正火處理對高鉻鑄鐵深松鏟尖力學性能的影響

焦虹雨，郭建永，林 智，王恒進，孫海朋，董勁松，張 偉，李慶達

(黑龍江八一農(nóng)墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

正火處理對高鉻鑄鐵深松鏟尖力學性能的影響

焦虹雨，郭建永，林 智，王恒進，孫海朋，董勁松，張 偉，李慶達

(黑龍江八一農(nóng)墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

為解決自制高鉻耐磨深松鏟韌性差、易破碎的問題，對高鉻鑄鐵進行了正火處理的研究。由試驗結(jié)果可知：正火處理是提高鑄造鏟尖韌性的有效方法，經(jīng)過正火處理的高鉻深松鏟尖的沖擊韌度最大提高到1.8倍；隨著正火溫度的升高，鏟尖的硬度和耐磨性有所下降，韌性顯著提高，最佳的正火處理參數(shù)為900℃。試樣的最佳力學性能為：維氏硬度543HV，沖擊功3.0J，60min時的磨損量0.090g。

深松鏟尖；正火；力學性能

0 引言

過去我國主要的耕作方式是鏵式犁耕作，特點是對土壤進行翻耕。這種方法不僅會破壞土壤的物理結(jié)構(gòu)，使土壤肥力減弱，還會破壞地表植被，導致土壤的保墑能力下降，抵抗狂風與干旱天氣的能力下降，水土流失現(xiàn)象嚴重。為了改善這一現(xiàn)象，深松免耕保護性耕作模式逐漸興起[1]。

深松耕作是保護性耕作四大技術(shù)之一，是指利用鑿形犁或松耕鏟等松土工具在不翻轉(zhuǎn)土層的條件下對土壤進行疏松。機械化深松作業(yè)可以打破土壤堅硬的犁底層，改善耕地土壤的物理性質(zhì)，降低土壤容重，減少水土流失，改善上下層土壤的固、液、氣三相比例，促進根系的生長，有利于作物對土壤中養(yǎng)分的吸收[2-4]。

目前，黑龍江省大部分農(nóng)場均使用聯(lián)合整地機，作為聯(lián)合整地機的關(guān)鍵部分，深松鏟尖部位由于直接與土壤堅硬的犁底層或土壤中的砂石進行接觸，磨損最為嚴重，如圖1所示。鏟尖的磨損變形造成前進阻力增大，牽引聯(lián)合整地機的拖拉機油耗增加，提高了經(jīng)濟成本。在鑄鐵或鑄鋼鏟尖中加入一定含量的Cr，可以有效提高鏟尖的硬度及耐磨性；但隨著Cr百分含量的增加，鏟尖的韌性會逐步降低。由于深松鏟尖在田間工作環(huán)境復雜，容易觸碰到較為堅硬的石塊或其他物體，造成斷裂，如圖2所示。

圖2 斷裂的鏟尖Fig.2 The fractured shovel tip

適當?shù)臒崽幚砜梢杂行Ц纳聘咩t鏟尖的韌性。眾多學者的研究發(fā)現(xiàn)[5-7]，對材料進行適當?shù)恼鹛幚砜梢杂行岣咴嚇拥捻g性，正火溫度一般選擇在900℃左右；超過1 000℃時，試樣的硬度、沖擊韌性反而會降低。侯志國[8]等學者研究發(fā)現(xiàn)：隨正火溫度的增加，完全正火處理的TMCP試樣屈服強度與抗拉強度有顯著提高。程巨強[9]等學者研究發(fā)現(xiàn)，正火溫度能有效提高鑄鋼組織的沖擊韌性。

1 試驗設(shè)計與結(jié)果

1.1 試驗材料

本次試驗采用的試樣為高鉻鑄鐵，試樣成分中的 C、Cr、Si、Mn、S、P 含量基本保持不變。試驗試樣的合金化學成份如表1所示。

1.2 試驗方法

此次試驗主要探究正火溫度對試樣硬度、韌性及耐磨性能的影響。試驗共設(shè)5個水平，分別為840、860、800、900、920℃；正火時間為3h；所有試樣在相同的環(huán)境下冷卻。對比試驗試樣選用材料成分相同，不經(jīng)過正火處理的鏟尖。

本次試驗共設(shè)立3個指標，分別為硬度、韌性和耐磨性能。

硬度的測量方法有多種，如布氏硬度實驗法、洛氏硬度試驗法、維氏硬度試驗法等。由于布氏硬度試驗法存在壓頭變形問題，限制其不能用于測定高硬度(>650HBW)的金屬材料；洛氏硬度試驗法存在不同的標度，用不同標度測量的硬度值不能換算。所以，此次試驗選取維氏硬度試驗法進行測量，結(jié)果如表2所示。

