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摘 要： 摘 要: 研究了等溫淬火工藝對等溫淬火球墨鑄鐵( ADI) 組織、力學性能及磨損性能的影響。結果表明，在等溫淬火溫度 290 ～ 380 ℃范圍內，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，摩擦系數減
摘 要: 研究了等溫淬火工藝對等溫淬火球墨鑄鐵( ADI) 組織、力學性能及磨損性能的影響。結果表明，在等溫淬火溫度 290 ～ 380 ℃范圍內，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，摩擦系數減小。研究可知，ADI 磨損機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。當等溫淬火溫度為較低時， 290 和 320 ℃時 ADI 磨損機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，ADI 磨損機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，ADI 的磨損機制主要為表面疲勞磨損和犁溝。
關鍵詞: 等溫淬火球墨鑄鐵; 等溫淬火工藝; 顯微組織; 殘留奧氏體; 磨損機制
20 世紀六七十年代，國內外學者幾乎同時研究出等溫淬火球墨鑄鐵( ADI) ，由于 ADI 具有良好的綜合性能，引起了國內外學者的廣泛關注，已成為 21 世紀最具發展潛力的材料之一[1-3]。與普通球墨鑄鐵相比，ADI 具有高強度和高韌性等優點，同時具備特有的自潤滑和應變強化性能，因此抗磨損性能強，廣泛運用于各種磨損件上，并且取得了明顯的經濟效益[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 具有優越的耐磨性，廣泛運用于各種機械部件，如車輛齒輪、曲軸、斜楔等，其中這些部件都會受到不同程度的滑動和滾動磨損[8-9]。因此，國內外做了許多關于 ADI 耐磨性能的研究，其中等溫淬火工藝[10-11]、顯微組織[12]、滑動速度[13]、石墨形狀[14]、合金元素[15]對 ADI 耐磨性都有不同程度的影響。因此，需要進一步研究 ADI 在不同工況下的磨損試驗以及等溫淬火工藝對磨損行為的影響。本文主要研究不同等溫淬火工藝對 ADI 組織和耐磨性的影響，并探究 ADI 的磨損機制，為 ADI 抗耐磨件等溫淬火工藝的選取和使用提供指導。
1 實驗材料與方法
1. 1 實驗材料及制備
實驗原材料采用生鐵、回爐料、廢鋼、鉬鐵銅絲等等。采用中頻感應電爐熔煉，鐵液的出爐溫度嚴格控制在( 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合的方式。澆注溫度為 1350 ℃，采用樹脂砂造型并澆注標準 Y 型試塊。利用直讀光譜儀進行化學成分分析，化學成分如表 1。
1. 2 熱處理工藝
本實驗采用的 SX2-2-12 型箱式電阻爐進行奧氏體化處理，奧氏體化為 900 ℃ ×90 min。在鹽浴爐中進行等溫淬火處理，等溫淬火介質為 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。為了確保實驗的準確性，試樣從電阻爐中轉入鹽浴爐中的時間應小于 5 s，鹽浴爐的溫差控制在±5 ℃。
1. 3 耐磨性實驗
采用 MMW-1 立式萬能摩擦磨損試驗機對等溫淬火球墨鑄鐵進行滑動摩擦磨損性能研究，摩擦磨損過程示意圖如圖 2 所示。將 試 樣 做 成 4. 8 mm × 12. 7 mm 的小圓柱銷，對磨盤選取淬火 45 鋼，硬度為 52 ～ 55 HRC，尺寸為 31. 7 mm×16 mm×10 mm。采用電子天平稱量磨損前后試樣質量，分別記為 m1、 m2。試驗載荷為 150 N，轉速 200 r /min，時間 3600 s，環境溫度為 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行打磨和拋光，在用 4%硝酸酒精對試樣腐蝕后使用 OLYMOUS GX5 光學顯微鏡進行金相觀察。采用 401 MVD 型數顯微維氏硬度計對磨損前后 ADI 基體組織進行了硬度測試，實驗載荷為 980 N，加載時間為 15 s，為確保實驗的準確性，每個試樣在不同的位置測試多次，最終取平均值。使用日本理學 Smart-lab 型 X 射線衍射儀對 ADI 磨損前后進行衍射分析。采用 X 衍射分析軟件( MDI Jade 5. 0) 對磨損前后試樣進行尋峰處理，分別選取 γ( 220) 和 α( 200) 衍射峰，采用直接對比法計算出 ADI 中殘留奧氏體含量。在磨損試驗后，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 的磨損機制。
