氣缸套用等溫淬火球墨鑄鐵的組織和性能

高廣東，熊 毅，任鳳章，徐 超，劉治軍

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023；2.中原內配集團股份有限公司，河南 孟州 454750)

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氣缸套用等溫淬火球墨鑄鐵的組織和性能

高廣東1,2，熊 毅1，任鳳章1，徐 超2，劉治軍2

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023；2.中原內配集團股份有限公司，河南 孟州 454750)

采用掃描電鏡、電子拉伸試驗機、布氏硬度計等儀器研究了氣缸套用新型球墨鑄鐵等溫淬火前、后的組織特性及力學性能。研究結果表明：在本試驗條件下，該球墨鑄鐵的最佳熱處理工藝為920 ℃奧氏體化90 min、360 ℃等溫淬火80 min。此時基體組織為針狀貝氏體加少量殘余奧氏體組織，抗拉強度和布氏硬度適中，具有優良的強度指標和切削加工性能，同時摩擦磨損性能也得到顯著改善。等溫淬火使得球墨鑄鐵拉伸斷口形貌由處理前的脆性斷裂向處理后的韌性斷裂轉變。

球墨鑄鐵；等溫淬火；組織；性能

0 引言

氣缸套作為發動機的關鍵零部件，與氣缸蓋、活塞、活塞環組成了發動機的心臟—燃燒室，將熱能轉換為機械能。隨著發動機技術向高速、大功率、高爆壓、低排放、高性能、輕質量、長壽命的方向發展[1]，需要通過提高功率來提升發動機性能，使得發動機爆壓不斷提升，導致氣缸套工況更加惡劣。現有合金灰鑄鐵材質的氣缸套要滿足高爆壓使用條件就必須增加壁厚，這樣才能有效防止掉臺、崩裂等失效風險。如果增加氣缸套的壁厚，大功率高爆壓發動機的設計就必須增加缸心距，這將導致發動機體積和質量大幅增加，達不到輕質量、低排放、節能環保的效果；另外，還會影響缸套散熱效果，降低缸套和缸內部件的使用壽命[2]。

所以，必須開發一種高強度、高耐磨的材料來適應未來發動機技術的發展。等溫淬火球墨鑄鐵具有高強度、塑性好、動載性能好、耐磨性及吸震性好等優點[3-6]，非常適合氣缸套的工況需求，高強度可以滿足發動機的高爆壓需求；同時還可將氣缸套壁厚做得非常薄，這不僅使氣缸套質量減輕，還可大幅減少缸心距，減少發動機體積和質量，達到輕質量、低排放、節能環保的目標[7-8]。在此基礎上，本文按照合金化原理設計了一種新型球墨鑄鐵的成分，并對其等溫淬火后的組織性能進行了系統研究，優化出加工工藝和熱處理工藝，為高性能氣缸套的制備提供試驗依據和技術支撐。

1 試驗材料與方法

試驗材料采用500 kg中頻感應電爐熔煉，其主要化學成分(質量分數，%)為：w(C)= 3.6%～3.9%；w(Si)=2.5%～2.8%；w(Mn)=0.2%～0.3%；w(P)<0.1%；w(S)≤0.02%；w(Cu)=1.2%～1.6%；w(Ni)=0.1%～0.2%；殘余w(Mg)=0.03%～0.05%；殘余w(Ce)=0.02%～0.04%，余者為Fe。在溶化鐵水中，加入質量分數為1.0%～1.2%的ZFCR-6球化劑，經過75硅鐵一次孕育劑和硅鍶二次孕育劑處理后，用臥式離心澆注機澆注成氣缸套毛坯，澆注溫度為1 350～1 450 ℃，模具溫度為450～500 ℃，出坯溫度為750～850 ℃，出型后鑄件自然冷卻。

