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        球墨鑄鐵行走輪的低溫正火工藝

        2022-10-21 08:58:18肖結(jié)良陳旌鋼江兆峰
        金屬熱處理 2022年9期
        關(guān)鍵詞:輪輻輪緣鑄態(tài)

        肖結(jié)良, 孫 浩, 李 飛, 胡 平, 陳旌鋼, 江兆峰

        (安徽合力股份有限公司合肥鑄鍛廠, 安徽 合肥 230601)

        球墨鑄鐵件自20世紀(jì)30年代問(wèn)世以來(lái),因其具有良好的力學(xué)性能和鑄造性能而迅速發(fā)展[1-3]。球墨鑄鐵還可以像鋼一樣進(jìn)行熱處理以改善基體組織,進(jìn)一步提高其力學(xué)性能,球墨鑄鐵開(kāi)辟了以鐵代鋼的途徑,得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。對(duì)于要求高強(qiáng)度、高韌性及高疲勞性能的球墨鑄鐵件,由于鑄態(tài)組織珠光體含量低以至強(qiáng)度低,滿足不了設(shè)計(jì)要求,因此必須通過(guò)熱處理途徑加以強(qiáng)化。采用正火改善基體組織以提高球鐵強(qiáng)度是一種常用的熱處理工藝方法[4]。

        行走輪是橋式起重機(jī)驅(qū)動(dòng)單元關(guān)鍵零部件。目前某公司為德國(guó)某企業(yè)生產(chǎn)13種型號(hào)的球墨鑄鐵行走輪。圖1為部分型號(hào)行走輪。因不同行走輪大小及有效厚度有別,外徑從φ200 mm到φ630 mm不等,其正火處理從溫度和冷卻方式上都不完全一樣。通過(guò)多年的摸索,正火溫度在850~880 ℃之間為宜。本試驗(yàn)行走輪為外形尺寸φ290 mm×173 mm的小型行走輪,24 kg/件,力學(xué)性能須達(dá)到QT650-4牌號(hào)的要求。

        本文研究了低溫正火熱處理工藝對(duì)此種行走輪組織和性能的影響。此種Cu微合金化較小的行走輪,其最終性能對(duì)正火溫度很敏感[5]。本文在850和860 ℃進(jìn)行了正火處理,獲得了相關(guān)的顯微組織和力學(xué)性能數(shù)據(jù),并選取了最佳的熱處理生產(chǎn)工藝。

        圖1 行走輪照片F(xiàn)ig.1 Photo of the travel wheels

        1 試驗(yàn)材料及方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)用球墨鑄鐵行走輪化學(xué)成分見(jiàn)表1。力學(xué)性能要求見(jiàn)表2。硬度要求在240~270 HBW,珠光體含量要求在80%以上。

        1.2 正火工藝

        選取850 ℃和860 ℃兩種正火溫度的工藝,保溫時(shí)間和冷卻方法都一樣,具體為:

        工藝a:850 ℃×3 h正火,鼓風(fēng)冷卻+550 ℃×4 h回火,出爐空冷。

        表1 試驗(yàn)用球墨鑄鐵行走輪的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        表2 行走輪的力學(xué)性能要求

        工藝b:860 ℃×3 h正火,鼓風(fēng)冷卻+550 ℃×4 h 回火,出爐空冷。

        1.3 檢驗(yàn)方法

        熱處理后,從行走輪的輪緣部位和輪輻部位各取3件試塊,加工成φ10 mm的A5型標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。使用SANS SHT-4605微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣的力學(xué)性能。使用徠卡LEIC DMi8光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織,并根據(jù)GB/T 9441—2009《球墨鑄鐵 金相檢驗(yàn)》對(duì)比判定珠光體含量。硬度檢測(cè)使用HB-3000型布氏硬度計(jì)。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 鑄態(tài)組織與性能

        正火前對(duì)鑄態(tài)行走輪做了硬度和金相檢測(cè)。表面硬度只有195~202 HBW,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到硬度要求(240~270 HBW),說(shuō)明基體鐵素體含量太高。鑄態(tài)行走輪的顯微組織見(jiàn)圖2。由圖2可知,輪緣中球化3級(jí),石墨大小6級(jí),顯微組織為鐵素體+珠光體(45%)+石墨。輪輻中球化3級(jí),石墨大小5~6級(jí),顯微組織為鐵素體+珠光體(45%)+石墨。鑄態(tài)行走輪的力學(xué)性能見(jiàn)表3。

