GCr15 鋼是主要用于制造各種軸承的滾珠、滾柱和套圈等的傳統(tǒng)高碳鉻軸承鋼。軸承
在服役過程中承受極高的交變載荷, 要求其具有較高的抗接觸疲勞性能和耐磨性能, 因此軸
承鋼需具有隱晶回火馬氏體+ 細小滲碳體顆粒組織。
為獲得此種組織,則要求軸承鋼具有良好球化的珠光體組織 ;而軋制工藝對GCr15 鋼組織有顯著影響,進而影響其球化過程。為此,進行了小規(guī)模工業(yè)軋制試驗,熱軋材分別經(jīng)等溫球化退火和周期球化退火工藝處理,以此來研究GCr15 鋼球化退火的行為,探索適合GCr15 軸
承鋼棒線材的合理球化退火工藝制度,為工業(yè)應用提供依據(jù)。
1 試驗材料與方法
試驗用特殊鋼分公司的GCr15 鋼材。其化學成分( 試驗爐號為75021417 ) : w ( C) = 1. 0 %,w (Mn) = 0. 31 % , w ( P) = 0. 007 % , w ( S) =01005 % ,w (Si) = 0. 24 % , w (Ni) = 0. 04 % , w (Cr)= 1146 % , w ( Cu) = 0108 % , w (Mo ) = 0101 %,w ( Ti) = 01002 4 %。
采用常規(guī)軋制工藝(簡稱“CR”,900 ℃終軋后空冷) 和控軋控冷工藝(簡稱“TMCP”,800 ℃終軋后水冷與風冷) 進行小規(guī)模工業(yè)軋制試驗,軋制規(guī)格為<12 mm ;利用等溫球化退火(寶鋼特鋼現(xiàn)行,退火時間長達22 h ,工藝規(guī)程見圖1) 和周期球化退火工藝(退火時間長達16 h ,工藝規(guī)程見圖2) 分別對CR 材和TMCP 材進行球化退火。
將經(jīng)上述熱軋及球化退火工藝處理的試驗料加工成標準拉伸試樣( l0 = 5 d0 , d0 = 4 mm) 和金相、硬度試樣,并通過室溫拉伸試驗測定常規(guī)力學性能;金相試樣經(jīng)4 %的硝酸酒精溶液浸蝕后在光學顯微鏡及掃描電鏡(SEM)下觀察各處理制度下的顯微組織形貌,用軟件計算球狀珠光體中滲碳體顆粒的平均尺寸及其大尺寸顆粒所占比例(將最大幾何長度大于1μm
的顆粒定義為大尺寸顆粒) ,檢測試樣的布氏硬度。
2 試驗結(jié)果與分析
2. 1 微觀組織形貌
熱軋材的光學顯微組織見圖 。從圖 可見,CR 熱軋材網(wǎng)狀碳化物較多,且多呈封閉狀態(tài);從圖可見, TMCP 熱軋材僅有細小、微量的網(wǎng)狀碳化物析出。CR 熱軋材的SEM 顯微組織中珠光體片層粗大松散 ; TMCP 熱軋材的SEM 顯微組織中珠光體片層細小致密,滲碳體呈短棒狀,有些滲碳體片產(chǎn)生扭折甚至斷開 。球化組織中滲碳體顆粒的平均尺寸、大尺寸顆粒所占比例見表。經(jīng)不同軋制及不同球化退火工藝后的GCr15 鋼SEM 顯微組織見圖。從圖可見,CR 材經(jīng)等溫球化退火后滲碳體分布不均勻,晶界處滲碳體顆粒尺寸較大,其主要是CR 材沿晶界析出的網(wǎng)狀碳化物較多和球化不充分所致;從圖 可見,CR 材經(jīng)周期球化退火后晶界處及晶粒內(nèi)部仍有部分短棒狀的滲碳體,這是CR 熱軋材的網(wǎng)狀碳化物較多及珠光體片層粗大而不能完全球化所致;從圖可見, TMCP 材經(jīng)等。
溫球化退火后大部分滲碳體顆粒很細,但分布均勻性較差,晶界處及晶粒內(nèi)部存在319 %的大尺寸顆粒,其主要原因是細片狀珠光體組織的TMCP 熱軋材在等溫球化退火過程中,一方面不斷有新的片狀滲碳體溶斷、球化而使?jié)B碳體顆粒更加細小,另一方面又不斷有滲碳體顆粒按Ostwald 熟化機制長大而使球化的滲碳體變大,該機制熟化過程的熱力學方見式(1) :