拉伸試樣取自氣缸套毛坯，將拉伸試樣分別在880 ℃、920 ℃、950 ℃的溫度下進行奧氏體化處理，保溫時間90 min。然后迅速放入340 ℃、360 ℃、380 ℃的鹽浴爐中，分別進行40 min、80 min、120 min的等溫淬火處理，隨即空冷至室溫。拉伸試驗在島津AG-I 250 kN電子力學拉伸試驗機上按照GB/T 228—2002進行。斷口形貌的觀察在JSM-5610LV掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)上進行。金相試樣取自拉伸試棒，逐級打磨至鏡面光滑后，經過質量分數為4%的硝酸酒精深度侵蝕后，在掃描電鏡上進行組織觀察，金相組織觀察完畢之后進行布氏硬度的測量。硬度測試在HB-3000B型布氏硬度計上進行，選用的壓頭直徑為φ2.5 mm，試驗力為1 837.5 N，保持時間為30 s。在對等溫淬火球墨鑄鐵微觀組織和力學性能分析的基礎上，優化出適合于工業化大生產條件下的等溫淬火工藝。然后在BRUKER UMT-3型摩擦磨損試驗機上，檢測該工藝條件下球墨鑄鐵與氣缸套常用灰鑄鐵材質的摩擦因數。試驗時采用潤滑油進行潤滑，摩擦配副采用鍍鉻活塞環，載荷為10 N,試驗溫度為150 ℃，往復頻率15 Hz，往復行程4 mm，測試時間100 s。同時表征了等溫淬火球墨鑄鐵在不同摩擦速度下摩擦因數的變化規律，不同的摩擦速度通過改變往復頻率得以實現，往復頻率從15 Hz變化至45 Hz。

2 試驗結果與分析

2.1 球墨鑄鐵等溫淬火前后的微觀組織形貌

球墨鑄鐵等溫淬火前、后的顯微組織形貌如圖1所示。圖1a是球墨鑄鐵等溫淬火處理前的組織形貌，從圖1a中可以看出：在本試驗條件下，采用離心澆注的方式得到了球墨鑄鐵，相應的基體為珠光體加鐵素體復相組織。等溫淬火處理后，球墨鑄鐵的基體組織珠光體加鐵素體轉變成為貝氏體組織，球狀石墨形狀變得較為圓整，這是由于奧氏體化時，球狀石墨外圓的毛刺被周邊的貧碳區吸收所致[9-10]。在同一奧氏體化溫度下，隨著等溫溫度的升高，貝氏體形態也從細長針狀向短棒狀發生變化，如圖1b～圖1d所示。當等溫溫度為340 ℃時，貝氏體針長度為20～50 μm，寬度為1～2 μm，如圖1b所示。當溫度升至380 ℃后，貝氏體針長度為10～20 μm，寬度為2～4 μm，如圖1d所示。而在同一等溫溫度和時間下，隨著奧氏體化溫度的升高，等溫淬火組織會逐漸粗化[11]，如圖1e和圖1f所示。這是由于等溫淬火溫度升高，使過冷奧氏體轉變的孕育期縮短，轉變速度加快，碳原子的擴散速度增加，使奧氏體富碳，形成高碳的奧氏體，趨于穩定；奧氏體數量增加使得塑性韌性明顯增加，強度和硬度則呈下降趨勢。

圖1 球墨鑄鐵等溫淬火處理前后的顯微組織

2.2 球墨鑄鐵等溫淬火前后的力學性能

表1為球墨鑄鐵經過不同奧氏體化溫度處理后，在不同溫度下等溫淬火后的抗拉強度值。由表1可以看出：抗拉強度最大值出現在奧氏體化溫度為950 ℃、等溫溫度為340 ℃、等溫120 min時的試樣，為1 392 MPa；抗拉強度最小值出現在奧氏體化溫度為950 ℃、等溫溫度為380 ℃、等溫40 min時的試樣，為1 016 MPa。當奧氏體化溫度相同時，隨著等溫溫度的升高，其抗拉強度呈下降趨勢；但是在同一等溫溫度下，隨著奧氏體化溫度的升高，抗拉強度并沒有呈現出明顯的變化趨勢。等溫淬火后的球墨鑄鐵的布氏硬度值如表2所示。從表2中可以看出：硬度值的變化趨勢與抗拉強度的變化趨勢較為一致，當抗拉強度越大，對應的布氏硬度值也較大。總體而言，在較高的等溫溫度下試樣的抗拉強度和硬度值均明顯低于較低的等溫溫度下的試樣。力學性能出現明顯差異的原因是對應的貝氏體形態不同所致。眾所周知，貝氏體組織是中溫轉變產物，轉變溫度越低，原子擴散能力也就越差，貝氏體中鐵素體晶粒變細且含碳量明顯增加，碳化物尺寸減小，同時數量顯著增多，貝氏體形態也由短棒狀向細針狀變化[12]，因此，等溫淬火球墨鑄鐵的強度和硬度也隨之增加，與圖1的顯微組織觀察結果相吻合。

