姚國(guó)林,王合闖

(1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,鄭州 451450;2.華北水利水電大學(xué)信息工程學(xué)院,鄭州 450045)

0 引 言

在“工業(yè)制造2025”政策推動(dòng)下,我國(guó)軸承行業(yè)在近年來得到了迅猛發(fā)展,軸承鋼的產(chǎn)量穩(wěn)步提升,不同檔次軸承鋼的生產(chǎn)基本可以滿足交通運(yùn)輸、工程機(jī)械等領(lǐng)域的應(yīng)用需求[1]。然而,作為機(jī)械傳動(dòng)部分的基礎(chǔ)零件,滾珠和軸承套圈等在服役過程中需要承受各種交變應(yīng)力、沖擊力和摩擦力等[2],特別是當(dāng)應(yīng)用于具有高效化和高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械傳動(dòng)部件時(shí),會(huì)面臨超高低溫、高磨損、強(qiáng)腐蝕等惡劣使用環(huán)境,從而加劇其磨損和疲勞失效等[3]。為此,學(xué)者們從軸承鋼選材(高碳鉻軸承鋼、無鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、不銹軸承鋼和中高溫軸承鋼)、冶金技術(shù)(電爐、轉(zhuǎn)爐)、加工技術(shù)(鍛造、連鑄連軋)和熱處理工藝(淬火+低溫回火、正火)等[4-6]角度出發(fā),創(chuàng)新和優(yōu)化生產(chǎn)工藝以滿足復(fù)雜服役環(huán)境下高端軸承鋼的使用需求。滲碳淬火和深冷處理作為金屬材料常用的熱處理工藝,在提升金屬材料硬度、強(qiáng)度和耐磨性等方面已有較為成功的應(yīng)用。這主要是因?yàn)闈B碳淬火有助于在金屬零部件表層產(chǎn)生硬度高、耐磨性和抗疲勞性能好的淬硬層[7],深冷處理則有助于鋼中奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變、晶粒組織細(xì)化和碳化物的彌散析出,從而提高鋼的硬度和耐磨性等[8]。傳統(tǒng)軸承鋼一般采用單次滲碳油淬方式生產(chǎn),其綜合力學(xué)性能與高端軸承鋼的使用需求仍有一定差距。采用循環(huán)滲碳、油淬與氣淬結(jié)合,以及將滲碳淬火+深冷處理結(jié)合使用來提升軸承鋼綜合性能方面的研究報(bào)道較少[9-11],具體影響規(guī)律及作用機(jī)理也不完全清楚。

為此,作者研究了滲碳淬火和深冷處理(含傳統(tǒng)滲碳淬火)對(duì)正火態(tài)20CrNi2Mo軸承鋼顯微組織、力學(xué)和耐磨性能等的影響,以期為國(guó)產(chǎn)軸承鋼的生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供技術(shù)支撐,推動(dòng)高綜合性能軸承鋼的開發(fā)及其在復(fù)雜服役環(huán)境下的應(yīng)用。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為熱軋態(tài)20CrNi2Mo軸承鋼,由鞍鋼集團(tuán)提供,尺寸為φ80 mm×60 mm,采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)得其主要化學(xué)成分如表1所示。

將熱軋軸承鋼去皮后加工成尺寸為φ60 mm×50 mm的圓柱錠,在TT30-SRJX-4-13型箱式電阻爐中進(jìn)行885 ℃×1 h的正火處理。將正火態(tài)軸承鋼置于ABAR IPSEN型箱式可控氣氛多用爐中進(jìn)行不同工藝滲碳淬火+回火處理, 升溫速率為5 ℃·min-1,滲碳工藝如圖1所示,圖中的0.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)C等均為爐內(nèi)氣氛中的碳勢(shì),淬火方式包括油淬和氣淬,回火工藝為200 ℃×2 h空冷。將一次滲碳油淬+回火處理工藝記為工藝1,連續(xù)進(jìn)行兩次滲碳油淬,再進(jìn)行回火處理的工藝記為工藝2,在一次滲碳后進(jìn)行氣淬,再進(jìn)行850 ℃保溫2 h的滲碳油淬處理(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%),最后進(jìn)行回火處理的工藝記為工藝3。在上述3種工藝的回火工序前增加-197 ℃×6 h的深冷處理(分別記為工藝1+深冷、工藝2+深冷、工藝3+深冷),介質(zhì)為液氮,對(duì)試樣進(jìn)行熱處理。

