球墨鑄鐵行走輪的低溫正火工藝

肖結(jié)良， 孫 浩， 李 飛， 胡 平， 陳旌鋼， 江兆峰

(安徽合力股份有限公司合肥鑄鍛廠， 安徽 合肥 230601)

球墨鑄鐵件自20世紀(jì)30年代問世以來，因其具有良好的力學(xué)性能和鑄造性能而迅速發(fā)展[1-3]。球墨鑄鐵還可以像鋼一樣進(jìn)行熱處理以改善基體組織，進(jìn)一步提高其力學(xué)性能，球墨鑄鐵開辟了以鐵代鋼的途徑，得到越來越廣泛的應(yīng)用。對于要求高強(qiáng)度、高韌性及高疲勞性能的球墨鑄鐵件，由于鑄態(tài)組織珠光體含量低以至強(qiáng)度低，滿足不了設(shè)計要求，因此必須通過熱處理途徑加以強(qiáng)化。采用正火改善基體組織以提高球鐵強(qiáng)度是一種常用的熱處理工藝方法[4]。

行走輪是橋式起重機(jī)驅(qū)動單元關(guān)鍵零部件。目前某公司為德國某企業(yè)生產(chǎn)13種型號的球墨鑄鐵行走輪。圖1為部分型號行走輪。因不同行走輪大小及有效厚度有別，外徑從φ200 mm到φ630 mm不等，其正火處理從溫度和冷卻方式上都不完全一樣。通過多年的摸索，正火溫度在850～880 ℃之間為宜。本試驗行走輪為外形尺寸φ290 mm×173 mm的小型行走輪，24 kg/件，力學(xué)性能須達(dá)到QT650-4牌號的要求。

本文研究了低溫正火熱處理工藝對此種行走輪組織和性能的影響。此種Cu微合金化較小的行走輪，其最終性能對正火溫度很敏感[5]。本文在850和860 ℃進(jìn)行了正火處理，獲得了相關(guān)的顯微組織和力學(xué)性能數(shù)據(jù)，并選取了最佳的熱處理生產(chǎn)工藝。

圖1 行走輪照片F(xiàn)ig.1 Photo of the travel wheels

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用球墨鑄鐵行走輪化學(xué)成分見表1。力學(xué)性能要求見表2。硬度要求在240～270 HBW，珠光體含量要求在80%以上。

1.2 正火工藝

選取850 ℃和860 ℃兩種正火溫度的工藝，保溫時間和冷卻方法都一樣，具體為：

工藝a：850 ℃×3 h正火，鼓風(fēng)冷卻+550 ℃×4 h回火，出爐空冷。

表1 試驗用球墨鑄鐵行走輪的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 行走輪的力學(xué)性能要求

工藝b：860 ℃×3 h正火，鼓風(fēng)冷卻+550 ℃×4 h 回火，出爐空冷。

1.3 檢驗方法

熱處理后，從行走輪的輪緣部位和輪輻部位各取3件試塊，加工成φ10 mm的A5型標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。使用SANS SHT-4605微機(jī)控制電液伺服萬能材料試驗機(jī)檢測試樣的力學(xué)性能。使用徠卡LEIC DMi8光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織，并根據(jù)GB/T 9441—2009《球墨鑄鐵 金相檢驗》對比判定珠光體含量。硬度檢測使用HB-3000型布氏硬度計。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鑄態(tài)組織與性能

正火前對鑄態(tài)行走輪做了硬度和金相檢測。表面硬度只有195～202 HBW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到硬度要求(240～270 HBW)，說明基體鐵素體含量太高。鑄態(tài)行走輪的顯微組織見圖2。由圖2可知，輪緣中球化3級，石墨大小6級，顯微組織為鐵素體+珠光體(45%)+石墨。輪輻中球化3級，石墨大小5～6級，顯微組織為鐵素體+珠光體(45%)+石墨。鑄態(tài)行走輪的力學(xué)性能見表3。

