摘要：传统空调压缩机活塞的材料为合金灰口铸铁,为了满足压缩机工况需求、提高耐磨性能而添加了大量镍、钼等贵重金属元素[1],因此生产成本较高。球墨铸铁由于其特殊的石墨形态,在力学性能和耐磨、减摩性能方面与灰铸铁相比具有明显的优势[2-4]。在球墨铸铁中适量添加铬元素可

0. 引言

传统空调压缩机活塞的材料为合金灰口铸铁,为了满足压缩机工况需求、提高耐磨性能而添加了大量镍、钼等贵重金属元素[1],因此生产成本较高。球墨铸铁由于其特殊的石墨形态,在力学性能和耐磨、减摩性能方面与灰铸铁相比具有明显的优势[2-4]。在球墨铸铁中适量添加铬元素可以促进珠光体的形成,形成合金渗碳体,从而提高其强度、硬度和耐磨性能[5-6]。但是,CHENG等[7]研究发现,过量的铬（质量分数大于0.5%）会使球墨铸铁的冲击性能严重降低。微量铋元素能够在一定程度上抑制碎块状石墨的形成,细化石墨球并改善球墨铸铁组织,从而提高球墨铸铁的抗拉强度、断后伸长率和耐磨性能[8]。SONG等[9]和蒋立鹏[10]也发现,铋能够对球墨铸铁的石墨形态及数量产生影响,从而提高其力学性能,同时添加铋的最佳质量分数为0.01%左右,若加入过量的铋,则球墨铸铁中会出现大量的碎块状石墨,导致力学性能降低。为了进一步改善球墨铸铁的耐磨性能,作者在现有QT600-3铸铁中添加质量分数0.5%铬和0.01%铋元素,采用熔炼铸造成型方法制备出一种低合金球墨铸铁,研究了该球墨铸铁的显微组织以及在油润滑条件下的摩擦磨损性能,并与QT600-3铸铁和合金灰口铸铁进行对比。研究结果可为拓展球墨铸铁在压缩机领域的应用奠定基础。

1. 试样制备与试验方法

试验材料为以QT600-3铸铁成分为基础添加了质量分数0.5%铬和0.01%铋元素的新型低合金球墨铸铁,对比材料为QT600-3铸铁和传统空调压缩机活塞用合金灰口铸铁,具体化学成分如表1所示。QT600-3铸铁和合金灰口铸铁为肇庆匹思通机械有限公司提供,采用废钢、生铁、增碳剂等熔制而成。低合金球墨铸铁的制备过程：按照低合金球墨铸铁的化学成分称取QT600-3铸铁锭、铬质量分数55%铬铁和含铋复合孕育剂（铋质量分数1%的硅铁）；将QT600-3铸铁锭放入中频感应加热炉进行重熔,待铸锭全部熔化后添加铬铁和含铋复合孕育剂,铁液的温度控制在（1 560±10） ℃,保温约5 min后将铁液转入球化处理中间包中进行球化及孕育处理,待反应完全后再转入浇注包并浇入Y型试块的砂型中,浇注温度控制在（1 450±10） ℃,在整个浇注过程中一直采用随流孕育的方法加入随流孕育剂。对3种材料进行880 ℃保温60 min的淬火处理以及150 ℃保温120 min的回火处理,测得低合金球墨铸铁、QT600-3铸铁和合金灰口铸铁的硬度分别为59.3,43.5,50.2 HRC。

表 1 不同材料的化学成分

Table 1. Chemical composition of different materials

截取金相试样,经打磨、抛光,用体积分数4%硝酸乙醇溶液腐蚀后,采用LEICA/DMI 5000M型光学显微镜（OM）观察腐蚀前后试样的显微组织。采用MM-2000型环-块式摩擦磨损试验机进行室温摩擦磨损试验,铸铁试样的尺寸为10 mm×10 mm×10 mm,对磨件选用硬度为68~71 HRC的硬质合金环,其尺寸为外径50 mm、内径16 mm、厚10 mm,放置一个润滑油加入装置,通过对磨环的转动将润滑油带至摩擦副上来实现油润滑,所用的润滑油为空调压缩机专用冷冻机油。在磨损时间为12 h、速度为1 m·s−1条件下,载荷分别设置为400,800,1 200 N,研究载荷对摩擦磨损性能的影响；在试验载荷为800 N、速度为1 m·s−1条件下,磨损时间分别设置为3,6,9,12 h,研究磨损时间对摩擦磨损性能的影响。利用LEICA/DMI 5000M型光学显微镜观察磨损形貌。采用RTEC UP Dual Model 3D型光学轮廓仪对磨痕三维形貌进行观察,测量磨痕宽度和深度后计算出磨损体积,最后计算体积磨损率,计算公式[11]如下：

