0 引言
气缸套作为发动机的关键零部件，与气缸盖、活塞、活塞环组成了发动机的心脏-燃烧室，将热能转换为机械能。随着发动机技术向高速、大功率、高爆压、低排放、高性能、轻质量、长寿命的方向发展[1],需要通过提高功率来提升发动机性能，使得发动机爆压不断提升，导致气缸套工况更加恶劣。现有合金灰铸铁材质的气缸套要满足高爆压使用条件就必须增加壁厚，这样才能有效防止掉台、崩裂等失效风险。如果增加气缸套的壁厚，大功率高爆压发动机的设计就必须增加缸心距，这将导致发动机体积和质量大幅增加，达不到轻质量、低排放、节能环保的效果；另外，还会影响缸套散热效果，降低缸套和缸内部件的使用寿命[2].
所以，必须开发一种高强度、高耐磨的材料来适应未来发动机技术的发展。等温淬火球墨铸铁具有高强度、塑性好、动载性能好、耐磨性及吸震性好等优点[3-6],非常适合气缸套的工况需求，高强度可以满足发动机的高爆压需求；同时还可将气缸套壁厚做得非常薄，这不仅使气缸套质量减轻，还可大幅减少缸心距，减少发动机体积和质量，达到轻质量、低排放、节能环保的目标[7-8].在此基础上，本文按照合金化原理设计了一种新型球墨铸铁的成分，并对其等温淬火后的组织性能进行了系统研究，优化出加工工艺和热处理工艺，为高性能气缸套的制备提供试验依据和技术支撑。
1 试验材料与方法
试验材料采用 500kg中频感应电炉熔炼，其主要化学成分（质量分数，%）为：w（C）=36% ~39%;w（Si）=25% ~28%;w（Mn）=02% ~03%;w（P）<01%;w（S）≤002%;w（Cu）=12% ~16%;w（Ni）=01% ~02%;残余 w（Mg）=003% ~005%;残余 w（Ce）=002% ~004%,余者为 Fe.在溶化铁水中，加入质量分数为 10% ~12%的 ZFCR6球化剂，经过 75硅铁一次孕育剂和硅锶二次孕育剂处理后，用卧式离心浇注机浇注成气缸套毛坯，浇注温度为 1350~1450℃，模具温度为 450~500℃，出坯温度为 750~850℃，出型后铸件自然冷却。
拉伸试样取自气缸套毛坯，将拉伸试样分别在 880℃、920℃、950℃的温度下进行奥氏体化处理，保温时间 90min.然后迅速放入 340℃、360℃、380℃的盐浴炉中，分别进行 40min、80min、120min的等温淬火处理，随即空冷至室温。拉伸试验在岛津 AGI250kN电子力学拉伸试验机上按照 GB/T228-2002进行。断口形貌的观察在 JSM5610LV扫描电镜（scanningelectronmicroscope,SEM）上进行。
金相试样取自拉伸试棒，逐级打磨至镜面光滑后，经过质量分数为 4%的硝酸酒精深度侵蚀后，在扫描电镜上进行组织观察，金相组织观察完毕之后进行布氏硬度的测量。硬度测试在 HB3000B型布氏硬度计上进行，选用的压头直径为 2.5mm,试验力为 1837.5N,保持时间为 30s.在对等温淬火球墨铸铁微观组织和力学性能分析的基础上，优化出适合于工业化大生产条件下的等温淬火工艺。然后在BRUKERUMT3型摩擦磨损试验机上，检测该工艺条件下球墨铸铁与气缸套常用灰铸铁材质的摩擦因数。试验时采用润滑油进行润滑，摩擦配副采用镀铬活塞环，载荷为 10N,试验温度为 150℃，往复频率 15Hz,往复行程 4mm,测试时间 100s.同时表征了等温淬火球墨铸铁在不同摩擦速度下摩擦因数的变化规律，不同的摩擦速度通过改变往复频率得以实现，往复频率从 15Hz变化至 45Hz.
