內(nèi)燃機(jī)車用球墨鑄鐵活塞的熱處理工藝研究

潘連明 楊志剛 陳 琳 姬虎燦

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

球墨鑄鐵以其優(yōu)異的綜合性能廣泛應(yīng)用于船舶、軌道交通、汽車及農(nóng)用機(jī)械等領(lǐng)域。隨著機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展，對球墨鑄鐵的性能提出了更高的要求，傳統(tǒng)的鑄態(tài)球墨鑄鐵性能不足以滿足高性能的要求，因而熱處理在球墨鑄鐵上的運(yùn)用越來越受到科研工作者們的重視[1]。

常規(guī)的球墨鑄鐵熱處理工藝通常采用正火工藝，即將球鐵件加熱至800～900 ℃，經(jīng)過一段時間的保溫，出爐后立即空冷、風(fēng)冷或霧冷，使基體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，達(dá)到提高硬度、強(qiáng)度和耐磨性的效果。但對于壁厚不均勻的活塞類鑄件，傳統(tǒng)正火工藝生產(chǎn)的鑄件內(nèi)部珠光體含量不均勻，組織及性能均無法滿足技術(shù)要求[2-3]。

某廠生產(chǎn)的QT700球墨鑄鐵活塞，環(huán)槽部位高頻感應(yīng)淬火后硬度要求大于50(HRC)，因此要求淬火前基體組織中珠光體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在85%以上，硬度要求達(dá)到HB250～HB305。但環(huán)槽部位壁厚較大，鑄態(tài)下基體組織中鐵素體較多，無法滿足技術(shù)要求。因此，本文通過對比研究幾種熱處理工藝，以期尋求更適合高珠光體基球墨鑄鐵內(nèi)燃機(jī)活塞類鑄件的新型熱處理方法。

1 試驗材料與方法

試驗用球墨鑄鐵活塞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為ω(C)=3.73%，ω(Si)=2.14%，ω(Mn)=0.47%，ω(Cu)=0.6%，ω(P)≤0.05%，ω(S)≤0.02%，用3 t中頻感應(yīng)電爐熔煉并將原鐵水經(jīng)過充分的球化和孕育，得到的鑄件球化級別為2級，球徑大小級別為6級，Rm為582 MPa，Rp0.2為401 MPa，斷后伸長率為7%。對鑄件分別采用表1所示的4種熱處理工藝。

表1 各試樣的熱處理工藝

熱處理后，分別在試驗的球鐵活塞環(huán)槽芯部取一塊試樣，采用金相顯微鏡及硬度儀進(jìn)行組織觀察和性能分析，研究不同熱處理工藝對球鐵活塞基體組織及強(qiáng)硬度的影響。

2 試驗結(jié)果

2.1 不同熱處理工藝下鑄件的本體組織

圖1為球墨鑄鐵活塞厚大部位的原始鑄態(tài)組織，基體主要由珠光體和鐵素體構(gòu)成，其中珠光體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%。圖2為4種熱處理工藝后鑄件厚大部位的基體微觀組織形貌。工藝1和工藝2為傳統(tǒng)的正火工藝，采用工藝1后，基體組織中鐵素體含量有所降低，厚大部位的珠光體質(zhì)量分?jǐn)?shù)由45%提高至60%；當(dāng)采用工藝2時，冷卻速度的提高使奧氏體共析反應(yīng)的過冷度增加，珠光體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到70%左右；當(dāng)采用油冷淬火時，基體組織主要為索氏體，鐵素體和滲碳體片層間距縮小；當(dāng)采用工藝4，即(920±10)℃保溫2 h后，利用水溶劑淬火至(700±50)℃左右，然后空冷，得到的基體組織主要由珠光體+鐵素體+少量索氏體構(gòu)成，其中珠光體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占到95%。

圖1 球墨鑄鐵活塞環(huán)槽芯部的鑄態(tài)組織(100×)

圖2 不同熱處理工藝后球鐵活塞環(huán)槽芯部的微觀組織(100×)

2.2 不同熱處理工藝下鑄件本體的硬度及抗拉強(qiáng)度

4種熱處理工藝及鑄態(tài)下鑄件厚大部位的布氏硬度及抗拉強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，熱處理后鑄件環(huán)槽芯部(厚大部位)的布氏硬度及抗拉強(qiáng)度均有不同程度的提高，且隨著鑄件冷卻速度的增加，硬度及抗拉強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)采用工藝3油淬后，鑄件基體為索氏體，硬度達(dá)到近300HBW，采用工藝4時，由于瞬時淬火至(700±50)℃即轉(zhuǎn)為空冷，基體主要為珠光體，所以硬度及抗拉強(qiáng)度僅次于油淬工藝。

圖3 不同熱處理狀態(tài)下的力學(xué)性能

3 結(jié)果分析

由于內(nèi)燃機(jī)球鐵活塞采用樹脂砂鑄造，樹脂砂保溫效果好，鑄件厚大部位冷卻速度較慢，奧氏體中過飽和的碳有足夠的時間向石墨球擴(kuò)散，因而在石墨球周圍形成一圈貧碳區(qū)，形成牛眼狀鐵素體，而石墨球較遠(yuǎn)位置的奧氏體主要以珠光體的形式發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，充分的擴(kuò)散時間使得鐵素體析出較多，因此厚大部位鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到55%左右。