Cαr≈Cα0 1 +2σVpCp R Tr (1)式中 Cαr , Cα0 ———分別為體積較小和較大的顆粒
周圍,某一組元在α基體中的濃度;
σ ———第2 相與基體之間的比界面能;
Vp ———第2 相的摩爾體積;
Cp ———控制性元素在第2 相中的平衡摩爾濃度;
r ———第2 相的顆粒半徑。
滲碳體是鋼中最常見的第2 相,它的Ostwald熟化機制的控制元素是碳。由式(1) 看出,體積較小的滲碳體顆粒周圍碳在基體中的濃度總是比體積較大的滲碳體顆粒周圍碳在基體中的濃度要高,因此,隨等溫時間的延續(xù),細小彌散的滲碳體顆粒逐漸增多,碳原子將從小顆粒周圍向大顆粒附近擴散,這種擴散會破壞顆粒周圍溶質(zhì)濃度的平衡,導致小顆粒不斷溶解收縮并最終消失,而大顆粒則將不斷長大; TMCP 材經(jīng)周期球化退火處理后,滲碳體顆粒均勻細小 ,平均尺寸及大尺寸比例都滿足了GB/ T18254 - 2002 的要求。
212 力學性能
軸承鋼的力學性能與顯微組織緊密相連,經(jīng)不同球化退火工藝后,試驗鋼的硬度( HB) 、抗拉強度 Rm) 、伸長率( A) 見表。
3 討論
目前,在工業(yè)生產(chǎn)中GCr15 鋼多采用等溫球化退火處理工藝,它是利用不均勻奧氏體中未溶碳化物或奧氏體中高濃度碳偏聚區(qū)的非自發(fā)形核的有利作用來加速球化。對于細珠光體組織,如果加熱到A1 溫度以上,隨后緩冷到A1 以下,那么這種細珠光體組織則往往會被緩冷或保溫過程中形成的粗大珠光體組織所替代,其結(jié)果反而不利于碳化物的球化[4] ;同時,在保溫過程中又不斷有滲碳體顆粒按Ostwald 熟化機制長大,使球化的滲碳體變大。本試中,TMCP 熱軋材經(jīng)等溫球化退火處理后的滲碳體大尺寸顆粒比例為319 %,而在周期球化退火下僅為019 %。周期球化退火是在雙相區(qū)內(nèi)反復對試驗鋼進行等溫球化退火的熱處理工藝。其工藝特點是: ①鋼材的奧氏體化保溫時間較短,致使每一次循環(huán)的加熱階段因奧氏體成分不均勻、未溶碳化物多,加速了滲碳體的球化,而使球化退火效果更加理想,且顯著縮短了工藝時間。②奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的冷卻速度較快。冷卻速度決定了過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度Ar1,冷卻速度越快,轉(zhuǎn)變溫度越低,碳及鐵原子的擴散就越困難,從而縮短碳化物球化時的臨界距離,這樣就避免細珠光體在保溫或冷卻過程中形成粗大珠光體。③反復處理的作用。反復加熱除了進一步溶斷先共析滲碳體網(wǎng)外,同時也加速球化過程,但該工藝對網(wǎng)狀碳化物的球化效果不理想,如CR 在等溫球化處理下有短棒狀滲碳體存在。
4 結(jié)論
(1) 常規(guī)軋制的GCr15 鋼熱軋材網(wǎng)狀碳化物較多,且珠光體較粗大。相對于常規(guī)軋制試樣,控軋控冷試樣珠光體發(fā)生退化且片層細小,滲碳體呈短棒狀,部分滲碳體片產(chǎn)生扭折甚至斷裂。
(2) 等溫球化退火下常規(guī)軋制和控軋控冷試樣球化效果差別較小。
(3) 周期球化退火下控軋控冷試樣可獲得細小均勻的球化組織,退火組織的級別及退火材的硬度均能滿足GB/ T18254 - 2002 的要求。其球化效果明顯優(yōu)于常規(guī)軋制試樣,且球化退火時間比現(xiàn)行的等溫球化退火工藝縮短了6 h , 顯著提高了生產(chǎn)效率。
