劉曉宇 王麗萍 郭二軍 馮義成 伊鵬躍

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)熱處理工藝生產(chǎn)的奧貝球鐵（ADI），其阻尼性能與高阻尼合金的標(biāo)準(zhǔn)還有一定的差距。采用兩步法淬火-配分新型熱處理工藝，對(duì)不同配分熱處理溫度下ADI的阻尼性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：固定配分溫度為360℃不變，應(yīng)變振幅較低時(shí)，淬火溫度為240℃時(shí)ADI的阻尼性能最佳；應(yīng)變振幅較高時(shí)，淬火溫度為260℃時(shí)ADI的阻尼性能最佳，內(nèi)耗值Q-1>0.01，達(dá)到了高阻尼合金的標(biāo)準(zhǔn)；淬火溫度為300℃時(shí)，存儲(chǔ)模量最高，淬火溫度為280℃時(shí)存儲(chǔ)模量最低。固定淬火溫度為280℃不變，配分溫度為320℃時(shí)ADI的阻尼性能最佳，最高內(nèi)耗值Q-1達(dá)到了0.017；配分溫度為340℃時(shí)存儲(chǔ)模量最高，配分溫度為360℃時(shí)存儲(chǔ)模量最低。

關(guān)鍵詞：奧貝球鐵；淬火溫度；配分溫度；阻尼性能；存儲(chǔ)模量

DOI：10.15938/j.jhust.2018.02.022

中圖分類號(hào)： TG156

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）02-0124-05

Abstract：In view of the traditional heat treatment process of austempered ductile iron（ADI）， the damping performance， there is still a gap to the standard of high damping alloy.Take the two-step method of quenching-partitioning heat treatment process， the damping properties of different partitioning heattreatment temperatures ADI were studied systematically， The experimental results showed that：Fixed partition temperature is 360 ℃，whenthe strain amplitude is lower，whenthe quenching temperature is 240℃，ADI has the best damping properties； When the strain amplitude is higher， whenthe quenching temperature is 260℃，ADIhas the best damping properties； internal friction valuesQ-1>0.01，reach the standard of the high damping alloy.when the quenching temperature is 280℃，ADIhasthe has the lowest storage modulus. Fixed partition temperature is 360℃，whenthe partitioning temperature is 320℃，ADI has the best damping properties. The highest internal friction values Q-1 reached to 0.017；When thepartitioning temperature is 360℃，ADI has the lowest storage modulus.

Keywords：austempered ductile iron； quenching temperature；partitioning temperature；damping properties； storage modulus

0 引 言

隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，減振和降噪的方法和工藝的研究越來越迫切。在工業(yè)生產(chǎn)中，多數(shù)零件的故障都與振動(dòng)和噪聲有關(guān)，這種振動(dòng)不僅會(huì)造成材料結(jié)構(gòu)的破壞，影響機(jī)器各零件運(yùn)行的平穩(wěn)性，精度，靈敏度和壽命，與此同時(shí)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，也是一種重大的污染[1-3]。奧貝球鐵（austempered ductile iron，ADI）由于其特殊的組織特點(diǎn)，使其綜合性能優(yōu)于普通球鐵[4]、可鍛鑄鐵和鑄鋼；與此同時(shí)，也具有良好的降噪效果，使零件的壽命延長(zhǎng)[5-9]。但是傳統(tǒng)熱處理工藝生產(chǎn)的ADI的阻尼性能水平距離高阻尼合金來說還有很大的差距，在不改變?cè)铣煞值那疤嵯?，調(diào)整熱處理工藝是改變ADI組織和阻尼性能的重要手段[10-12]。因此，本文將兩步法淬火-配分熱處理工藝[13]應(yīng)用于ADI的生產(chǎn)上，其基本特點(diǎn)如下：將球墨鑄鐵高溫奧氏體化后，在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間內(nèi)，先進(jìn)行短時(shí)的低溫淬火，使鐵素體快速形核，然后再高溫配分熱處理保溫一段時(shí)間，促進(jìn)碳原子從鐵素體向周圍奧氏體中分配，最終獲得高碳、穩(wěn)定的殘余奧氏體以及細(xì)小、均勻的針狀鐵素體，獲得比傳統(tǒng)熱處理生產(chǎn)工藝的ADI更優(yōu)異的組織。

本文對(duì)不同配分熱處理溫度下ADI的阻尼性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和分析，旨在揭示配分熱處理溫度對(duì)ADI的阻尼性能的影響規(guī)律，優(yōu)化出顯著提升ADI阻尼性能的熱處理生產(chǎn)工藝。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選用本溪Q10生鐵、45#碳素鋼、75Si-Fe、錳鐵、純銅、稀土鎂球化劑為原料，按目標(biāo)成分（表1所示）進(jìn)行配比。

