脈沖磁場對GCr15鋼球化退火過程中碳化物析出的影響

謝港生, 邢淑清, 申麗娟,2, 麻永林, 劉永珍, 陳重毅

(1. 內蒙古科技大學 材料與冶金學院(稀土學院), 內蒙古 包頭 014010;2. 河南省特殊鋼材料研究院有限公司, 河南 濟源 459000)

高碳鉻軸承鋼是我國軸承行業用量最大的鋼種,占軸承行業用鋼量的85%以上,而GCr15鋼是該類鋼中具有代表性的鋼種之一,應用廣泛[1],主要用于制造滾動軸承的滾動體和套圈。GCr15鋼一般以熱軋態交貨,在軸承制造前需要進行球化退火處理。球化退火后,碳化物的形貌由片層狀轉變為球狀,可以獲得鐵素體基體上均勻分布著細小的球狀碳化物顆粒組織,降低軸承鋼的硬度,有利于切削加工,為最終熱處理(淬火+回火)做組織準備[2]。碳化物的形態(大小、數量及分布)和碳原子的擴散對軸承鋼的性能產生顯著影響。因此,控制碳化物的形態和碳原子的擴散,提高球化退火組織的均勻性,加快球化退火,縮短時間至關重要。

近年來,不同研究者圍繞軸承鋼球化退火進行了廣泛的研究。鄧素懷等[2]發現GCr15軸承鋼熱軋組織中的珠光體均勻細小、片層間距均勻時可縮短球化退火時間。Li等[3]發現對珠光體鋼進行過冷奧氏體熱變形及退火處理,片狀珠光體的球化過程被加快。Yi等[4]提出鋁元素的添加可加快高碳鋼珠光體球化。Saha等[5-7]通過循環熱處理使得鋼的滲碳體球化加快。上述研究結果在一定程度上縮短了球化處理的時間,但是工藝復雜,對熱處理條件要求嚴格。脈沖磁場處理是通過脈沖電流所產生的磁場來處理材料,主要在凝固處理及熱處理等方面表現出良好的應用前景[8]。磁場退火在材料熱處理中早已廣泛應用[9],工業純鐵在螺旋管內進行700 ℃×2 h的磁場退火時彈性極限可提高20%,抗拉強度提高10%,可使鐵素體細化成10-4mm厚的薄片[10]。Fe-50Co-2V合金在真空磁場退火后的矯頑力降低1/2～2/3,工件熱處理后表面質量良好[11],目前還未見軸承鋼球化退火階段使用脈沖磁場的報道。本文通過在GCr15鋼球化退火過程中施加脈沖磁場,分析熱-磁耦合場下球化組織的演變,為促進碳原子擴散,縮短球化退火時間提供一種新思路。

1 試樣制備與試驗方法

以熱軋態GCr15軸承鋼作為試驗材料,其化學成分(質量分數,%)為1.02C、1.50Cr、0.35Mn、0.28Si、0.010P、0.002S,余量Fe。試樣的熱軋態組織為片狀珠光體和網狀碳化物,如圖1所示。將試驗鋼加工為φ8 mm×15 mm圓柱體試樣,在試樣上緊密連接K型熱電偶用于測量試樣的溫度。采用可提供耦合場的管式氣氛爐進行球化退火試驗,試驗裝置如圖2所示。首先在室溫下將脈沖磁場施加到試樣上,根據熱電偶測量結果可知試樣溫度幾乎沒有變化,說明脈沖磁場對溫度場的影響可以忽略不計。然后將試樣在氮氣的保護氣氛下進行等溫球化退火處理,等溫球化退火是一個連續的過程[12],可分為碳化物在不完全奧氏體化階段(即奧氏體還存在些許的未溶碳化物)溶解和在Ac1(約741 ℃)線以下冷卻析出階段(相變階段)。將試樣放入810 ℃的熱-磁耦合場中,保溫30 min后以4 ℃/min冷卻到720 ℃保溫60 min,最后以4 ℃/min冷卻到650 ℃出爐,空冷至室溫。為了分析冷卻相變階段脈沖磁場對碳化物析出的影響,在不完全奧氏體化階段施加的磁場參數不變,在冷卻相變階段分別加磁0、20、40、60 min,具體球化退火工藝參數如表1所示。