在服役過程中承受極高的交變載荷, 要求其具有較高的抗接觸疲勞性能和耐磨性能, 因此軸
承鋼需具有隱晶回火馬氏體+ 細小滲碳體顆粒組織。
為獲得此種組織,則要求軸承鋼具有良好球化的珠光體組織 ;而軋制工藝對GCr15 鋼組織有顯著影響,進而影響其球化過程。為此,進行了小規(guī)模工業(yè)軋制試驗,熱軋材分別經(jīng)等溫球化退火和周期球化退火工藝處理,以此來研究GCr15 鋼球化退火的行為,探索適合GCr15 軸
承鋼棒線材的合理球化退火工藝制度,為工業(yè)應用提供依據(jù)。
1 試驗材料與方法
試驗用特殊鋼分公司的GCr15 鋼材。其化學成分( 試驗爐號為75021417 ) : w ( C) = 1. 0 %,w (Mn) = 0. 31 % , w ( P) = 0. 007 % , w ( S) =01005 % ,w (Si) = 0. 24 % , w (Ni) = 0. 04 % , w (Cr)= 1146 % , w ( Cu) = 0108 % , w (Mo ) = 0101 %,w ( Ti) = 01002 4 %。
采用常規(guī)軋制工藝(簡稱“CR”,900 ℃終軋后空冷) 和控軋控冷工藝(簡稱“TMCP”,800 ℃終軋后水冷與風冷) 進行小規(guī)模工業(yè)軋制試驗,軋制規(guī)格為<12 mm ;利用等溫球化退火(寶鋼特鋼現(xiàn)行,退火時間長達22 h ,工藝規(guī)程見圖1) 和周期球化退火工藝(退火時間長達16 h ,工藝規(guī)程見圖2) 分別對CR 材和TMCP 材進行球化退火。
將經(jīng)上述熱軋及球化退火工藝處理的試驗料加工成標準拉伸試樣( l0 = 5 d0 , d0 = 4 mm) 和金相、硬度試樣,并通過室溫拉伸試驗測定常規(guī)力學性能;金相試樣經(jīng)4 %的硝酸酒精溶液浸蝕后在光學顯微鏡及掃描電鏡(SEM)下觀察各處理制度下的顯微組織形貌,用軟件計算球狀珠光體中滲碳體顆粒的平均尺寸及其大尺寸顆粒所占比例(將最大幾何長度大于1μm
的顆粒定義為大尺寸顆粒) ,檢測試樣的布氏硬度。
2 試驗結(jié)果與分析
2. 1 微觀組織形貌
熱軋材的光學顯微組織見圖 。從圖 可見,CR 熱軋材網(wǎng)狀碳化物較多,且多呈封閉狀態(tài);從圖可見, TMCP 熱軋材僅有細小、微量的網(wǎng)狀碳化物析出。CR 熱軋材的SEM 顯微組織中珠光體片層粗大松散 ; TMCP 熱軋材的SEM 顯微組織中珠光體片層細小致密,滲碳體呈短棒狀,有些滲碳體片產(chǎn)生扭折甚至斷開 。球化組織中滲碳體顆粒的平均尺寸、大尺寸顆粒所占比例見表。經(jīng)不同軋制及不同球化退火工藝后的GCr15 鋼SEM 顯微組織見圖。從圖可見,CR 材經(jīng)等溫球化退火后滲碳體分布不均勻,晶界處滲碳體顆粒尺寸較大,其主要是CR 材沿晶界析出的網(wǎng)狀碳化物較多和球化不充分所致;從圖 可見,CR 材經(jīng)周期球化退火后晶界處及晶粒內(nèi)部仍有部分短棒狀的滲碳體,這是CR 熱軋材的網(wǎng)狀碳化物較多及珠光體片層粗大而不能完全球化所致;從圖可見, TMCP 材經(jīng)等。
溫球化退火后大部分滲碳體顆粒很細,但分布均勻性較差,晶界處及晶粒內(nèi)部存在319 %的大尺寸顆粒,其主要原因是細片狀珠光體組織的TMCP 熱軋材在等溫球化退火過程中,一方面不斷有新的片狀滲碳體溶斷、球化而使?jié)B碳體顆粒更加細小,另一方面又不斷有滲碳體顆粒按Ostwald 熟化機制長大而使球化的滲碳體變大,該機制熟化過程的熱力學方見式(1) :
