陳奕高

（柳州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，廣西 柳州 545001）

鐵路機(jī)車、車輛中大量使用的各種襯套，要求具有較高的強(qiáng)度和硬度、較好的塑性、韌性和良好的耐磨性。目前使用最多的，是利用低碳鋼經(jīng)滲碳淬火回火處理或中碳鋼經(jīng)淬火回火處理等方法制造的襯套，俗稱鋼襯套。長(zhǎng)期的使用實(shí)踐證明，鋼襯套的耐磨性較差，容易磨損超限而報(bào)廢，使用壽命短，難以適應(yīng)鐵路運(yùn)輸高速重載的發(fā)展要求。因此，提高襯套的耐磨性，是有效延長(zhǎng)使用壽命、降低制造成本的關(guān)鍵。

球墨鑄鐵中由于石墨的存在，具有比鋼更好的耐磨性。球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，對(duì)金屬基體的破壞作用較小，其機(jī)械性能主要取決于基體組織的性能。因此通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，球墨鑄鐵能在保持其良好耐磨性的同時(shí)，獲得較高的強(qiáng)度、硬度和較好的塑性、韌性，是制造襯套的理想材料。

等溫淬火是目前發(fā)揮球墨鑄鐵材料潛力最有效的一種熱處理方法。根據(jù)《鐵路客車用貝氏體球墨鑄鐵襯套技術(shù)條件》的規(guī)定，貝氏體球墨鑄鐵襯套經(jīng)等溫淬火處理后，其力學(xué)性能應(yīng)滿足以下要求（見(jiàn)表1）。

表1 貝氏體球墨鑄鐵襯套的力學(xué)性能指標(biāo)表

熱處理是球墨鑄鐵襯套生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)，其工藝的合理性，直接影響襯套的組織和性能，直接影響襯套的使用壽命。所以對(duì)球墨鑄鐵襯套的熱處理工藝進(jìn)行研究，是十分必要的。

1 原材料的化學(xué)成分和金相組織

制作襯套的原材料，要有適當(dāng)?shù)慕鹣嘟M織和化學(xué)成分，這是生產(chǎn)合格襯套的基礎(chǔ)，也是制定襯套熱處理工藝的重要依據(jù)。經(jīng)對(duì)原材料進(jìn)行金相檢驗(yàn)和化學(xué)成分分析，結(jié)果如下：

1.1 原材料的化學(xué)成分

原材料的化學(xué)成分：C=3.56%，Si=2.89%，Mn=0.34%，S=0.006%，P=0.066%。

1.2 原材料的金相組織

原材料的金相組織分別見(jiàn)圖1、圖2。

由圖1可見(jiàn)，原材料的石墨形態(tài)（放大倍率100×）：球化等級(jí)為2級(jí)，石墨大小為7～6級(jí)。

圖1 原材料的石墨形態(tài)

由圖2觀察到原材料的金相組織（放大倍率100×）：其基體組織由“鐵素體+珠光體”構(gòu)成。

圖2 原材料的金相組織

2 等溫淬火鹽浴組成的選擇

經(jīng)反復(fù)比較，我們選擇使用NaNO3∶NaNO2=1∶1的混合鹽浴。此混合鹽浴具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）熔點(diǎn)低，剛好滿足球墨鑄鐵襯套等溫淬火溫度較低的要求；

（2）比容熱大，平均比容熱為1.80 kJ/（kg·℃）。

比容熱大，意味著同樣數(shù)量的鹽浴中，可以同時(shí)處理更多的產(chǎn)品，有利于提高生產(chǎn)效率。

3 熱處理工藝參數(shù)的選擇

球墨鑄鐵襯套的等溫淬火熱處理工藝，主要參數(shù)是奧氏體化溫度和保溫時(shí)間、等溫淬火溫度和保溫時(shí)間。通過(guò)選擇合理的熱處理工藝參數(shù)，確保球墨鑄鐵經(jīng)等溫淬火后獲得具有較高強(qiáng)度、較高塑性韌性和熱處理變形小的下貝氏體組織。

3.1 奧氏體化溫度的選擇

選擇襯套的奧氏體化溫度，要綜合考慮化學(xué)成分、原始組織和壁厚等因素。既要保證基體組織能夠完全奧氏體化，不殘留鐵素體；又要避免溫度過(guò)高，導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大，等溫淬火后殘留奧氏體數(shù)量增加并呈網(wǎng)狀分布，降低球墨鑄鐵襯套的機(jī)械性能。本次試驗(yàn)將沖擊試樣和硬度試樣在RXQ3—45—12高溫箱式爐分別用860℃、880℃、900℃、930℃進(jìn)行奧氏體化，保溫30min后在RYG—50—5硝鹽爐中進(jìn)行300℃、60 min等溫淬火，然后測(cè)定其沖擊功和硬度，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 奧氏體化溫度對(duì)硬度和沖擊功的影響

