趙曉峰，劉菊東，黃松偉

(1.集美大學(xué) 海洋裝備與機械工程學(xué)院, 福建 廈門 361021；2.集美大學(xué) 工程訓(xùn)練中心, 福建 廈門 361021)

磨削淬硬是一種綠色環(huán)保的新技術(shù)，其將表面熱處理工藝與磨削加工工藝復(fù)合，利用磨削產(chǎn)生的熱，使可淬硬零件表面溫度達(dá)到奧氏體相變溫度以上，并依靠可淬硬零件基體自冷，以達(dá)到表面淬火的目的[1]。

自1994年Brockhoff等[2]提出磨削淬硬加工工藝以來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者先后對45鋼、40Cr鋼、42CrMo鋼、65Mn鋼、GCr15鋼等中高碳鋼進(jìn)行磨削淬硬試驗，研究了磨削用量、砂輪特性、磨削方式、冷卻條件、預(yù)應(yīng)力等對磨削淬硬層組織、顯微硬度、磨削淬硬深度及其均勻性、殘余應(yīng)力、摩擦磨損性能等的影響[3-16]。目前國內(nèi)外學(xué)者研究方向集中在對中高碳鋼和中高碳合金鋼等塑性材料的磨削淬硬研究，至今尚未見對鑄鐵等脆性材料的相關(guān)研究。鑄鐵作為可淬硬的脆性材料，具有良好的耐磨性、切削加工性能和熱導(dǎo)性能。但由于其組織成分與碳鋼不同，所以材料性能差異較大，并且已有碳鋼磨削淬硬的磨削工藝條件并不適用鑄鐵。因此，需要對鑄鐵開展磨削淬硬研究，以拓寬磨削淬硬材料的研究范圍。本試驗采用平面磨削的方式對球墨鑄鐵QT400進(jìn)行磨削淬硬試驗，研究磨削深度和試樣進(jìn)給速度對球墨鑄鐵QT400磨削淬硬層組織、顯微硬度、淬硬層深度及均勻性的影響。

1 試驗材料及方法

試驗材料選用球墨鑄鐵QT400，其化學(xué)成分如表1 所示，試樣基體原始組織為鐵素體+球狀石墨，基體組織，如圖1所示?；w硬度為9～11 HRC(190～230 HV0.2)，試樣尺寸為80 mm×6 mm×30 mm(長×寬×高)。

圖1 球墨鑄鐵QT400的基體組織

表1 球墨鑄鐵QT400的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

在改裝后的M7130型臥軸矩臺平面磨床上進(jìn)行球墨鑄鐵QT400的磨削淬硬試驗，采用表2所示的磨削工藝條件。

表2 磨削工藝參數(shù)

磨削淬硬試驗后，為了研究淬硬后試樣淬硬層及其均勻性，將試樣沿其長度方向，用電火花切割機在切入端、中間端、切出端分別切取尺寸為5 mm×6 mm×5 mm的小試樣，經(jīng)鑲嵌拋光，制成金相試樣。金相試樣用體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液腐蝕20 s后，分別采用VK-X1000激光共聚焦顯微鏡和PHENOM-XL掃描電鏡觀察球墨鑄鐵QT400淬硬層宏觀和微觀組織形貌。采用Falcon511型全自動維氏顯微硬度計測量沿深度方向的顯微硬度，載荷1.96 N，加載時間10 s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 磨削淬硬層組織

在觀察大量視場后，根據(jù)試樣磨削后表面是否熔化和是否相變淬硬，可歸納為熔化、完全相變淬硬、未完全相變淬硬(過渡區(qū))和完全未淬硬等4種情況。其中表層完全未淬硬只出現(xiàn)在ap=0.1 mm，vw=0.40 m·min-1時，試樣的切入端，磨削淬硬試驗后的組織與基體組織一致。

圖2為表面熔化的宏觀形貌。圖2中試樣表層銀白色的區(qū)域為熔化層，深色區(qū)域為完全相變淬硬層，深色和淺白色混合區(qū)域是未完全相變淬硬層，未完全相變淬硬層的下面是基體。磨削淬硬后的試樣沿深度方向出現(xiàn)分層現(xiàn)象是由于磨削時產(chǎn)生的溫度場造成的。

