内燃机车用球墨铸铁活塞的热处理工艺研究

潘连明 杨志刚 陈 琳 姬虎灿

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

球墨铸铁以其优异的综合性能广泛应用于船舶、轨道交通、汽车及农用机械等领域。随着机械行业的迅速发展，对球墨铸铁的性能提出了更高的要求，传统的铸态球墨铸铁性能不足以满足高性能的要求，因而热处理在球墨铸铁上的运用越来越受到科研工作者们的重视[1]。

常规的球墨铸铁热处理工艺通常采用正火工艺，即将球铁件加热至800～900 ℃，经过一段时间的保温，出炉后立即空冷、风冷或雾冷，使基体转变为珠光体组织，达到提高硬度、强度和耐磨性的效果。但对于壁厚不均匀的活塞类铸件，传统正火工艺生产的铸件内部珠光体含量不均匀，组织及性能均无法满足技术要求[2-3]。

某厂生产的QT700球墨铸铁活塞，环槽部位高频感应淬火后硬度要求大于50(HRC)，因此要求淬火前基体组织中珠光体质量分数在85%以上，硬度要求达到HB250～HB305。但环槽部位壁厚较大，铸态下基体组织中铁素体较多，无法满足技术要求。因此，本文通过对比研究几种热处理工艺，以期寻求更适合高珠光体基球墨铸铁内燃机活塞类铸件的新型热处理方法。

1 试验材料与方法

试验用球墨铸铁活塞的质量分数为ω(C)=3.73%，ω(Si)=2.14%，ω(Mn)=0.47%，ω(Cu)=0.6%，ω(P)≤0.05%，ω(S)≤0.02%，用3 t中频感应电炉熔炼并将原铁水经过充分的球化和孕育，得到的铸件球化级别为2级，球径大小级别为6级，Rm为582 MPa，Rp0.2为401 MPa，断后伸长率为7%。对铸件分别采用表1所示的4种热处理工艺。

表1 各试样的热处理工艺

热处理后，分别在试验的球铁活塞环槽芯部取一块试样，采用金相显微镜及硬度仪进行组织观察和性能分析，研究不同热处理工艺对球铁活塞基体组织及强硬度的影响。

2 试验结果

2.1 不同热处理工艺下铸件的本体组织

图1为球墨铸铁活塞厚大部位的原始铸态组织，基体主要由珠光体和铁素体构成，其中珠光体质量分数为45%。图2为4种热处理工艺后铸件厚大部位的基体微观组织形貌。工艺1和工艺2为传统的正火工艺，采用工艺1后，基体组织中铁素体含量有所降低，厚大部位的珠光体质量分数由45%提高至60%；当采用工艺2时，冷却速度的提高使奥氏体共析反应的过冷度增加，珠光体质量分数达到70%左右；当采用油冷淬火时，基体组织主要为索氏体，铁素体和渗碳体片层间距缩小；当采用工艺4，即(920±10)℃保温2 h后，利用水溶剂淬火至(700±50)℃左右，然后空冷，得到的基体组织主要由珠光体+铁素体+少量索氏体构成，其中珠光体的质量分数占到95%。

图1 球墨铸铁活塞环槽芯部的铸态组织(100×)

图2 不同热处理工艺后球铁活塞环槽芯部的微观组织(100×)

2.2 不同热处理工艺下铸件本体的硬度及抗拉强度

4种热处理工艺及铸态下铸件厚大部位的布氏硬度及抗拉强度结果如图3所示。可以发现，热处理后铸件环槽芯部(厚大部位)的布氏硬度及抗拉强度均有不同程度的提高，且随着铸件冷却速度的增加，硬度及抗拉强度逐渐增加，当采用工艺3油淬后，铸件基体为索氏体，硬度达到近300HBW，采用工艺4时，由于瞬时淬火至(700±50)℃即转为空冷，基体主要为珠光体，所以硬度及抗拉强度仅次于油淬工艺。

图3 不同热处理状态下的力学性能

3 结果分析

由于内燃机球铁活塞采用树脂砂铸造，树脂砂保温效果好，铸件厚大部位冷却速度较慢，奥氏体中过饱和的碳有足够的时间向石墨球扩散，因而在石墨球周围形成一圈贫碳区，形成牛眼状铁素体，而石墨球较远位置的奥氏体主要以珠光体的形式发生共析转变，充分的扩散时间使得铁素体析出较多，因此厚大部位铁素体质量分数达到55%左右。

