高性能球墨鑄鐵表面熱處理方法研究

李子海，宮本奎，劉紹昌，張繼業(yè)，黃文泰

（1.沈陽鑄造研究所，遼寧 沈陽 110022；2.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255039；3.鞍鋼重機(jī)公司軋輥廠，遼寧 鞍山 114021，4.泰山金龍起重配件公司，山東 泰安 273039；5.福州文泰機(jī)械鑄造公司，福建 福州 350001）

機(jī)械滑動(dòng)部件，要求工件具有磨耗耐持久、不變形、安全可靠性高，亦即鑄件表面具有一定厚度的硬化層。為此，筆者進(jìn)行了高硬度、高疲勞球墨鑄鐵表層熱處理方法的研究。目的通過改變鑄件表面熱處理工藝方法，從而獲取鑄件理想的耐磨基體組織，提高耐磨鑄件綜合理化性能。

1 試驗(yàn)材料與機(jī)械性能要求

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料化學(xué)成分，見表1.

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 試驗(yàn)材料機(jī)械性能

試驗(yàn)材料機(jī)械性能，見表2.

表2 試驗(yàn)材料機(jī)械性能

2 試驗(yàn)條件

2.1 復(fù)合熱處理試驗(yàn)

試塊經(jīng)退火消除應(yīng)力（610℃～560℃×3h，空冷）機(jī)加工制成彎曲試樣，再分別進(jìn)行氮基氣體軟氮化與高頻淬火復(fù)合熱處理。

氣體軟氮化工藝如下：處理溫度：560℃～580℃，處理時(shí)間：1.8h～2.8h，氣體為N2＋NH3＋CO2；冷卻條件：氣冷；

氣體軟氮化后的高頻淬火工藝（160℃～260℃×2.8h～3.2h）：短時(shí)間高頻淬火：溫度為940℃～1000℃；加熱保溫時(shí)間2.8h～4.2h；頻率為120kW～156kW；輸出功率28W～36kW；冷卻時(shí)間為8h～12h.

2.2 疲勞試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)試塊在室溫下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，獲取其疲勞強(qiáng)度數(shù)值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 工件試樣顯微組織

試樣基體組織，為球墨鑄鐵珠光體基體組織。

3.2 熱處理工藝分析

高頻淬火時(shí)將工件試樣快速加溫到奧氏體化溫度之上并保溫一定時(shí)間然后急冷。選擇奧氏體相變開始溫度為820℃以上，這是根據(jù)Fe-C-Si平衡狀態(tài)圖確定的。鐵氮化合物的分解溫度大約是700℃上下,接近于Fe-C-Si平衡狀態(tài)圖Ael相變點(diǎn)723℃.工藝試驗(yàn)選定的奧氏體相變點(diǎn)830℃，則是考慮到本試樣中Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.78%左右原因。通過Fe-C-Si平衡狀態(tài)圖可知，在C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.66%左右時(shí)，其Ael溫度就下降至大約為600℃.因此，我們確定本試樣氣體軟氮化處理溫度為560℃～580℃.試樣表面氣體軟氮化處理再進(jìn)行短時(shí)間高頻淬火將試樣加熱到950℃，主要考慮的是擴(kuò)大試樣表面氮固溶區(qū)，氮固溶進(jìn)行相變硬化。

3.3 工件試樣組織檢驗(yàn)

氣體軟氮化試樣表面存在約7μm的氮化鐵化合物白口層，而短時(shí)間高頻淬火使試樣表面為低溫回火馬氏體組織。對(duì)試樣進(jìn)行表面SEM觀察，發(fā)現(xiàn)氣體軟氮化后高頻淬火表面10μm的白口層為多孔組織，是Fe-C-N的微細(xì)馬氏體基體組織；對(duì)試樣表面殘余奧氏體量測(cè)定結(jié)果表明，試樣存在65%左右的殘余奧氏體。

3.4 殘余應(yīng)力及氮濃度分布

用X射線衍射法對(duì)試樣表面進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，顯示的是壓縮應(yīng)力，這是工件試樣高頻淬火過程中基體組織奧氏體分解未馬氏體發(fā)生體膨脹引起的。對(duì)試樣表層氮分布用XMA分析法進(jìn)行了分析，可知試樣表層氮含量較高，而試樣組織內(nèi)部氮含量則逐漸減低。

3.5 硬度

經(jīng)氣體軟氮化及高頻淬火處理后的試樣表面硬度為850HV，而在表面層50μm的厚度時(shí)其硬度保持在850HV-1050HV左右。

3.6 旋轉(zhuǎn)彎曲強(qiáng)度

試樣在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果為320 MPa，這是由于馬氏體組織的存在的結(jié)果，使得試樣具有較高的疲勞強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

1）珠光體球墨鑄鐵進(jìn)行軟氮化及高頻淬火，其硬度與抗疲勞強(qiáng)度有一定程度提高；

2）試樣表面經(jīng)過軟氮化及高頻淬火處理存在著Fe-C-N微細(xì)馬氏體，工件試樣厚約50μm左右處具有高硬度硬化層。

3）軟氮化高頻淬火珠光體球墨鑄鐵硬度較高，其疲勞強(qiáng)度亦較優(yōu)良，有效提高了珠光體球墨鑄鐵件磨耗耐持久、不變形、安全可靠性能。