基體組織變粗，轉(zhuǎn)變?yōu)橛鹈珷钌县愂象w，基體表面硬度較低，容易磨損。此溫度下在不斷磨損過(guò)程中，其產(chǎn)生的反復(fù)作用的接觸應(yīng)力使材料表面發(fā)生了塑性變形現(xiàn)象，磨損表面出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致部分基體材料發(fā)生了剝落。
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由圖 10( a) 、10( b) 可看出，磨損表面周?chē)霈F(xiàn)許多白色氧化區(qū)域，同時(shí)由表 3 中能譜成分分析結(jié)果可知，材料表面的含氧量很高，分別達(dá)到 20. 0 mass%、 35. 5 mass%。這是由于摩擦表面在磨損過(guò)程中會(huì)有摩擦熱的產(chǎn)生，升高了磨損表面的溫度，導(dǎo)致磨損表面磨屑氧化，提高了磨損表面的氧含量。同時(shí)根據(jù)圖 9( a) 、9( b) 磨損表面形貌可知，當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟葹?290、320 ℃ 時(shí)，ADI 的磨損機(jī)制主要為微觀切削磨損和氧化剝落磨損，在 320 ℃時(shí)還有犁溝。當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟壬咧?350 ℃ 時(shí)，由表 3 可知材料表面磨屑的氧含量下降，同時(shí)根據(jù)圖 9( c) 可知磨損表面出現(xiàn)明顯的犁溝，此溫度下 ADI 磨損機(jī)制主要為微觀切削磨損和犁溝，同時(shí)還有少量的氧化剝落磨損。隨著等溫淬火溫度繼續(xù)升高，升高至 380 ℃ 時(shí)，由圖 10( d) 可知，磨損表面剝落區(qū)末端出現(xiàn)了剝落臺(tái)階和微裂紋，這是由于此溫度下 ADI 表面硬度較低，摩擦表面在反復(fù)作用力的情況下發(fā)生了塑性變形，所以此溫度下 ADI 磨損機(jī)制主要為表面疲勞磨損和犁溝。
3 結(jié)論
1) 隨著等溫淬火溫度的升高，ADI 基體組織由針狀下貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛鹈珷钌县愂象w，殘留奧氏體量增加，硬度逐漸減小;
2) ADI 磨損率隨著等溫淬火溫度的升高逐漸增加，其耐磨性逐漸下降; 磨損后 ADI 在外力作用下殘留奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，使表面殘留奧氏體量減少、硬度增加;
3) 隨著等溫淬火溫度的升高，ADI 磨損機(jī)制發(fā)生變化。當(dāng)?shù)葴卮慊饻囟葹?290 和 320 ℃ 時(shí)，ADI 磨損機(jī)制主要為微觀切削磨損和氧化剝落磨損; 等溫淬火溫度為 350 ℃，ADI 磨損機(jī)制主要為微觀切削磨損和犁溝，以及少量的氧化剝落磨損; 等溫淬火溫度升高至 380 ℃時(shí)，ADI 的磨損機(jī)制主要為表面疲勞磨損和犁溝;
4) 在 290 ～ 320 ℃，ADI 表現(xiàn)出良好的硬度及耐磨性。——論文作者：路寧安， 霍曉陽(yáng)， 張錦志， 米國(guó)發(fā)， 王有超
參 考 文 獻(xiàn)
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