配分熱處理溫度對ADI阻尼性能的影響

劉曉宇 王麗萍 郭二軍 馮義成 伊鵬躍

摘 要：針對傳統(tǒng)熱處理工藝生產(chǎn)的奧貝球鐵（ADI），其阻尼性能與高阻尼合金的標準還有一定的差距。采用兩步法淬火-配分新型熱處理工藝，對不同配分熱處理溫度下ADI的阻尼性能進行了系統(tǒng)的研究，試驗結果表明：固定配分溫度為360℃不變，應變振幅較低時，淬火溫度為240℃時ADI的阻尼性能最佳；應變振幅較高時，淬火溫度為260℃時ADI的阻尼性能最佳，內(nèi)耗值Q-1>0.01，達到了高阻尼合金的標準；淬火溫度為300℃時，存儲模量最高，淬火溫度為280℃時存儲模量最低。固定淬火溫度為280℃不變，配分溫度為320℃時ADI的阻尼性能最佳，最高內(nèi)耗值Q-1達到了0.017；配分溫度為340℃時存儲模量最高，配分溫度為360℃時存儲模量最低。

關鍵詞：奧貝球鐵；淬火溫度；配分溫度；阻尼性能；存儲模量

DOI：10.15938/j.jhust.2018.02.022

中圖分類號： TG156

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）02-0124-05

Abstract：In view of the traditional heat treatment process of austempered ductile iron（ADI）， the damping performance， there is still a gap to the standard of high damping alloy.Take the two-step method of quenching-partitioning heat treatment process， the damping properties of different partitioning heattreatment temperatures ADI were studied systematically， The experimental results showed that：Fixed partition temperature is 360 ℃，whenthe strain amplitude is lower，whenthe quenching temperature is 240℃，ADI has the best damping properties； When the strain amplitude is higher， whenthe quenching temperature is 260℃，ADIhas the best damping properties； internal friction valuesQ-1>0.01，reach the standard of the high damping alloy.when the quenching temperature is 280℃，ADIhasthe has the lowest storage modulus. Fixed partition temperature is 360℃，whenthe partitioning temperature is 320℃，ADI has the best damping properties. The highest internal friction values Q-1 reached to 0.017；When thepartitioning temperature is 360℃，ADI has the lowest storage modulus.

Keywords：austempered ductile iron； quenching temperature；partitioning temperature；damping properties； storage modulus

0 引 言

隨著工業(yè)技術水平的不斷發(fā)展，減振和降噪的方法和工藝的研究越來越迫切。在工業(yè)生產(chǎn)中，多數(shù)零件的故障都與振動和噪聲有關，這種振動不僅會造成材料結構的破壞，影響機器各零件運行的平穩(wěn)性，精度，靈敏度和壽命，與此同時振動產(chǎn)生的噪聲，也是一種重大的污染[1-3]。奧貝球鐵（austempered ductile iron，ADI）由于其特殊的組織特點，使其綜合性能優(yōu)于普通球鐵[4]、可鍛鑄鐵和鑄鋼；與此同時，也具有良好的降噪效果，使零件的壽命延長[5-9]。但是傳統(tǒng)熱處理工藝生產(chǎn)的ADI的阻尼性能水平距離高阻尼合金來說還有很大的差距，在不改變原料成分的前提下，調(diào)整熱處理工藝是改變ADI組織和阻尼性能的重要手段[10-12]。因此，本文將兩步法淬火-配分熱處理工藝[13]應用于ADI的生產(chǎn)上，其基本特點如下：將球墨鑄鐵高溫奧氏體化后，在貝氏體轉變溫度區(qū)間內(nèi)，先進行短時的低溫淬火，使鐵素體快速形核，然后再高溫配分熱處理保溫一段時間，促進碳原子從鐵素體向周圍奧氏體中分配，最終獲得高碳、穩(wěn)定的殘余奧氏體以及細小、均勻的針狀鐵素體，獲得比傳統(tǒng)熱處理生產(chǎn)工藝的ADI更優(yōu)異的組織。

本文對不同配分熱處理溫度下ADI的阻尼性能進行了系統(tǒng)的研究和分析，旨在揭示配分熱處理溫度對ADI的阻尼性能的影響規(guī)律，優(yōu)化出顯著提升ADI阻尼性能的熱處理生產(chǎn)工藝。

