正火处理对高铬铸铁深松铲尖力学性能的影响

焦虹雨，郭建永，林 智，王恒进，孙海朋，董劲松，张 伟，李庆达

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

正火处理对高铬铸铁深松铲尖力学性能的影响

焦虹雨，郭建永，林 智，王恒进，孙海朋，董劲松，张 伟，李庆达

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

为解决自制高铬耐磨深松铲韧性差、易破碎的问题，对高铬铸铁进行了正火处理的研究。由试验结果可知：正火处理是提高铸造铲尖韧性的有效方法，经过正火处理的高铬深松铲尖的冲击韧度最大提高到1.8倍；随着正火温度的升高，铲尖的硬度和耐磨性有所下降，韧性显著提高，最佳的正火处理参数为900℃。试样的最佳力学性能为：维氏硬度543HV，冲击功3.0J，60min时的磨损量0.090g。

深松铲尖；正火；力学性能

0 引言

过去我国主要的耕作方式是铧式犁耕作，特点是对土壤进行翻耕。这种方法不仅会破坏土壤的物理结构，使土壤肥力减弱，还会破坏地表植被，导致土壤的保墒能力下降，抵抗狂风与干旱天气的能力下降，水土流失现象严重。为了改善这一现象，深松免耕保护性耕作模式逐渐兴起[1]。

深松耕作是保护性耕作四大技术之一，是指利用凿形犁或松耕铲等松土工具在不翻转土层的条件下对土壤进行疏松。机械化深松作业可以打破土壤坚硬的犁底层，改善耕地土壤的物理性质，降低土壤容重，减少水土流失，改善上下层土壤的固、液、气三相比例，促进根系的生长，有利于作物对土壤中养分的吸收[2-4]。

目前，黑龙江省大部分农场均使用联合整地机，作为联合整地机的关键部分，深松铲尖部位由于直接与土壤坚硬的犁底层或土壤中的砂石进行接触，磨损最为严重，如图1所示。铲尖的磨损变形造成前进阻力增大，牵引联合整地机的拖拉机油耗增加，提高了经济成本。在铸铁或铸钢铲尖中加入一定含量的Cr，可以有效提高铲尖的硬度及耐磨性；但随着Cr百分含量的增加，铲尖的韧性会逐步降低。由于深松铲尖在田间工作环境复杂，容易触碰到较为坚硬的石块或其他物体，造成断裂，如图2所示。

图2 断裂的铲尖Fig.2 The fractured shovel tip

适当的热处理可以有效改善高铬铲尖的韧性。众多学者的研究发现[5-7]，对材料进行适当的正火处理可以有效提高试样的韧性，正火温度一般选择在900℃左右；超过1 000℃时，试样的硬度、冲击韧性反而会降低。侯志国[8]等学者研究发现：随正火温度的增加，完全正火处理的TMCP试样屈服强度与抗拉强度有显著提高。程巨强[9]等学者研究发现，正火温度能有效提高铸钢组织的冲击韧性。

1 试验设计与结果

1.1 试验材料

本次试验采用的试样为高铬铸铁，试样成分中的 C、Cr、Si、Mn、S、P 含量基本保持不变。试验试样的合金化学成份如表1所示。

1.2 试验方法

此次试验主要探究正火温度对试样硬度、韧性及耐磨性能的影响。试验共设5个水平，分别为840、860、800、900、920℃；正火时间为3h；所有试样在相同的环境下冷却。对比试验试样选用材料成分相同，不经过正火处理的铲尖。

本次试验共设立3个指标，分别为硬度、韧性和耐磨性能。

硬度的测量方法有多种，如布氏硬度实验法、洛氏硬度试验法、维氏硬度试验法等。由于布氏硬度试验法存在压头变形问题，限制其不能用于测定高硬度(>650HBW)的金属材料；洛氏硬度试验法存在不同的标度，用不同标度测量的硬度值不能换算。所以，此次试验选取维氏硬度试验法进行测量，结果如表2所示。

