王博卉, 徐太旭, 路 明, 何志軍

(1. 遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院, 遼寧 鞍山 114051;2. 鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司 大孤山球團(tuán)廠, 遼寧 鞍山 114051)

碳化物是影響軸承鋼性能的重要因素之一,均勻細(xì)小的碳化物能有效改善軸承鋼的性能,并提高其使用壽命。高品質(zhì)軸承鋼對(duì)碳化物成分、含量等各方面的要求十分嚴(yán)格,因此如何控制碳化物的均勻細(xì)小化是當(dāng)今生產(chǎn)高品質(zhì)軸承鋼的一個(gè)重要研究方向[1-3]。GCr15SiMo軸承鋼是在GCr15軸承鋼的基礎(chǔ)上通過提高Si和Mo含量進(jìn)而改善淬透性和彈性極限的新型鋼種[4-5]。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)GCr15SiMo軸承鋼熱處理工藝研究有很多,孫小東等[6-7]研究發(fā)現(xiàn),油浴淬火和鹽浴淬火兩種方式處理的GCr15SiMo軸承鋼硬度都能滿足技術(shù)要求;閆光成等[8]研究了高淬透性軸承鋼GCr15SiMo貝氏體等溫淬火的組織與性能,發(fā)現(xiàn)GCr15SiMo高淬透性軸承鋼全貝氏體的沖擊韌度及接觸疲勞壽命優(yōu)于貝氏體/馬氏體復(fù)合組織的性能;謝燮揆等[9-10]研究了GCr15SiMo軸承鋼的熱處理工藝,發(fā)現(xiàn)GCr15SiMo軸承鋼具有良好的抗回火性,且淬透性優(yōu)于GCr15SiMn軸承鋼。以上關(guān)于GCr15SiMo軸承鋼的熱處理工藝研究大多是針對(duì)淬火、回火工藝,而對(duì)于GCr15SiMo軸承鋼退火工藝以及退火過程中碳化物演變過程的探究相對(duì)較少。

球化退火工藝是GCr15SiMo軸承鋼熱處理工藝中的一個(gè)重要組成部分,其目的是為了在鐵素體基體上得到均勻分布的球狀滲碳體,從而降低軸承鋼的硬度,以此改善其切削加工性能[11-13]。球化退火工藝主要有普通球化退火、周期球化退火、等溫球化退火等[14],對(duì)于不同的鋼種需采用合適的球化退火工藝,其中普通球化退火適用于共析鋼,等溫球化退火適用于過共析鋼,而周期球化退火工藝不僅對(duì)鋼種類型有要求,且存在周期長(zhǎng)和不易于控制等問題。GCr15SiMo軸承鋼屬于過共析鋼,因此不宜采用普通和周期球化退火工藝,而應(yīng)采用等溫球化退火工藝,不僅可以獲得較佳的球化效果,還可以節(jié)約工藝時(shí)間。

等溫球化退火工藝要求將鋼樣加熱至相變點(diǎn)Ac1溫度以上20～30 ℃保溫一定時(shí)間,然后降溫至700 ℃左右等溫一定時(shí)間(該時(shí)間應(yīng)為保溫時(shí)間的1.5倍),然后緩慢冷卻至室溫。本文通過調(diào)整等溫球化退火工藝的奧氏體化溫度、保溫時(shí)間等參數(shù),通過差示掃描量熱法、掃描電鏟等檢測(cè)分析手段以及JMatPro熱力學(xué)軟件研究其對(duì)GCr15SiMo軸承鋼中碳化物的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用GCr15SiMo高淬透性軸承鋼,由工業(yè)純鐵、碳粉、鉻鐵、硅鐵、錳鐵、鉬鐵等原料進(jìn)行配比,并在高溫氣氛管式爐和氬氣氣氛下熔煉成φ80 mm×60 mm的鑄錠,其化學(xué)成分如表1所示。