2 试验结果与分析
2.1 球墨铸铁等温淬火前后的微观组织形貌
球墨铸铁等温淬火前、后的显微组织形貌如图 1所示。图 1a是球墨铸铁等温淬火处理前的组织形貌，从图 1a中可以看出：在本试验条件下，采用离心浇注的方式得到了球墨铸铁，相应的基体为珠光体加铁素体复相组织。等温淬火处理后，球墨铸铁的基体组织珠光体加铁素体转变成为贝氏体组织，球状石墨形状变得较为圆整，这是由于奥氏体化时，球状石墨外圆的毛刺被周边的贫碳区吸收所致[9-10].在同一奥氏体化温度下，随着等温温度的升高，贝氏体形态也从细长针状向短棒状发生变化，如图 1b~图 1d所示。
当等温温度为 340℃时，贝氏体针长度为 20~50μm,宽度为 1~2μm,如图 1b所示。当温度升至 380℃后，贝氏体针长度为 10~20μm,宽度为 2~4μm,如图 1d所示。而在同一等温温度和时间下，随着奥氏体化温度的升高，等温淬火组织会逐渐粗化[11],如图 1e和图 1f所示。这是由于等温淬火温度升高，使过冷奥氏体转变的孕育期缩短，转变速度加快，碳原子的扩散速度增加，使奥氏体富碳，形成高碳的奥氏体，趋于稳定；奥氏体数量增加使得塑性韧性明显增加，强度和硬度则呈下降趋势。
2.2 球墨铸铁等温淬火前后的力学性能
表 1为球墨铸铁经过不同奥氏体化温度处理后，在不同温度下等温淬火后的抗拉强度值。由表 1可以看出：抗拉强度最大值出现在奥氏体化温度为 950℃、等温温度为 340℃、等温 120min时的试样，为 1392MPa;抗拉强度最小值出现在奥氏体化温度为 950℃、等温温度为 380℃、等温 40min时的试样，为 1016MPa.当奥氏体化温度相同时，随着等温温度的升高，其抗拉强度呈下降趋势；但是在同一等温温度下，随着奥氏体化温度的升高，抗拉强度并没有呈现出明显的变化趋势。等温淬火后的球墨铸铁的布氏硬度值如表 2所示。从表 2中可以看出：硬度值的变化趋势与抗拉强度的变化趋势较为一致，当抗拉强度越大，对应的布氏硬度值也较大。总体而言，在较高的等温温度下试样的抗拉强度和硬度值均明显低于较低的等温温度下的试样。力学性能出现明显差异的原因是对应的贝氏体形态不同所致。
众所周知，贝氏体组织是中温转变产物，转变温度越低，原子扩散能力也就越差，贝氏体中铁素体晶粒变细且含碳量明显增加，碳化物尺寸减小，同时数量显着增多，贝氏体形态也由短棒状向细针状变化[12],因此，等温淬火球墨铸铁的强度和硬度也随之增加，与图 1的显微组织观察结果相吻合。
2.3 球墨铸铁等温淬火前后的断口形貌
球墨铸铁等温淬火前、后拉伸试样的断口形貌如图 2所示。等温淬火前，基体组织为珠光体加铁素体的断口呈现出明显的脆性解理断裂特征，断面上呈现出大量的解理平面和河流花样，在球状石墨的周围出现了少量的撕裂棱，如图 2a所示。基体组织为贝氏体在一定程度上改善了球墨铸铁的塑性，等温淬火处理后，贝氏体试样的断口形貌均明显异于等温淬火前试样的断口形貌。当奥氏体化温度为 880℃时，断口表面存在着浅而小的韧窝，同时局部还存在着微裂纹，如图 2b所示。当温度升高至 920℃时，断口表面密布着大量小而深的韧窝，呈现出典型的韧性断裂特征，如图 2c所示。当温度继续升高至950℃后，断口表面较为平坦，韧窝数量也明显小于 920℃条件下的数量，如图 2d所示。
2.4 球墨铸铁等温淬火前后的摩擦磨损性能
表 3为试验用球墨铸铁和气缸套常用灰铸铁材质在相同润滑条件下的摩擦因数。从表 3可以看出：气缸套常用灰铸铁材质在相同条件下的摩擦因数均高于试验用球墨铸铁材质，表明该球墨铸铁材质具有较低的摩擦因数，因此在摩擦性能方面优于传统气缸套材质。
表 4为试验用球墨铸铁材料在相同润滑条件下、不同摩擦速度的摩擦因数检测结果。从表 4可以看出：活塞环与球墨铸铁试块之间摩擦因数基本维持在 012~013,试验用球墨铸铁材料在润滑条件下，摩擦往复频率由 15Hz升至 45Hz,摩擦因数由01302降至 01214,摩擦因数随摩擦副相对速度提高而逐渐减小，说明试验用球墨铸铁材质更加适用于高速发动机应用场合。
相应的磨损量检测结果如表 5所示。
由表 5可以看出：相同条件下球墨铸铁材质相对磨损量是耐磨性较好的贝氏灰铸铁磨损量的 75%,相对耐磨性是贝氏体灰铸铁的 1.3倍。其中：相对磨损量是以一种气缸套材质的磨损值为基准（相对磨损为 100%），其余气缸套材质的磨损值与该基准磨损值的百分比；相对耐磨性是以一种气缸套材质的磨损值为基准（相对耐磨性为 1），该基准值与其余气缸套材质的磨损值之比。球墨铸铁材质相比贝氏体灰铸铁具有更高的耐磨性，因为球墨铸铁材料具有低的摩擦因数，球墨铸铁在等温淬火后具有较高的硬度，布氏硬度达到 350HB以上，和贝氏体灰铸铁的硬度相当。同时，球墨铸铁材料具有较高的接触疲劳强度，磨损表面不易发生疲劳缺陷，材料表现出优良的耐磨性[13-14].综合以上分析，该球墨铸铁材质的耐磨性优于传统气缸套常用材质。
3 结论
在本试验条件下，试验用球墨铸铁最佳热处理工艺制度为：920℃奥氏体化 90min后，在 360℃的盐浴炉中等温淬火 80min,此时球墨铸铁抗拉强度为 1251MPa,硬度为 342HB,能满足大功率、高爆压、低排放、高性能、轻质量、长寿命的高性能发动机用气缸套材质的需要。同时，该球墨铸铁还具有优良的摩擦磨损性能，摩擦因数随着摩擦速度的升高而降低。等温淬火处理使得球墨铸铁的断口形貌由热处理前的脆性断裂向热处理后的韧性断裂发生转变。
参考文献：
[1] 程建峰，刘昌明，翟彦博。气缸套材料及成形工艺的研究进展[J].热加工工艺，2011,40（1）：21-24.
[2] 尹志新，贺琳丹，李端芳，等。汽缸套铸造预热等温淬火工艺与性能的研究[J].铸造，2010,59（10）：1073-1075.
[3] 张忠仇，李克锐，吴建基，等。我国等温淬火球铁的现状及前景[J].铸造，2004,53（2）：45-48.
[4] 李佐锋。等温淬火球墨铸铁的热处理及应用[J].农业装备与车辆工程，2007,44（6）：11-13.
