石 昊 李莉娟 王海洋 朱雷敏 翟啟杰

(上海大學(xué)先進(jìn)凝固技術(shù)中心，上海 200444)

由于GCr15高碳鉻軸承鋼具有高的耐磨損和抗疲勞性能，以及在極端條件下的組織穩(wěn)定性，常被用來(lái)制作滾動(dòng)零件，如滾動(dòng)體、套圈及滾道等。但由于軸承鋼碳含量高，固- 液兩相區(qū)溫度范圍寬，凝固時(shí)容易造成嚴(yán)重的偏析[1- 3]。這種偏析會(huì)使鋼中形成大尺寸碳化物[4]，并在后續(xù)的軋制過(guò)程中難以消除，導(dǎo)致碳化物分布不均勻，從而影響軸承鋼的力學(xué)性能和疲勞壽命[5- 7]。

上海大學(xué)翟啟杰等原創(chuàng)的脈沖磁致振蕩技術(shù)，即PMO(pulse magneto- oscillation)技術(shù)[8- 13]已被證實(shí)具有擴(kuò)大連鑄坯等軸晶區(qū)及改善中心縮孔和偏析的作用，并已投入工業(yè)化應(yīng)用。程勇等[13]研究發(fā)現(xiàn)，PMO處理能使240 mm×240 mm的GCr15軸承鋼連鑄方坯等軸晶區(qū)面積增大，碳元素分布更加均勻。王海洋等[14]研究發(fā)現(xiàn)，PMO處理后GCr15鋼鑄坯等軸晶面積占比增大，棒材中液析碳化物級(jí)別從1級(jí)降至0級(jí)，帶狀碳化物從2級(jí)改善到1級(jí)。何西等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在PMO作用下，提高拉速5%左右，齒輪鋼鑄坯仍能滿足質(zhì)量要求。

本文在中心前期研究了的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究PMO對(duì)軸承鋼棒材不同部位碳化物帶狀及碳化物顆粒尺寸的影響，以期進(jìn)一步探究PMO對(duì)軸承鋼中碳化物的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

在中天鋼鐵集團(tuán)特鋼的0號(hào)連鑄機(jī)上進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，GCr15軸承鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 GCr15軸承鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

試驗(yàn)采用的連鑄機(jī)為五機(jī)五流全弧形，配有結(jié)晶器電磁攪拌(M- EMS)、末端電磁攪拌(F- EMS)和二冷區(qū)脈沖磁致振蕩(PMO)。在相同的軋制條件下，將連鑄坯軋制成φ65 mm的圓棒。其中81005和81008為PMO處理樣，810018和81006為對(duì)比樣，即未經(jīng)PMO處理的試樣。拉坯工藝參數(shù)及PMO設(shè)置如表2所示。

表2 拉坯工藝參數(shù)及PMO設(shè)置

根據(jù)高碳鉻軸承鋼不同用途，按GB/T 18254—2016從棒材中心和邊部分別取滾動(dòng)和套圈用兩種試樣，具體取樣位置如圖1所示，金相檢驗(yàn)面為徑向縱截面。為了便于統(tǒng)計(jì)碳化物的分布和平均粒徑，對(duì)試樣進(jìn)行球化退火，升溫曲線如圖2所示，再進(jìn)行840 ℃油淬及150 ℃回火。

圖1 取樣示意圖

圖2 球化退火工藝

對(duì)熱處理后試樣進(jìn)行打磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精腐蝕40 s，再放至蔡司正置萬(wàn)能金相顯微鏡(Axio Imager A 2m)下觀察，選取整個(gè)受檢面內(nèi)最差的視場(chǎng)拍攝100倍和500倍的金相照片。對(duì)帶狀碳化物進(jìn)行著色處理，使用IMAGE- J軟件統(tǒng)計(jì)視場(chǎng)中最嚴(yán)重的碳化物帶的面積分?jǐn)?shù)，以評(píng)定碳化物帶狀級(jí)別。最后，對(duì)每個(gè)試樣拍攝25張放大2 000倍的SEM照片，利用IMAGE- J軟件統(tǒng)計(jì)不同尺寸碳化物的數(shù)量，比較不同試樣中碳化物的粒徑分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 PMO對(duì)帶狀碳化物評(píng)級(jí)的影響