圖1 熱軋態GCr15軸承鋼的顯微組織

圖2 脈沖磁場管式爐示意圖

表1 GCr15軸承鋼的球化退火工藝參數

按照標準金相制備方法,先將球化退火試樣表面打磨掉至少2 mm,進一步去除表面氧化的影響,然后用砂紙打磨,金剛石溶液拋光,再用4%(體積分數)硝酸酒精溶液腐蝕。采用Sigma300掃描電鏡分析試樣中碳化物的形貌,利用Image pro處理軟件對試樣中碳化物的微觀形貌進行定量分析。從測量碳化物面積出發,假設球形,計算其等效直徑。采用Zwick/Roell ZHμ顯微維氏硬度計測定試樣的硬度,載荷砝碼為50 kg,每個試樣測定10個點,取其平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 磁-熱耦合場作用下的碳化物析出

GCr15軸承鋼在冷卻相變階段不同加磁時間下球化退火后的微觀形貌如圖3所示。碳化物在冷卻相變階段的析出行為是通過觀察晶粒中的碳化物顆粒進行分析的,在冷卻相變階段的析出也叫做離異共析轉變,即以原有微小顆粒為核心,通過碳原子不斷擴散而長大。由圖3可以看出,隨著加磁時間的增加,析出的碳化物顆粒越來越大,個數越來越少。

圖3 球化退火冷卻相變階段不同加磁時間下GCr15軸承鋼的球狀碳化物形貌

使用Image pro軟件對GCr15軸承鋼在冷卻相變階段不同加磁時間下球化退火后的碳化物顆粒直徑進行統計,為了保證統計結果的準確性,每個試樣均隨機選取至少3個視場進行分析,結果如圖4所示。由圖4可以看出,未加磁時碳化物細小,主要分布在0～0.2 μm范圍內。加磁20 min時碳化物逐漸長大,與未加磁時相比,0～0.2 μm范圍內的碳化物占比減少,0.2～0.4 μm范圍內的碳化物占比大大提高。加磁40 min時碳化物主要集中在0.4～0.6 μm范圍內。加磁60 min時碳化物主要集中在0.6～0.8 μm范圍內。結果表明,隨著加磁時間的變長,碳化物慢慢長大,脈沖磁場促進碳化物的形成,有利于軸承鋼球化退火的離異共析轉變。

圖4 球化退火冷卻相變階段不同加磁時間下GCr15軸承鋼的球狀碳化物尺寸分布

GCr15軸承鋼在冷卻相變階段不同加磁時間下球化退火后的顯微硬度如圖5所示。由圖5可以看出,球化退火后試樣的硬度均在GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》規定范圍內。未加磁時試樣的硬度約為204 HV50,加磁試樣的硬度為215～220 HV50,均比未加磁試樣的硬度高,這是因為磁場促進碳化物的形成,較小的碳化物不足以阻止晶界和位錯的移動,使材料的硬度降低。當加入磁場以后,碳化物發生長大,有效阻止了晶界和位錯的移動,使材料的硬度增強。

圖5 球化退火冷卻相變階段不同加磁時間下GCr15軸承鋼的硬度

3.2 脈沖磁場對碳化物的影響

3.2.1 脈沖磁場增加珠光體相變驅動力

GCr15軸承鋼球化退火的冷卻析出階段是珠光體的形成階段,目前成熟的理論是離異共析模型[13]。離異共析轉變是以不完全奧氏體化條件下殘存的剩余碳化物作為形核核心,并據此進一步長大完成球化的,而當奧氏體化不完全時,母相中存在大量的未溶碳化物,這些未溶碳化物的平均粒徑要遠遠大于粒狀和片狀碳化物的臨界形核半徑,不僅增加了系統的界面面積,又為碳化物長大提供了核心,一定程度上減少了擴散型相變所需的碳原子長程擴散。因此,與完全奧氏體化后沒有剩余碳化物相比,剩余碳化物的存在降低了系統總自由能。從熱力學角度來看,不完全奧氏體化后的未溶碳化物降低了相變阻力,有利于離異共析轉變的進行。在固態相變中,相變驅動力ΔG相變是新舊兩相自由能之差:

