GCr15SiMo軸承鋼球化退火過程的碳化物演變

王博卉, 徐太旭, 路 明, 何志軍

(1. 遼寧科技大學 材料與冶金學院, 遼寧 鞍山 114051;2. 鞍山鋼鐵集團有限公司 大孤山球團廠, 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。高品質軸承鋼對碳化物成分、含量等各方面的要求十分嚴格,因此如何控制碳化物的均勻細小化是當今生產高品質軸承鋼的一個重要研究方向[1-3]。GCr15SiMo軸承鋼是在GCr15軸承鋼的基礎上通過提高Si和Mo含量進而改善淬透性和彈性極限的新型鋼種[4-5]。目前,國內外對GCr15SiMo軸承鋼熱處理工藝研究有很多,孫小東等[6-7]研究發現,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,發現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于貝氏體/馬氏體復合組織的性能;謝燮揆等[9-10]研究了GCr15SiMo軸承鋼的熱處理工藝,發現GCr15SiMo軸承鋼具有良好的抗回火性,且淬透性優于GCr15SiMn軸承鋼。以上關于GCr15SiMo軸承鋼的熱處理工藝研究大多是針對淬火、回火工藝,而對于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較少。

球化退火工藝是GCr15SiMo軸承鋼熱處理工藝中的一個重要組成部分,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鋼種類型有要求,且存在周期長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,還可以節約工藝時間。

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

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用GCr15SiMo高淬透性軸承鋼,由工業純鐵、碳粉、鉻鐵、硅鐵、錳鐵、鉬鐵等原料進行配比,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,其化學成分如表1所示。

表1 GCr15SiMo軸承鋼的化學成分(質量分數,%)

1.2 試驗設備

首先切取φ2 mm×3 mm的圓柱試樣,在氬氣氣氛保護下將試樣以10 ℃/min的升溫速度加熱至1000 ℃,利用NETZSCH型差示掃描量熱計測得GCr15SiMo高淬透性軸承鋼的DSC曲線,根據DSC曲線得出其相變點Ac1,并據此設計等溫球化退火工藝: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,退火試驗在高溫箱式電阻爐中進行,試樣尺寸為10 mm×10mm×10 mm。

圖1 GCr15SiMo軸承鋼球化退火工藝

1.3 檢測設備

退火后的試樣表面經打磨、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軟件對掃描電鏡觀察結果進行碳化物尺寸和數量的統計。此外,利用HRS-150D型洛氏硬度計測定試樣的表面硬度,結果為10個 測試點的平均值。通過對試驗結果的分析得出最合適的球化退火工藝制度。

2 試驗結果及分析

2.1 熱力學計算與分析

利用JMatPro熱力學軟件計算得到GCr15SiMo高淬透性軸承鋼平衡凝固過程的相圖,如圖2所示。可以看出,液相線溫度為1446 ℃,溫度降至901 ℃時開始析出滲碳體,824 ℃時開始析出M23C6相;784 ℃時M23C6相含量達到峰值,奧氏體開始向鐵素體轉變;764 ℃時滲碳體含量達到峰值,M23C6相含量降至最少,奧氏體消失,因此GCr15SiMo鋼相變點A1溫度為764 ℃。當溫度降低至388 ℃時,滲碳體開始向M7C3相轉變,M7C3相開始析出。

圖2 GCr15SiMo軸承鋼平衡凝固過程的相圖

2.2 相變點的測量結果及分析

通過差示掃描量熱法測出GCr15SiMo鋼的DSC曲線,如圖3所示,由圖3分析可知,曲線上出現的第一個吸熱峰對應珠光體開始向奧氏體轉變,溫度為779.9 ℃,因此鋼的相變點Ac1溫度為779.9 ℃,要稍高于圖2熱力學分析結果得出的A1溫度。等溫球化退火工藝需要將試樣加熱到相變點Ac1以上20～30 ℃,因此設計圖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 奧氏體化溫度對碳化物形態轉變的影響

