高廣東，熊 毅，岳 赟，秦小才，鄒悟會(huì)，劉 棟

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023; 2.中原內(nèi)配集團(tuán)股份有限公司，河南 孟州 454750)

0 引言

近年來(lái)，隨著汽車行業(yè)朝著輕量化、高爆壓、大功率化的方向發(fā)展以及中國(guó)國(guó)VI排放標(biāo)準(zhǔn)的全面實(shí)施，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件使用材料的性能要求也愈加苛刻[1]。氣缸套作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的核心部件，其工作時(shí)在承受交變機(jī)械載荷和熱負(fù)荷雙重作用下，容易出現(xiàn)局部磨損和微裂紋，造成氣缸套竄氣，增加汽車油耗以及尾氣排放，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、安全性，因此，氣缸套要有足夠的強(qiáng)度以及良好的耐磨性以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的性能需求[2]。

由于灰鑄鐵具有優(yōu)異的鑄造性、耐磨性、減震性、導(dǎo)熱性以及較低的生產(chǎn)成本，目前仍是氣缸套的首選材料[3]。國(guó)內(nèi)常用的氣缸套材料多為高磷鑄鐵、硼鑄鐵等，這些材料最大的缺陷是強(qiáng)度不高和抗磨粒磨損能力差，難以滿足汽車日漸嚴(yán)格的性能要求[4]。為了進(jìn)一步提高鑄鐵氣缸套的品質(zhì)，滿足國(guó)際卡車工程標(biāo)準(zhǔn)E06—5016的要求，文獻(xiàn)[5]通過(guò)向鐵液中加入適量Cu、Ni、Mo等合金元素，使過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線右移，以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻鑄件，并在400～500 ℃貝氏體轉(zhuǎn)變溫度保溫一段時(shí)間后，得到一種硬度為270HB、強(qiáng)度不低于400 MPa的多元微合金化貝氏體灰鑄鐵材料，大幅度提高了氣缸套的使用性能。

雖然上述的貝氏體灰鑄鐵具有較高的力學(xué)性能和耐磨性，但貝氏體是過(guò)冷奧氏體在中溫轉(zhuǎn)變區(qū)域形成的非平衡態(tài)組織，相比高溫轉(zhuǎn)變區(qū)域得到的珠光體組織而言，其在高溫高壓環(huán)境下工作不如珠光體組織穩(wěn)定可靠[6]，而普通珠光體灰鑄鐵材料的強(qiáng)度與硬度指標(biāo)較低(強(qiáng)度一般為200～300 MPa，硬度為220HB～260HB)，不能滿足汽車高爆壓、長(zhǎng)壽命的性能需要，所以提高珠光體灰鑄鐵的強(qiáng)度與耐磨性，使其性能可以達(dá)到甚至超過(guò)鑄態(tài)貝氏體灰鑄鐵，已成為亟待解決的課題。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的鉻鉬銅合金化珠光體灰鑄鐵和文獻(xiàn)[8]研制的銅鉬鉻錫合金化高強(qiáng)度珠光體灰鑄鐵，雖然在力學(xué)性能和耐磨性能方面達(dá)到了貝氏體灰鑄鐵的水平，但添加過(guò)多貴重的合金元素增加了材料的生產(chǎn)成本，不利于企業(yè)批量化投產(chǎn)。為此，本文以Cu、Ni、Mo多元微合金化貝氏體灰鑄鐵為對(duì)照組，在控制鑄鐵中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為w(Mn)=2.0%～2.1%和w(Mn)=0.2%～0.3%的基礎(chǔ)上，僅添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和不超過(guò)0.5%的鉬鈮合金元素，以期制備出低成本、高性能的珠光體基體灰鑄鐵材料。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用的主要原材料有Q12生鐵、廢鋼、硅鐵、錳鐵、鉬鐵以及鈮鐵合金。低錳合金成分如下：w(C)=2.85%～3.00%，w(S)=0.05%～0.07%，w(Si)=2.0%～2.2%，w(P)<0.1%，w(Mn)=0.2%～0.3%，w(Mo)=0.1%～0.2%，w(Nb)=0.1%～0.2%。高錳合金中錳含量增至w(Mn)=2.0%～2.1%，其余元素不變。對(duì)照組選用銅鉬鎳合金化貝氏體材質(zhì)，成分控制如下：w(C)=2.8%～3.1%，w(Si)=2.0%～2.2%，w(S)≤0.1%，w(P)≤0.1%，w(Mn)=0.4%～0.5%，w(Ni)=0.9%～1.1%，w(Cu)=0.3%～0.5%，w(Mo)=1.0%～1.5%。