4种工艺均采用加热至(920±10)℃保温2 h的方法进行奥氏体化，根据 Fe-Fe3C相图，铁素体完全溶解于奥氏体的温度是912 ℃，保温2 h可以确保结构复杂、壁厚不均的活塞所有部位温度均匀，确保奥氏体化完全。如果热处理加热温度过低，相变过冷度小，奥氏体化不完全，基体中存在残余铁素体；而过高的正火温度或过长的保温时间会引起奥氏体晶粒粗大，使碳溶入奥氏体的数量过多，冷却时容易在晶界析出网状二次渗碳体，使球铁件的强度和韧性变差。

由于晶界处位错较多，该处共析转变所需过冷度小，因此珠光体首先在晶界处析出，并逐渐扩展至晶体内部。工艺1冷却速度较慢，奥氏体中过饱和碳原子除了形核生成珠光体外，石墨球周围的碳原子部分向石墨球积聚，因此空冷后，基体中仍存在40%左右的铁素体；工艺2采用风冷冷却，相较工艺1冷却速度提高，铸件表面基体达到了珠光体占90%以上的技术要求，但环槽芯部温度滞后，相较空冷工艺，基体中的珠光体并未显著增加；工艺3采用油冷淬火工艺，过冷度高，相变驱动力大，极易共析出片层状铁素体及渗碳体，并且由于冷却速度快，碳原子扩散距离缩短，因此铁素体及渗碳体片层间距很小，形成的基体为索氏体；工艺4采用瞬时淬火工艺，在水溶剂中瞬间淬冷至(700±50)℃左右，此时铸件不同壁厚处温度较为均匀，且极大的过冷度给予了珠光体形核很大的相变动力，而瞬时淬火后的空冷避免了基体向索氏体甚至马氏体转变，过饱和奥氏体在瞬时淬冷给予的过冷度下大量共析出片层状铁素体及渗碳体，基体中珠光体含量达到95%以上。

硬度和抗拉强度与基体组织状态具有一致性，软韧的铁素体越多，本体的硬度和抗拉强度越低，延伸率越高，反之，硬脆的珠光体越多，强硬度越高，延伸率越低。工艺1和2对应的铸件厚大部位基体铁素体较铸态有所降低，因此强硬度有所增加；采用工艺4后，厚大部位基体中铁素体在5%以下，强硬度提升显著；索氏体为细珠光体，其硬度和强度较珠光体更有优势，因而工艺3得到的基体硬度和抗拉强度都达到了极大值，远远超过了技术要求。

4种热处理工艺中，工艺1和2得到的本体厚大部位硬度未满足HB不小于250的技术要求，基体中珠光体质量分数也不能满足不小于85%的技术条件；工艺4无论是厚大部位基体组织还是硬度，均满足技术要求；虽然工艺3对应的力学性能看起来似乎更有优势，对应铸件硬度远远超过技术要求，但由于本试验探究的热处理工艺是为后续高频感应淬火作铺垫，技术要求中明确基体为珠光体，此为不采取该工艺的原因之一，而且过快的冷却速度容易在壁厚不均、形状复杂的活塞类铸件上产生淬火裂纹(见图4)，这是因为活塞铸件在急速冷却的过程中，活塞裙部先于筋部相变而膨胀，同时水平筋内侧受到销孔座的约束，致使应力集中，不能均匀延伸，产生了淬火裂纹，此为该工艺不被采取的另一原因。

图4 活塞环槽下方的淬火裂纹

4 结论

(1)球墨铸铁件奥氏体均匀化后，采用传统正火工艺，铸件组织均匀性较差，厚大部位珠光体并未显著增加，硬度提升不明显；采用油淬工艺得到的显微组织主要是索氏体，强硬度显著增加，但结构复杂、壁厚不均处易产生淬火裂纹。

(2)球墨铸铁件采用新型瞬时淬火工艺(即水溶剂淬冷至Ar1温度后空冷)后铸件基体组织均匀性显著提升，无论是薄壁位置，亦或厚大部位珠光体质量分数均达到98%以上，硬度达到HB280～HB300。

(3)球墨铸铁件采用新型瞬时淬火工艺，组织和性能均能满足高频感应淬火前的技术要求，并且有效防止了热处理过程中的变形和裂纹，故此工艺尤其适用于结构复杂、壁厚不均的球墨铸铁件。