《Materials Today Communications》：Microstructure, Hardness and Scratch Resistance of Austempered Compacted Graphite Iron with Initial Fully Ferritic Matrix
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研究人员对铸态铁素体蠕墨铸铁(CGI)合金实施奥铁体化等温淬火热处理，结果显示与铸态试样相比，热处理后试样的硬度和微划痕抗力均显著提升。本研究从铸态坯料取样，在900°C奥氏体化温度下保温60分钟，随后于325°C盐浴中等温淬火，等温保温时间分别设为30、60
研究人员对铸态铁素体蠕墨铸铁(CGI)合金实施奥铁体化等温淬火热处理，结果显示与铸态试样相比，热处理后试样的硬度和微划痕抗力均显著提升。本研究从铸态坯料取样，在900°C奥氏体化温度下保温60分钟，随后于325°C盐浴中等温淬火，等温保温时间分别设为30、60、90和120分钟，系统考察等温时间对最终显微组织、硬度及微划痕性能的影响。采用光学显微镜、扫描电子显微镜结合电子背散射衍射(EBSD)分析表明，所有热处理试样均形成奥铁体(austferritic)基体，且石墨形态未受热处理影响。布氏硬度测试显示，奥铁体基体的硬度较铁素体蠕墨铸铁显著提升，其中最短等温保温时间的硬度增幅最大。此外，纳米硬度值因针状铁素体与碳饱和残留奥氏体的共存而在基体内呈现显著波动。随着等温保温时间延长，碳饱和残留奥氏体含量逐渐降低；但当等温保温时间超过60分钟后，试样划痕硬度随保温时间延长呈上升趋势，而铁素体蠕墨铸铁的划痕硬度则保持恒定。
该研究由瑞典舍夫德大学Rohollah Ghasemi独立完成，发表于《Materials Today Communications》。研究针对内燃机活塞环、缸套等关键运动部件对高耐磨、高强韧材料的需求，聚焦蠕墨铸铁(CGI)的热处理改性瓶颈。当前工业界广泛应用的珠光体级CGI虽已成熟，但针对其奥铁体化等温淬火工艺的研究极为匮乏——这主要受限于CGI生产中镁处理工艺复杂、石墨形态控制难度高的技术痛点。与球墨铸铁相比，CGI独特的紧凑石墨形态兼具优异的力学性能与导热性，但其等温淬火过程中的相变动力学机制尚未明确，制约了该材料在高耐磨场景的进一步应用。研究人员通过开展系统的热处理实验与多尺度表征，揭示了全铁素体基体CGI在325°C等温温度下的显微组织演变规律，明确了等温保温时间对硬度与抗划伤性能的调控机制，为CGI的高性能化热处理提供了关键实验依据。
为开展研究，研究人员采用全铁素体基体CGI铸态活塞环为原材料，其碳当量控制在近共晶点4.2。试样经900°C奥氏体化60分钟后，分别于325°C盐浴中等温保温30、60、90、120分钟，随后空冷至室温。表征环节采用三类核心技术：一是显微组织表征，通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及电子背散射衍射(EBSD)定量分析针状铁素体与残留奥氏体的体积分数；二是多尺度硬度测试，分别采用20 mN载荷的Berkovich压头开展纳米压痕测试，以及750 kg载荷的5 mm硬质合金球开展布氏硬度测试；三是微划痕测试，采用尖端半径50 μm的球形锥金刚石压头，在200、600、1000 mN恒定载荷下开展1000 μm长度划痕实验，通过实时记录法向力、切向力与划痕深度计算划痕硬度。
研究结果分为四个部分。第一部分为显微组织观察。铸态CGI基体为95%铁素体，含少量球状石墨（占比≤10%），等温淬火后石墨形态未发生破坏。奥氏体化阶段使基体完全转变为均匀奥氏体，325°C等温后形成由针状铁素体（蚀刻后呈黑色针状）与高碳残留奥氏体（蚀刻后呈白色区域）构成的奥铁体(austferritic)双相组织。硅元素（2.2 wt%）有效抑制了碳化物析出，短保温时间（30分钟）试样含约15%碳化物，60-90分钟试样碳化物降至≤5%，120分钟试样出现微量二次碳化物。EBSD分析证实奥铁体组织呈无规则交错分布，赋予材料各向同性强度。与同成分球墨铸铁相比，CGI因紧凑石墨的高比表面积加速了奥氏体化阶段的碳扩散，使30分钟等温后奥铁体体积分数达85%，远高于球墨铸铁的25%-30%。
第二部分为硬度测试结果。布氏硬度显示，奥铁体基体硬度显著高于铸态铁素体CGI，30分钟等温试样硬度最高——这是因为短保温时间下残留奥氏体碳含量不足，冷却过程中部分转变为马氏体；60-90分钟试样硬度略有下降，对应稳定的奥铁体组织形成；120分钟试样硬度回升，源于第二阶段转变中残留奥氏体分解产生的碳化物。纳米压痕结果呈现相似的U型变化趋势，且基体内硬度值在7.5-16.5 GPa区间波动，反映了针状铁素体（高硬度）与碳饱和残留奥氏体（低硬度）的多相特性。弹性功与塑性功的比值随等温时间延长而升高，表明材料塑性变形能力逐步优化。
第三部分为微划痕行为。低载荷（200 mN）下，划痕窄浅，以轻微磨粒磨损为主，石墨颗粒起到固体润滑作用；中载荷（600 mN）下，划痕增宽，边缘出现堆积，伴随石墨破碎与剥落，磨损机制转为磨粒-粘着混合模式；高载荷（1000 mN）下，划痕严重变形，出现基体剥落与分层，应力集中引发的微裂纹在石墨周边萌生，磨损以严重磨粒磨损为主导。铸态铁素体CGI在所有载荷下划痕宽度最大、深度最深，表现出最差的划痕抗力；等温淬火试样划痕宽度显著降低，仅90分钟试样在1000 mN载荷下划痕深度略高。
第四部分为结论总结。研究证实，等温保温时间对残留奥氏体含量具有负调控效应：保温时间越短，残留奥氏体体积分数越高（30分钟达81.09%）。奥铁体基体的布氏硬度较铸态铁素体CGI提升显著，其中30分钟等温试样硬度峰值源于未稳定残留奥氏体向马氏体的转变。纳米硬度在基体内的显著波动直接反映了针状铁素体与碳饱和残留奥氏体的两相分布特征。划痕硬度方面，铸态铁素体CGI保持恒定值（约2 GPa），而等温淬火试样在保温时间超过60分钟后呈上升趋势，表明适当的等温保温可同步优化硬度与抗划伤性能。该成果明确了CGI奥铁体化等温淬火的工艺窗口，为内燃机耐磨部件的选材与热处理提供了重要的实验支撑。