石墨組織是影響球墨鑄鐵性能的主要因素之一。

表3 鑄態(tài)行走輪的力學(xué)性能

石墨的球化效果越好，圓整度越高，則強(qiáng)度越高。球化級別3級、石墨大小5～6級，說明石墨球化效果較好，鑄造工藝優(yōu)良。從珠光體+牛眼狀鐵素體基體顯微組織可以看出，鐵素體含量較多，珠光體則只有45%。珠光體球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度比鐵素體球墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度高50%以上。由此可見，力學(xué)性能較低，強(qiáng)度未達(dá)到要求，是因為珠光體含量少。因此，需通過熱處理的方法提高珠光體含量，從而滿足力學(xué)性能要求，正火是球墨鑄鐵獲得珠光體型基體組織的主要方法。

2.2 正火處理后的組織及性能

鑄態(tài)行走輪經(jīng)850 ℃×3 h正火，鼓風(fēng)冷卻+550 ℃×4 h回火后出爐空冷的顯微組織見圖3。由圖3可知，輪緣顯微組織為鐵素體+珠光體(95%)+石墨；輪輻的顯微組織為鐵素體+珠光體(95%)+石墨。

圖2 鑄態(tài)行走輪的顯微組織(a)輪緣;(b)輪緣石墨形態(tài);(c)輪輻; (d)輪輻石墨形態(tài)Fig.2 Microstructure of the as-cast travel wheel(a) flange;(b) graphite morphology of flange; (c) spoke;(d) graphite morphology of spoke

圖3 850 ℃正火行走輪的顯微組織(a)輪緣; (b)輪輻Fig.3 Microstructure of the travel wheel normalized at 850 ℃(a) flange; (c) spoke

鑄態(tài)行走輪經(jīng)860 ℃×3 h正火(鼓風(fēng)冷卻)+550 ℃×4 h回火(出爐空冷)后的顯微組織見圖4。由圖4 可知，輪緣顯微組織為鐵素體+珠光體(95%)+石墨；輪輻的顯微組織為鐵素體+珠光體(95%)+石墨。行走輪正火后的力學(xué)性能見表4。

2.3 合金元素Cu對球墨鑄鐵組織和性能以及相變溫度區(qū)間的影響分析

由于球墨鑄鐵成分中加入了合金元素Cu，Cu原

圖4 860 ℃正火行走輪的顯微組織(a)輪緣; (b)輪輻Fig.4 Microstructure of the travel wheel normalized at 860 ℃(a) flange; (c) spoke

表4 行走輪正火后的力學(xué)性能

子可以溶入鐵素體、奧氏體中，使鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度亦即A1、A3線下降，鐵碳合金相圖中S點、E點向左下方移動，使共析轉(zhuǎn)變溫度降低，即擴(kuò)大了γ相區(qū)；同時S點左移即共析點含碳量降低，較低的含碳量即可發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成奧氏體。這樣在較低的溫度下生成了含碳量較低的奧氏體，完成了低碳奧氏體化轉(zhuǎn)變，在隨后的冷卻過程中可以形成含碳量低的珠光體，這種正火工藝處理的基體組織強(qiáng)度高、塑性好，達(dá)到了珠光體強(qiáng)韌化的效果[6-7]。Cu除了溶入鐵素體和奧氏體中擴(kuò)大了奧氏體相區(qū)范圍以外，還是非碳化物形成元素，Cu原子還可在基體與石墨之間的界面富集，Cu富集層的存在使得C原子擴(kuò)散受阻，其擴(kuò)散析出變得困難，即阻礙鐵素體生長的擴(kuò)散過程，從而促進(jìn)球鐵基體珠光體化，阻礙了鐵素體形成[8]。因此Cu促進(jìn)了珠光體形成和細(xì)化，還固溶強(qiáng)化了珠光體中的鐵素體。因此Cu是珠光體型球墨鑄鐵常用的合金化元素[9-12]。

Cu雖然在鑄鐵中能降低共析轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大珠光體形成區(qū)間，對基體有強(qiáng)烈珠光體化的作用。但試驗行走輪含Cu量較低，只有0.44%。資料顯示[13]，較低的含Cu量在鑄態(tài)下不能完全生成珠光體。與此同時，當(dāng)Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，含0.45%Cu的球鐵中珠光體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有40%。鑄態(tài)下硬度經(jīng)測試只有195～202 HBW，也說明鐵素體含量較高，珠光體量不足，以致抗拉強(qiáng)度低。為此必須通過熱處理強(qiáng)化手段來提高珠光體含量，提升抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而改善材料性能。