4種工藝均采用加熱至(920±10)℃保溫2 h的方法進(jìn)行奧氏體化，根據(jù) Fe-Fe3C相圖，鐵素體完全溶解于奧氏體的溫度是912 ℃，保溫2 h可以確保結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均的活塞所有部位溫度均勻，確保奧氏體化完全。如果熱處理加熱溫度過低，相變過冷度小，奧氏體化不完全，基體中存在殘余鐵素體；而過高的正火溫度或過長的保溫時間會引起奧氏體晶粒粗大，使碳溶入奧氏體的數(shù)量過多，冷卻時容易在晶界析出網(wǎng)狀二次滲碳體，使球鐵件的強(qiáng)度和韌性變差。

由于晶界處位錯較多，該處共析轉(zhuǎn)變所需過冷度小，因此珠光體首先在晶界處析出，并逐漸擴(kuò)展至晶體內(nèi)部。工藝1冷卻速度較慢，奧氏體中過飽和碳原子除了形核生成珠光體外，石墨球周圍的碳原子部分向石墨球積聚，因此空冷后，基體中仍存在40%左右的鐵素體；工藝2采用風(fēng)冷冷卻，相較工藝1冷卻速度提高，鑄件表面基體達(dá)到了珠光體占90%以上的技術(shù)要求，但環(huán)槽芯部溫度滯后，相較空冷工藝，基體中的珠光體并未顯著增加；工藝3采用油冷淬火工藝，過冷度高，相變驅(qū)動力大，極易共析出片層狀鐵素體及滲碳體，并且由于冷卻速度快，碳原子擴(kuò)散距離縮短，因此鐵素體及滲碳體片層間距很小，形成的基體為索氏體；工藝4采用瞬時淬火工藝，在水溶劑中瞬間淬冷至(700±50)℃左右，此時鑄件不同壁厚處溫度較為均勻，且極大的過冷度給予了珠光體形核很大的相變動力，而瞬時淬火后的空冷避免了基體向索氏體甚至馬氏體轉(zhuǎn)變，過飽和奧氏體在瞬時淬冷給予的過冷度下大量共析出片層狀鐵素體及滲碳體，基體中珠光體含量達(dá)到95%以上。

硬度和抗拉強(qiáng)度與基體組織狀態(tài)具有一致性，軟韌的鐵素體越多，本體的硬度和抗拉強(qiáng)度越低，延伸率越高，反之，硬脆的珠光體越多，強(qiáng)硬度越高，延伸率越低。工藝1和2對應(yīng)的鑄件厚大部位基體鐵素體較鑄態(tài)有所降低，因此強(qiáng)硬度有所增加；采用工藝4后，厚大部位基體中鐵素體在5%以下，強(qiáng)硬度提升顯著；索氏體為細(xì)珠光體，其硬度和強(qiáng)度較珠光體更有優(yōu)勢，因而工藝3得到的基體硬度和抗拉強(qiáng)度都達(dá)到了極大值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了技術(shù)要求。

4種熱處理工藝中，工藝1和2得到的本體厚大部位硬度未滿足HB不小于250的技術(shù)要求，基體中珠光體質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不能滿足不小于85%的技術(shù)條件；工藝4無論是厚大部位基體組織還是硬度，均滿足技術(shù)要求；雖然工藝3對應(yīng)的力學(xué)性能看起來似乎更有優(yōu)勢，對應(yīng)鑄件硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過技術(shù)要求，但由于本試驗探究的熱處理工藝是為后續(xù)高頻感應(yīng)淬火作鋪墊，技術(shù)要求中明確基體為珠光體，此為不采取該工藝的原因之一，而且過快的冷卻速度容易在壁厚不均、形狀復(fù)雜的活塞類鑄件上產(chǎn)生淬火裂紋(見圖4)，這是因為活塞鑄件在急速冷卻的過程中，活塞裙部先于筋部相變而膨脹，同時水平筋內(nèi)側(cè)受到銷孔座的約束，致使應(yīng)力集中，不能均勻延伸，產(chǎn)生了淬火裂紋，此為該工藝不被采取的另一原因。

圖4 活塞環(huán)槽下方的淬火裂紋

4 結(jié)論

(1)球墨鑄鐵件奧氏體均勻化后，采用傳統(tǒng)正火工藝，鑄件組織均勻性較差，厚大部位珠光體并未顯著增加，硬度提升不明顯；采用油淬工藝得到的顯微組織主要是索氏體，強(qiáng)硬度顯著增加，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均處易產(chǎn)生淬火裂紋。

(2)球墨鑄鐵件采用新型瞬時淬火工藝(即水溶劑淬冷至Ar1溫度后空冷)后鑄件基體組織均勻性顯著提升，無論是薄壁位置，亦或厚大部位珠光體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到98%以上，硬度達(dá)到HB280～HB300。

(3)球墨鑄鐵件采用新型瞬時淬火工藝，組織和性能均能滿足高頻感應(yīng)淬火前的技術(shù)要求，并且有效防止了熱處理過程中的變形和裂紋，故此工藝尤其適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均的球墨鑄鐵件。