球墨铸铁衬套的热处理工艺研究

陈奕高

（柳州市产品质量监督检验所，广西 柳州 545001）

铁路机车、车辆中大量使用的各种衬套，要求具有较高的强度和硬度、较好的塑性、韧性和良好的耐磨性。目前使用最多的，是利用低碳钢经渗碳淬火回火处理或中碳钢经淬火回火处理等方法制造的衬套，俗称钢衬套。长期的使用实践证明，钢衬套的耐磨性较差，容易磨损超限而报废，使用寿命短，难以适应铁路运输高速重载的发展要求。因此，提高衬套的耐磨性，是有效延长使用寿命、降低制造成本的关键。

球墨铸铁中由于石墨的存在，具有比钢更好的耐磨性。球墨铸铁中的石墨呈球状，对金属基体的破坏作用较小，其机械性能主要取决于基体组织的性能。因此通过适当的热处理，球墨铸铁能在保持其良好耐磨性的同时，获得较高的强度、硬度和较好的塑性、韧性，是制造衬套的理想材料。

等温淬火是目前发挥球墨铸铁材料潜力最有效的一种热处理方法。根据《铁路客车用贝氏体球墨铸铁衬套技术条件》的规定，贝氏体球墨铸铁衬套经等温淬火处理后，其力学性能应满足以下要求（见表1）。

表1 贝氏体球墨铸铁衬套的力学性能指标表

热处理是球墨铸铁衬套生产过程中非常重要的环节，其工艺的合理性，直接影响衬套的组织和性能，直接影响衬套的使用寿命。所以对球墨铸铁衬套的热处理工艺进行研究，是十分必要的。

1 原材料的化学成分和金相组织

制作衬套的原材料，要有适当的金相组织和化学成分，这是生产合格衬套的基础，也是制定衬套热处理工艺的重要依据。经对原材料进行金相检验和化学成分分析，结果如下：

1.1 原材料的化学成分

原材料的化学成分：C=3.56%，Si=2.89%，Mn=0.34%，S=0.006%，P=0.066%。

1.2 原材料的金相组织

原材料的金相组织分别见图1、图2。

由图1可见，原材料的石墨形态（放大倍率100×）：球化等级为2级，石墨大小为7～6级。

图1 原材料的石墨形态

由图2观察到原材料的金相组织（放大倍率100×）：其基体组织由“铁素体+珠光体”构成。

图2 原材料的金相组织

2 等温淬火盐浴组成的选择

经反复比较，我们选择使用NaNO3∶NaNO2=1∶1的混合盐浴。此混合盐浴具有以下优点：

（1）熔点低，刚好满足球墨铸铁衬套等温淬火温度较低的要求；

（2）比容热大，平均比容热为1.80 kJ/（kg·℃）。

比容热大，意味着同样数量的盐浴中，可以同时处理更多的产品，有利于提高生产效率。

3 热处理工艺参数的选择

球墨铸铁衬套的等温淬火热处理工艺，主要参数是奥氏体化温度和保温时间、等温淬火温度和保温时间。通过选择合理的热处理工艺参数，确保球墨铸铁经等温淬火后获得具有较高强度、较高塑性韧性和热处理变形小的下贝氏体组织。

3.1 奥氏体化温度的选择

选择衬套的奥氏体化温度，要综合考虑化学成分、原始组织和壁厚等因素。既要保证基体组织能够完全奥氏体化，不残留铁素体；又要避免温度过高，导致奥氏体晶粒粗大，等温淬火后残留奥氏体数量增加并呈网状分布，降低球墨铸铁衬套的机械性能。本次试验将冲击试样和硬度试样在RXQ3—45—12高温箱式炉分别用860℃、880℃、900℃、930℃进行奥氏体化，保温30min后在RYG—50—5硝盐炉中进行300℃、60 min等温淬火，然后测定其冲击功和硬度，其结果如图3所示。

图3 奥氏体化温度对硬度和冲击功的影响

由图3可以看出，在860～900℃温度范围内，随奥氏体化温度升高，硬度和冲击功升高。这是因为在球墨铸铁中，石墨是通过溶解和析出参与相变的。随着奥氏体化温度的升高，越来越多的石墨碳溶入奥氏体，奥氏体中碳的固溶量升高，提高了奥氏体的淬透性，使试样经等温淬火获得的下贝氏体组织数量增加，故冲击功随之提高；而奥氏体中碳含量的提高，会保留在随后形成的下贝氏体组织中，使其硬度值提高。但奥氏体化温度超过900℃后，随着温度的继续升高，奥氏体晶粒会逐渐变得粗大，等温淬火后残留奥氏体数量增加，并沿晶界呈网状分布，反而使试样的硬度值和冲击功有所下降。所以，奥氏体化温度选择在890～910℃之间较为合适，试样可以获得较高硬度和冲击功。

3.2 奥氏体化保温时间的选择

奥氏体化保温时间，以使球墨铸铁衬套热透均温和奥氏体成分均匀化为原则。在具体选择奥氏体化保温时间时，应考虑球墨铸铁的化学成分及原始组织中，铁素体与珠光体的相对数量等影响因素。比如，原始组织中铁素体数量比较多时，可以适当延长保温时间。根据生产的实际情况，使用箱式炉加热，保温时间选择30min左右比较合适。

3.3 等温淬火温度的选择

本次试验将拉伸试验试样、冲击试验试样和硬度试样经900℃加热、保温30min后，分别在230℃、250℃、270℃、300℃和350℃、400℃等温60min后空冷，测定其硬度、抗拉强度、延伸率和冲击功，绘制出关系曲线（结果如图4所示）。

