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。
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),%)
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
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.
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。
試樣基體組織,為球墨鑄鐵珠光體基體組織。
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。
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。
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。
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。
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。
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。