表1 試樣的合金成分

表2 正火溫度對硬度的影響

此次試驗測定韌性的方法主要參考教材《金屬材料檢測技術(shù)》中的操作標準，根據(jù)教材[10]中的描述，沖擊試驗所用試樣為10mm×10mm×55mm的方形試樣，中間單面加工出V型缺口。測量得到的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 正火溫度對韌性的影響

耐磨性能主要通過試樣在相同時間內(nèi)的失重量來表示。將鑄鐵試樣材料制成直徑為55mm的圓形鐵餅樣，在濟南益華摩擦學測試有限公司出產(chǎn)的MMU-5G立式萬能摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，試驗前后用精密電子天平稱重，計算出磨損試驗后的失重量。摩擦磨損試驗載荷為80N，轉(zhuǎn)速為300r/min，試驗磨損時間為60min。稱重結(jié)果如表4所示。

表4 正火溫度對耐磨性的影響

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 直接分析

由表2可以看出：當正火溫度小于900℃時，試樣的維氏硬度隨著溫度的升高降低，但硬度均強于沒有經(jīng)過正火處理試樣；當溫度超過900℃時，試樣的硬度隨著溫度的升高而降低，且硬度值均小于沒有經(jīng)過正火處理的試樣。

由表3可以看出：隨著正火溫度的升高，試樣的韌性有明顯的提高，而且均高于未經(jīng)過正火處理的對比試樣。這說明，適當?shù)恼鹛幚砜梢杂行Ц纳聘咩t鑄鐵鏟尖脆性強的缺點，使鏟尖具有高硬度、高韌性的雙重優(yōu)點。

由表4可以看出：隨著正火溫度的升高，磨損失重呈現(xiàn)上升趨勢。這說明，正火溫度的升高會造成耐磨性能的降低，這與試樣的硬度降低有很大關(guān)系。一般認為，材料硬度越強，其耐磨性能越強[11]。綜上所述，正火處理是提高鑄造鏟尖韌性和耐磨性的有效方法。

綜合表2～表4中的數(shù)據(jù)可以看出，正火處理可以保證高鉻鑄鐵深松鏟尖的韌性及硬度。正火溫度880℃～900℃為最佳正火溫度段，經(jīng)過在此溫度段處理的試樣能同時具備良好的硬度、韌性及耐磨性能。

2.2 方差分析

本次試驗主要用到SPSS軟件進行方差分析，判斷正火溫度對硬度、韌性及耐磨性能是否具有影響，為進一步探究奠定基礎(chǔ)。方差分析結(jié)果如圖3～圖5所示。

由圖3～圖5可以看出：正火溫度與沖擊功對應的Sig值、正火溫度與試樣硬度對應的Sig值、正火溫度與試樣耐磨性對應的Sig值均為0.000，小于0.05并且小于0.01，屬于極顯著差異。通過SPSS軟件中的“兩兩比較”功能可以比較同一因素下不同水平之間的差異是否明顯。通過分析結(jié)果可以看出，不同水平之間的兩兩比較差異明顯。這說明，正火溫度對試樣的硬度、韌性以及耐磨性具有很大影響。

圖3 正火溫度與硬度方差分析Fig.3 Analysis of variance of normalizing temperature and hardness

圖4 正火溫度與韌性方差分析Fig.4 Analysis of variance of normalizing temperature and toughness

圖5 正火溫度與耐磨性方差分析Fig.5 Analysis of variance of normalizing temperature and wear resistance

2.3 回歸分析

此外，本次試驗利用MatLab對已有數(shù)據(jù)進行了回歸分析，分別建立了正火溫度關(guān)于試樣硬度、試樣韌性以及試樣耐磨性的回歸模型。在MatLab中輸入以下程序。

x=[840,840,840,860,860,860,880,880,880,900,900,900,920,920,920]';

X=[ones(15,1) x];

Y=[1.98,1.98,2.01,2.34,2.28,2.31,2.68,2.66,2.69,3.01,3.01,2.98,3.10,3.13,3.12]';

[b,bint,r,rint,stats]=regress(Y,X)

程序執(zhí)行后會得出b=[-10.3320 0.0147]，stats=[0.9749 505.7106 0.0000 0.0051 ]。

通過該結(jié)果，可以得到正火溫度與試樣韌性(沖擊功)之間的回歸數(shù)學關(guān)系式為

y1=-10.3320+0.0147x

式中y1—試樣的沖擊功(J)；

X—正火溫度(℃)。

此關(guān)系式可以理解為：在一定范圍內(nèi)，保持其他試驗因素不變，正火溫度每升高1℃，試樣的韌性(沖擊功)可以提高0.0147 J。

stats中的第1個數(shù)據(jù)被稱為相關(guān)系數(shù)，此數(shù)值越接近1，說明曲線與數(shù)據(jù)擬合效果越好；反之越差。當相關(guān)系數(shù)小于0.8時，則回歸曲線擬合效果不好，回歸模型建立的意義不大。