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GCr15SiMo軸承鋼的碳化物形貌,可以發現,經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 ℃退火時碳化物尺寸不均勻,大部分為短棒狀和形狀不規則的大顆粒碳化物;800 ℃退火時碳化物呈細小、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 ℃退火時多為小顆粒碳化物,但局部仍存在少量不規則、短棒狀大顆粒碳化物;820 ℃退火時由于溫度過高,大多數碳化物溶入基體,剩余的碳化物較少,碳化物的間距增加,這會使隨后的冷卻階段中的碳原子難以很好地聚集,在后續形成新的片層狀碳化物[8],繼而出現大顆粒碳化物。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,此時的碳化物最為均勻致密,尺寸最小。

為了進一步分析不同奧氏體化溫度對碳化物球化效果的影響,利用Image pro plus軟件對圖5中碳化物顆粒個數、平均粒徑及分布均勻性進行表征,結果如圖6所示。可以看出,隨著奧氏體化溫度的升高,碳化物尺寸先減小后增大,數量先增多后減少。790 ℃退火時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,因為其大尺寸碳化物相對其他溫度較多,小尺寸碳化物比較少;而800 ℃退火時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升高,分布曲線的峰值開始降低,這是因為奧氏體化溫度過高,奧氏體形核長大成片狀碳化物,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,碳化物最為均勻且細小。

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,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,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,這與熱力學模擬結果相一致。

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(原子分數,%)

利用洛氏硬度計對不同奧氏體化溫度保溫30 min時GCr15SiMo軸承鋼的硬度進行測量,結果如表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,在奧氏體化溫度為800 ℃時硬度最小。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 保溫時間對碳化物球化質量的影響

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

圖8 800 ℃保溫不同時間下GCr15SiMo軸承鋼的碳化物形貌

為了進一步分析不同保溫時間對碳化物球化效果的影響,利用Image pro plus軟件對圖8及圖5(b)進行分析,結果如圖9所示。可以看出,保溫時間為10 min時,曲線最高的峰值出現在0.020 μm附近;20 min時,曲線最高的峰值出現在0.030 μm附近;30 min時,曲線最高的峰值出現在0.025 μm附近;40 min時,曲線最高的峰值出現在0.030 μm附近,這說明隨著保溫時間的延長,碳化物尺寸先增大后變小,碳化物數量先增加后減少。相比較而言,保溫時間為30 min時的曲線偏左,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間為30 min。

圖9 800 ℃保溫不同時間下GCr15SiMo軸承鋼的碳化物尺寸分布

GCr15SiMo鋼退火工藝中800 ℃保溫不同時間后碳化物的EDS能譜如圖10所示,結合圖7(b)可以看出,隨著保溫時間的延長,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間對GCr15SiMo鋼碳化物類型沒有影響,與熱力學模擬結果一致。利用洛氏硬度計對800 ℃奧氏體化不同時間下GCr15SiMo軸承鋼的硬度進行測量,結果如表5所示。可以看出,隨著保溫時間的延長,硬度呈先減小后增大的變化趨勢,保溫時間為30 min時的硬度最小。綜上可以確定,GCr15SiMo軸承鋼的最佳保溫時間為30 min。

圖10 800 ℃保溫不同時間后GCr15SiMo軸承鋼的碳化物能譜

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

表5 800 ℃保溫不同時間下GCr15SiMo軸承鋼的硬度

3 結論

1) GCr15SiMo軸承鋼等溫球化退火工藝的奧氏體化溫度對碳化物球化效果影響顯著。隨著奧氏體化溫度的升高,小尺寸碳化物數量逐漸增多,大尺寸碳化物數量逐漸消失,使得碳化物更加均勻;但奧氏體化溫度過高會導致奧氏體形核長大形成片狀珠光體,使組織變得不再均勻。奧氏體化溫度為800 ℃時,碳化物分布最為均勻細小,此時,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) 保溫時間對GCr15SiMo軸承鋼的碳化物球化效果也有明顯影響。隨著保溫時間的延長,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,但保溫時間過長時,碳化物發生長大,小顆粒碳化物消失,球化效果差。保溫時間為30 min時,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。