采取的具體熱處理工藝參數(shù)如表2所示。

采用GWJ-0.35型中頻感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，1500～1550℃出爐，沖入依次鋪有烘干后的球化劑、孕育劑和覆蓋劑的澆包進(jìn)行球化孕育處理，扒渣后進(jìn)行二次孕育處理，待鐵水溫度降至1300～1350℃時(shí)澆入Y型試塊（GB/T24733-2009）砂型中。清理切割后，選用材料為50%KNO3+50%NaNO3的外加熱式鹽浴爐進(jìn)行淬火處理。

采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的DMA（Q800）動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀進(jìn)行阻尼性能測(cè)試，試樣加工尺寸為45mm×10mm×1mm。其測(cè)試原理是：在強(qiáng)迫振動(dòng)下，測(cè)量出應(yīng)力與應(yīng)變之間的位相差α，即損耗角α，材料的內(nèi)耗值Q-1=tanα。金相組織觀察采用的是OLYMPUS-GX71型金相顯微鏡。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 淬火溫度對(duì)ADI阻尼性能及存儲(chǔ)模量的影響

不同淬火溫度下ADI的阻尼性能及存儲(chǔ)模量分別見圖1、2，由圖1可見，ADI的阻尼值在較小應(yīng)變振幅作用時(shí)表現(xiàn)為上下波動(dòng)，當(dāng)應(yīng)變振幅達(dá)到一定值時(shí)ADI的阻尼值迅速上升，應(yīng)變振幅繼續(xù)增加，ADI的阻尼值趨于平緩。圖1中的數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)應(yīng)變振幅介于0.005%～0.02%之間時(shí)，淬火溫度為240℃的ADI的阻尼性能最佳；當(dāng)應(yīng)變振幅大于0.02%時(shí)，淬火溫度為260℃時(shí)的ADI的阻尼性能最佳，內(nèi)耗值Q-1>0.01，達(dá)到了高阻尼合金的標(biāo)準(zhǔn)[14]。

圖2中數(shù)據(jù)顯示：ADI的存儲(chǔ)模量隨著應(yīng)變振幅的增加有所下降，直至平緩。不同的淬火溫度對(duì)ADI存儲(chǔ)模量的影響很大，淬火溫度為280℃時(shí)，存儲(chǔ)模量最低，淬火溫度為300℃時(shí)，存儲(chǔ)模量最高，因此，為了獲得較好的阻尼性能及較中和的模量，淬火溫度為260～280℃為宜，這樣會(huì)使ADI零件有良好的阻尼減振性的同時(shí)剛性也不高，降噪良好，可以提高零件的壽命。

2.2 配分溫度對(duì)ADI阻尼性能及存儲(chǔ)模量的影響

圖3、圖4分別代表不同配分溫度下ADI的阻尼性能及存儲(chǔ)模量，圖4中數(shù)據(jù)顯示，隨著應(yīng)變振幅的增加，阻尼性能在小范圍內(nèi)波動(dòng)后開始逐步上升，配分溫度為320℃的ADI的阻尼性能明顯優(yōu)于其他工藝下的阻尼性能，最高內(nèi)耗值達(dá)到了0.017，具有高阻尼合金的優(yōu)良減振性，而其他工藝下ADI的阻尼性能之間差別不大。

不同配分溫度下ADI的存儲(chǔ)模量見圖4，數(shù)據(jù)顯示：各熱處理工藝參數(shù)之間的存儲(chǔ)模量差異較大，變化規(guī)律都是隨著應(yīng)變振幅的增加而降低，配分溫度為360℃時(shí)存儲(chǔ)模量最低。在實(shí)際ADI零件的生產(chǎn)時(shí)，可以與不同熱處理工藝下的力學(xué)性能及阻尼性能結(jié)合分析后選擇最優(yōu)工藝。

3 討論與分析

ADI的典型組織是球狀石墨相與針狀鐵素體、殘余奧氏體組成，屬于復(fù)相型阻尼合金。從材料本身結(jié)構(gòu)來說，ADI的阻尼來源有晶界阻尼、相界面阻尼和位錯(cuò)阻尼等。晶界阻尼是指在周期應(yīng)力作用下晶界發(fā)生粘滯性滑動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而引起的振動(dòng)能的消耗[15-17]。相界面阻尼來源于石墨相及基體組織間的界面在外加振動(dòng)應(yīng)力作用下的粘滯性滑動(dòng)及微塑性變形[18]，振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻尼行為消耗了能量。位錯(cuò)阻尼主要指在應(yīng)力作用下基體中的位錯(cuò)弦的弓出或脫釘，由此引起應(yīng)力松弛和機(jī)械振動(dòng)能量的消耗[19]。