Cαr≈Cα0 1 +2σVpCp R Tr (1)式中 Cαr , Cα0 ———分別為體積較小和較大的顆粒
周圍,某一組元在α基體中的濃度;
σ ———第2 相與基體之間的比界面能;
Vp ———第2 相的摩爾體積;
Cp ———控制性元素在第2 相中的平衡摩爾濃度;
r ———第2 相的顆粒半徑。
滲碳體是鋼中最常見的第2 相,它的Ostwald熟化機制的控制元素是碳。由式(1) 看出,體積較小的滲碳體顆粒周圍碳在基體中的濃度總是比體積較大的滲碳體顆粒周圍碳在基體中的濃度要高,因此,隨等溫時間的延續(xù),細小彌散的滲碳體顆粒逐漸增多,碳原子將從小顆粒周圍向大顆粒附近擴散,這種擴散會破壞顆粒周圍溶質(zhì)濃度的平衡,導致小顆粒不斷溶解收縮并最終消失,而大顆粒則將不斷長大; TMCP 材經(jīng)周期球化退火處理后,滲碳體顆粒均勻細小 ,平均尺寸及大尺寸比例都滿足了GB/ T18254 - 2002 的要求。
212 力學性能
軸承鋼的力學性能與顯微組織緊密相連,經(jīng)不同球化退火工藝后,試驗鋼的硬度( HB) 、抗拉強度 Rm) 、伸長率( A) 見表。
3 討論
目前,在工業(yè)生產(chǎn)中GCr15 鋼多采用等溫球化退火處理工藝,它是利用不均勻奧氏體中未溶碳化物或奧氏體中高濃度碳偏聚區(qū)的非自發(fā)形核的有利作用來加速球化。對于細珠光體組織,如果加熱到A1 溫度以上,隨后緩冷到A1 以下,那么這種細珠光體組織則往往會被緩冷或保溫過程中形成的粗大珠光體組織所替代,其結(jié)果反而不利于碳化物的球化[4] ;同時,在保溫過程中又不斷有滲碳體顆粒按Ostwald 熟化機制長大,使球化的滲碳體變大。本試中,TMCP 熱軋材經(jīng)等溫球化退火處理后的滲碳體大尺寸顆粒比例為319 %,而在周期球化退火下僅為019 %。周期球化退火是在雙相區(qū)內(nèi)反復對試驗鋼進行等溫球化退火的熱處理工藝。其工藝特點是: ①鋼材的奧氏體化保溫時間較短,致使每一次循環(huán)的加熱階段因奧氏體成分不均勻、未溶碳化物多,加速了滲碳體的球化,而使球化退火效果更加理想,且顯著縮短了工藝時間。②奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的冷卻速度較快。冷卻速度決定了過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度Ar1,冷卻速度越快,轉(zhuǎn)變溫度越低,碳及鐵原子的擴散就越困難,從而縮短碳化物球化時的臨界距離,這樣就避免細珠光體在保溫或冷卻過程中形成粗大珠光體。③反復處理的作用。反復加熱除了進一步溶斷先共析滲碳體網(wǎng)外,同時也加速球化過程,但該工藝對網(wǎng)狀碳化物的球化效果不理想,如CR 在等溫球化處理下有短棒狀滲碳體存在。
4 結(jié)論
(1) 常規(guī)軋制的GCr15 鋼熱軋材網(wǎng)狀碳化物較多,且珠光體較粗大。相對于常規(guī)軋制試樣,控軋控冷試樣珠光體發(fā)生退化且片層細小,滲碳體呈短棒狀,部分滲碳體片產(chǎn)生扭折甚至斷裂。
(2) 等溫球化退火下常規(guī)軋制和控軋控冷試樣球化效果差別較小。
(3) 周期球化退火下控軋控冷試樣可獲得細小均勻的球化組織,退火組織的級別及退火材的硬度均能滿足GB/ T18254 - 2002 的要求。其球化效果明顯優(yōu)于常規(guī)軋制試樣,且球化退火時間比現(xiàn)行的等溫球化退火工藝縮短了6 h , 顯著提高了生產(chǎn)效率。
