0.   引言

傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機(jī)活塞的材料為合金灰口鑄鐵,為了滿(mǎn)足壓縮機(jī)工況需求、提高耐磨性能而添加了大量鎳、鉬等貴重金屬元素[1],因此生產(chǎn)成本較高。球墨鑄鐵由于其特殊的石墨形態(tài),在力學(xué)性能和耐磨、減摩性能方面與灰鑄鐵相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)[2-4]。在球墨鑄鐵中適量添加鉻元素可以促進(jìn)珠光體的形成,形成合金滲碳體,從而提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性能[5-6]。但是,CHENG等[7]研究發(fā)現(xiàn),過(guò)量的鉻（質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%）會(huì)使球墨鑄鐵的沖擊性能?chē)?yán)重降低。微量鉍元素能夠在一定程度上抑制碎塊狀石墨的形成,細(xì)化石墨球并改善球墨鑄鐵組織,從而提高球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和耐磨性能[8]。SONG等[9]和蔣立鵬[10]也發(fā)現(xiàn),鉍能夠?qū)η蚰T鐵的石墨形態(tài)及數(shù)量產(chǎn)生影響,從而提高其力學(xué)性能,同時(shí)添加鉍的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%左右,若加入過(guò)量的鉍,則球墨鑄鐵中會(huì)出現(xiàn)大量的碎塊狀石墨,導(dǎo)致力學(xué)性能降低。為了進(jìn)一步改善球墨鑄鐵的耐磨性能,作者在現(xiàn)有QT600-3鑄鐵中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%鉻和0.01%鉍元素,采用熔煉鑄造成型方法制備出一種低合金球墨鑄鐵,研究了該球墨鑄鐵的顯微組織以及在油潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損性能,并與QT600-3鑄鐵和合金灰口鑄鐵進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果可為拓展球墨鑄鐵在壓縮機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為以QT600-3鑄鐵成分為基礎(chǔ)添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%鉻和0.01%鉍元素的新型低合金球墨鑄鐵,對(duì)比材料為QT600-3鑄鐵和傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機(jī)活塞用合金灰口鑄鐵,具體化學(xué)成分如表1所示。QT600-3鑄鐵和合金灰口鑄鐵為肇慶匹思通機(jī)械有限公司提供,采用廢鋼、生鐵、增碳劑等熔制而成。低合金球墨鑄鐵的制備過(guò)程：按照低合金球墨鑄鐵的化學(xué)成分稱(chēng)取QT600-3鑄鐵錠、鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%鉻鐵和含鉍復(fù)合孕育劑（鉍質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的硅鐵）；將QT600-3鑄鐵錠放入中頻感應(yīng)加熱爐進(jìn)行重熔,待鑄錠全部熔化后添加鉻鐵和含鉍復(fù)合孕育劑,鐵液的溫度控制在（1 560±10） ℃,保溫約5 min后將鐵液轉(zhuǎn)入球化處理中間包中進(jìn)行球化及孕育處理,待反應(yīng)完全后再轉(zhuǎn)入澆注包并澆入Y型試塊的砂型中,澆注溫度控制在（1 450±10） ℃,在整個(gè)澆注過(guò)程中一直采用隨流孕育的方法加入隨流孕育劑。對(duì)3種材料進(jìn)行880 ℃保溫60 min的淬火處理以及150 ℃保溫120 min的回火處理,測(cè)得低合金球墨鑄鐵、QT600-3鑄鐵和合金灰口鑄鐵的硬度分別為59.3,43.5,50.2 HRC。 