帶狀碳化物的形成與凝固過(guò)程中的結(jié)晶偏析有關(guān)。嚴(yán)重的局部偏析或是大尺寸的共晶碳化物，經(jīng)過(guò)高溫軋制，形成偏析帶；然后在熱處理過(guò)程中，碳化物在偏析帶中析出，形成帶狀碳化物。圖3是0.78、0.82 m/min拉速條件下套圈用試樣中帶狀碳化物的100倍及500倍金相照片。從圖3中可以看出，碳化物大多聚集成帶狀分布，在長(zhǎng)寬及密集程度上有一定差異，從而對(duì)鋼材性能產(chǎn)生不同程度的影響。

圖3 套圈用試樣金相照片

圖4為套圈用試樣著色后碳化物帶狀分布最嚴(yán)重的視場(chǎng)，圖5為帶狀碳化物面積分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算公式為A=S/0.5×100%，S為帶狀碳化物的面積。

圖4 套圈用試樣中帶狀碳化物最嚴(yán)重的視場(chǎng)

從圖5中可以看出，不同工藝得到的軸承鋼棒材邊部區(qū)域(套圈用試樣)的帶狀碳化物面積分?jǐn)?shù)相差不大，最大相差0.17%，均為1級(jí)，這可能是由于棒材邊部碳偏析較輕所致。

圖5 套圈用試樣中帶狀碳化物的面積分?jǐn)?shù)

圖6為滾動(dòng)體用試樣中帶狀碳化物的100倍及500倍金相照片。圖7為最嚴(yán)重帶狀碳化物視場(chǎng)，圖8為帶狀碳化物面積分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖6中可以看出，相較于套圈用試樣，滾動(dòng)體用試樣中帶狀碳化物尺寸更大，分布更為密集，且存在不同程度未完全溶解的網(wǎng)狀碳化物。在0.78、0.82 m/min拉速條件下，相較于未經(jīng)PMO處理的試樣，經(jīng)過(guò)PMO處理試樣的帶狀碳化物面積分?jǐn)?shù)分別減小了1.82%和2.21%，碳化物評(píng)級(jí)也分別從3.5級(jí)降為3級(jí)，3級(jí)降為2.5級(jí)，如表3所示。

表3 滾動(dòng)體用試樣帶狀碳化物評(píng)級(jí)

圖8 滾動(dòng)體用試樣中帶狀碳化物的面積分?jǐn)?shù)

圖7 滾動(dòng)體用試樣中帶狀碳化物最嚴(yán)重的視場(chǎng)

圖6 滾動(dòng)體用試樣的金相照片

2.2 PMO對(duì)碳化物形貌的影響

套圈及滾動(dòng)體用試樣中典型碳化物的形貌分別如圖9和圖10所示。從圖9中可以看出，PMO處理后套圈用試樣中碳化物球化效果較好，且顆粒細(xì)小、分布均勻彌散。所有套圈用試樣中均未發(fā)現(xiàn)大尺寸的液析碳化物。

圖9 套圈用試樣碳化物形貌

從圖10中可以看出，相較于套圈用試樣，滾動(dòng)體用試樣中碳化物分布更為密集，且大尺寸碳化物數(shù)量增多。經(jīng)過(guò)PMO處理的試樣中顆粒狀碳化物較多，棒狀或長(zhǎng)條狀碳化物較少。未經(jīng)PMO處理的試樣中晶界碳化物未完全溶斷，網(wǎng)狀分布仍較明顯。在鋼液凝固過(guò)程中，局部區(qū)域偏析嚴(yán)重時(shí)，先共析碳化物沿晶界析出，呈網(wǎng)狀分布；若在后續(xù)的熱加工過(guò)程中不能完全溶解，則難以球化，最終遺留在成品中，對(duì)產(chǎn)品性能造成不利影響。

圖10 滾動(dòng)體用試樣碳化物形貌

2.3 PMO對(duì)碳化物分布的影響

套圈及滾動(dòng)體用試樣中碳化物的平均粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示。由圖11(a～d)可以看出，在拉速為0.78 m/min條件下，軸承鋼棒材邊部區(qū)域(套圈用試樣)的碳化物平均粒徑均為0.57 μm，在拉速為0.82 m/min條件下，平均粒徑均為0.46 μm。因此，軸承鋼棒材邊部區(qū)域(套圈用試樣)碳化物粒徑變化不大，PMO的影響較小，這與棒材中碳含量的分布相關(guān)。軸承鋼棒材邊部區(qū)域碳含量相對(duì)較低，先共析碳化物較少，因此碳化物球化效果好，平均粒徑差異不大。