ADI的阻尼值在較小應(yīng)變振幅作用時(shí)表現(xiàn)為上下波動(dòng)，當(dāng)應(yīng)變振幅達(dá)到一定值時(shí)，ADI的阻尼值迅速上升，應(yīng)變振幅繼續(xù)增加，ADI的阻尼值最終趨于平緩。位錯(cuò)阻尼是產(chǎn)生此現(xiàn)象的一個(gè)重要因素，這可以用位錯(cuò)弦脫釘模型[20]來解釋：當(dāng)應(yīng)變振幅較低時(shí)，基體中的位錯(cuò)只能在小區(qū)域的弱釘扎點(diǎn)之間作弓出運(yùn)動(dòng)，這時(shí)阻尼較低。當(dāng)應(yīng)變振幅較大時(shí)，位錯(cuò)脫開弱釘扎點(diǎn)的釘扎，作弓出運(yùn)動(dòng)的區(qū)域更大，應(yīng)變振幅越大，脫離弱釘扎點(diǎn)的釘扎的位錯(cuò)越多，阻尼越高，進(jìn)而阻尼隨應(yīng)變振幅的增大而增大。應(yīng)變振幅繼續(xù)升高到某一臨界值后，位錯(cuò)線的最大脫釘應(yīng)力小于位錯(cuò)對(duì)弱釘扎點(diǎn)的作用力，導(dǎo)致了所有位錯(cuò)線都脫離了弱釘扎點(diǎn)的釘扎，所以這時(shí)ADI的阻尼就基本不隨應(yīng)變振幅變化了。

在應(yīng)變振幅較低時(shí)，淬火溫度240℃時(shí)ADI的阻尼性能最好，應(yīng)變振幅較高時(shí)，淬火溫度260℃時(shí)ADI的阻尼性能最好。這是因?yàn)榇慊饻囟容^低時(shí)，奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的相變驅(qū)動(dòng)力大，鐵素體形核所需的臨界晶核半徑小，形核數(shù)目隨之增多，致使鐵素體組織細(xì)化呈針狀（如圖5（a）所示），增加了晶粒間的接觸面積，晶粒間的粘滯性滑動(dòng)作用較強(qiáng)，晶界阻尼行為增強(qiáng)，從而240℃～260℃的阻尼性能較好。隨著溫度的提升，雖然碳的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，但此時(shí)奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的相變驅(qū)動(dòng)力卻減小，鐵素體形核所需的臨界晶核半徑增大，形核數(shù)目隨之減少，造成組織的粗化[21]（如圖5（c）所示），降低了晶粒間及相間的接觸面積，粘滯性滑動(dòng)行為減弱，振動(dòng)時(shí)基體的微塑性變形作用也隨之降低，從而導(dǎo)致材料的阻尼減振性降低。淬火溫度為280℃時(shí)，存儲(chǔ)模量最低，并且針狀鐵素體組織較細(xì)，殘余奧氏體的分布較均勻（如圖5（b）所示）。

配分溫度為320℃時(shí)ADI的阻尼性能明顯優(yōu)于其他工藝下的阻尼性能。這是因?yàn)樵?20～360℃配分保溫時(shí)，溫度較淬火時(shí)有所升高，碳原子的擴(kuò)散速度增加，就會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)使鐵素體中的碳分配到奧氏體中，使奧氏體中的碳含量增加并且均勻化，形成穩(wěn)定的殘余奧氏體[22]，并且針狀鐵素體組織較細(xì)，形態(tài)沒有明顯的變化（如圖6（a）、（b）所示），晶粒間及相間的接觸面積較大，振動(dòng)時(shí)粘滯性滑動(dòng)行為及微塑性變形作用較強(qiáng)，故此時(shí)阻尼減振性較好。但是配分溫度達(dá)到400℃時(shí)，溫度過高導(dǎo)致針狀鐵素體組織開始粗化，呈粗松針狀析出（如圖6（c）所示），并且局部出現(xiàn)分布不均的奧氏體。過高的配分溫度導(dǎo)致的組織粗大，會(huì)嚴(yán)重影響ADI的各種性能指標(biāo)，并且晶粒間及相間的接觸面積減少了，減弱了振動(dòng)時(shí)晶粒間及相間的粘滯性滑動(dòng)阻尼行為及基體的微塑性變形，從而導(dǎo)致阻尼減振性降低。配分溫度為360℃時(shí)儲(chǔ)能模量最低，并且針狀鐵素體組織較細(xì)、殘余奧氏體分布均勻（如圖6（b）中所示）。