截取金相試樣,經(jīng)打磨、拋光,用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸乙醇溶液腐蝕后,采用LEICA/DMI 5000M型光學(xué)顯微鏡（OM）觀(guān)察腐蝕前后試樣的顯微組織。采用MM-2000型環(huán)-塊式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫摩擦磨損試驗(yàn),鑄鐵試樣的尺寸為10 mm×10 mm×10 mm,對(duì)磨件選用硬度為68~71 HRC的硬質(zhì)合金環(huán),其尺寸為外徑50 mm、內(nèi)徑16 mm、厚10 mm,放置一個(gè)潤(rùn)滑油加入裝置,通過(guò)對(duì)磨環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)將潤(rùn)滑油帶至摩擦副上來(lái)實(shí)現(xiàn)油潤(rùn)滑,所用的潤(rùn)滑油為空調(diào)壓縮機(jī)專(zhuān)用冷凍機(jī)油。在磨損時(shí)間為12 h、速度為1 m·s−1條件下,載荷分別設(shè)置為400,800,1 200 N,研究載荷對(duì)摩擦磨損性能的影響；在試驗(yàn)載荷為800 N、速度為1 m·s−1條件下,磨損時(shí)間分別設(shè)置為3,6,9,12 h,研究磨損時(shí)間對(duì)摩擦磨損性能的影響。利用LEICA/DMI 5000M型光學(xué)顯微鏡觀(guān)察磨損形貌。采用RTEC UP Dual Model 3D型光學(xué)輪廓儀對(duì)磨痕三維形貌進(jìn)行觀(guān)察,測(cè)量磨痕寬度和深度后計(jì)算出磨損體積,最后計(jì)算體積磨損率,計(jì)算公式[11]如下： 

式中：W為體積磨損率,mm3·N−1·m−1；V為磨損體積,mm3；F為摩擦副上施加的載荷,N；S為摩擦副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離,mm。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   顯微組織

由圖1可以看出：3種鑄鐵在腐蝕前可清晰分辨出石墨和基體組織,腐蝕后的基體組織由馬氏體和碳化物組成；低合金球墨鑄鐵和QT600-3鑄鐵的石墨呈球形,邊緣較為圓整,其中低合金球墨鑄鐵中的石墨球更加細(xì)小,數(shù)量更多,形狀更圓整,合金灰口鑄鐵中的石墨呈片狀。統(tǒng)計(jì)得到QT600-3鑄鐵、低合金球墨鑄鐵、合金灰口鑄鐵的碳化物體積分?jǐn)?shù)分別為1.0%,10.2%,8.9%。 

圖  1  腐蝕前后3種鑄鐵的OM形貌

Figure  1.  OM morphology of three types of cast iron before (a, c, e) and after (b, d, f) corrosion: (a–b) low alloy ductile iron; (c–d) QT600-3 cast iron and (e–f) alloy gray cast iron

2.2   摩擦磨損性能

材料的耐磨性能與其摩擦因數(shù)相關(guān)：摩擦因數(shù)越小,耐磨性能越好[12-13]。由圖2可以看出,隨著載荷的增加,不同鑄鐵試樣的摩擦因數(shù)均增大,且均出現(xiàn)不同幅度的上下波動(dòng)現(xiàn)象。摩擦磨損的前3 h為跑合階段,也是材料磨損速率最大的階段；當(dāng)磨損時(shí)間大于3 h后進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。不同載荷下3種試樣的摩擦因數(shù)均較小,這主要是因?yàn)闈?rùn)滑油在摩擦副接觸面之間形成了一層薄膜,減少了摩擦副之間的直接接觸,同時(shí)潤(rùn)滑油會(huì)填充摩擦副表面的不規(guī)則凹坑,形成邊界潤(rùn)滑[14]。隨著載荷的增加,低合金球墨鑄鐵和QT600-3鑄鐵摩擦因數(shù)增大的趨勢(shì)相同,在較低載荷（400~800 N）下的增長(zhǎng)速率較低,在較高載荷（800~1 200 N）下則增長(zhǎng)較快；隨著載荷的增加,合金灰口鑄鐵的摩擦因數(shù)增長(zhǎng)速率相對(duì)較緩。在400~800 N低載荷下,低合金球墨鑄鐵和QT600-3鑄鐵的減摩性能更好；在800 N和1 200 N高載荷下,低合金球墨鑄鐵和合金灰口鑄鐵的摩擦因數(shù)更大,這可能是因?yàn)樵谳^大載荷下,當(dāng)對(duì)磨件劃過(guò)碳化物時(shí),由于碳化物硬度較高,使得摩擦副表面粗糙度增大,導(dǎo)致摩擦因數(shù)較大。 

圖  2  不同載荷下不同鑄鐵的摩擦因數(shù)曲線(xiàn)以及平均摩擦因數(shù)隨載荷的變化曲線(xiàn)