圖2 球墨鑄鐵QT400磨削淬硬后的宏觀形貌

2.1.1 宏觀形貌

圖3為不同磨削工藝條件下試樣切出端表面層的宏觀形貌。圖3(a)為ap=0.4 mm，vw=0.15 m·min-1時，表面熔化層的宏觀形貌，圖3(a)中表面層由黑色和白色條狀物混合的區(qū)域為熔化層，此區(qū)域中不見球狀石墨，厚度大約為 10～35 μm。熔化層主要出現(xiàn)在ap=0.3～0.7 mm，vw=0.15～0.20 m·min-1時試樣的中間端和切出端。圖3(b)為ap=0.4 mm，vw=0.30 m·min-1時，表面層完全相變淬硬的宏觀形貌。圖3(b)中表層由深色物和球狀石墨組成的區(qū)域為完全相變淬硬層，厚度大約0.1～0.6 mm。在ap=0.1 mm，

vw=0.15～0.30 m·min-1和ap=0.4～0.7 mm，vw=0.30～0.40 m·min-1時，試樣表面層宏觀形貌均勻性較好，此時試樣切入端、中間端和切出端表面層同為完全相變淬硬層。另外，在ap=0.4～0.7 mm，vw=0.15～0.20 m·min-1時，試樣中間端和切出端表面層完全相變淬硬。圖3(c)為ap=0.1 mm，vw=0.40 m·min-1時，表面層未完全淬硬層的宏觀形貌。圖3(c)中表面層由深色塊狀或條狀物、淺色塊狀物和球狀石墨組成的區(qū)域為未完全相變淬硬層，厚度大約0.5～0.8 mm。未完全相變淬硬層主要出現(xiàn)在ap=0.3 mm，vw=0.40 m·min-1時試樣的切入端和在ap=0.1～0.3 mm，vw=0.40 m·min-1時試樣的中間端和切出端。

圖3 不同磨削工藝條件下試樣切出端表面層的宏觀形貌

在觀察所有試樣的宏觀組織形貌后，發(fā)現(xiàn)試樣磨削后表層宏觀形貌不同。一方面是因為試樣進(jìn)給速度vw相同時，隨著磨削深度ap的增加，磨削力增大，磨削產(chǎn)生的熱量高，砂輪與試樣接觸長度ls增加，磨削時間t增加，則熱作用時間增加，磨削溫度不斷升高[17]，導(dǎo)致試樣磨削后表層宏觀形貌不同。例如同為切入端，在ap=0.1 mm，vw=0.40 m·min-1時，磨削溫度在Ac1以下，冷卻后切入端表面層未完全相變淬硬；在ap=0.3 mm，vw=0.40 m·min-1時，磨削溫度在Ac1～Ac3之間，冷卻后切入端表面層未完全相變淬硬；在ap=0.4 mm，vw=0.40 m·min-1時，磨削溫度在Ac3及以上，冷卻后切入端表面層完全相變淬硬。另一方面是因為磨削深度ap相同時，隨著試樣進(jìn)給速度vw的增加，磨削力增加，磨削產(chǎn)生的熱量也增加，但試樣和砂輪的接觸時間ls就會減少，磨削時間t減少，熱作用時間減少，磨削溫度逐漸下降[17]，也會導(dǎo)致試樣磨削后表層宏觀形貌不同。例如同為切入端，在ap=0.1 mm，vw=0.15 m·min-1時，磨削溫度在Ac3及以上，冷卻后表面層完全相變淬硬；在ap=0.1 mm，vw=0.30 m·min-1時，磨削溫度在Ac1～Ac3之間，冷卻后表面層未完全淬硬；在ap=0.1 mm，vw=0.40 m·min-1時，磨削溫度在Ac1以下，冷卻后表面層未完全相變淬硬。由于不同的磨削用量，磨削產(chǎn)生的熱量和熱作用時間也不同，磨削溫度也不同，所以磨削后表層宏觀形貌不同。

2.1.2 顯微組織

圖4為ap=0.4 mm，vw=0.15 m·min-1時，中間端試樣的顯微組織。圖4(a)為熔化層的顯微組織。由圖4(a)可以看出，熔化層的顯微組織為二次滲碳體、殘留奧氏體和碳化物的混合物。圖4(b)為完全相變淬硬層的顯微組織，其顯微組織為針狀馬氏體、殘留奧氏體和球狀石墨。圖4(c，d)為未完全相變淬硬層(過渡層)的顯微組織，未完全相變淬硬層(過渡層)分為上過渡層和下過渡層，其顯微組織為針狀馬氏體、鐵素體、殘留奧氏體和球狀石墨。

圖4 中間端試樣的顯微組織(ap=0.4 mm,vw=0.15 m·min-1)

由圖4(c，d)可知，未完全相變淬硬層(過渡層)出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，這是由上過渡層溫度高于下過渡層造成的。當(dāng)加熱溫度稍大于Ac1時，鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變首先在晶界處開始，球狀石墨表面的碳原子通過晶界擴散，靠近晶界的鐵素體更容易奧氏體化，快速冷卻后，在晶界上形成細(xì)小針狀的馬氏體，如圖4(d)所示；雖然球狀石墨周圍碳含量較高，但是球狀石墨周圍的硅含量也高，硅元素能提高球狀石墨周圍馬氏體相變臨界點的溫度[18]。因此，球狀石墨周圍的馬氏體總是最后才開始轉(zhuǎn)變，快速冷卻后，在球狀石墨周圍形成細(xì)小針狀的馬氏體，如圖4(c)所示。