表1 GCr15SiMo軸承鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

首先切取φ2 mm×3 mm的圓柱試樣,在氬氣氣氛保護(hù)下將試樣以10 ℃/min的升溫速度加熱至1000 ℃,利用NETZSCH型差示掃描量熱計(jì)測(cè)得GCr15SiMo高淬透性軸承鋼的DSC曲線,根據(jù)DSC曲線得出其相變點(diǎn)Ac1,并據(jù)此設(shè)計(jì)等溫球化退火工藝:①將試樣以6.5 ℃/min 的升溫速度加熱至790、800、810和820 ℃,保溫30 min后爐冷至720 ℃,保溫45 min后爐冷至650 ℃出爐空冷;②將試樣以6.5 ℃/min的升溫速度加熱至800 ℃,保溫10、20、30和40 min后爐冷至720 ℃,保溫15、30、45、60 min后爐冷至650 ℃出爐空冷。具體等溫球化退火工藝曲線如圖1所示,退火試驗(yàn)在高溫箱式電阻爐中進(jìn)行,試樣尺寸為10 mm×10mm×10 mm。

圖1 GCr15SiMo軸承鋼球化退火工藝

1.3 檢測(cè)設(shè)備

退火后的試樣表面經(jīng)打磨、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后,利用日立S-3400N型掃描電鏡觀察組織形貌,隨后利用Image pro plus軟件對(duì)掃描電鏡觀察結(jié)果進(jìn)行碳化物尺寸和數(shù)量的統(tǒng)計(jì)。此外,利用HRS-150D型洛氏硬度計(jì)測(cè)定試樣的表面硬度,結(jié)果為10個(gè) 測(cè)試點(diǎn)的平均值。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析得出最合適的球化退火工藝制度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱力學(xué)計(jì)算與分析

利用JMatPro熱力學(xué)軟件計(jì)算得到GCr15SiMo高淬透性軸承鋼平衡凝固過程的相圖,如圖2所示?？梢钥闯?液相線溫度為1446 ℃,溫度降至901 ℃時(shí)開始析出滲碳體,824 ℃時(shí)開始析出M23C6相;784 ℃時(shí)M23C6相含量達(dá)到峰值,奧氏體開始向鐵素體轉(zhuǎn)變;764 ℃時(shí)滲碳體含量達(dá)到峰值,M23C6相含量降至最少,奧氏體消失,因此GCr15SiMo鋼相變點(diǎn)A1溫度為764 ℃。當(dāng)溫度降低至388 ℃時(shí),滲碳體開始向M7C3相轉(zhuǎn)變,M7C3相開始析出。

圖2 GCr15SiMo軸承鋼平衡凝固過程的相圖

2.2 相變點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果及分析

通過差示掃描量熱法測(cè)出GCr15SiMo鋼的DSC曲線,如圖3所示,由圖3分析可知,曲線上出現(xiàn)的第一個(gè)吸熱峰對(duì)應(yīng)珠光體開始向奧氏體轉(zhuǎn)變,溫度為779.9 ℃,因此鋼的相變點(diǎn)Ac1溫度為779.9 ℃,要稍高于圖2熱力學(xué)分析結(jié)果得出的A1溫度。等溫球化退火工藝需要將試樣加熱到相變點(diǎn)Ac1以上20～30 ℃,因此設(shè)計(jì)圖1(a)中退火工藝的奧氏體化溫度為790、800、810和820 ℃。