表1 球墨鑄鐵等溫淬火后的抗拉強度 MPa

2.3 球墨鑄鐵等溫淬火前后的斷口形貌

球墨鑄鐵等溫淬火前、后拉伸試樣的斷口形貌如圖2所示。等溫淬火前，基體組織為珠光體加鐵素體的斷口呈現出明顯的脆性解理斷裂特征，斷面上呈現出大量的解理平面和河流花樣，在球狀石墨的周圍出現了少量的撕裂棱，如圖2a所示。基體組織為貝氏體在一定程度上改善了球墨鑄鐵的塑性，等溫淬火處理后，貝氏體試樣的斷口形貌均明顯異于等溫淬火前試樣的斷口形貌。當奧氏體化溫度為880 ℃時，斷口表面存在著淺而小的韌窩，同時局部還存在著微裂紋，如圖2b所示。當溫度升高至920 ℃時，斷口表面密布著大量小而深的韌窩，呈現出典型的韌性斷裂特征，如圖2c所示。當溫度繼續升高至950 ℃后，斷口表面較為平坦，韌窩數量也明顯小于920 ℃條件下的數量，如圖2d所示。

圖2 球墨鑄鐵等溫淬火處理前后的斷口形貌

2.4 球墨鑄鐵等溫淬火前后的摩擦磨損性能

表3 球墨鑄鐵和氣缸套常用灰鑄鐵材質的摩擦因數

表3為試驗用球墨鑄鐵和氣缸套常用灰鑄鐵材質在相同潤滑條件下的摩擦因數。從表3可以看出:氣缸套常用灰鑄鐵材質在相同條件下的摩擦因數均高于試驗用球墨鑄鐵材質，表明該球墨鑄鐵材質具有較低的摩擦因數，因此在摩擦性能方面優于傳統氣缸套材質。

表4為試驗用球墨鑄鐵材料在相同潤滑條件下、不同摩擦速度的摩擦因數檢測結果。從表4可以看出：活塞環與球墨鑄鐵試塊之間摩擦因數基本維持在0.12～0.13，試驗用球墨鑄鐵材料在潤滑條件下，摩擦往復頻率由15 Hz升至45 Hz，摩擦因數由0.130 2降至0.121 4，摩擦因數隨摩擦副相對速度提高而逐漸減小，說明試驗用球墨鑄鐵材質更加適用于高速發動機應用場合。

表4 球墨鑄鐵在相同潤滑條件下、不同摩擦速度的摩擦因數

表5 等溫淬火球墨鑄鐵與貝氏體灰鑄鐵耐磨性對比

相應的磨損量檢測結果如表5所示。由表5可以看出：相同條件下球墨鑄鐵材質相對磨損量是耐磨性較好的貝氏灰鑄鐵磨損量的75%，相對耐磨性是貝氏體灰鑄鐵的1.3倍。其中：相對磨損量是以一種氣缸套材質的磨損值為基準(相對磨損為100%)，其余氣缸套材質的磨損值與該基準磨損值的百分比；相對耐磨性是以一種氣缸套材質的磨損值為基準(相對耐磨性為1)，該基準值與其余氣缸套材質的磨損值之比。球墨鑄鐵材質相比貝氏體灰鑄鐵具有更高的耐磨性，因為球墨鑄鐵材料具有低的摩擦因數，球墨鑄鐵在等溫淬火后具有較高的硬度，布氏硬度達到350HB以上，和貝氏體灰鑄鐵的硬度相當。同時，球墨鑄鐵材料具有較高的接觸疲勞強度，磨損表面不易發生疲勞缺陷，材料表現出優良的耐磨性[13-14]。綜合以上分析，該球墨鑄鐵材質的耐磨性優于傳統氣缸套常用材質。

3 結論

在本試驗條件下，試驗用球墨鑄鐵最佳熱處理工藝制度為：920 ℃奧氏體化90 min后，在360 ℃的鹽浴爐中等溫淬火80 min，此時球墨鑄鐵抗拉強度為1 251 MPa，硬度為342HB，能滿足大功率、高爆壓、低排放、高性能、輕質量、長壽命的高性能發動機用氣缸套材質的需要。同時，該球墨鑄鐵還具有優良的摩擦磨損性能，摩擦因數隨著摩擦速度的升高而降低。等溫淬火處理使得球墨鑄鐵的斷口形貌由熱處理前的脆性斷裂向熱處理后的韌性斷裂發生轉變。

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國家自然科學基金項目(50801021);河南省高等學校青年骨干教師基金項目(2011GGJS-070);河南省科技創新杰出人才支持計劃基金項目(144200510009)

高廣東(1983-),男,河南永城人,碩士生;熊毅(1975-),男,湖北當陽人,副教授,博士,碩士生導師,主要從事鋼的組織控制與性能研究.

2015-04-01

1672-6871(2015)06-0005-05

TF593.4；TG113

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