由圖3可以看出，在860～900℃溫度范圍內(nèi)，隨奧氏體化溫度升高，硬度和沖擊功升高。這是因?yàn)樵谇蚰T鐵中，石墨是通過(guò)溶解和析出參與相變的。隨著奧氏體化溫度的升高，越來(lái)越多的石墨碳溶入奧氏體，奧氏體中碳的固溶量升高，提高了奧氏體的淬透性，使試樣經(jīng)等溫淬火獲得的下貝氏體組織數(shù)量增加，故沖擊功隨之提高；而奧氏體中碳含量的提高，會(huì)保留在隨后形成的下貝氏體組織中，使其硬度值提高。但奧氏體化溫度超過(guò)900℃后，隨著溫度的繼續(xù)升高，奧氏體晶粒會(huì)逐漸變得粗大，等溫淬火后殘留奧氏體數(shù)量增加，并沿晶界呈網(wǎng)狀分布，反而使試樣的硬度值和沖擊功有所下降。所以，奧氏體化溫度選擇在890～910℃之間較為合適，試樣可以獲得較高硬度和沖擊功。

3.2 奧氏體化保溫時(shí)間的選擇

奧氏體化保溫時(shí)間，以使球墨鑄鐵襯套熱透均溫和奧氏體成分均勻化為原則。在具體選擇奧氏體化保溫時(shí)間時(shí)，應(yīng)考慮球墨鑄鐵的化學(xué)成分及原始組織中，鐵素體與珠光體的相對(duì)數(shù)量等影響因素。比如，原始組織中鐵素體數(shù)量比較多時(shí)，可以適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間。根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，使用箱式爐加熱，保溫時(shí)間選擇30min左右比較合適。

3.3 等溫淬火溫度的選擇

本次試驗(yàn)將拉伸試驗(yàn)試樣、沖擊試驗(yàn)試樣和硬度試樣經(jīng)900℃加熱、保溫30min后，分別在230℃、250℃、270℃、300℃和350℃、400℃等溫60min后空冷，測(cè)定其硬度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊功，繪制出關(guān)系曲線（結(jié)果如圖4所示）。

圖4 等溫溫度與機(jī)械性能的關(guān)系

從球墨鑄鐵的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線可以看出，其馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Ms為230℃，如果在低于230℃的鹽浴中進(jìn)行等溫淬火，將會(huì)獲得馬氏體組織。所以，本次等溫溫度選擇試驗(yàn)限定在230～400℃的范圍內(nèi)。從圖4可以看出，在230～350℃的溫度范圍內(nèi)，隨著等溫溫度的升高：

（1）試樣的硬度逐漸下降；

（2）延伸率和沖擊功逐漸提高，當(dāng)?shù)葴販囟壬咧?50℃左右時(shí)，延伸率和沖擊功達(dá)到最高值；

（3）抗拉強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)?shù)葴販囟壬咧?80℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度最高，然后逐漸降低。

在這個(gè)溫度范圍內(nèi)等溫淬火，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是下貝氏體，具有較高的綜合機(jī)械性能。當(dāng)?shù)葴販囟瘸^(guò)350℃后，隨著等溫溫度的繼續(xù)提高，硬度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊功，都呈明顯的下降趨勢(shì)。因?yàn)榇藭r(shí)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是上貝氏體，其硬度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊功都比下貝氏體低。球墨鑄鐵襯套的機(jī)械性能，要求以高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨性為主，同時(shí)具備一定的塑性和韌性。所以選擇等溫溫度250～320℃比較合適，可以獲得綜合機(jī)械性能較好的下貝氏體組織。

3.4 等溫保溫時(shí)間的選擇

球墨鑄鐵襯套在等溫淬火時(shí)，所發(fā)生的貝氏體轉(zhuǎn)變是一種不完全轉(zhuǎn)變，由過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織延續(xù)的時(shí)間很長(zhǎng)。如果等溫時(shí)間不足，必然有一部分過(guò)冷奧氏體來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，而在隨后的空冷過(guò)程中，轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體和少量的殘留奧氏體，并產(chǎn)生一定的組織應(yīng)力，從而使襯套的硬度提高，塑性、韌性下降。等溫時(shí)間對(duì)硬度和沖擊值的影響如圖5所示。