1.2 熔煉及孕育

采用離心鑄造工藝，將鐵源在500 kg中頻感應(yīng)電爐內(nèi)加熱熔化，待鐵水完全熔化后，使用直讀光譜儀分析鐵液成分，鐵水出爐溫度控制在1 480～1 520 ℃。

澆注前模具內(nèi)壁粘涂硅藻土涂料，待涂料干燥后方可進(jìn)行澆注，模具溫度控制在220～280 ℃。鐵液孕育采用隨流孕育，鐵熔液流入澆包時(shí)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的硅鋇一次孕育，鐵水自澆包流入澆鑄機(jī)時(shí)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的硅鍶二次孕育。澆注時(shí)，待鐵液注入旋轉(zhuǎn)的模具5 s后，對(duì)模具外壁激水冷卻，此時(shí)離心機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min。待毛坯凝固結(jié)束后即可出缸，出缸溫度控制在800～850 ℃；出缸后兩種成分的毛坯均空冷至室溫。

1.3 試驗(yàn)方法

在3種不同成分(低錳、高錳、貝氏體)組成的缸套中切割出標(biāo)準(zhǔn)尺寸為140 mm×6.5 mm×6 mm的拉伸試樣9根，金相試樣3塊，摩擦磨損試樣9根(Ф6 mm×20 mm)，隨后進(jìn)行退火處理，工藝為：530 ℃保溫3 h，爐冷至300 ℃空冷。

試驗(yàn)前，利用不同目數(shù)的金相砂紙除去退火后試樣表面的氧化皮和毛刺，在WDW-300萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。隨后將3種金相試樣研磨拋光，借助OLYMPUS PMG3型金相顯微鏡觀察石墨形態(tài)，JSM-7800F型掃描電鏡觀察基體組織，腐蝕劑是體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇。隨后將金相試樣放置在HBS-3000 型數(shù)顯布氏硬度計(jì)上進(jìn)行硬度檢測(cè)，測(cè)量壓頭是直徑為5 mm的鋼球，載荷為750 kg，保載20 s，在每個(gè)試樣上至少測(cè)3個(gè)點(diǎn)，結(jié)果取其平均值。

利用QG-700型氣氛高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行銷盤旋轉(zhuǎn)式摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)磨盤為GCr15耐磨材料，表面粗糙度標(biāo)為Ra0.4。試驗(yàn)過(guò)程中，試樣旋轉(zhuǎn)半徑為14 mm，載荷固定為20 N，時(shí)間15 min，溫度100 ℃，電機(jī)轉(zhuǎn)速200 r/min。每種試樣測(cè)3次，取平均值，磨損速率[9]計(jì)算如式(1)所示：

(1)

其中：W為磨損速率，mg/m；?G為磨損前后的質(zhì)量損失，mg；n為旋轉(zhuǎn)角速度，r/min；R為銷盤接觸區(qū)旋轉(zhuǎn)半徑，m；t為摩擦?xí)r間，min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織分析

2.1.1 金相組織觀察

灰鑄鐵中的碳大部分以片狀石墨的形式存在，其形態(tài)、大小、數(shù)量以及分布對(duì)灰鑄鐵的性能有重要影響，一般長(zhǎng)度適中、分布均勻的A型石墨的材料強(qiáng)度最為理想[10-11]。圖1為3種試樣(貝氏體灰鑄鐵、低錳灰鑄鐵、高錳灰鑄鐵)拋光后未腐蝕的石墨金相組織。

圖1a中貝氏體灰鑄鐵的石墨分布較為密集、含量較多，石墨面積率與平均石墨長(zhǎng)度分別為10.1%和0.031 μm，除了少量石墨呈方向性枝晶片狀分布以外，絕大多數(shù)石墨片分布較為均勻且無(wú)方向性，屬于典型的A型+25%E型石墨。當(dāng)薄壁的缸套冷卻速度過(guò)快時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生呈方向性排列的E型石墨，在應(yīng)力作用下，該處極易產(chǎn)生裂紋，不利于提升鑄鐵的抗拉強(qiáng)度[12]。而低錳與高錳珠光體灰鑄鐵的石墨均呈無(wú)方向性片狀均勻分布在基體間，屬于典型的A型石墨。圖1b中低錳珠光體灰鑄鐵的石墨含量適中，石墨長(zhǎng)度較長(zhǎng)，石墨面積率與平均石墨長(zhǎng)度分別達(dá)到9.1%和0.041 μm。圖1c中高錳灰鑄鐵的石墨面積率與平均石墨長(zhǎng)度分別為7.0%和0.027 μm，石墨含量最少且形狀細(xì)小彎曲。對(duì)比貝氏體灰鑄鐵，兩種珠光體灰鑄鐵經(jīng)鉬鈮元素微合金化處理后，其石墨形貌有所改善。這是因?yàn)殂f和鈮元素易與鐵水熔液中的碳原子結(jié)合生成碳化物顆粒，這些顆粒將成為石墨成核的核心，有利于細(xì)化石墨，而錳元素屬于反石墨化元素，可減少石墨含量并細(xì)化石墨。從氣缸套服役性能方面考慮，全部獲得細(xì)小均勻A型石墨的高錳珠光體灰鑄鐵較好。