式中：W为体积磨损率,mm3·N−1·m−1；V为磨损体积,mm3；F为摩擦副上施加的载荷,N；S为摩擦副之间的相对运动距离,mm。

2. 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可以看出：3种铸铁在腐蚀前可清晰分辨出石墨和基体组织,腐蚀后的基体组织由马氏体和碳化物组成；低合金球墨铸铁和QT600-3铸铁的石墨呈球形,边缘较为圆整,其中低合金球墨铸铁中的石墨球更加细小,数量更多,形状更圆整,合金灰口铸铁中的石墨呈片状。统计得到QT600-3铸铁、低合金球墨铸铁、合金灰口铸铁的碳化物体积分数分别为1.0%,10.2%,8.9%。

图 1 腐蚀前后3种铸铁的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 摩擦磨损性能

材料的耐磨性能与其摩擦因数相关：摩擦因数越小,耐磨性能越好[12-13]。由图2可以看出,随着载荷的增加,不同铸铁试样的摩擦因数均增大,且均出现不同幅度的上下波动现象。摩擦磨损的前3 h为跑合阶段,也是材料磨损速率最大的阶段；当磨损时间大于3 h后进入稳定磨损阶段。不同载荷下3种试样的摩擦因数均较小,这主要是因为润滑油在摩擦副接触面之间形成了一层薄膜,减少了摩擦副之间的直接接触,同时润滑油会填充摩擦副表面的不规则凹坑,形成边界润滑[14]。随着载荷的增加,低合金球墨铸铁和QT600-3铸铁摩擦因数增大的趋势相同,在较低载荷（400~800 N）下的增长速率较低,在较高载荷（800~1 200 N）下则增长较快；随着载荷的增加,合金灰口铸铁的摩擦因数增长速率相对较缓。在400~800 N低载荷下,低合金球墨铸铁和QT600-3铸铁的减摩性能更好；在800 N和1 200 N高载荷下,低合金球墨铸铁和合金灰口铸铁的摩擦因数更大,这可能是因为在较大载荷下,当对磨件划过碳化物时,由于碳化物硬度较高,使得摩擦副表面粗糙度增大,导致摩擦因数较大。

图 2 不同载荷下不同铸铁的摩擦因数曲线以及平均摩擦因数随载荷的变化曲线

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

由图3可见,3种铸铁的体积磨损率均随着载荷的增加而增大,其中QT600-3铸铁的磨损程度最严重,表明其耐磨性能最差,而低合金球墨铸铁的体积磨损率最小,耐磨性能最好。1 200 N载荷下低合金球墨铸铁的体积磨损率分别比QT600-3铸铁和合金灰口铸铁减少了78%,25%。低合金球墨铸铁在油润滑条件下表现出更加优异的耐磨性能。

图 3 不同铸铁的体积磨损率随载荷的变化曲线

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

由图4可以看出,随着磨损时间的延长,3种铸铁的摩擦因数均略微减小,说明磨损时间对摩擦因数的影响很小。低合金球墨铸铁的摩擦因数最小,表明低合金球磨铸铁在油润滑条件下具有最好的减摩性能。

图 4 不同铸铁的平均摩擦因数随磨损时间的变化曲线

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

由图5可知,随着磨损时间的延长,3种铸铁的体积磨损率呈先增后降再增的趋势。在磨损3 h以内的跑合阶段时,在载荷的作用下,初始粗糙的摩擦副表面被磨出凹痕,实际接触面积增大,导致体积磨损率较大；在3~6 h稳定磨损阶段,经过磨合后表面发生加工硬化及微观形状改变,磨损速率减缓；当磨损时间超过6 h以后,表面遭到破坏,同时温度升高,导致磨损程度增加。在整个磨损过程中低合金球墨铸铁的体积磨损率最小,表明该铸铁具有最佳的抗长时间摩擦磨损性能。