圖1 滲碳淬火工藝示意Fig.1 Diagram of carburizing and quenching process

1.2 試驗(yàn)方法

采用線切割法從軸承鋼上截取塊狀試樣,經(jīng)打磨、拋光和體積分?jǐn)?shù)3.5%硝酸乙醇溶液腐蝕后,分別在徠卡DM6M型光學(xué)顯微鏡(OM)和IT-500型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察顯微組織,用掃描電子顯微鏡附帶的能譜儀分析微區(qū)成分。使用帕納科Empyrean銳影型X射線衍射系統(tǒng)(XRD)對(duì)軸承鋼進(jìn)行物相分析,銅靶,Kα輻射,管電壓為20 kV,管電流為40 mA,采用連續(xù)掃描模式,掃描速率為2 (°)·min-1。采用HV-1000型數(shù)顯維氏硬度計(jì)測(cè)試顯微硬度,載荷為9.8 N,保載時(shí)間為10 s,從表層至心部取點(diǎn)測(cè)試,相同深度各測(cè)3個(gè)點(diǎn)取平均值。根據(jù)GB/T 228.1—2010,采用Instron 5560型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),拉伸試樣尺寸如圖2所示,拉伸速度為2 mm·min-1,測(cè)3個(gè)平行試樣取平均值。采用MFT-5000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行球盤式干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn),對(duì)磨副為直徑6 mm的GCr15鋼球,磨損線速度為0.3 m·s-1,施加載荷分別為100,200 N。稱取磨損前后的試樣質(zhì)量,計(jì)算磨損質(zhì)量損失,各測(cè)3組平行試樣取平均值。采用VHX-1000型超景深三維顯微鏡觀察磨痕形貌,測(cè)量磨痕寬度和磨痕深度[12]。

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Size of tensile specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織和物相組成

由圖3可見:3種工藝滲碳淬火+回火(工藝1、工藝2、工藝3)處理后,20CrNi2Mo軸承鋼表層的顯微組織均為針狀馬氏體+殘余奧氏體+顆粒狀碳化物,其中工藝1和工藝2處理后的顯微組織相差不大,工藝3處理后的馬氏體組織相對(duì)更細(xì)小,殘余奧氏體含量有所減少。結(jié)合能譜分析結(jié)果并參考文獻(xiàn)[13]可知,顆粒狀碳化物主要為富鉻和鉬元素的碳化物。

由圖4可見:不同工藝處理后,20CrNi2Mo軸承鋼的XRD譜中都出現(xiàn)了α馬氏體(110)、(200)、(211)、(220)晶面和γ奧氏體(111)、(200)、(220)、(311)晶面的衍射峰;與滲碳淬火+回火處理相比,

圖4 不同工藝處理后20CrNi2Mo軸承鋼的XRD譜Fig.4 XRD patterns of 20CrNi2Mo bearing steel treated by different processes: (a) carburizing and quenching+tempering and (b) carburizing and quenching+cryogenic treatment+tempering

滲碳淬火+深冷+回火處理后γ奧氏體衍射峰強(qiáng)度有所減弱。根據(jù)GB/T 8326—1987計(jì)算殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)[13],計(jì)算得到工藝1、工藝2、工藝3、工藝1+深冷、工藝2+深冷和工藝3+深冷處理后軸承鋼中的奧氏體體積分?jǐn)?shù)分別為10.8%,13.9%,10.2%,7.9%,8.8%,6.9%?？梢?增加深冷處理后軸承鋼中的奧氏體含量有所減少,這主要與深冷處理過程中奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變以及組織得到細(xì)化有關(guān)[14]。

2.2 顯微硬度

由圖5可見:隨著距表面距離的增加,不同工藝處理后20CrNi2Mo軸承鋼的顯微硬度都呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),但在距表面約1 mm范圍內(nèi)硬度下降較為緩慢;工藝1和工藝2處理后軸承鋼的硬度在距表面2.5 mm時(shí)才逐漸趨于穩(wěn)定,工藝3處理后則在距表面距離3.5 mm時(shí)才趨于穩(wěn)定,這主要是因?yàn)楣に?處理后軸承鋼的組織更細(xì),并且硬度較低的奧氏體含量更少[15];工藝1、工藝2和工藝3處理后軸承鋼的表層硬度分別約為672,658,718 HV,心部硬度分別約為368,362,447 HV,可見無論是表層硬度還是心部硬度,工藝3處理后均相對(duì)較高;與滲碳淬火+回火處理相比,滲碳淬火+深冷+回火處理后軸承鋼的硬度提高,并且工藝3+深冷處理的硬度最大,這主要是因?yàn)檩S承鋼中的碳原子會(huì)在低溫作用下向奧氏體晶界擴(kuò)散偏聚[16-17],促使奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變從而提高硬度。

圖5 不同工藝處理后20CrNi2Mo軸承鋼的顯微硬度分布曲線Fig.5 Micohardness distribution curves of 20CrNi2Mo bearing steel treated by different processes