(a) 貝氏體灰鑄鐵(×200) (b) 低錳灰鑄鐵(×200) (c) 高錳灰鑄鐵(×200)

2.1.2 基體組織形貌

相對(duì)于非平衡態(tài)組織貝氏體，珠光體在加工和使用過(guò)程中穩(wěn)定性較好，已成為氣缸套材料的首選組織。為了進(jìn)一步提高珠光體基灰鑄鐵的性能，應(yīng)盡可能地增加珠光體含量以及減小其片層間距。對(duì)低錳與高錳灰鑄鐵試樣拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇腐蝕，然后在金相顯微鏡和掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)下觀察基體組織，結(jié)果如圖2所示。

(a) 低錳灰鑄鐵腐蝕后的金相圖(×200) (b) 高錳灰鑄鐵腐蝕后的金相圖(×200)

圖2a和圖2b中黑灰色部分為珠光體組織，均勻分布的白色部分為少量的磷共晶和鉬鈮碳化物，有利于提高材料的耐磨性能。根據(jù)金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[13]可知：兩種試樣的珠光體數(shù)量百分?jǐn)?shù)均不低于95%。圖2c和圖2d為兩種灰鑄鐵試樣腐蝕后的SEM圖。與低錳灰鑄鐵相比，高錳灰鑄鐵的珠光體片層間距細(xì)化明顯，這是由于Mn是反石墨化元素，較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Mn阻止了第3階段石墨化的充分進(jìn)行，從而有利于增加珠光體含量以及細(xì)化珠光體片層間距，使珠光體組織更加穩(wěn)定，分布更加致密[14]。

2.2 力學(xué)性能分析

2.2.1 抗拉強(qiáng)度

對(duì)3種試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度如表1所示。從表1中可以看出：高錳灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度提升效果明顯，而低錳灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度與貝氏體基灰鑄鐵相當(dāng)，低錳灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度平均值為408 MPa,稍高于貝氏體基灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度平均值405 MPa,這與它們獲得形態(tài)良好的A型石墨有關(guān)。石墨本身強(qiáng)度較低，石墨片的數(shù)量與形態(tài)是決定材料強(qiáng)度大小的重要因素[15]。由于貝氏體灰鑄鐵石墨數(shù)量相對(duì)略多，減小了基體組織的有效承載面積，以及局部存在短小且呈方向性分布的E型石墨，破壞了基體的連續(xù)性，增加了裂紋產(chǎn)生的概率，從而惡化了材料的抗拉強(qiáng)度。高錳灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度較高，是因?yàn)榧?xì)小的A型石墨對(duì)基體的切割作用較小，并且隨著珠光體片層間距的減小，基體產(chǎn)生抵抗裂紋以及裂紋擴(kuò)散的能力增強(qiáng)。此外，鑄鐵中的鉬、鈮元素還可以與碳原子結(jié)合，生成Mo2C和NbC硬質(zhì)相，彌散分布在基體中，起到彌散強(qiáng)化的作用，也在一定程度上提高了材料的抗拉強(qiáng)度[16]。

表1 3種試樣的抗拉強(qiáng)度 MPa

2.2.2 布氏硬度

對(duì)試樣進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，3種試樣的布氏硬度如表2所示。硬度指的是材料局部抵抗硬物壓入的能力，與材料的基體組織密切相關(guān)，石墨對(duì)其影響不大[15]。從表2中可以看出：經(jīng)鉬鈮微合金化處理后，兩種珠光體灰鑄鐵的布氏硬度均已達(dá)到或超過(guò)貝氏體灰鑄鐵。低錳灰鑄鐵的布氏硬度平均值為271HB,略低于貝氏體基灰鑄鐵的276HB;對(duì)高錳灰鑄鐵的布氏硬度提升效果明顯，其布氏硬度平均值高達(dá)352HB。這是由于較多的錳含量增大了鑄鐵的共晶過(guò)冷度，細(xì)化了珠光體組織，再加上錳還能與硫反應(yīng)生成MnS顆粒，避免了過(guò)多硫元素對(duì)材料性能的危害[17]。此外，鈮、鉬元素與碳原子形成的高硬度碳化物彌散分布在基體中，對(duì)基體起到良好的強(qiáng)化作用，有利于提高材料的硬度。