1 試驗材料及試驗方法

本試驗選用本溪Q10生鐵、45#碳素鋼、75Si-Fe、錳鐵、純銅、稀土鎂球化劑為原料，按目標成分（表1所示）進行配比。

采取的具體熱處理工藝參數(shù)如表2所示。

采用GWJ-0.35型中頻感應爐進行熔煉，1500～1550℃出爐，沖入依次鋪有烘干后的球化劑、孕育劑和覆蓋劑的澆包進行球化孕育處理，扒渣后進行二次孕育處理，待鐵水溫度降至1300～1350℃時澆入Y型試塊（GB/T24733-2009）砂型中。清理切割后，選用材料為50%KNO3+50%NaNO3的外加熱式鹽浴爐進行淬火處理。

采用美國TA公司生產(chǎn)的DMA（Q800）動態(tài)機械分析儀進行阻尼性能測試，試樣加工尺寸為45mm×10mm×1mm。其測試原理是：在強迫振動下，測量出應力與應變之間的位相差α，即損耗角α，材料的內(nèi)耗值Q-1=tanα。金相組織觀察采用的是OLYMPUS-GX71型金相顯微鏡。

2 試驗結果

2.1 淬火溫度對ADI阻尼性能及存儲模量的影響

不同淬火溫度下ADI的阻尼性能及存儲模量分別見圖1、2，由圖1可見，ADI的阻尼值在較小應變振幅作用時表現(xiàn)為上下波動，當應變振幅達到一定值時ADI的阻尼值迅速上升，應變振幅繼續(xù)增加，ADI的阻尼值趨于平緩。圖1中的數(shù)據(jù)顯示：當應變振幅介于0.005%～0.02%之間時，淬火溫度為240℃的ADI的阻尼性能最佳；當應變振幅大于0.02%時，淬火溫度為260℃時的ADI的阻尼性能最佳，內(nèi)耗值Q-1>0.01，達到了高阻尼合金的標準[14]。

圖2中數(shù)據(jù)顯示：ADI的存儲模量隨著應變振幅的增加有所下降，直至平緩。不同的淬火溫度對ADI存儲模量的影響很大，淬火溫度為280℃時，存儲模量最低，淬火溫度為300℃時，存儲模量最高，因此，為了獲得較好的阻尼性能及較中和的模量，淬火溫度為260～280℃為宜，這樣會使ADI零件有良好的阻尼減振性的同時剛性也不高，降噪良好，可以提高零件的壽命。

2.2 配分溫度對ADI阻尼性能及存儲模量的影響

圖3、圖4分別代表不同配分溫度下ADI的阻尼性能及存儲模量，圖4中數(shù)據(jù)顯示，隨著應變振幅的增加，阻尼性能在小范圍內(nèi)波動后開始逐步上升，配分溫度為320℃的ADI的阻尼性能明顯優(yōu)于其他工藝下的阻尼性能，最高內(nèi)耗值達到了0.017，具有高阻尼合金的優(yōu)良減振性，而其他工藝下ADI的阻尼性能之間差別不大。

不同配分溫度下ADI的存儲模量見圖4，數(shù)據(jù)顯示：各熱處理工藝參數(shù)之間的存儲模量差異較大，變化規(guī)律都是隨著應變振幅的增加而降低，配分溫度為360℃時存儲模量最低。在實際ADI零件的生產(chǎn)時，可以與不同熱處理工藝下的力學性能及阻尼性能結合分析后選擇最優(yōu)工藝。

3 討論與分析

ADI的典型組織是球狀石墨相與針狀鐵素體、殘余奧氏體組成，屬于復相型阻尼合金。從材料本身結構來說，ADI的阻尼來源有晶界阻尼、相界面阻尼和位錯阻尼等。晶界阻尼是指在周期應力作用下晶界發(fā)生粘滯性滑動將機械能轉化為熱能，從而引起的振動能的消耗[15-17]。相界面阻尼來源于石墨相及基體組織間的界面在外加振動應力作用下的粘滯性滑動及微塑性變形[18]，振動時產(chǎn)生的阻尼行為消耗了能量。位錯阻尼主要指在應力作用下基體中的位錯弦的弓出或脫釘，由此引起應力松弛和機械振動能量的消耗[19]。