表1 试样的合金成分

表2 正火温度对硬度的影响

此次试验测定韧性的方法主要参考教材《金属材料检测技术》中的操作标准，根据教材[10]中的描述，冲击试验所用试样为10mm×10mm×55mm的方形试样，中间单面加工出V型缺口。测量得到的数据如表3所示。

表3 正火温度对韧性的影响

耐磨性能主要通过试样在相同时间内的失重量来表示。将铸铁试样材料制成直径为55mm的圆形铁饼样，在济南益华摩擦学测试有限公司出产的MMU-5G立式万能摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，试验前后用精密电子天平称重，计算出磨损试验后的失重量。摩擦磨损试验载荷为80N，转速为300r/min，试验磨损时间为60min。称重结果如表4所示。

表4 正火温度对耐磨性的影响

2 数据处理与分析

2.1 直接分析

由表2可以看出：当正火温度小于900℃时，试样的维氏硬度随着温度的升高降低，但硬度均强于没有经过正火处理试样；当温度超过900℃时，试样的硬度随着温度的升高而降低，且硬度值均小于没有经过正火处理的试样。

由表3可以看出：随着正火温度的升高，试样的韧性有明显的提高，而且均高于未经过正火处理的对比试样。这说明，适当的正火处理可以有效改善高铬铸铁铲尖脆性强的缺点，使铲尖具有高硬度、高韧性的双重优点。

由表4可以看出：随着正火温度的升高，磨损失重呈现上升趋势。这说明，正火温度的升高会造成耐磨性能的降低，这与试样的硬度降低有很大关系。一般认为，材料硬度越强，其耐磨性能越强[11]。综上所述，正火处理是提高铸造铲尖韧性和耐磨性的有效方法。

综合表2～表4中的数据可以看出，正火处理可以保证高铬铸铁深松铲尖的韧性及硬度。正火温度880℃～900℃为最佳正火温度段，经过在此温度段处理的试样能同时具备良好的硬度、韧性及耐磨性能。

2.2 方差分析

本次试验主要用到SPSS软件进行方差分析，判断正火温度对硬度、韧性及耐磨性能是否具有影响，为进一步探究奠定基础。方差分析结果如图3～图5所示。

由图3～图5可以看出：正火温度与冲击功对应的Sig值、正火温度与试样硬度对应的Sig值、正火温度与试样耐磨性对应的Sig值均为0.000，小于0.05并且小于0.01，属于极显著差异。通过SPSS软件中的“两两比较”功能可以比较同一因素下不同水平之间的差异是否明显。通过分析结果可以看出，不同水平之间的两两比较差异明显。这说明，正火温度对试样的硬度、韧性以及耐磨性具有很大影响。

图3 正火温度与硬度方差分析Fig.3 Analysis of variance of normalizing temperature and hardness

图4 正火温度与韧性方差分析Fig.4 Analysis of variance of normalizing temperature and toughness

图5 正火温度与耐磨性方差分析Fig.5 Analysis of variance of normalizing temperature and wear resistance

2.3 回归分析

此外，本次试验利用MatLab对已有数据进行了回归分析，分别建立了正火温度关于试样硬度、试样韧性以及试样耐磨性的回归模型。在MatLab中输入以下程序。

x=[840,840,840,860,860,860,880,880,880,900,900,900,920,920,920]';

X=[ones(15,1) x];

Y=[1.98,1.98,2.01,2.34,2.28,2.31,2.68,2.66,2.69,3.01,3.01,2.98,3.10,3.13,3.12]';

[b,bint,r,rint,stats]=regress(Y,X)

程序执行后会得出b=[-10.3320 0.0147]，stats=[0.9749 505.7106 0.0000 0.0051 ]。

通过该结果，可以得到正火温度与试样韧性(冲击功)之间的回归数学关系式为

y1=-10.3320+0.0147x

式中y1—试样的冲击功(J)；

X—正火温度(℃)。

此关系式可以理解为：在一定范围内，保持其他试验因素不变，正火温度每升高1℃，试样的韧性(冲击功)可以提高0.0147 J。

stats中的第1个数据被称为相关系数，此数值越接近1，说明曲线与数据拟合效果越好；反之越差。当相关系数小于0.8时，则回归曲线拟合效果不好，回归模型建立的意义不大。

