GCr15鋼復(fù)相淬火組織及其對(duì)力學(xué)性能的影響

董笑鵬

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，河南 平頂山 467001)

目前GCr15軸承鋼也常用于制造模具，按其常規(guī)馬氏體(M)工藝熱處理，常因韌性不足而脆斷，使材耗增加。若利用適量下貝氏體(Bl)提高其韌性，馬氏體保證高強(qiáng)度,即獲得馬氏體+下貝氏體復(fù)相組織，則比單相的馬氏體或下貝氏體更具優(yōu)良強(qiáng)韌性。但它們之間比例多少時(shí)強(qiáng)韌性配合最佳，碳化物、殘余奧氏體對(duì)強(qiáng)韌性有何影響尚不清楚。因此研究其不同比例復(fù)相組織強(qiáng)韌性配合熱處理工藝，對(duì)理論和實(shí)際都十分必要。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及過(guò)程

試驗(yàn)使用GCr15軸承鋼。對(duì)Φ20mm×12mm球化退火GCr15鋼試樣以不同的奧氏體化淬火溫度(820，860和900 ℃)×15 min，等溫淬火溫度(250和300 ℃)及等溫時(shí)間(1，2，5，10，15，20，30，35，40和60 min)進(jìn)行熱處理，得到不同比例的馬氏體+下貝氏體復(fù)相組織。

采用RDM-45-13埋入式電極鹽浴爐奧氏體化淬火加熱，TL81-255型低溫坩堝硝鹽爐等溫淬火；用4%硝酸酒精腐蝕金相組織，在4XCE/4XCZ臥式金相顯微鏡下觀察并拍攝照片；用AC紙復(fù)型，XDT-10復(fù)型透射電鏡測(cè)量碳化物直徑，XYL-75型X射線應(yīng)力儀測(cè)量殘余奧氏體量；用洛氏硬度計(jì)測(cè)試硬度；用10 t液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試Φ10 mm×100 mm、跨距80 mm試樣的抗彎強(qiáng)度σbb和撓度f(wàn)。

馬氏體、下貝氏體各相組織所占比例的測(cè)量，使用AutoCAD 2006軟件，在金相組織圖片中選擇相應(yīng)相組織封閉圖形，直接輸入命令area(也可以在“工具”里用“查詢”中的“面積”)，即可計(jì)算圖形面積，并算出在整體中的相對(duì)面積。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

表1為各熱處理工藝金相組織及力學(xué)性能。

表1 不同熱處理工藝下的金相組織及力學(xué)性能

2.1.1 奧氏體化溫度對(duì)組織的影響

隨著奧氏體化溫度(820，860和900 ℃)的提高，下貝氏體針的寬度、長(zhǎng)度均明顯增大(圖1～圖3)，而殘余碳化物尺寸明顯變小(圖4～圖6)，見(jiàn)表2。

圖1 900 ℃×15 min，250 ℃×40 min處理后的組織

圖2 860 ℃×15 min，250 ℃×10 min處理后的組織

圖3 820 ℃×15 min，250 ℃×1 min處理后的組織

圖4 900 ℃×15 min，250 ℃×40 min，(復(fù)型)殘余碳化物

圖5 860 ℃×15 min，250 ℃×10 min，(復(fù)型)殘余碳化物

圖6 820 ℃×15 min，250 ℃×1 min，(復(fù)型)殘余碳化物

表2 不同淬火溫度下的組織尺寸

2.1.2 等溫溫度對(duì)組織形態(tài)的影響

隨等溫溫度下降，殘余碳化物尺寸、形態(tài)變化不明顯(圖6、圖7)；而下貝氏體針的長(zhǎng)度、寬度均趨于減小(圖3、圖8～圖10)，見(jiàn)表3。

圖7 820 ℃×15 min，300 ℃×1 min，復(fù)型殘余碳化物

圖8 900 ℃×15 min，250℃×20 min處理后的組織

圖9 900 ℃×15 min，300 ℃×5 min處理后的組織

圖10 820 ℃×15 min，300 ℃×1 min處理后的組織

表3 不同等溫溫度下的組織尺寸

2.1.3 等溫時(shí)間對(duì)組織的影響

隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，下貝氏體在復(fù)相組織中的比例擴(kuò)大，如圖1、圖8及圖2、圖11所示，當(dāng)下貝氏體小于20%時(shí)，孤立針下貝氏體清晰，下貝氏體量越少，針的尺寸有增大趨勢(shì)(圖8～圖9)，下貝氏體量越多，草叢狀下貝氏體并排聚集成堆(圖1、圖11)；而殘余碳化物(不是下貝氏體針中的碳化物)尺寸變化甚微(圖12～圖14)。