图4 等温温度与机械性能的关系

从球墨铸铁的奥氏体等温转变曲线可以看出，其马氏体开始转变温度Ms为230℃，如果在低于230℃的盐浴中进行等温淬火，将会获得马氏体组织。所以，本次等温温度选择试验限定在230～400℃的范围内。从图4可以看出，在230～350℃的温度范围内，随着等温温度的升高：

（1）试样的硬度逐渐下降；

（2）延伸率和冲击功逐渐提高，当等温温度升高至350℃左右时，延伸率和冲击功达到最高值；

（3）抗拉强度逐渐提高，当等温温度升高至280℃时，抗拉强度最高，然后逐渐降低。

在这个温度范围内等温淬火，转变产物是下贝氏体，具有较高的综合机械性能。当等温温度超过350℃后，随着等温温度的继续提高，硬度、抗拉强度、延伸率和冲击功，都呈明显的下降趋势。因为此时的转变产物是上贝氏体，其硬度、抗拉强度、延伸率和冲击功都比下贝氏体低。球墨铸铁衬套的机械性能，要求以高强度、高硬度和高耐磨性为主，同时具备一定的塑性和韧性。所以选择等温温度250～320℃比较合适，可以获得综合机械性能较好的下贝氏体组织。

3.4 等温保温时间的选择

球墨铸铁衬套在等温淬火时，所发生的贝氏体转变是一种不完全转变，由过冷奥氏体转变为下贝氏体组织延续的时间很长。如果等温时间不足，必然有一部分过冷奥氏体来不及转变为下贝氏体，而在随后的空冷过程中，转变为淬火马氏体和少量的残留奥氏体，并产生一定的组织应力，从而使衬套的硬度提高，塑性、韧性下降。等温时间对硬度和冲击值的影响如图5所示。

从图5中可以看出，当保温时间超过90min后，硬度和冲击值的变化不大，曲线趋近于水平，这说明过冷奥氏体转变为下贝氏体的过程接近完成。按照组织相变规律，转变后期速度非常缓慢，再延长保温时间，对性能的影响很小。如果等温时间过长，会使生产周期延长，降低生产效率。综合各方面因素考虑，等温时间选择60～90min比较合适。

图5 等温时间对硬度和冲击功的影响

4 力学性能试验和金相组织检验结果

综上所述，选定球墨铸铁衬套等温淬火工艺参数为：奥氏体化温度900℃，奥氏体化保温时间30min，等温温度280℃，等温保温时间60min。为进一步验证该工艺的可行性，分别用球墨铸铁加工成拉伸试验试样、冲击试验试样和硬度试样，严格按本工艺进行等温淬火，然后分别测定其抗拉强度、延伸率、冲击功和硬度等力学性能指标，并进行金相组织检验。检验结果如下：

4.1 球墨铸铁衬套试样力学性能

球墨铸铁衬套试样力学性能详见表2。由表2可见，试验结果完全符合《铁路客车用贝氏体球墨铸铁衬套技术条件》的规定。

表2 球墨铸铁衬套试样力学性能汇总表

4.2 球墨铸铁衬套金相组织

衬套等温淬火后的金相组织见图6，在放大倍率为500×的金相照片中，可见其组织为“下贝氏体+少量马氏体+少量残留奥氏体”。

图6 球墨铸铁衬套金相组织

5 不同材料衬套耐磨性能比较

耐磨性是机车车辆使用的各种衬套的一个重要性能指标，耐磨性的好坏，直接影响到衬套的使用寿命。本文选择球墨铸铁等温淬火、45钢淬火回火、Q235渗碳淬火回火3种不同材料工艺制造的衬套，进行耐磨试验，以比较不同材料衬套的耐磨性。

耐磨试验在MM-200试验机上进行，滑动干磨擦。试样不动，配磨件以200 r/min的转速转动，压力为196 N。以试样表面形成的磨痕宽度，表示试样的磨损程度，每隔10min测量一次，磨损1 h。磨痕宽度越大，表示该试样的耐磨性越差。

以时间为横坐标，磨痕宽度为纵坐标，分别绘制3种材料的磨损曲线（如图7所示）。

图7 不同材料衬套耐磨性对比

可以看出，球墨铸铁等温淬火试样耐磨性最好，Q235渗碳淬火回火试样次之，45钢淬火回火试样耐磨性最差。球墨铸铁经过等温淬火后，获得的组织是由下贝氏体、少量马氏体、残留奥氏体和球状石墨所组成。其中，下贝氏体、马氏体的强度、硬度较高，残留奥氏体的塑性较好，而均匀分布在下贝氏体基体上的球状石墨，在磨损的过程中容易脱落成为滑动面的润滑剂，从而能起到减磨作用。此外，石墨脱落后所形成的显微空洞，还是磨耗后所产生的微小磨粒的储藏所，避免了微小磨粒对滑动面的进一步磨损。所以，球墨铸铁等温淬火试样的耐磨性，要比其他两种材料好。

6 结束语

（1）球墨铸铁衬套在等温淬火后，获得的下贝氏体组织，具有较高的强度、硬度、较好的塑性韧性和良好的耐磨性。

（2）经试验总结出来的球墨铸铁衬套等温淬火工艺参数为：奥氏体化温度900℃，奥氏体化保温时间30min，等温温度280℃，等温保温时间60min比较合适。

（3）贝氏体球墨铸铁衬套综合性能较好，其耐磨性优于钢衬套。

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