不同牌號(hào)的球墨鑄鐵氮化性能研究

蔡偉，肖雅兮，張誠，劉鑫，段悅洪，楊鵬，李尚春

（中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都?jí)嚎s機(jī)分公司，四川成都610100）

球墨鑄鐵具有優(yōu)異的機(jī)械性能，其總合性能與鋼相近，因而廣泛的應(yīng)用于一些受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、耐磨性要求較高的領(lǐng)域。[1]壓縮缸是往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的重要部件之一，對(duì)球墨鑄鐵壓縮缸的缸孔進(jìn)行氣體氮化，能有效地提高缸體內(nèi)孔的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，減少工件畸變，延長(zhǎng)使用壽命，降低成本[2-5]。

目前，公司壓縮機(jī)的球墨鑄鐵壓縮缸選用的牌號(hào)主要有QT600-3和QT450-10，公司的氮化方法主要以氣體氮化為主，因此選用QT600-3和QT450-10兩種牌號(hào)的球墨鑄鐵進(jìn)行氣體氮化，研究?jī)烧叩蟮男阅埽瑸榻窈笄蚰T鐵壓縮缸批量氮化提供一定的參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)材料選用中頻爐熔煉鑄造的試塊，分別為鑄態(tài)的QT600-3和QT450-10試塊。其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 力學(xué)性能

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

現(xiàn)對(duì)鑄態(tài)的QT600-3和QT450-10試塊的金相進(jìn)行測(cè)定，再將鑄態(tài)試塊懸掛在井式氮化爐中進(jìn)行氮化，氮化工藝如圖1.

圖1 氮化工藝圖

本次實(shí)驗(yàn)采用兩段式氮化，第一階段溫度為490-520℃，保溫10h，較低的氨分解率15%-25%。選用的溫度較低，便于在試塊表面形成彌散度大而硬度高的合金滲氮物。此時(shí)滲氮層深度比較淺，試塊表面的氮原子濃度比較高，為第二階段擴(kuò)散做準(zhǔn)備。第二階段選用的溫度較第一階段有所增加，同時(shí)氨分解率也增高。提高溫度是為了加速氮原子在試塊中的擴(kuò)散速度，使得第一階段富集在試塊表面的氮原子向試塊內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散。提高氨分解率，爐內(nèi)的氮?jiǎng)萁档?，試塊表面的化合物的形成速度明顯下降，有利于擴(kuò)散層向工件內(nèi)部生長(zhǎng)，有利于得到更厚的滲層，同時(shí)也縮短了滲氮的時(shí)間，降低氮化成本。另一方面，提高氨分解率，降低爐內(nèi)氮?jiǎng)葜?，也可以降低試塊表面的氮原子濃度，降低滲氮層的脆性，提升氮化質(zhì)量。

1.3 檢驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T24234-2009《鑄鐵多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法》，在熱電光譜儀上測(cè)定化學(xué)成分，依據(jù)GB/T 1348-2019《球墨鑄鐵件》，試塊顯微組織在OLYMPUS GX-51金相顯微鏡上觀察，浸蝕液4%硝酸酒精溶液。依據(jù)GB/T 11354-2005《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》，滲氮顯微組織在OLYMPUS GX-51金相顯微鏡上觀察，浸蝕液4%硝酸酒精溶液。依據(jù)GB/T 228-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)》，室溫拉伸試驗(yàn)在SHT4605型60t微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

2.1 試塊顯微組織

對(duì)QT600-3和QT450-10的試塊本體的顯微組織進(jìn)行檢測(cè)，如圖2和圖3.從圖2和圖3可以看出，QT600-3的球化等級(jí)為3級(jí)，基體組織為珠光體+鐵素體，其中珠光體的含量為70%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。QT450-10的球化等級(jí)為2級(jí)，基體組織為鐵素體+珠光體，珠光體含量為25%。通過對(duì)基體金相組織對(duì)比可以看出，QT600-3基體組織以珠光體為主，QT450-10基體組織以鐵素為主，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在球墨鑄鐵中，強(qiáng)度的高低主要取決于珠光體的含量，韌性的高低主要取決了鐵素體的含量，所以QT600-3的試塊強(qiáng)度高于QT450-10的試塊強(qiáng)度，韌性低于QT450-10的韌性，符合表2的測(cè)定結(jié)果。

2.2 氮化結(jié)果

QT600-3和QT450-10試塊的表面硬度值、滲氮層脆性級(jí)別、滲氮層深度如表3所示。通過與表3的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，采用兩段式氮化工藝進(jìn)行氮化，QT450-10試塊和QT600-3試塊均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11354-2005和特殊設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

通過將表2和表3的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出，氮化能夠明顯增加試塊的硬度。這是因?yàn)樵诘^程中，在試塊表面形成了含氮化合物。當(dāng)?shù)繚舛仍谠噳K表面達(dá)到一定濃度是時(shí)，會(huì)形成ε和γ′兩種組織。ε和γ′是兩種硬度較高的細(xì)小質(zhì)點(diǎn)，兩種組織均勻的分布在試塊的基體組織上，起到了彌散硬化的效果，因此氮化能夠顯著提升試塊的硬度。[6]

通過表3的結(jié)果可以看出。QT600-3試塊氮化后的硬度要高于QT450-10，這是由于兩種試塊的基體組織所決定。QT600-3的基體組織主要以珠光體為主，強(qiáng)度和硬度都較高，QT450-10的基體組織主要以鐵素體為主，強(qiáng)度和硬度相對(duì)較低，因此氮化后的硬度也會(huì)存在差異。

表3 球墨鑄鐵氮化結(jié)果

3 結(jié)論

(1) QT600-3和QT450-10試塊氮化后，硬度都顯著得到了提高，QT600-3試塊氮化后硬度值提升至558（HV0.3），QT450-10氮化后硬度值提升至455（HV0.3）.

(2) QT600-3氮化后的性能要優(yōu)于QT450-10的性能。

(3)根據(jù)QT600-3和QT450-10氮化后的結(jié)果來看，兩者硬度值、氮化層深度、滲氮層脆性級(jí)別、滲氮層疏松級(jí)別、氮化物級(jí)別均滿足GB/T 11354-2005和特殊技術(shù)指標(biāo)要求。通過后期小批量氮化試樣的檢測(cè)結(jié)果反饋來看，與上述結(jié)果一致，對(duì)今后球墨鑄鐵壓縮缸氮化生產(chǎn)提供了一定的參考依據(jù)。