Figure  2.  Friction coefficient curves of different specimens under different loads (a–c) and curves of average friction coefficient vs load of different cast iron (d): (a) low alloy ductile iron; (b) QT600-3 cast iron and (c) alloy gray cast iron

由圖3可見(jiàn),3種鑄鐵的體積磨損率均隨著載荷的增加而增大,其中QT600-3鑄鐵的磨損程度最嚴(yán)重,表明其耐磨性能最差,而低合金球墨鑄鐵的體積磨損率最小,耐磨性能最好。1 200 N載荷下低合金球墨鑄鐵的體積磨損率分別比QT600-3鑄鐵和合金灰口鑄鐵減少了78%,25%。低合金球墨鑄鐵在油潤(rùn)滑條件下表現(xiàn)出更加優(yōu)異的耐磨性能。 

圖  3  不同鑄鐵的體積磨損率隨載荷的變化曲線(xiàn)

Figure  3.  Curves of volume wear rate vs load of different cast iron

由圖4可以看出,隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng),3種鑄鐵的摩擦因數(shù)均略微減小,說(shuō)明磨損時(shí)間對(duì)摩擦因數(shù)的影響很小。低合金球墨鑄鐵的摩擦因數(shù)最小,表明低合金球磨鑄鐵在油潤(rùn)滑條件下具有最好的減摩性能。 

圖  4  不同鑄鐵的平均摩擦因數(shù)隨磨損時(shí)間的變化曲線(xiàn)

Figure  4.  Curves of average friction coefficient vs wear time of different cast iron

由圖5可知,隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng),3種鑄鐵的體積磨損率呈先增后降再增的趨勢(shì)。在磨損3 h以?xún)?nèi)的跑合階段時(shí),在載荷的作用下,初始粗糙的摩擦副表面被磨出凹痕,實(shí)際接觸面積增大,導(dǎo)致體積磨損率較大；在3~6 h穩(wěn)定磨損階段,經(jīng)過(guò)磨合后表面發(fā)生加工硬化及微觀(guān)形狀改變,磨損速率減緩；當(dāng)磨損時(shí)間超過(guò)6 h以后,表面遭到破壞,同時(shí)溫度升高,導(dǎo)致磨損程度增加。在整個(gè)磨損過(guò)程中低合金球墨鑄鐵的體積磨損率最小,表明該鑄鐵具有最佳的抗長(zhǎng)時(shí)間摩擦磨損性能。 

圖  5  不同鑄鐵的體積磨損率隨磨損時(shí)間的變化曲線(xiàn)

Figure  5.  Curves of volume wear rate vs wear time of different specimens cast iron

2.3   磨損形貌和磨損機(jī)制

由圖6可以發(fā)現(xiàn)：在較低的載荷（400 N）下,3種鑄鐵的磨損表面均出現(xiàn)較多的細(xì)長(zhǎng)、整齊且平行分布的犁溝,犁溝貫穿石墨組織和碳化物組織；隨著載荷增加至800 N,磨損表面的犁溝數(shù)量減少,犁溝寬度增加,表面趨于平整；當(dāng)載荷達(dá)到1 200 N時(shí),犁溝數(shù)量進(jìn)一步減少,寬度進(jìn)一步增加,取而代之的是大面積的平整磨損面。這是由于在較低的載荷下,在摩擦過(guò)程中形成的油膜難以被破壞,脫落到潤(rùn)滑油中的微小顆粒在摩擦過(guò)程中進(jìn)入到摩擦副中,在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)劃過(guò)試樣表面而形成犁溝；此時(shí)的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。隨著載荷的增大,油膜被破壞,對(duì)磨件與試樣之間發(fā)生直接接觸,產(chǎn)生輕微的黏著磨損,磨粒磨損程度降低。低合金球墨鑄鐵和QT600-3鑄鐵的石墨球邊緣較為圓整,在摩擦過(guò)程中受到的剪切力較為均勻而不易剝落；但是QT600-3鑄鐵的碳化物含量很少,因此磨損量很大。在800,1 600 N載荷下,合金灰口鑄鐵的基體組織因摩擦磨損發(fā)生變形而覆蓋了片狀石墨,從而形成閉合狀的石墨,在后續(xù)的摩擦磨損過(guò)程中,該處容易因缺少支撐而在摩擦力的作用下發(fā)生脫落,導(dǎo)致材料的磨損量增加。 

