張小伍

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江15000)

QT400-18A球墨鑄鐵屬于鐵素體球墨鑄鐵，有良好的力學(xué)性能、塑韌性和疲勞性能，廣泛應(yīng)用于大型火電機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。熱處理工藝對大型鑄鍛件質(zhì)量性能的影響非常大，不僅影響材料的各項力學(xué)性能是否滿足技術(shù)要求，同時還影響產(chǎn)品的殘余應(yīng)力及變形。

近些年國內(nèi)有很多關(guān)于熱處理對于QT400鑄件性能影響的研究，研究了正火及回火熱處理對QT400-18微觀組織及力學(xué)性能的影響[1]，研究了球墨鑄鐵低溫沖擊韌性的影響因素[2]，研究了熱處理工藝參數(shù)(溫度、保溫時間和冷卻速率)對QT400-18低溫沖擊韌性和抗拉強度的影響[3]。本文主要研究型內(nèi)熱處理工藝對大型鑄件汽缸組織、性能和殘余應(yīng)力分布特征的影響，綜合地評價型內(nèi)熱處理工藝的效果，為優(yōu)化生產(chǎn)積累經(jīng)驗。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

本文試驗材料來自某公司生產(chǎn)的低壓內(nèi)缸，材質(zhì)為QT400-18A，熱處理工藝為型內(nèi)熱處理。

1.2 室溫力學(xué)性能測試

從汽缸上切取試塊，加工成用于化學(xué)、拉伸、硬度、沖擊和金相試驗的試樣。

1.3 盲孔法應(yīng)力測試

根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)ASTM E837:2008，使用盲孔法應(yīng)力測試系統(tǒng)，在相應(yīng)的測試位置粘貼應(yīng)變片，通過對鉆孔后應(yīng)變數(shù)值變化的測試，利用標(biāo)準(zhǔn)上處理數(shù)據(jù)的方法計算殘余應(yīng)力數(shù)值。分別對型內(nèi)熱處理后毛坯汽缸的中分面和外圓面進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，得到型內(nèi)熱處理后毛坯汽缸的殘余應(yīng)力分布特征。

圖1 不同熱處理降溫曲線Figure 1 Different heat treatment cooling curves

2 熱處理溫度變化特征

用熱電偶測得型內(nèi)熱處理的溫度變化曲線。澆注后在預(yù)留的測溫陶瓷管內(nèi)放入熱電偶，然后使用干砂將熱電偶埋入陶瓷管內(nèi)，熱電偶放置距鑄件表面30～50 mm處，當(dāng)鑄件保溫至260℃以下打箱。圖1為汽缸型內(nèi)熱處理和正常處理工藝的溫度記錄曲線。由圖1可知，型內(nèi)熱處理在500℃以下的降溫速率要明顯高于正常熱處理，大大縮短了工藝時間，顯著地提升了熱處理效率，降低了熱處理的成本。

表1 QT400-18A的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositons of QT400-18A(mass fraction,%)

表2 QT400-18A的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of QT400-18A

圖2 QT400-18A型內(nèi)熱處理后微觀組織Figure 2 Microstructures of QT400-18Aafter heat treatment inside mould

圖3 殘余應(yīng)力測試位置示意圖Figure 3 Schematic diagram of residual stress test positions

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

QT400-18A的化學(xué)成分如表1所示。檢測結(jié)果表明，該材質(zhì)化學(xué)成分中雜質(zhì)元素含量較低，符合技術(shù)要求。

QT400-18A的室溫力學(xué)性能如表2所示。檢測結(jié)果表明，經(jīng)型內(nèi)熱處理后，QT400-18A在室溫條件下的力學(xué)性能和塑韌性均滿足技術(shù)要求。型內(nèi)熱處理并未降低材料的力學(xué)性能，具有較好的熱處理效果。

3.2 金相組織特征

圖2為QT400-18A型內(nèi)熱處理后放大100倍的金相組織，由圖可知，金相組織為鐵素體和石墨，球化率為2級，石墨大小為5級，鐵素體>95%，珠光體<5%，未見滲碳體。該材質(zhì)的金相組織特征符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 殘余應(yīng)力特征

汽缸鑄件的殘余應(yīng)力主要由兩個方面組成：一是熱應(yīng)力，在凝固過程中，由于部分壁厚不均勻，導(dǎo)致各部位的冷卻速度不同，進(jìn)而引起相應(yīng)部位的收縮能力不同，同時不均勻冷卻還導(dǎo)致鑄件內(nèi)溫度分布不均勻，使得鑄件內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力；二是機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)汽缸鑄件冷卻收縮受到鑄型或型芯的阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力稱為機(jī)械應(yīng)力。因此，汽缸在完成鑄造工序后，會進(jìn)行熱處理去除殘余應(yīng)力，降低汽缸變形的可能性，提高汽缸產(chǎn)品質(zhì)量，但往往存在工期長、耗能高等缺點。采用型內(nèi)熱處理，利用鑄造汽缸的余熱進(jìn)行熱處理，可有效地去除鑄造后的殘余應(yīng)力。

對型內(nèi)熱處理汽缸進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，測試方法采用盲孔法，殘余應(yīng)力的測試方向分別為周向和軸向，周向為外圓面的圓弧方向和中分面的平行方向，軸向為垂直于周向的方向。測試位置如圖3所示，殘余應(yīng)力測試結(jié)果如表3所示。

表3 殘余應(yīng)力測試結(jié)果Table 3 Residual stress test results

測試結(jié)果表明，型內(nèi)熱處理后汽缸的殘余應(yīng)力較低，在外圓面和中分面的殘余應(yīng)力分布較為均勻，遠(yuǎn)低于QT400-18A的屈服強度。由殘余應(yīng)力測試結(jié)果可知，型內(nèi)熱處理汽缸殘余應(yīng)力分布具有以下特征：(1)在外圓面上沿圓周方向上周向應(yīng)力大于軸向應(yīng)力；(2)在中分面上壁厚較小的部位應(yīng)力較低，壁厚較大或形狀較復(fù)雜的部位

應(yīng)力較高。綜上分析可知，型內(nèi)熱處理對殘余應(yīng)力起到了非常明顯的效果。

5 結(jié)論

(1)采用型內(nèi)熱處理工藝，可以有效地使汽缸鑄造成型后的殘余應(yīng)力均勻分布。

(2)型內(nèi)熱處理工藝在降低鑄造殘余應(yīng)力的同時，可以保障QT400-18A的室溫力學(xué)性能滿足技術(shù)要求，對室溫力學(xué)性能影響不大。

(3)型內(nèi)熱處理大大縮短了熱處理工藝時間，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。