        石墨組織是影響球墨鑄鐵性能的主要因素之一。

        表3 鑄態(tài)行走輪的力學(xué)性能

        石墨的球化效果越好,圓整度越高,則強(qiáng)度越高。球化級(jí)別3級(jí)、石墨大小5~6級(jí),說(shuō)明石墨球化效果較好,鑄造工藝優(yōu)良。從珠光體+牛眼狀鐵素體基體顯微組織可以看出,鐵素體含量較多,珠光體則只有45%。珠光體球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度比鐵素體球墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度高50%以上。由此可見(jiàn),力學(xué)性能較低,強(qiáng)度未達(dá)到要求,是因?yàn)橹楣怏w含量少。因此,需通過(guò)熱處理的方法提高珠光體含量,從而滿足力學(xué)性能要求,正火是球墨鑄鐵獲得珠光體型基體組織的主要方法。

        2.2 正火處理后的組織及性能

        鑄態(tài)行走輪經(jīng)850 ℃×3 h正火,鼓風(fēng)冷卻+550 ℃×4 h回火后出爐空冷的顯微組織見(jiàn)圖3。由圖3可知,輪緣顯微組織為鐵素體+珠光體(95%)+石墨;輪輻的顯微組織為鐵素體+珠光體(95%)+石墨。

        圖2 鑄態(tài)行走輪的顯微組織(a)輪緣;(b)輪緣石墨形態(tài);(c)輪輻; (d)輪輻石墨形態(tài)Fig.2 Microstructure of the as-cast travel wheel(a) flange;(b) graphite morphology of flange; (c) spoke;(d) graphite morphology of spoke

        圖3 850 ℃正火行走輪的顯微組織(a)輪緣; (b)輪輻Fig.3 Microstructure of the travel wheel normalized at 850 ℃(a) flange; (c) spoke

        鑄態(tài)行走輪經(jīng)860 ℃×3 h正火(鼓風(fēng)冷卻)+550 ℃×4 h回火(出爐空冷)后的顯微組織見(jiàn)圖4。由圖4 可知,輪緣顯微組織為鐵素體+珠光體(95%)+石墨;輪輻的顯微組織為鐵素體+珠光體(95%)+石墨。行走輪正火后的力學(xué)性能見(jiàn)表4。

        2.3 合金元素Cu對(duì)球墨鑄鐵組織和性能以及相變溫度區(qū)間的影響分析

        由于球墨鑄鐵成分中加入了合金元素Cu,Cu原

        圖4 860 ℃正火行走輪的顯微組織(a)輪緣; (b)輪輻Fig.4 Microstructure of the travel wheel normalized at 860 ℃(a) flange; (c) spoke

        表4 行走輪正火后的力學(xué)性能

        子可以溶入鐵素體、奧氏體中,使鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度亦即A1、A3線下降,鐵碳合金相圖中S點(diǎn)、E點(diǎn)向左下方移動(dòng),使共析轉(zhuǎn)變溫度降低,即擴(kuò)大了γ相區(qū);同時(shí)S點(diǎn)左移即共析點(diǎn)含碳量降低,較低的含碳量即可發(fā)生共析轉(zhuǎn)變,生成奧氏體。這樣在較低的溫度下生成了含碳量較低的奧氏體,完成了低碳奧氏體化轉(zhuǎn)變,在隨后的冷卻過(guò)程中可以形成含碳量低的珠光體,這種正火工藝處理的基體組織強(qiáng)度高、塑性好,達(dá)到了珠光體強(qiáng)韌化的效果[6-7]。Cu除了溶入鐵素體和奧氏體中擴(kuò)大了奧氏體相區(qū)范圍以外,還是非碳化物形成元素,Cu原子還可在基體與石墨之間的界面富集,Cu富集層的存在使得C原子擴(kuò)散受阻,其擴(kuò)散析出變得困難,即阻礙鐵素體生長(zhǎng)的擴(kuò)散過(guò)程,從而促進(jìn)球鐵基體珠光體化,阻礙了鐵素體形成[8]。因此Cu促進(jìn)了珠光體形成和細(xì)化,還固溶強(qiáng)化了珠光體中的鐵素體。因此Cu是珠光體型球墨鑄鐵常用的合金化元素[9-12]。