圖11 套圈(a～d)及滾動(dòng)體用(e～h)試樣中碳化物粒徑分布

由圖11(e～h)可以看出，軸承鋼棒材中心區(qū)域(滾動(dòng)體用試樣)的碳化物平均粒徑相對(duì)較大。在拉速為0.78 m/min條件下，未經(jīng)PMO處理的試樣碳化物平均粒徑為0.73 μm，PMO處理后的試樣碳化物平均粒徑為0.66 μm，減小了0.07 μm。在拉速為0.82 m/min條件下，未經(jīng)PMO處理的試樣碳化物平均粒徑為0.69 μm，PMO處理后的試樣碳化物平均粒徑為0.56 μm，減小了0.13 μm。此外，大尺寸碳化物(粒徑大于2.2 μm)的數(shù)量有所減少。拉速為0.78 m/min時(shí)，未經(jīng)PMO處理的試樣大尺寸碳化物數(shù)量為487個(gè)，PMO處理后的試樣為360個(gè)，減少了26%。拉速為0.82 m/min時(shí)，未經(jīng)PMO處理的試樣大尺寸碳化物數(shù)量為387個(gè)，PMO處理后的試樣為103個(gè)，減少了73%。大尺寸的碳化物在軸承鋼服役過(guò)程中極易成為疲勞裂紋源，其危害相當(dāng)于夾雜物。因此，PMO處理能夠有效改善連鑄坯中心偏析，抑制大尺寸碳化物的析出，同時(shí)細(xì)化碳化物尺寸，這對(duì)GCr15軸承鋼滾動(dòng)體質(zhì)量的提升有重要意義。

3 討論

PMO對(duì)GCr15軸承鋼中碳偏析的改善主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)脈沖電流通過(guò)PMO線圈感應(yīng)出脈沖磁場(chǎng)并作用于固- 液界面上，促進(jìn)形核，形成“結(jié)晶雨”效應(yīng)[16]。新形成的晶核在電磁力、重力和浮力的作用下漂移下沉，在心部堆積成等軸晶區(qū)。大量等軸晶在長(zhǎng)大過(guò)程中相互抑制[17]，晶粒得到細(xì)化，枝晶間隙減小，心部高濃度的液相區(qū)域減少，抑制了共晶碳化物的生長(zhǎng)；(2)PMO在鑄坯表層產(chǎn)生的電磁力以及振蕩效應(yīng)[16]驅(qū)動(dòng)熔體產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流將溶斷的枝晶、新形成的晶核及凝固過(guò)程中排除的碳驅(qū)散至熔體內(nèi)部重新均勻分配[13]；(3)PMO線圈在鑄坯內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)會(huì)降低鑄坯表面垂直方向的溫度梯度，減緩柱狀晶生長(zhǎng)速度，同時(shí)結(jié)晶雨抑制了柱狀晶生長(zhǎng)尤其是外弧側(cè)柱狀晶的生長(zhǎng)，等軸晶區(qū)擴(kuò)大，心部偏析得到改善。帶狀碳化物的形成與凝固過(guò)程中的宏觀偏析密切相關(guān)，偏析改善后，帶狀碳化物級(jí)別降低，分布也更加彌散。

4 結(jié)論

(1)PMO處理能顯著降低GCr15軸承鋼試棒中心區(qū)域帶狀碳化物的級(jí)別及平均粒徑。在0.78、 0.82 m/min拉速條件下，經(jīng)過(guò)PMO處理后，GCr15棒材中心區(qū)域的碳化物帶狀級(jí)別分別從3.5級(jí)降至3級(jí)，從3級(jí)降至2.5級(jí)；碳化物平均粒徑也分別從0.73 μm減小到0.66 μm，從0.69 μm減小到0.56 μm；大尺寸碳化物(粒徑大于2.2 μm)分別減少了26%和73%。

(2)PMO技術(shù)在一定程度上能減少鋼中先共析碳化物的析出，因此GCr15鋼棒材中未溶晶界碳化物減少，表現(xiàn)為棒狀碳化物減少，彌散分布的球狀碳化物增多。