圖11 860 ℃×15 min，250 ℃×15 min處理后的組織

圖12 860 ℃×15 min，300 ℃×2 min(復(fù)型)殘余碳化物

圖13 860 ℃×15 min，250 ℃×15 min，(復(fù)型)殘余碳化物

圖14 860 ℃×15 min，250 ℃×40 min，(復(fù)型)殘余碳化物

2.2力學(xué)性能

2.2.1 奧氏體化溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

不同奧氏體化溫度并在300 ℃等溫淬火下，抗彎強(qiáng)度、撓度有峰值出現(xiàn)，如圖15所示，在同一下貝氏體含量(10～15)%下抗彎強(qiáng)度、撓度在奧氏體化溫度為900 ℃時(shí)最好， 820 ℃時(shí)次之， 860 ℃時(shí)最差。

圖15 奧氏體化溫度與抗彎強(qiáng)度及撓度的關(guān)系

2.2.2 等溫溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

從圖16～圖18及表4可以看出，等溫溫度下降，鋼的硬度增加，形成的殘余奧氏體量增加。從圖19可知,不同等溫溫度下,鋼的抗彎強(qiáng)度、撓度隨著下貝氏體轉(zhuǎn)變量的增加將有峰值出現(xiàn)，峰區(qū)約在(50%～60%)Bl處。等溫溫度下降，下貝氏體增加到適量時(shí),鋼的抗彎強(qiáng)度、撓度增高。

圖16 等溫時(shí)間與硬度的關(guān)系(900 ℃奧氏體化)

圖17 等溫時(shí)間與硬度的關(guān)系(860 ℃奧氏體化)

圖18 等溫時(shí)間與硬度的關(guān)系(820 ℃奧氏體化)

圖19 不同等溫溫度及下貝氏體轉(zhuǎn)變量與σbb及f的關(guān)系(奧氏體化溫度為860 ℃)

表4 等溫溫度與殘余奧氏體轉(zhuǎn)變關(guān)系

2.2.3 等溫時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

由圖16～圖18可以看出，隨等溫時(shí)間延長(zhǎng)，硬度將會(huì)降低,并在一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定；而抗彎強(qiáng)度、撓度均有峰值，之后緩慢下降并趨于平緩。

3 討論

3.1 復(fù)相熱處理與M+Bl復(fù)相組織關(guān)系

(1)隨著奧氏體化溫度提高，原奧氏體晶粒增大，而下貝氏體的鐵素體尺寸與原奧氏體晶粒尺寸聯(lián)系密切，故下貝氏體針增大；殘余碳化物不斷溶解，變得更細(xì)小、均勻、彌散。

(2)下貝氏體轉(zhuǎn)變屬擴(kuò)散型相變[1]。當(dāng)?shù)葴販囟认陆禃r(shí)，下貝氏體中碳原子的擴(kuò)散系數(shù)隨之減小，從鐵素體中脫出更困難，下貝氏體轉(zhuǎn)變?cè)杏谘娱L(zhǎng)，轉(zhuǎn)變速度減慢，故下貝氏體針尺寸減?。幌仑愂象w的長(zhǎng)大受碳原子的脫溶控制，等溫溫度下降，下貝氏體針中的碳化物數(shù)量增加，尺寸減小；250 ℃比300 ℃時(shí)下貝氏體針中的碳化物量更多，更細(xì)小、規(guī)則(圖12、圖13)。

(3)等溫時(shí)間延長(zhǎng)，奧氏體向下貝氏體轉(zhuǎn)變?cè)龆?，故從針狀到草叢狀；下貝氏體針的碳化物逐漸長(zhǎng)大，變粗散。

3.2 復(fù)相熱處理對(duì)力學(xué)性能的影響

3.2.1 對(duì)強(qiáng)度和硬度的影響

提高奧氏體化溫度，雖然下貝氏體尺寸增大，但溶入GCr15鋼中的碳量增大，使碳原子在馬氏體中的固溶強(qiáng)化提高；同時(shí)殘余碳化物愈加細(xì)化、彌散，使強(qiáng)度提高，所以在900 ℃奧氏體化溫度加熱后等溫處理，其強(qiáng)度及硬度最高。