從圖5中可以看出，當(dāng)保溫時(shí)間超過(guò)90min后，硬度和沖擊值的變化不大，曲線趨近于水平，這說(shuō)明過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w的過(guò)程接近完成。按照組織相變規(guī)律，轉(zhuǎn)變后期速度非常緩慢，再延長(zhǎng)保溫時(shí)間，對(duì)性能的影響很小。如果等溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，降低生產(chǎn)效率。綜合各方面因素考慮，等溫時(shí)間選擇60～90min比較合適。

圖5 等溫時(shí)間對(duì)硬度和沖擊功的影響

4 力學(xué)性能試驗(yàn)和金相組織檢驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，選定球墨鑄鐵襯套等溫淬火工藝參數(shù)為：奧氏體化溫度900℃，奧氏體化保溫時(shí)間30min，等溫溫度280℃，等溫保溫時(shí)間60min。為進(jìn)一步驗(yàn)證該工藝的可行性，分別用球墨鑄鐵加工成拉伸試驗(yàn)試樣、沖擊試驗(yàn)試樣和硬度試樣，嚴(yán)格按本工藝進(jìn)行等溫淬火，然后分別測(cè)定其抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊功和硬度等力學(xué)性能指標(biāo)，并進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果如下：

4.1 球墨鑄鐵襯套試樣力學(xué)性能

球墨鑄鐵襯套試樣力學(xué)性能詳見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，試驗(yàn)結(jié)果完全符合《鐵路客車用貝氏體球墨鑄鐵襯套技術(shù)條件》的規(guī)定。

表2 球墨鑄鐵襯套試樣力學(xué)性能匯總表

4.2 球墨鑄鐵襯套金相組織

襯套等溫淬火后的金相組織見(jiàn)圖6，在放大倍率為500×的金相照片中，可見(jiàn)其組織為“下貝氏體+少量馬氏體+少量殘留奧氏體”。

圖6 球墨鑄鐵襯套金相組織

5 不同材料襯套耐磨性能比較

耐磨性是機(jī)車車輛使用的各種襯套的一個(gè)重要性能指標(biāo)，耐磨性的好壞，直接影響到襯套的使用壽命。本文選擇球墨鑄鐵等溫淬火、45鋼淬火回火、Q235滲碳淬火回火3種不同材料工藝制造的襯套，進(jìn)行耐磨試驗(yàn)，以比較不同材料襯套的耐磨性。

耐磨試驗(yàn)在MM-200試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，滑動(dòng)干磨擦。試樣不動(dòng)，配磨件以200 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，壓力為196 N。以試樣表面形成的磨痕寬度，表示試樣的磨損程度，每隔10min測(cè)量一次，磨損1 h。磨痕寬度越大，表示該試樣的耐磨性越差。

以時(shí)間為橫坐標(biāo)，磨痕寬度為縱坐標(biāo)，分別繪制3種材料的磨損曲線（如圖7所示）。

圖7 不同材料襯套耐磨性對(duì)比

可以看出，球墨鑄鐵等溫淬火試樣耐磨性最好，Q235滲碳淬火回火試樣次之，45鋼淬火回火試樣耐磨性最差。球墨鑄鐵經(jīng)過(guò)等溫淬火后，獲得的組織是由下貝氏體、少量馬氏體、殘留奧氏體和球狀石墨所組成。其中，下貝氏體、馬氏體的強(qiáng)度、硬度較高，殘留奧氏體的塑性較好，而均勻分布在下貝氏體基體上的球狀石墨，在磨損的過(guò)程中容易脫落成為滑動(dòng)面的潤(rùn)滑劑，從而能起到減磨作用。此外，石墨脫落后所形成的顯微空洞，還是磨耗后所產(chǎn)生的微小磨粒的儲(chǔ)藏所，避免了微小磨粒對(duì)滑動(dòng)面的進(jìn)一步磨損。所以，球墨鑄鐵等溫淬火試樣的耐磨性，要比其他兩種材料好。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）球墨鑄鐵襯套在等溫淬火后，獲得的下貝氏體組織，具有較高的強(qiáng)度、硬度、較好的塑性韌性和良好的耐磨性。

（2）經(jīng)試驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的球墨鑄鐵襯套等溫淬火工藝參數(shù)為：奧氏體化溫度900℃，奧氏體化保溫時(shí)間30min，等溫溫度280℃，等溫保溫時(shí)間60min比較合適。

（3）貝氏體球墨鑄鐵襯套綜合性能較好，其耐磨性優(yōu)于鋼襯套。

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