表2 3種試樣的布氏硬度 HB

2.3 摩擦磨損性能分析

材料的耐磨性是指其抵抗機(jī)械磨損的能力，主要通過(guò)材料的磨損量、磨損速率以及表面磨損形貌來(lái)衡量。圖3為3種灰鑄鐵試樣在20 N載荷下的摩擦因數(shù)。由圖3可知：貝氏體灰鑄鐵穩(wěn)定后的摩擦因數(shù)為0.38～0.42，低錳與高錳珠光體灰鑄鐵穩(wěn)定后的摩擦因數(shù)均小于貝氏體灰鑄鐵，分別為0.33～0.36和0.30～0.33，相對(duì)應(yīng)的低錳和高錳灰鑄鐵的磨損量分別為0.062 6 mg/m和0.039 8 mg/m，而貝氏體灰鑄鐵磨損量最大，達(dá)到0.068 2 mg/m。由于鉬、鈮元素促進(jìn)了鑄鐵中形成較多形態(tài)良好的A型石墨，這些石墨在磨損試驗(yàn)過(guò)程中起到很好的潤(rùn)滑作用，此外，鉬和鈮元素還可以在組織中形成類似于抗磨骨架的Mo2C和NbC硬質(zhì)顆粒，并且這種顆粒是非連續(xù)性的，不會(huì)破壞珠光體基體的連續(xù)性，因此高錳和低錳灰鑄鐵的摩擦因數(shù)和磨損量相對(duì)較小[18]。雖然貝氏體灰鑄鐵的石墨含量較多，但由于一部分石墨為在過(guò)冷條件下生成的E型石墨，在石墨周圍伴生了少量的鐵素體，進(jìn)而降低了鑄件的耐磨性能[19]。與低錳灰鑄鐵相比，高錳灰鑄鐵隨著錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，石墨形態(tài)更加細(xì)小均勻，而且抗拉強(qiáng)度與布氏硬度提高明顯，能夠更好地抵抗材料表面由磨損引起的塑性變形，故高錳灰鑄鐵的耐磨性較好[20]。

圖3 3種灰鑄鐵試樣的摩擦因數(shù)

圖4是3種灰鑄鐵試樣在相同摩擦條件下的表面磨痕形貌SEM圖。從圖4中可以看出：3種灰鑄鐵均屬于黏著磨損。圖4a中，貝氏體灰鑄鐵的磨損表面存在較大的孔洞，這是由于基體中存在一些形貌較差的E型石墨，割裂了基體組織的連續(xù)性，致使石墨周圍的基體在較大載荷摩擦下遭到破壞，發(fā)生脫落，造成試樣表面形成凹坑。圖4b和圖4c中，低錳灰鑄鐵與高錳灰鑄鐵由于加入鉬鈮合金元素的緣故，細(xì)小且分布均勻的A型石墨對(duì)基體割裂作用小，在摩擦過(guò)程中剝離的基體也相對(duì)較少。尤其是圖4c中的高錳灰鑄鐵，由于其強(qiáng)度與硬度較高，材料表面具有很強(qiáng)的黏結(jié)力，材料并不會(huì)輕易發(fā)生脫落，所以其磨損量相對(duì)較低，另外，由于材料在旋轉(zhuǎn)對(duì)磨試驗(yàn)過(guò)程中所承受的剪切應(yīng)力方向不斷變化，使其表面形成較多連續(xù)層面。

(a) 貝氏體灰鑄鐵(×500) (b) 低錳灰鑄鐵(×500) (c) 高錳灰鑄鐵(×500)

3 結(jié)論

(1)經(jīng)鉬、鈮元素微合金化的高錳與低錳灰鑄鐵的組織均為珠光體+A型石墨，高錳灰鑄鐵的石墨片更加細(xì)小均勻，珠光體片層更加致密。

(2)高錳和低錳灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到455 MPa和408 MPa，優(yōu)于鑄態(tài)貝氏體灰鑄鐵。在硬度方面，高錳灰鑄鐵的布氏硬度最高，達(dá)到352HB。在相同摩擦條件下，低錳與高錳灰鑄鐵摩擦因數(shù)與磨損量均小于鑄態(tài)貝氏體灰鑄鐵。

(3)從灰鑄鐵的組織、力學(xué)性能以及耐磨性能上綜合考慮，該試驗(yàn)條件下高錳灰鑄鐵是首選的氣缸套合金灰鑄鐵材料。