隨著下貝氏體等溫溫度的降低，下貝氏體針中的碳化物彌散度增大，下貝氏體的強(qiáng)度增加，250 ℃比300 ℃等溫處理時(shí)的碳化物不易擴(kuò)散長(zhǎng)大，彌散度更大，易沉淀硬化，故在下貝氏體轉(zhuǎn)變量較大時(shí)抗彎強(qiáng)度和撓度更高(圖19)。在等溫處理隨后冷卻過(guò)程中，殘余奧氏體變?yōu)轳R氏體，體積膨脹(馬氏體的比容遠(yuǎn)大于奧氏體)，使針狀、草叢狀下貝氏體受壓產(chǎn)生加工硬化，故復(fù)合組織的強(qiáng)度高于單相的下貝氏體組織。

等溫時(shí)間延長(zhǎng)，下貝氏體量增加，馬氏體量減少，但較多的下貝氏體轉(zhuǎn)變量和較少的馬氏體量，使韌性提高而強(qiáng)度不夠。反之等溫時(shí)間太短，形成較少的下貝氏體轉(zhuǎn)變量和較多的馬氏體量及殘余奧氏體量，使強(qiáng)度、塑性均較低。故適當(dāng)?shù)牡葴貢r(shí)間可獲得適宜比例的M+Bl復(fù)合組織，使強(qiáng)度、韌性同時(shí)最佳。

3.2.2 對(duì)韌性的影響

提高奧氏體加熱溫度，得到較大尺寸的下貝氏體、板條馬氏體及較小尺寸的殘余碳化物等組織。下貝氏體尺寸增大對(duì)提高韌性不利。板條馬氏體的獲得是因?yàn)镚Cr15鋼主要合金元素為鉻，鉻是縮小γ區(qū)的合金元素。Fe-Cr系二元合金，縮小γ區(qū)合金元素，全部形成板條馬氏體[2]，板條馬氏體對(duì)韌性十分有利。較小的殘余碳化物也有利于韌性提高。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，當(dāng)殘余碳化物尺寸d≤0.5 μm，有可能提高其韌性，但當(dāng)殘余碳化物尺寸d>1 μm，往往是破壞斷裂源，對(duì)韌性不利。試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)吻合，900 ℃奧氏體化250 ℃等溫淬火處理后，殘余碳化物尺寸d=0.5 μm，韌性、撓度最優(yōu)； 820,860 ℃奧氏體化250 ℃等溫淬火處理后，殘余碳化物尺寸d分別為1.8和1.5 μm，故韌性低。這表明高的奧氏體化溫度有利于材料保持優(yōu)良的韌性。

等溫淬火溫度降低，形成的下貝氏體尺寸減小，有利于韌性提高(圖19)。

等溫時(shí)間增加，下貝氏體量增加，韌性提高；這是因?yàn)榈葴靥幚磉^(guò)程中，先形成的下貝氏體量不斷增加，奧氏體晶粒被分割細(xì)化，從而使隨后形成的馬氏體尺寸亦減小，馬氏體板條被細(xì)化，如表5所示，使韌性提高。由圖19可知，不同比例Bl+M復(fù)合組織，體積比為(50～60)%Bl+M時(shí)，強(qiáng)度、撓度出現(xiàn)峰值?？箯潖?qiáng)度從σbb=3 638 MPa提高到4 523 MPa，撓度f(wàn)從2.35 mm提高到4.45 mm。

表5 下貝氏體轉(zhuǎn)變量與下貝氏體和馬氏體尺寸的關(guān)系

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于GCr15鋼，高的奧氏體化溫度有利于提高強(qiáng)度，低的等溫淬火溫度和一定的等溫時(shí)間有利于提高韌性，即在900 ℃×15 min奧氏體化，250 ℃×40 min等溫淬火，可獲得(50～60)%Bl+M的復(fù)相組織，此時(shí)材料抗彎強(qiáng)度和撓度俱佳，是最優(yōu)強(qiáng)韌性配合復(fù)相熱處理工藝。