2.3 拉伸性能

由圖6可見:與熱軋態(tài)軸承鋼相比,不同工藝滲碳淬火+回火處理后軸承鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有所提高,工藝1和工藝2處理后的斷后伸長(zhǎng)率降低,而工藝3處理后的斷后伸長(zhǎng)率略微增大;在3種滲碳淬火+回火處理工藝中,抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率由大到小均依次為工藝3、工藝1、工藝2。這主要是因?yàn)楣に?處理后軸承鋼中的馬氏體較為細(xì)小,而工藝2的二次滲碳淬火處理使得細(xì)小奧氏體晶粒重新奧氏體化并發(fā)生粗化和長(zhǎng)大,工藝3處理后軸承鋼良好的強(qiáng)塑性與其組織細(xì)化、殘余奧氏體含量減少有關(guān)[18]。

圖6 熱軋態(tài)和不同工藝處理后20CrNi2Mo軸承鋼的室溫拉伸性能Fig.6 Room temperature tensile properties of 20CrNi2Mo bearing steel in hot-rolled state and after treatment by different processes

2.4 耐磨性能

由表2可知:在2種載荷下摩擦磨損后,滲碳淬火+回火處理軸承鋼的磨損質(zhì)量損失從大到小按熱處理工藝排序依次為工藝2、工藝1、工藝3;滲碳淬火+深冷+回火處理后磨損質(zhì)量損失從大到小排序依次為工藝2+深冷、工藝1+深冷、工藝3+深冷。結(jié)合硬度測(cè)試結(jié)果可知,軸承鋼的磨損質(zhì)量損失與硬度具有負(fù)相關(guān)性;硬度越大,磨損質(zhì)量損失越小,耐磨性能越好。在100 N載荷下,不同工藝滲碳淬火+深冷+回火處理后軸承鋼的磨損質(zhì)量損失與不同工藝滲碳淬火+回火處理后的差值較小;而在200 N載荷下,不同工藝滲碳淬火+深冷+回火處理后軸承鋼的磨損質(zhì)量損失大幅下降,降低幅度均在96%以上。這說明深冷處理能明顯提升較高載荷下軸承鋼的耐磨性能,而對(duì)低載荷下耐磨性能的提升幅度相對(duì)較小。

表2 不同工藝處理軸承鋼在不同載荷下的磨損質(zhì)量損失Table 2 Wear mass loss of bearing steel treated by different processes under different loads

由表3可知:載荷越大,軸承鋼的磨痕寬度和磨痕深度越大;滲碳淬火+回火處理軸承鋼的磨痕寬度和磨痕深度從大到小按熱處理工藝排序依次為工藝2、工藝1、工藝3,即工藝3處理后的軸承鋼具有相對(duì)較好的耐磨性能;滲碳淬火+深冷+回火處理后磨痕寬度和磨痕深度從大到小排序?yàn)楣に?+深冷、工藝1+深冷、工藝3+深冷,可見工藝3+深冷處理后的軸承鋼具有相對(duì)好的耐磨性能。經(jīng)工藝3處理后軸承鋼的組織發(fā)生細(xì)化,硬度較低的奧氏體含量較少,增加的深冷處理工序有助于進(jìn)一步促進(jìn)硬度較低的奧氏體向硬度較高的馬氏體轉(zhuǎn)變并進(jìn)一步細(xì)化組織[19-20],因此軸承鋼硬度和耐磨性能提高。

表3 不同工藝處理軸承鋼在不同載荷下的磨痕寬度和深度Table 3 width and depth of wear marks of bearing steel treated by different processes under different loads

3 結(jié) 論

(1) 經(jīng)滲碳油淬+回火、二次滲碳油淬+回火、滲碳?xì)獯?滲碳油淬+回火等3種滲碳淬火+回火工藝處理后20CrNi2Mo軸承鋼的顯微組織均為針狀馬氏體+殘余奧氏體+碳化物,其中滲碳?xì)獯?滲碳油淬+回火處理后馬氏體相對(duì)更加細(xì)小,殘余奧氏體含量較少;與滲碳淬火+回火處理相比,滲碳淬火+深冷+回火處理后的奧氏體含量有所減少。

(2) 隨著距表面距離增加,不同工藝處理后軸承鋼的硬度都呈減小趨勢(shì),且滲碳淬火+深冷+回火處理后的硬度都高于滲碳淬火+回火處理后,其中滲碳?xì)獯?滲碳油淬+深冷+回火工藝下的硬度最大;與滲碳淬火+回火處理相比,滲碳淬火+深冷+回火處理后軸承鋼在100,200 N載荷下的磨損質(zhì)量損失均減小,并且在200 N下的降低幅度較大。

(3) 滲碳淬火+回火后軸承鋼磨痕寬度和磨痕深度從大至小按處理工藝排序依次為二次滲碳油淬+回火、滲碳油淬+回火、滲碳?xì)獯?滲碳油淬+回火,滲碳淬火+深冷+回火處理后的排序?yàn)槎螡B碳油淬+深冷+回火、滲碳油淬+深冷+回火、滲碳?xì)獯?滲碳油淬+深冷+回火,滲碳?xì)獯?滲碳油淬+深冷+回火處理后軸承鋼具有最好的耐磨性能。