图 5 不同铸铁的体积磨损率随磨损时间的变化曲线

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

2.3 磨损形貌和磨损机制

由图6可以发现：在较低的载荷（400 N）下,3种铸铁的磨损表面均出现较多的细长、整齐且平行分布的犁沟,犁沟贯穿石墨组织和碳化物组织；随着载荷增加至800 N,磨损表面的犁沟数量减少,犁沟宽度增加,表面趋于平整；当载荷达到1 200 N时,犁沟数量进一步减少,宽度进一步增加,取而代之的是大面积的平整磨损面。这是由于在较低的载荷下,在摩擦过程中形成的油膜难以被破坏,脱落到润滑油中的微小颗粒在摩擦过程中进入到摩擦副中,在相对运动时划过试样表面而形成犁沟；此时的磨损机制主要为磨粒磨损。随着载荷的增大,油膜被破坏,对磨件与试样之间发生直接接触,产生轻微的黏着磨损,磨粒磨损程度降低。低合金球墨铸铁和QT600-3铸铁的石墨球边缘较为圆整,在摩擦过程中受到的剪切力较为均匀而不易剥落；但是QT600-3铸铁的碳化物含量很少,因此磨损量很大。在800,1 600 N载荷下,合金灰口铸铁的基体组织因摩擦磨损发生变形而覆盖了片状石墨,从而形成闭合状的石墨,在后续的摩擦磨损过程中,该处容易因缺少支撑而在摩擦力的作用下发生脱落,导致材料的磨损量增加。

图 6 不同载荷下摩擦磨损后不同铸铁的磨损形貌

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

由图7可以看出,在较短磨损时间下磨损表面均观察到许多细长、平行的犁沟,而随着磨损时间的延长,犁沟出现变少、变宽的趋势。当磨损时间较短（3 h）时,摩擦产生的热量较少,大部分经热传导扩散至润滑油中,接触面的摩擦状态良好,此时的磨损机制为磨粒磨损；随着时间的延长,摩擦热大量产生,一方面使润滑油温度上升,黏度降低,无法在接触面形成稳定的油膜减少磨损,另一方面使材料表面发生软化并产生回火作用,从而使磨损程度增加[9],此时磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损。低合金球墨铸铁和合金灰口铸铁磨损表面上的许多犁沟划过或是终止于碳化物组织,由于碳化物硬度较高,有效阻止了犁沟划伤接触面,减轻了磨粒磨损的程度,提高了材料的耐磨性能。

图 7 不同磨损时间下不同铸铁的磨损形貌

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

低合金球墨铸铁中细小且密集分布的石墨球能够较好地阻碍大块碳化物的生成,碳化物呈细小块状均匀分布于基体组织中,在一定程度上提高了碳化物阻碍基体组织发生摩擦变形的作用；另一方面,在摩擦磨损过程中,较高球形度的石墨球降低了因异形石墨尖端易于产生应力集中发生剥落和开裂的可能。上述两个方面综合作用提高了低合金球墨铸铁的耐磨和减摩性能。

3. 结论

（1）在QT600-3铸铁成分基础上,加入铬和铋元素制备的低合金球墨铸铁组织由石墨、马氏体和碳化物组成,石墨球与QT600-3铸铁中相比更加细小,数量更多,形状更圆整,低合金球墨铸铁的碳化物含量高于合金灰口铸铁和QT600-3铸铁。

（2）在400~800 N低载荷下低合金球墨铸铁摩擦因数的增加速率较小,较高载荷下增加速率较大；在整个摩擦磨损过程中摩擦因数比较稳定,且均小于QT600-3铸铁和合金灰口铸铁。

（3）低合金球墨铸铁的体积磨损率随着载荷的增加而增大,随着磨损时间的延长呈先增后降再增的趋势,磨损机制主要为磨粒磨损。在载荷1 200 N、磨损时间12 h条件下低合金球墨铸铁的体积磨损率为10.7×10−13 mm3·N−1·m−1,与合金灰口铸铁和QT600-3铸铁相比分别减少25%和78%。低合金球墨铸铁中大量的细小碳化物可抵抗犁沟的扩展,减轻磨粒磨损程度,同时较高球形度的石墨球降低了其剥落和开裂的可能,从而提高了球墨铸铁在油润滑条件下的耐磨性能。

文章来源——材料与测试网

来源：小玉科技天地