在MatLab中繼續(xù)輸入rcoplot(r,rint)指令，可以畫出殘差及其置信區(qū)間圖。殘差是指實際觀察值與估計值(擬合值)之間的差，殘差及其置信區(qū)間圖如圖6所示。通過圖6可以看出：此次試驗建立的回歸曲線與實際值相差不大。

由于回歸方程已知，通過MatLab的畫圖功能可以清晰直觀地得到擬合曲線與實際觀測值之間的關(guān)系，在MatLab中輸入z=-10.3320+0.0147x，plot(x,Y,’kd’,x,z,’b’)，程序執(zhí)行后可以得到擬合曲線與實際觀測值之間的關(guān)系，如圖7所示。

圖6 殘差圖分析Fig.6 The analysis of residual error

圖7 擬合曲線圖Fig.7 The analysis of curve fitting

同樣的方法可以得到正火溫度與材料硬度的回歸模型、正火溫度與材料磨損失重的回歸模型，即

y2=989.4667-0.5033x

y3=-0.3786+0.0005x

式中y2—材料的維氏硬度(HV)；

X—材料的正火溫度(℃)；

y3—試樣在60min內(nèi)的磨損失重(g)。

正火溫度與材料硬度的回歸模型、正火溫度與材料磨損失重的回歸模型對應的相關(guān)系數(shù)為0.842 2和0.897 7。但通過擬合曲線圖(見圖8)可以看出，正火溫度與材料磨損失重的回歸模型建立不是很準確。

圖8 正火溫度與耐磨性擬合曲線圖Fig.8 The fitting curve on normalizing temperature and wear resistance

3 結(jié)論

1) 在鑄鐵材料中加入Cr元素來提高產(chǎn)品硬度是工程中常用的方法；但隨著材料中Cr元素的增加，產(chǎn)品硬度提高的同時，會引起材料的韌性降低。通過本試驗的結(jié)果可以得知：對高鉻鑄鐵鏟尖試樣進行適當?shù)恼鹛幚砟茱@著提高產(chǎn)品的韌性，處理后的試樣沖擊功為未處理試樣的1.1～1.8倍。

2)正火處理可以有效地提高鑄造鏟尖的硬度、耐磨性和韌性。隨著正火溫度的升高，鏟尖的硬度和耐磨性下降，韌性提高。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析可知：最佳的正火溫度為900℃，經(jīng)過此溫度段正火處理的試樣同時具有良好的韌性、硬度及耐磨性能。經(jīng)過正火處理后的試樣維氏硬度達到543HV，沖擊功達到3.0J，60min時的磨損量為0.090g。

3)通過SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析得知：正火溫度對高鉻鑄鐵深松鏟尖的硬度、韌性及耐磨性能具有極顯著的影響。通過MatLab軟件對數(shù)據(jù)的回歸分析，分別得到了正火溫度的變化對試樣硬度、沖擊功及相同時間內(nèi)的磨損量的變化規(guī)律。

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Effect of Normalizing on High Chromium Cast Iron Subsoiler with Mechanical Properties

Jiao Hongyu, Guo Jianyong, Lin Zhi, Wang Hengjin, Sun Haipeng,Dong Jinsong, Zhang Wei, Li Qingda

(Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319, China)

In order to solve the self-made high chromium wear-resistant subsoiler poor toughness, easy to break the problem of high chromium cast iron were studied by normalizing treatment. The test results show that the normalizing treatment is an effective method to improve the toughness of casting shovel tip, after normalized Gao Geshen shovel tip of the maximum impact toughness increased to 1.8 times. With the increase of normalizing temperature, hardness and wear resistance of the shovel tip decreased, significantly improve the toughness, normalizing the optimal parameters of 900 degrees, the best mechanical properties were as follows: Vivtorinox hardness is 543HV, the impact energy is 3.0J, the wear of weight was 0.090g in 60 minutes.

deep loosening shovel tip; normalizing; mechanical property

2016-11-24

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B00);黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201510223019)

焦虹雨(1994-)，男，山西高平人，本科學生。

李慶達(1982-)，男，遼寧遼陽人，副教授，工學博士，(E-mail)liqingda23@126.com。

S220.6

A

1003-188X(2018)02-0183-05