2 結果與討論
2. 1 ADI 顯微組織與力學性能
圖 3 為不同等溫淬火溫度下，保溫時間 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，當等溫淬火溫度為 290 ℃時，其基體組織為細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，由針狀貝氏體轉變為羽毛狀上貝氏體，同時由圖 4 可以看出，殘留奧氏體量逐漸增加，到 380 ℃時殘留奧氏體量最多，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 ℃時的 435. 6 HV100 降低至 380 ℃時的 288. 1 HV100; 而殘留奧氏體含量逐漸增加，由 290 ℃ 時 26. 4%的增加至 380 ℃時的 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應關系，即硬度隨著殘留奧氏體含量增加而降低。當等溫淬火溫度較低時，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，當等溫淬火溫度為 290 ℃時，ADI 的磨損率最小，為 2. 64×10-3 mg /m，表現出良好的耐磨性。試樣磨損率隨著等溫淬火溫度的升高而增加，當等溫淬火溫度升高至 380 ℃時，ADI 的磨損率最大，為 3. 34× 10-3 mg /m，其耐磨性最差。主要因為隨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變為羽毛狀貝氏體，殘留奧氏體量也會隨之增多，導致材料的硬度發生下降，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 磨損過程中材料表面可能發生的ADI 試樣進行磨損后試樣表面的物相分析，與磨損前的 XRD 圖譜進行對比，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。經過磨損試驗后，γ ( 111) 、 ( 220) 和 ( 200) 峰的尺寸大幅減小，幾乎完全消失，同時 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。同時有關研究表明: 馬氏體轉變只發生在磨損表面，其內部組織保持不變[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比。通過分析磨損后 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，這是因為試樣在磨損過程中都發生了加工硬化現象，基體中的殘留奧氏體受到應力應變作用，發生了馬氏體轉變，提高了磨損后試樣的硬度，增強了材料的耐磨性。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。這是因為隨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，在磨損的過程中發生加工硬化現象程度也隨之增加，導致 ADI 表面硬度增加明顯。
2. 5 ADI 試樣的摩擦系數與時間的關系
將實驗得到的摩擦系數進行修正得到試樣的瞬時摩擦系數隨時間的變化關系，如圖 8 所示，在相同條件下摩擦系數各不相同。由各個等溫淬火溫度下摩擦系數曲線可以看出，在初始階段各個摩擦系數都呈上升趨勢，經過一段時間后，摩擦系數呈小幅度波動，趨于穩定狀態，具體穩態摩擦系數如表 2 所示。
受到更大的塑性變形，導致更多的石墨脫落到摩擦副表面，使其自潤滑能力增加，摩擦系數隨之減小。 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果見表 3。由圖 9 可以清楚的看出，經過磨損后 ADI 表面都發生了不同程度的磨損，石墨球在外力作用下發生脫落，同時試樣表面都出現了深淺不同的犁溝，并且犁溝方向都與摩擦副的運動方向平行。由圖 9( a) 可以看出，當等溫淬火溫度為 290 ℃ 時，ADI 試樣的磨損表面相對平滑、剝落層不明顯，犁溝相對較淺，此溫度下表現出良好的耐磨性。這是因為在 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。當等溫淬火溫度升高至 320 ℃和 350 ℃時，針狀下貝氏體發生長大變粗，基體表面硬度降低，使 ADI 在磨損過程中切削加深，產生明顯的犁溝，增加磨損率，使 ADI 的耐磨性降低。當等溫淬火溫度升高至 380 ℃ 時，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，此時耐磨性最差。這是因為在 380 ℃ 時，基體組織變粗，轉變為羽毛狀上貝氏體，基體表面硬度較低，容易磨損。此溫度下在不斷磨損過程中，其產生的反復作用的接觸應力使材料表面發生了塑性變形現象，磨損表面出現裂紋，導致部分基體材料發生了剝落。