圖  6  不同載荷下摩擦磨損后不同鑄鐵的磨損形貌

Figure  6.  Wear morphology of different cast iron after friction and wear under different loads: (a–c) low alloy ductile iron; (d–f) QT600-3 cast iron and (g–i) alloy gray cast iron

由圖7可以看出,在較短磨損時(shí)間下磨損表面均觀(guān)察到許多細(xì)長(zhǎng)、平行的犁溝,而隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng),犁溝出現(xiàn)變少、變寬的趨勢(shì)。當(dāng)磨損時(shí)間較短（3 h）時(shí),摩擦產(chǎn)生的熱量較少,大部分經(jīng)熱傳導(dǎo)擴(kuò)散至潤(rùn)滑油中,接觸面的摩擦狀態(tài)良好,此時(shí)的磨損機(jī)制為磨粒磨損；隨著時(shí)間的延長(zhǎng),摩擦熱大量產(chǎn)生,一方面使?jié)櫥蜏囟壬仙?黏度降低,無(wú)法在接觸面形成穩(wěn)定的油膜減少磨損,另一方面使材料表面發(fā)生軟化并產(chǎn)生回火作用,從而使磨損程度增加[9],此時(shí)磨損機(jī)制為磨粒磨損和黏著磨損。低合金球墨鑄鐵和合金灰口鑄鐵磨損表面上的許多犁溝劃過(guò)或是終止于碳化物組織,由于碳化物硬度較高,有效阻止了犁溝劃傷接觸面,減輕了磨粒磨損的程度,提高了材料的耐磨性能。 

圖  7  不同磨損時(shí)間下不同鑄鐵的磨損形貌

Figure  7.  Wear morphology of different cast iron under different wear times: (a–c) low alloy ductile iron; (d–f) QT600-3 cast iron and (g–i) alloy gray cast iron

低合金球墨鑄鐵中細(xì)小且密集分布的石墨球能夠較好地阻礙大塊碳化物的生成,碳化物呈細(xì)小塊狀均勻分布于基體組織中,在一定程度上提高了碳化物阻礙基體組織發(fā)生摩擦變形的作用；另一方面,在摩擦磨損過(guò)程中,較高球形度的石墨球降低了因異形石墨尖端易于產(chǎn)生應(yīng)力集中發(fā)生剝落和開(kāi)裂的可能。上述兩個(gè)方面綜合作用提高了低合金球墨鑄鐵的耐磨和減摩性能。 

3.   結(jié)論

（1）在QT600-3鑄鐵成分基礎(chǔ)上,加入鉻和鉍元素制備的低合金球墨鑄鐵組織由石墨、馬氏體和碳化物組成,石墨球與QT600-3鑄鐵中相比更加細(xì)小,數(shù)量更多,形狀更圓整,低合金球墨鑄鐵的碳化物含量高于合金灰口鑄鐵和QT600-3鑄鐵。 

（2）在400~800 N低載荷下低合金球墨鑄鐵摩擦因數(shù)的增加速率較小,較高載荷下增加速率較大；在整個(gè)摩擦磨損過(guò)程中摩擦因數(shù)比較穩(wěn)定,且均小于QT600-3鑄鐵和合金灰口鑄鐵。 

（3）低合金球墨鑄鐵的體積磨損率隨著載荷的增加而增大,隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增后降再增的趨勢(shì),磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。在載荷1 200 N、磨損時(shí)間12 h條件下低合金球墨鑄鐵的體積磨損率為10.7×10−13 mm3·N−1·m−1,與合金灰口鑄鐵和QT600-3鑄鐵相比分別減少25%和78%。低合金球墨鑄鐵中大量的細(xì)小碳化物可抵抗犁溝的擴(kuò)展,減輕磨粒磨損程度,同時(shí)較高球形度的石墨球降低了其剝落和開(kāi)裂的可能,從而提高了球墨鑄鐵在油潤(rùn)滑條件下的耐磨性能。

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