        Cu雖然在鑄鐵中能降低共析轉(zhuǎn)變溫度,擴(kuò)大珠光體形成區(qū)間,對(duì)基體有強(qiáng)烈珠光體化的作用。但試驗(yàn)行走輪含Cu量較低,只有0.44%。資料顯示[13],較低的含Cu量在鑄態(tài)下不能完全生成珠光體。與此同時(shí),當(dāng)Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí),含0.45%Cu的球鐵中珠光體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有40%。鑄態(tài)下硬度經(jīng)測(cè)試只有195~202 HBW,也說(shuō)明鐵素體含量較高,珠光體量不足,以致抗拉強(qiáng)度低。為此必須通過(guò)熱處理強(qiáng)化手段來(lái)提高珠光體含量,提升抗拉強(qiáng)度,進(jìn)而改善材料性能。

        2.4 低溫正火工藝討論

        球墨鑄鐵的組織特征是在鋼的基體上分布著球狀石墨,其基體組織決定了其力學(xué)性能。正火處理的目的是提高基體中珠光體的含量,珠光體是基體中的強(qiáng)化相,球墨鑄鐵的強(qiáng)度主要取決于基體中珠光體的含量及形態(tài)。為增加珠光體量,生產(chǎn)中通常采用鼓風(fēng)冷卻的方法提高冷卻速度,以促使更多的鐵素體轉(zhuǎn)化為珠光體。

        常規(guī)的880~950 ℃高溫正火是使基體完全奧氏體化,正火后獲得珠光體組織的正常途徑,但由于在高溫下奧氏體中溶入較多的碳,使最終的珠光體組織中含碳量高,從而使得材料強(qiáng)度高而塑性低。

        850 ℃屬于低溫正火,看似在不完全奧氏體化正火溫度820~860 ℃范圍內(nèi)[14],實(shí)際上由于試驗(yàn)球墨鑄鐵的γ相區(qū)擴(kuò)大、轉(zhuǎn)變溫度降低,850 ℃低溫正火完成了完全奧氏體化過(guò)程,從獲得95%珠光體的顯微組織結(jié)果也可佐證。共析點(diǎn)左移,最終珠光體內(nèi)含碳量較少,從而在保持高強(qiáng)度的同時(shí),塑性得以提高,達(dá)到了牌號(hào)QT650-4的力學(xué)性能要求,且抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都有一定的富余量。因此低溫正火是微合金化球墨鑄鐵獲得高強(qiáng)度高塑性的一種手段。

        從表4可看出,850 ℃低溫正火后,抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率都符合要求,且有一定的富余量,硬度適中,在240~270 HBW之間。860 ℃正火后抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率盡管也都符合要求,但硬度較高,達(dá)到282 HBW,客戶反饋鑄件較硬,加工性能不好。可見(jiàn),試驗(yàn)含Cu球墨鑄鐵件的正火處理溫度窗口很窄,盡管只有10 ℃的溫差,但由于對(duì)基體含碳量的影響因素主要是溫度,溫度越高,奧氏體的含碳量提高直至飽和[15],冷卻后獲得的珠光體中含碳量增多,所以盡管顯微組織都一樣,但硬度有差別。因此,考慮綜合力學(xué)性能(如切削性能),正火處理工藝以850 ℃為佳。從降低能耗和生產(chǎn)成本出發(fā),在滿足技術(shù)要求的前提下,熱處理也應(yīng)盡可能選用較低的溫度。

        3 工程應(yīng)用

        工件豎立直接放在爐膛板上,而不需熱處理工裝,見(jiàn)圖5(a)。出爐時(shí)將鋼管穿入一行工件內(nèi)孔中,再使用鏈條吊掛出爐,置于平臺(tái)上,迅速開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)冷卻,見(jiàn)圖5(b)。這樣的裝爐和冷卻方法,使行走輪和平臺(tái)為線接觸,確保行走輪各部位充分冷卻均勻。風(fēng)冷能促使更多的鐵素體轉(zhuǎn)化為珠光體。在此溫度范圍內(nèi)冷卻速度越快,珠光體含量越高,硬度越高。

        圖5 實(shí)際生產(chǎn)裝爐方法(a)和風(fēng)冷照片(b)Fig.5 Photos of actual production makeup furnace method(a) and air-cooling(b)

        4 結(jié)論

        1) 對(duì)于試驗(yàn)球墨鑄鐵行走輪,因鑄態(tài)組織中鐵素體含量較高,需通過(guò)正火處理獲得以珠光體為主的基體組織,才能獲得所需要的力學(xué)性能。

        2) 對(duì)于試驗(yàn)Cu微合金化的球墨鑄鐵行走輪,正火工藝溫度窗口很窄,采用850 ℃低溫正火,行走輪的輪緣、輪輻的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率都能達(dá)到要求,且有一定富余量,切削加工性能優(yōu)良,可獲得滿意的綜合力學(xué)性能。

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