由表 2 可以得出，在相同的實驗條件下，ADI 的穩態摩擦系數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，材料的穩態摩擦系數的值會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，導致 ADI 的穩態摩擦系數減小; 另一方面 ADI 在摩擦過程中，由于受到應力的作用，ADI 會發生塑性變形，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，石墨可以起到潤滑劑作用，同時隨著等溫淬火溫度升高，ADI 硬度降低，在摩擦過程中受到更大的塑性變形，導致更多的石墨脫落到摩擦副表面，使其自潤滑能力增加，摩擦系數隨之減小。
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果見表 3。由圖 9 可以清楚的看出，經過磨損后 ADI 表面都發生了不同程度的磨損，石墨球在外力作用下發生脫落，同時試樣表面都出現了深淺不同的犁溝，并且犁溝方向都與摩擦副的運動方向平行。由圖 9( a) 可以看出，當等溫淬火溫度為 290 ℃ 時，ADI 試樣的磨損表面相對平滑、剝落層不明顯，犁溝相對較淺，此溫度下表現出良好的耐磨性。這是因為在 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。當等溫淬火溫度升高至 320 ℃和 350 ℃時，針狀下貝氏體發生長大變粗，基體表面硬度降低，使 ADI 在磨損過程中切削加深，產生明顯的犁溝，增加磨損率，使 ADI 的耐磨性降低。當等溫淬火溫度升高至 380 ℃ 時，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，此時耐磨性最差。這是因為在 380 ℃ 時，基體組織變粗，轉變為羽毛狀上貝氏體，基體表面硬度較低，容易磨損。此溫度下在不斷磨損過程中，其產生的反復作用的接觸應力使材料表面發生了塑性變形現象，磨損表面出現裂紋，導致部分基體材料發生了剝落。
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由圖 10( a) 、10( b) 可看出，磨損表面周圍出現許多白色氧化區域，同時由表 3 中能譜成分分析結果可知，材料表面的含氧量很高，分別達到 20. 0 mass%、 35. 5 mass%。這是由于摩擦表面在磨損過程中會有摩擦熱的產生，升高了磨損表面的溫度，導致磨損表面磨屑氧化，提高了磨損表面的氧含量。同時根據圖 9( a) 、9( b) 磨損表面形貌可知，當等溫淬火溫度為 290、320 ℃ 時，ADI 的磨損機制主要為微觀切削磨損和氧化剝落磨損，在 320 ℃時還有犁溝。當等溫淬火溫度升高至 350 ℃ 時，由表 3 可知材料表面磨屑的氧含量下降，同時根據圖 9( c) 可知磨損表面出現明顯的犁溝，此溫度下 ADI 磨損機制主要為微觀切削磨損和犁溝，同時還有少量的氧化剝落磨損。隨著等溫淬火溫度繼續升高，升高至 380 ℃ 時，由圖 10( d) 可知，磨損表面剝落區末端出現了剝落臺階和微裂紋，這是由于此溫度下 ADI 表面硬度較低，摩擦表面在反復作用力的情況下發生了塑性變形，所以此溫度下 ADI 磨損機制主要為表面疲勞磨損和犁溝。
3 結論
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變為羽毛狀上貝氏體，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生馬氏體轉變，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 磨損機制發生變化。當等溫淬火溫度為 290 和 320 ℃ 時，ADI 磨損機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，ADI 的磨損機制主要為表面疲勞磨損和犁溝;
4) 在 290 ～ 320 ℃，ADI 表現出良好的硬度及耐磨性。——論文作者：路寧安， 霍曉陽， 張錦志， 米國發， 王有超
參 考 文 獻
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