圖3 GCr15SiMo軸承鋼的差熱分析曲線

2.3 奧氏體化溫度對(duì)碳化物形態(tài)轉(zhuǎn)變的影響

圖4為掃描電鏡觀察到的GCr15SiMo鋼的原始組織形貌,可以看出,軸承鋼的原始組織為片層狀珠光體和碳化物。

圖4 GCr15SiMo軸承鋼的原始組織

圖5為不同奧氏體化溫度保溫30 min時(shí)GCr15SiMo軸承鋼的碳化物形貌,可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)退火后軸承鋼的組織為球狀珠光體和碳化物,但不同奧氏體化溫度下的組織差別較大。790 ℃退火時(shí)碳化物尺寸不均勻,大部分為短棒狀和形狀不規(guī)則的大顆粒碳化物;800 ℃退火時(shí)碳化物呈細(xì)小、彌散分布,組織中多為小顆粒碳化物,大顆粒碳化物幾乎不存在;810 ℃退火時(shí)多為小顆粒碳化物,但局部仍存在少量不規(guī)則、短棒狀大顆粒碳化物;820 ℃退火時(shí)由于溫度過高,大多數(shù)碳化物溶入基體,剩余的碳化物較少,碳化物的間距增加,這會(huì)使隨后的冷卻階段中的碳原子難以很好地聚集,在后續(xù)形成新的片層狀碳化物[8],繼而出現(xiàn)大顆粒碳化物。由此可知,奧氏體化溫度為800 ℃的退火工藝下,碳化物球化效果最佳,此時(shí)的碳化物最為均勻致密,尺寸最小。

為了進(jìn)一步分析不同奧氏體化溫度對(duì)碳化物球化效果的影響,利用Image pro plus軟件對(duì)圖5中碳化物顆粒個(gè)數(shù)、平均粒徑及分布均勻性進(jìn)行表征,結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?隨著奧氏體化溫度的升高,碳化物尺寸先減小后增大,數(shù)量先增多后減少。790 ℃退火時(shí)碳化物粒徑分布曲線變化較為平緩,碳化物粒徑分布主要集中在0.035 μm左右,因?yàn)槠浯蟪叽缣蓟锵鄬?duì)其他溫度較多,小尺寸碳化物比較少;而800 ℃退火時(shí)的碳化物粒徑分布曲線的峰值最高,碳化物粒徑分布主要集中在0.025 μm左右,說明含有較多小尺寸碳化物,大尺寸碳化物較少;隨著奧氏體化溫度的繼續(xù)升高,分布曲線的峰值開始降低,這是因?yàn)閵W氏體化溫度過高,奧氏體形核長(zhǎng)大成片狀碳化物,與彌散分布的小顆粒碳化物存在著較大的尺寸差異,影響組織的均勻性;因此奧氏體化溫度為800 ℃時(shí),碳化物最為均勻且細(xì)小。

圖5 不同奧氏體化溫度保溫30 min后GCr15SiMo軸承鋼中碳化物形貌

圖6 不同奧氏體化溫度保溫30 min后GCr15SiMo軸承鋼的碳化物尺寸分布

由圖2可知,在GCr15SiMo軸承鋼的Ac1溫度以上10 ℃時(shí),其組織為M23C6相、滲碳體、奧氏體和鐵素體;在Ac1溫度以上20～40 ℃時(shí),其組織為M23C6相、滲碳體和奧氏體。圖7和表2為GCr15SiMo軸承鋼不同奧氏體化溫度下碳化物的能譜分析,可以看出,隨著奧氏體化溫度的變化,碳化物組成元素種類未發(fā)生改變,而碳化物組成元素的含量有一定變化,具體如表2所示。奧氏體化溫度790 ℃與800、810和820 ℃相比,其碳化物組成元素含量都有較大差距,這與熱力學(xué)模擬結(jié)果相一致。

圖7 不同奧氏體化溫度保溫30 min后GCr15SiMo軸承鋼的碳化物能譜

表2 不同奧氏體化保溫30 min后GCr15SiMo軸承鋼的碳化物元素組成(原子分?jǐn)?shù),%)

利用洛氏硬度計(jì)對(duì)不同奧氏體化溫度保溫30 min時(shí)GCr15SiMo軸承鋼的硬度進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如表3所示。可見隨著奧氏體化溫度的升高,硬度呈先減小后增大的趨勢(shì),在奧氏體化溫度為800 ℃時(shí)硬度最小。綜上可以確定,GCr15SiMo軸承鋼的最佳奧氏體化溫度為800 ℃。