在MatLab中继续输入rcoplot(r,rint)指令，可以画出残差及其置信区间图。残差是指实际观察值与估计值(拟合值)之间的差，残差及其置信区间图如图6所示。通过图6可以看出：此次试验建立的回归曲线与实际值相差不大。

由于回归方程已知，通过MatLab的画图功能可以清晰直观地得到拟合曲线与实际观测值之间的关系，在MatLab中输入z=-10.3320+0.0147x，plot(x,Y,’kd’,x,z,’b’)，程序执行后可以得到拟合曲线与实际观测值之间的关系，如图7所示。

图6 残差图分析Fig.6 The analysis of residual error

图7 拟合曲线图Fig.7 The analysis of curve fitting

同样的方法可以得到正火温度与材料硬度的回归模型、正火温度与材料磨损失重的回归模型，即

y2=989.4667-0.5033x

y3=-0.3786+0.0005x

式中y2—材料的维氏硬度(HV)；

X—材料的正火温度(℃)；

y3—试样在60min内的磨损失重(g)。

正火温度与材料硬度的回归模型、正火温度与材料磨损失重的回归模型对应的相关系数为0.842 2和0.897 7。但通过拟合曲线图(见图8)可以看出，正火温度与材料磨损失重的回归模型建立不是很准确。

图8 正火温度与耐磨性拟合曲线图Fig.8 The fitting curve on normalizing temperature and wear resistance

3 结论

1) 在铸铁材料中加入Cr元素来提高产品硬度是工程中常用的方法；但随着材料中Cr元素的增加，产品硬度提高的同时，会引起材料的韧性降低。通过本试验的结果可以得知：对高铬铸铁铲尖试样进行适当的正火处理能显著提高产品的韧性，处理后的试样冲击功为未处理试样的1.1～1.8倍。

2)正火处理可以有效地提高铸造铲尖的硬度、耐磨性和韧性。随着正火温度的升高，铲尖的硬度和耐磨性下降，韧性提高。经过对数据的分析可知：最佳的正火温度为900℃，经过此温度段正火处理的试样同时具有良好的韧性、硬度及耐磨性能。经过正火处理后的试样维氏硬度达到543HV，冲击功达到3.0J，60min时的磨损量为0.090g。

3)通过SPSS软件对数据进行方差分析得知：正火温度对高铬铸铁深松铲尖的硬度、韧性及耐磨性能具有极显著的影响。通过MatLab软件对数据的回归分析，分别得到了正火温度的变化对试样硬度、冲击功及相同时间内的磨损量的变化规律。

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Effect of Normalizing on High Chromium Cast Iron Subsoiler with Mechanical Properties

Jiao Hongyu, Guo Jianyong, Lin Zhi, Wang Hengjin, Sun Haipeng,Dong Jinsong, Zhang Wei, Li Qingda

(Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319, China)

In order to solve the self-made high chromium wear-resistant subsoiler poor toughness, easy to break the problem of high chromium cast iron were studied by normalizing treatment. The test results show that the normalizing treatment is an effective method to improve the toughness of casting shovel tip, after normalized Gao Geshen shovel tip of the maximum impact toughness increased to 1.8 times. With the increase of normalizing temperature, hardness and wear resistance of the shovel tip decreased, significantly improve the toughness, normalizing the optimal parameters of 900 degrees, the best mechanical properties were as follows: Vivtorinox hardness is 543HV, the impact energy is 3.0J, the wear of weight was 0.090g in 60 minutes.

deep loosening shovel tip; normalizing; mechanical property

2016-11-24

“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B00);黑龙江省大学生创新创业训练计划项目(201510223019)

焦虹雨(1994-)，男，山西高平人，本科学生。

李庆达(1982-)，男，辽宁辽阳人，副教授，工学博士，(E-mail)liqingda23@126.com。

S220.6

A

1003-188X(2018)02-0183-05