4 結(jié) 論

1）當(dāng)應(yīng)變振幅介于0.005%～0.02%之間時(shí)，淬火溫度為240℃的ADI阻尼性能最佳；當(dāng)應(yīng)變振幅大于0.02%時(shí)，淬火溫度為260℃時(shí)的ADI阻尼性能最佳，內(nèi)耗值Q-1>0.01，達(dá)到了高阻尼合金的標(biāo)準(zhǔn)。淬火溫度為300℃時(shí)，存儲(chǔ)模量最高，淬火溫度為280℃時(shí)，存儲(chǔ)模量最低。

2）配分溫度為320℃的ADI的阻尼性能最佳，最高內(nèi)耗值Q-1達(dá)到了0.017；其他工藝下的阻尼性能差別不大。配分溫度為340℃時(shí)存儲(chǔ)模量最高，配分溫度為360℃時(shí)存儲(chǔ)模量最低。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]高菲， 付彭懷， 李應(yīng)典， 等. 鑄造Mg-Gd-Y-Al鎂合金的拉伸與阻尼性能[J]. 特種鑄造及有色合金， 2014（4）：440-444.

[2]胡小石. 熱處理和變形對(duì)鎂合金低頻阻尼性能的影響及機(jī)理研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2007.

[3]陸文龍， 房萍， 姜銀方. 貝氏體灰鑄鐵的內(nèi)耗特征[J]. 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)， 2003（1）： 23-24.

[4]郭二軍， 王麗萍， 宋良， 等. 錳對(duì)厚大斷面球鐵力學(xué)性能和斷裂韌性的影響[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015（6）： 1-8.

[5]NOFAL A. Advances in the metallurgy and applications of ADI[J]. Journal of Metallurgical Engineering， 2013（2）： 1-18.

[6]鄒佳鵬， 李冰， 趙炳怡， 等. 熱處理工藝對(duì)ADI組織及耐磨性能的影響[J]. 現(xiàn)代鑄鐵， 2015（1）： 32-38.

[7]ZAMMIT A， MHAEDE M， GRECH M. Influnce of shot peening on the fatigue life of Cu-Ni austempered ductile iron[J]. Materials Science and Engineering A， 2012（545）： 78-85.

[8]HAN J M， ZHOU Q， BARBER G C. Study of the effects of austempering temperature and time on scuffing behavior of austempered Ni-Cu ductile iron[J]. 2012（290-291）： 99-105.

[9]司乃潮， 傅明喜， 孫少純， 等. 奧貝球鐵齒輪降噪耐磨原因及分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 2002（2）： 165-170.

[10]李先雨， 韓福生， 郝剛領(lǐng)， 等. Fe-Ga合金阻尼性能影響因素[J]. 河南科學(xué)， 2014（12）： 2463-2466.

[11]李勇， 程漢湘. 阻尼鎂合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電工材料， 2016（5）： 33-37.

[12]宋欣達(dá)， 鄭世強(qiáng). 基于虛擬阻尼補(bǔ)償?shù)暮愎β守?fù)載系統(tǒng)控制方法[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2016（8）： 1-9.

[13]朱帥， 康永林， 李聲慈， 等. 配分溫度對(duì)Q&P;鋼組織性能的影響[J]. 熱加工工藝， 2011（24）： 176-178.

[14]范浩. 熱處理對(duì)Mn-Cu合金阻尼性能的影響及阻尼材料疊層結(jié)構(gòu)研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)， 2015.

[15]陳樹群. 鑄造鎂合金阻尼性能研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)， 2013.

[16]孔慶平， 方前鋒， 蔣衛(wèi)斌， 等. 晶界內(nèi)耗研究的進(jìn)展[J]. 物理學(xué)進(jìn)展， 2016（2）： 46-63.

[17]徐凌云， 吉靜， 黃菁， 等. 固溶碳原子對(duì)IF鋼Snoek內(nèi)耗峰的影響[J]. 理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)）， 2016（3）： 156-158.

[18]湯虎， 彭金花， 楊弋濤. 珠光體基體灰鑄鐵內(nèi)耗、共振頻率及組織的關(guān)系研究[J]. 上海金屬， 2011（4）： 23-26+32.

[19]張忠明， 王錦程， 馬瑩， 等. 水平連鑄灰鐵HT250型材的阻尼行為[J]. 特種鑄造及有色合金， 2012（2）： 154-157.

[20]GRANATO A. Theory of mechanical damping due to dislocation[J]. Journal of Applied Physics， 1956（276）： 583-593.

[21]孫玉福， 張婷， 趙靖宇， 等. 淬火溫度對(duì)CADI組織及性能的影響[J]. 鑄造， 2011（1）： 28-31.

[22]李先芬， 余瑾， 劉蘭俊， 等. 兩步法淬火工藝對(duì)淬火球墨鑄鐵組織和性能的影響[N]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2008（29）： 81-84.

（編輯：關(guān) 毅）