ΔG相變=ΔG新-ΔG舊

(1)

式中:ΔG新和ΔG舊分別為新相和舊相的吉布斯自由能。當ΔG相變<0時,相變將自發地進行。對于軸承鋼的球化退火來說,當溫度在720 ℃時,奧氏體的自由能高于碳化物和鐵素體所構成的球狀珠光體的自由能,軸承鋼自發地從不完全奧氏體化相變到球狀珠光體。加入磁場后,由于各相間的磁各向異性導致磁化率的不同,影響了系統吉布斯自由能,從而影響各相穩定性,如圖6所示。具體來說,磁場降低了珠光體中具有鐵磁性特征的鐵素體的自由能[14],在具有順磁特征的奧氏體和碳化物的自由能基本不變的情況下,珠光體中鐵素體相自由能的降低增大了奧氏體和珠光體的吉布斯自由能差(鐵素體的自由能曲線由圖6中的α線變為α′線),即增大了相變驅動力,這就是磁場提供的相變驅動力ΔG。

圖6 相變驅動力示意圖

3.2.2 脈沖磁場促進碳原子擴散速度

GCr15軸承鋼加熱到810 ℃時處于不完全奧氏體化階段,因此組織中存在奧氏體和少量未溶碳化物。在720 ℃時,奧氏體發生珠光體轉變,同時形成鐵素體和碳化物相,碳原子由奧氏體內擴散到未溶碳化物與奧氏體的相界面處形成滲碳體(Fe3C),同時fcc結構的奧氏體排碳轉變為bcc結構的鐵素體,碳原子擴散示意圖如圖7所示。脈沖磁場加速碳原子的擴散,導致隨著磁場時間的延長,碳原子擴散的越來越多,碳化物長的越來越大。

圖7 原子擴散示意圖

如果假設GCr15軸承鋼球化退火時不施加脈沖磁場與施加脈沖磁場的體系中C濃度梯度是相同的,則C遷移的濃度通量取決于C在基體中的擴散系數,擴散系數D與溫度T的關系遵循阿累尼烏斯(Arrhenius)方程:

(2)

式中:ED為擴散激活能;R為氣體常數;D0為擴散常數。

GCr15軸承鋼中C的擴散屬于間隙擴散機制,當施加脈沖磁場后,其擴散系數Dm可表達為:

(3)

式中:ΔE為脈沖磁場產生的電磁能對總激活能的貢獻,可表示為[15-16]:

(4)

式中:μ0為真空磁導率;M為磁化強度;xM為摩爾磁化率;H為磁場強度。

由式(2)～式(4)可知,單位摩爾的磁能小于零,說明施加磁場后擴散原子的激活能減小,從而使得擴散系數Dm增大,加速了C原子在基體中的擴散。因此脈沖磁場促進碳原子的擴散,加速離異共析轉變過程中碳化物的形成。

3 結論

1) GCr15軸承鋼球化退火時施加脈沖磁場可以顯著促進碳化物的形成。未施加磁場時的硬度為204 HV50,碳化物直徑主要分布在0～0.2 μm,施加60 min 磁場后碳化物直徑主要分布在0.6～0.8 μm,硬度增加至215～220 HV50。

2) 脈沖磁場可以促進GCr15軸承鋼離異共析轉變,通過降低珠光體中具有鐵磁性特征的鐵素體自由能,為珠光體相變提供驅動力。

3) 脈沖磁場降低了碳原子的擴散激活能,使其擴散系數增大,加速了C原子在基體中的擴散,進而加速球狀碳化物的析出。