表3 不同奧氏體化溫度保溫30 min后GCr15SiMo軸承鋼的硬度

2.4 保溫時(shí)間對(duì)碳化物球化質(zhì)量的影響

圖8為GCr15SiMo鋼退火工藝中800 ℃保溫不同時(shí)間下的碳化物形貌。結(jié)合圖5(b)可以看出,保溫時(shí)間由10 min延長(zhǎng)至30 min時(shí),碳化物的尺寸逐漸變小,分布變得更加均勻、致密,短棒狀等不規(guī)則碳化物逐漸消失,在30 min時(shí)碳化物球化效果達(dá)到最佳。保溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)至40 min時(shí),碳化物的尺寸開始變大,球化效果變差。

圖8 800 ℃保溫不同時(shí)間下GCr15SiMo軸承鋼的碳化物形貌

為了進(jìn)一步分析不同保溫時(shí)間對(duì)碳化物球化效果的影響,利用Image pro plus軟件對(duì)圖8及圖5(b)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?保溫時(shí)間為10 min時(shí),曲線最高的峰值出現(xiàn)在0.020 μm附近;20 min時(shí),曲線最高的峰值出現(xiàn)在0.030 μm附近;30 min時(shí),曲線最高的峰值出現(xiàn)在0.025 μm附近;40 min時(shí),曲線最高的峰值出現(xiàn)在0.030 μm附近,這說明隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),碳化物尺寸先增大后變小,碳化物數(shù)量先增加后減少。相比較而言,保溫時(shí)間為30 min時(shí)的曲線偏左,且峰值最大,說明小顆粒碳化物所占比例最大。由此得出最佳保溫時(shí)間為30 min。

圖9 800 ℃保溫不同時(shí)間下GCr15SiMo軸承鋼的碳化物尺寸分布

GCr15SiMo鋼退火工藝中800 ℃保溫不同時(shí)間后碳化物的EDS能譜如圖10所示,結(jié)合圖7(b)可以看出,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),碳化物組成元素類型沒有改變,由表4可知元素含量也大致相同,由此可知退火保溫時(shí)間對(duì)GCr15SiMo鋼碳化物類型沒有影響,與熱力學(xué)模擬結(jié)果一致。利用洛氏硬度計(jì)對(duì)800 ℃奧氏體化不同時(shí)間下GCr15SiMo軸承鋼的硬度進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),硬度呈先減小后增大的變化趨勢(shì),保溫時(shí)間為30 min時(shí)的硬度最小。綜上可以確定,GCr15SiMo軸承鋼的最佳保溫時(shí)間為30 min。

圖10 800 ℃保溫不同時(shí)間后GCr15SiMo軸承鋼的碳化物能譜

表4 800 ℃保溫不同時(shí)間下GCr15SiMo軸承鋼的碳化物元素組成(原子分?jǐn)?shù),%)

表5 800 ℃保溫不同時(shí)間下GCr15SiMo軸承鋼的硬度

3 結(jié)論

1) GCr15SiMo軸承鋼等溫球化退火工藝的奧氏體化溫度對(duì)碳化物球化效果影響顯著。隨著奧氏體化溫度的升高,小尺寸碳化物數(shù)量逐漸增多,大尺寸碳化物數(shù)量逐漸消失,使得碳化物更加均勻;但奧氏體化溫度過高會(huì)導(dǎo)致奧氏體形核長(zhǎng)大形成片狀珠光體,使組織變得不再均勻。奧氏體化溫度為800 ℃時(shí),碳化物分布最為均勻細(xì)小,此時(shí),0.025 μm尺寸的小顆粒碳化物所占比例最大,大尺寸碳化物幾乎消失,球化效果最佳。

2) 保溫時(shí)間對(duì)GCr15SiMo軸承鋼的碳化物球化效果也有明顯影響。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),小顆粒碳化物所占比例逐漸提高,碳化物形狀更接近于球狀,但保溫時(shí)間過長(zhǎng)時(shí),碳化物發(fā)生長(zhǎng)大,小顆粒碳化物消失,球化效果差。保溫時(shí)間為30 min時(shí),碳化物平均尺寸最小為0.025 μm,分布最為均勻,球化效果最佳。