2.2 顯微硬度分布

對比試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在不同磨削用量下，球墨鑄鐵QT400的顯微硬度分布曲線的變化規(guī)律大致相同，限于篇幅，文中只分別給出了ap=0.5 mm和vw=0.15 m·min-1一定時磨削用量對切入端試樣的顯微硬度分布曲線，如圖5所示。

由圖5可知，顯微硬度分布曲線分為高硬度區(qū)、硬度下降區(qū)和低硬度區(qū)，分別對應(yīng)顯微組織中的完全相變淬硬層、未完全相變淬硬層(過渡層)和基體。高硬度區(qū)的平均硬度值在850～950 HV0.2之間，與基體相比，顯微硬度提高近3倍。在硬度下降區(qū)，顯微硬度逐漸下降，落差在600 HV0.2左右。

從圖5(a)可以看出，試樣進(jìn)給速度vw相同時，隨著磨削深度ap的增加，高硬度區(qū)就越寬。從圖5(b)可以看出，磨削深度ap相同時，隨著試樣進(jìn)給速度vw的增加，高硬度區(qū)就越窄。這是因為增加磨削深度ap或者減小試樣進(jìn)給速度vw，傳入試樣表層熱量就越高，表層溫度達(dá)到Ac3以上，熱作用時間增加，奧氏體中的碳原子擴散越均勻，冷卻后的馬氏體含量就越高，顯微硬度分布曲線中的高硬度區(qū)就越寬。

圖5 不同磨削條件下切入端試樣的顯微硬度分布

2.3 磨削淬硬層深度及其均勻性

在工程實際中為了提高球墨鑄鐵QT400的耐磨性，要求淬火后的硬度大于55 HRC，相當(dāng)于600 HV0.2，本文將顯微硬度大于600 HV0.2以上的區(qū)域定義為淬硬層。

圖6為磨削用量對球磨鑄鐵QT400淬硬層深度的影響。從圖6可以看出，當(dāng)磨削用量相同時，從切入端到中間端再到切出端的淬硬層深度逐漸增加。這是因為磨削淬硬過程中，同試樣不同位置兩次累積熱量不同，切出端熱量最高，中間端次之，切入端熱量最低[11]。因此，切入端到中間端再到切出端的淬硬層深度逐漸增加。當(dāng)試樣進(jìn)給速度vw相同時，相同位置的淬硬層深度隨著磨削深度ap的增加而增加；當(dāng)磨削深度ap相同時，相同位置的淬硬層深度隨著試樣進(jìn)給速度vw的增加而減小。這是因為增加磨削深度ap或者減小試樣進(jìn)給速度vw，傳入試樣表層熱量就越高，溫升也越高，熱作用時間增加，熱影響范圍增大，故淬硬層深度增加。

圖6 磨削用量對球磨鑄鐵QT400淬硬層深度的影響

由圖6還可見，當(dāng)ap=0.4 mm，vw=0.40 m·min-1時，此時切入端、中間端和切出端淬硬層深度差值最大，最大差值為0.02 mm。符合《熱處理手冊第四卷：熱處理質(zhì)量控制和檢驗》[19]中“感應(yīng)加熱表面淬火有效硬化層深度波動范圍”表2-37中給出的深度波動范圍(即單件有效硬化層深度≤1.5 mm時，深度波動范圍≤0.2 mm)。由此可見，磨削后淬硬層深度均勻性良好。

3 結(jié)論

1)本試驗?zāi)ハ鳁l件下，試樣表面層出現(xiàn)3種淬硬結(jié)果，分別為熔化、完全相變淬硬、未完全相變淬硬。其中熔化層組織為二次滲碳體、殘留奧氏體和碳化物，完全相變淬硬層組織為針狀馬氏體、殘留奧氏體和球狀石墨，未完全相變淬硬層組織為針狀馬氏體、鐵素體、殘留奧氏體和球狀石墨。

2)隨著磨削深度ap增大或試樣進(jìn)給速度vw減小，相同位置試樣表層由完全未淬硬向熔化過渡。

3)顯微硬度分布曲線中高硬度區(qū)的平均數(shù)值在850～950 HV0.2之間，與基體(190～230 HV0.2)相比，顯微硬度提高近3倍。隨著磨削深度ap增加或試樣進(jìn)給速度vw減小，高硬度區(qū)的范圍變寬。

4)磨削深度ap增加或試樣進(jìn)給速度vw減小，可增加淬硬層深度并且均勻性良好。