ADI的阻尼值在較小應變振幅作用時表現(xiàn)為上下波動，當應變振幅達到一定值時，ADI的阻尼值迅速上升，應變振幅繼續(xù)增加，ADI的阻尼值最終趨于平緩。位錯阻尼是產(chǎn)生此現(xiàn)象的一個重要因素，這可以用位錯弦脫釘模型[20]來解釋：當應變振幅較低時，基體中的位錯只能在小區(qū)域的弱釘扎點之間作弓出運動，這時阻尼較低。當應變振幅較大時，位錯脫開弱釘扎點的釘扎，作弓出運動的區(qū)域更大，應變振幅越大，脫離弱釘扎點的釘扎的位錯越多，阻尼越高，進而阻尼隨應變振幅的增大而增大。應變振幅繼續(xù)升高到某一臨界值后，位錯線的最大脫釘應力小于位錯對弱釘扎點的作用力，導致了所有位錯線都脫離了弱釘扎點的釘扎，所以這時ADI的阻尼就基本不隨應變振幅變化了。

在應變振幅較低時，淬火溫度240℃時ADI的阻尼性能最好，應變振幅較高時，淬火溫度260℃時ADI的阻尼性能最好。這是因為淬火溫度較低時，奧氏體向鐵素體轉變的相變驅動力大，鐵素體形核所需的臨界晶核半徑小，形核數(shù)目隨之增多，致使鐵素體組織細化呈針狀（如圖5（a）所示），增加了晶粒間的接觸面積，晶粒間的粘滯性滑動作用較強，晶界阻尼行為增強，從而240℃～260℃的阻尼性能較好。隨著溫度的提升，雖然碳的擴散能力增強，但此時奧氏體向鐵素體轉變的相變驅動力卻減小，鐵素體形核所需的臨界晶核半徑增大，形核數(shù)目隨之減少，造成組織的粗化[21]（如圖5（c）所示），降低了晶粒間及相間的接觸面積，粘滯性滑動行為減弱，振動時基體的微塑性變形作用也隨之降低，從而導致材料的阻尼減振性降低。淬火溫度為280℃時，存儲模量最低，并且針狀鐵素體組織較細，殘余奧氏體的分布較均勻（如圖5（b）所示）。

配分溫度為320℃時ADI的阻尼性能明顯優(yōu)于其他工藝下的阻尼性能。這是因為在320～360℃配分保溫時，溫度較淬火時有所升高，碳原子的擴散速度增加，就會在較短的時間內(nèi)使鐵素體中的碳分配到奧氏體中，使奧氏體中的碳含量增加并且均勻化，形成穩(wěn)定的殘余奧氏體[22]，并且針狀鐵素體組織較細，形態(tài)沒有明顯的變化（如圖6（a）、（b）所示），晶粒間及相間的接觸面積較大，振動時粘滯性滑動行為及微塑性變形作用較強，故此時阻尼減振性較好。但是配分溫度達到400℃時，溫度過高導致針狀鐵素體組織開始粗化，呈粗松針狀析出（如圖6（c）所示），并且局部出現(xiàn)分布不均的奧氏體。過高的配分溫度導致的組織粗大，會嚴重影響ADI的各種性能指標，并且晶粒間及相間的接觸面積減少了，減弱了振動時晶粒間及相間的粘滯性滑動阻尼行為及基體的微塑性變形，從而導致阻尼減振性降低。配分溫度為360℃時儲能模量最低，并且針狀鐵素體組織較細、殘余奧氏體分布均勻（如圖6（b）中所示）。

4 結 論

1）當應變振幅介于0.005%～0.02%之間時，淬火溫度為240℃的ADI阻尼性能最佳；當應變振幅大于0.02%時，淬火溫度為260℃時的ADI阻尼性能最佳，內(nèi)耗值Q-1>0.01，達到了高阻尼合金的標準。淬火溫度為300℃時，存儲模量最高，淬火溫度為280℃時，存儲模量最低。

2）配分溫度為320℃的ADI的阻尼性能最佳，最高內(nèi)耗值Q-1達到了0.017；其他工藝下的阻尼性能差別不大。配分溫度為340℃時存儲模量最高，配分溫度為360℃時存儲模量最低。

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（編輯：關 毅）