2.4 低溫正火工藝討論

球墨鑄鐵的組織特征是在鋼的基體上分布著球狀石墨，其基體組織決定了其力學(xué)性能。正火處理的目的是提高基體中珠光體的含量，珠光體是基體中的強(qiáng)化相，球墨鑄鐵的強(qiáng)度主要取決于基體中珠光體的含量及形態(tài)。為增加珠光體量，生產(chǎn)中通常采用鼓風(fēng)冷卻的方法提高冷卻速度，以促使更多的鐵素體轉(zhuǎn)化為珠光體。

常規(guī)的880～950 ℃高溫正火是使基體完全奧氏體化，正火后獲得珠光體組織的正常途徑，但由于在高溫下奧氏體中溶入較多的碳，使最終的珠光體組織中含碳量高，從而使得材料強(qiáng)度高而塑性低。

850 ℃屬于低溫正火，看似在不完全奧氏體化正火溫度820～860 ℃范圍內(nèi)[14]，實際上由于試驗球墨鑄鐵的γ相區(qū)擴(kuò)大、轉(zhuǎn)變溫度降低，850 ℃低溫正火完成了完全奧氏體化過程，從獲得95%珠光體的顯微組織結(jié)果也可佐證。共析點左移，最終珠光體內(nèi)含碳量較少，從而在保持高強(qiáng)度的同時，塑性得以提高，達(dá)到了牌號QT650-4的力學(xué)性能要求，且抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率都有一定的富余量。因此低溫正火是微合金化球墨鑄鐵獲得高強(qiáng)度高塑性的一種手段。

從表4可看出，850 ℃低溫正火后，抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率都符合要求，且有一定的富余量，硬度適中，在240～270 HBW之間。860 ℃正火后抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率盡管也都符合要求，但硬度較高，達(dá)到282 HBW，客戶反饋鑄件較硬，加工性能不好?？梢姡囼灪珻u球墨鑄鐵件的正火處理溫度窗口很窄，盡管只有10 ℃的溫差，但由于對基體含碳量的影響因素主要是溫度，溫度越高，奧氏體的含碳量提高直至飽和[15]，冷卻后獲得的珠光體中含碳量增多，所以盡管顯微組織都一樣，但硬度有差別。因此，考慮綜合力學(xué)性能(如切削性能)，正火處理工藝以850 ℃為佳。從降低能耗和生產(chǎn)成本出發(fā)，在滿足技術(shù)要求的前提下，熱處理也應(yīng)盡可能選用較低的溫度。

3 工程應(yīng)用

工件豎立直接放在爐膛板上，而不需熱處理工裝，見圖5(a)。出爐時將鋼管穿入一行工件內(nèi)孔中，再使用鏈條吊掛出爐，置于平臺上，迅速開鼓風(fēng)機(jī)冷卻，見圖5(b)。這樣的裝爐和冷卻方法，使行走輪和平臺為線接觸，確保行走輪各部位充分冷卻均勻。風(fēng)冷能促使更多的鐵素體轉(zhuǎn)化為珠光體。在此溫度范圍內(nèi)冷卻速度越快，珠光體含量越高，硬度越高。

圖5 實際生產(chǎn)裝爐方法(a)和風(fēng)冷照片(b)Fig.5 Photos of actual production makeup furnace method(a) and air-cooling(b)

4 結(jié)論

1) 對于試驗球墨鑄鐵行走輪，因鑄態(tài)組織中鐵素體含量較高，需通過正火處理獲得以珠光體為主的基體組織，才能獲得所需要的力學(xué)性能。

2) 對于試驗Cu微合金化的球墨鑄鐵行走輪，正火工藝溫度窗口很窄，采用850 ℃低溫正火，行走輪的輪緣、輪輻的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率都能達(dá)到要求，且有一定富余量，切削加工性能優(yōu)良，可獲得滿意的綜合力學(xué)性能。