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，山東 淄博 255039；3.鞍鋼重機公司軋輥廠，遼寧 鞍山 114021，4.泰山金龍起重配件公司，山東 泰安 273039；5.福州文泰機械鑄造公司，福建 福州 350001）

機械滑動部件，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。

1 試驗材料與機械性能要求

1.1 試驗材料

試驗材料化學成分，見表1.

表1 試驗材料化學成分 （質(zhì)量分數(shù)，%）

1.2 試驗材料機械性能

試驗材料機械性能，見表2.

表2 試驗材料機械性能

2 試驗條件

2.1 復合熱處理試驗

試塊經(jīng)退火消除應力（610℃～560℃×3h，空冷）機加工制成彎曲試樣，再分別進行氮基氣體軟氮化與高頻淬火復合熱處理。

氣體軟氮化工藝如下：處理溫度：560℃～580℃，處理時間：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）：短時間高頻淬火：溫度為940℃～1000℃；加熱保溫時間2.8h～4.2h；頻率為120kW～156kW；輸出功率28W～36kW；冷卻時間為8h～12h.

2.2 疲勞試驗

標準試塊在室溫下進行疲勞試驗，獲取其疲勞強度數(shù)值。

3 試驗結果與討論

3.1 工件試樣顯微組織

試樣基體組織，為球墨鑄鐵珠光體基體組織。

3.2 熱處理工藝分析

高頻淬火時將工件試樣快速加溫到奧氏體化溫度之上并保溫一定時間然后急冷。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723℃.工藝試驗選定的奧氏體相變點830℃，則是考慮到本試樣中Si的質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為3.66%左右時，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行短時間高頻淬火將試樣加熱到950℃，主要考慮的是擴大試樣表面氮固溶區(qū)，氮固溶進行相變硬化。

3.3 工件試樣組織檢驗

氣體軟氮化試樣表面存在約7μm的氮化鐵化合物白口層，而短時間高頻淬火使試樣表面為低溫回火馬氏體組織。對試樣進行表面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的微細馬氏體基體組織；對試樣表面殘余奧氏體量測定結果表明，試樣存在65%左右的殘余奧氏體。

3.4 殘余應力及氮濃度分布

用X射線衍射法對試樣表面進行應力檢測，顯示的是壓縮應力，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。對試樣表層氮分布用XMA分析法進行了分析，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。

3.5 硬度

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的厚度時其硬度保持在850HV-1050HV左右。

3.6 旋轉(zhuǎn)彎曲強度

試樣在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機試驗結果為320 MPa，這是由于馬氏體組織的存在的結果，使得試樣具有較高的疲勞強度。

4 結 論

1）珠光體球墨鑄鐵進行軟氮化及高頻淬火，其硬度與抗疲勞強度有一定程度提高；

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。