不同工藝滲碳淬火和深冷處理后20CrNi2Mo軸承鋼的組織與性能

姚國林,王合闖

(1.河南農業職業學院機電工程學院,鄭州 451450;2.華北水利水電大學信息工程學院,鄭州 450045)

0 引 言

在“工業制造2025”政策推動下,我國軸承行業在近年來得到了迅猛發展,軸承鋼的產量穩步提升,不同檔次軸承鋼的生產基本可以滿足交通運輸、工程機械等領域的應用需求[1]。然而,作為機械傳動部分的基礎零件,滾珠和軸承套圈等在服役過程中需要承受各種交變應力、沖擊力和摩擦力等[2],特別是當應用于具有高效化和高速旋轉的機械傳動部件時,會面臨超高低溫、高磨損、強腐蝕等惡劣使用環境,從而加劇其磨損和疲勞失效等[3]。為此,學者們從軸承鋼選材(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(電爐、轉爐)、加工技術(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,創新和優化生產工藝以滿足復雜服役環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、強度和耐磨性等方面已有較為成功的應用。這主要是因為滲碳淬火有助于在金屬零部件表層產生硬度高、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變、晶粒組織細化和碳化物的彌散析出,從而提高鋼的硬度和耐磨性等[8]。傳統軸承鋼一般采用單次滲碳油淬方式生產,其綜合力學性能與高端軸承鋼的使用需求仍有一定差距。采用循環滲碳、油淬與氣淬結合,以及將滲碳淬火+深冷處理結合使用來提升軸承鋼綜合性能方面的研究報道較少[9-11],具體影響規律及作用機理也不完全清楚。

為此,作者研究了滲碳淬火和深冷處理(含傳統滲碳淬火)對正火態20CrNi2Mo軸承鋼顯微組織、力學和耐磨性能等的影響,以期為國產軸承鋼的生產工藝改進提供技術支撐,推動高綜合性能軸承鋼的開發及其在復雜服役環境下的應用。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為熱軋態20CrNi2Mo軸承鋼,由鞍鋼集團提供,尺寸為φ80 mm×60 mm,采用電感耦合等離子發射光譜法測得其主要化學成分如表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型箱式電阻爐中進行885 ℃×1 h的正火處理。將正火態軸承鋼置于ABAR IPSEN型箱式可控氣氛多用爐中進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%(質量分數,下同)C等均為爐內氣氛中的碳勢,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,連續進行兩次滲碳油淬,再進行回火處理的工藝記為工藝2,在一次滲碳后進行氣淬,再進行850 ℃保溫2 h的滲碳油淬處理(碳質量分數為0.75%),最后進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),介質為液氮,對試樣進行熱處理。

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

1.2 試驗方法

采用線切割法從軸承鋼上截取塊狀試樣,經打磨、拋光和體積分數3.5%硝酸乙醇溶液腐蝕后,分別在徠卡DM6M型光學顯微鏡(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成分。使用帕納科Empyrean銳影型X射線衍射系統(XRD)對軸承鋼進行物相分析,銅靶,Kα輻射,管電壓為20 kV,管電流為40 mA,采用連續掃描模式,掃描速率為2 (°)·min-1。采用HV-1000型數顯維氏硬度計測試顯微硬度,載荷為9.8 N,保載時間為10 s,從表層至心部取點測試,相同深度各測3個點取平均值。根據GB/T 228.1—2010,采用Instron 5560型萬能材料試驗機進行室溫拉伸試驗,拉伸試樣尺寸如圖2所示,拉伸速度為2 mm·min-1,測3個平行試樣取平均值。采用MFT-5000型摩擦磨損試驗機進行球盤式干滑動摩擦磨損試驗,對磨副為直徑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量,計算磨損質量損失,各測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 試驗結果與討論

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更細小,殘余奧氏體含量有所減少。結合能譜分析結果并參考文獻[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奧氏體衍射峰強度有所減弱。根據GB/T 8326—1987計算殘余奧氏體體積分數[13],計算得到工藝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數分別為10.8%,13.9%,10.2%,7.9%,8.8%,6.9%。可見,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變以及組織得到細化有關[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逐漸降低的趨勢,但在距表面約1 mm范圍內硬度下降較為緩慢;工藝1和工藝2處理后軸承鋼的硬度在距表面2.5 mm時才逐漸趨于穩定,工藝3處理后則在距表面距離3.5 mm時才趨于穩定,這主要是因為工藝3處理后軸承鋼的組織更細,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,這主要是因為軸承鋼中的碳原子會在低溫作用下向奧氏體晶界擴散偏聚[16-17],促使奧氏體向馬氏體轉變從而提高硬度。

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度和屈服強度均有所提高,工藝1和工藝2處理后的斷后伸長率降低,而工藝3處理后的斷后伸長率略微增大;在3種滲碳淬火+回火處理工藝中,抗拉強度和斷后伸長率由大到小均依次為工藝3、工藝1、工藝2。這主要是因為工藝1處理后軸承鋼中的馬氏體較為細小,而工藝2的二次滲碳淬火處理使得細小奧氏體晶粒重新奧氏體化并發生粗化和長大,工藝3處理后軸承鋼良好的強塑性與其組織細化、殘余奧氏體含量減少有關[18]。

圖6 熱軋態和不同工藝處理后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。結合硬度測試結果可知,軸承鋼的磨損質量損失與硬度具有負相關性;硬度越大,磨損質量損失越小,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,而對低載荷下耐磨性能的提升幅度相對較小。

表2 不同工藝處理軸承鋼在不同載荷下的磨損質量損失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為工藝2+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好的耐磨性能。經工藝3處理后軸承鋼的組織發生細化,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一步促進硬度較低的奧氏體向硬度較高的馬氏體轉變并進一步細化組織[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 論

(1) 經滲碳油淬+回火、二次滲碳油淬+回火、滲碳氣淬+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,其中滲碳氣淬+滲碳油淬+回火處理后馬氏體相對更加細小,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,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,其中滲碳氣淬+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、滲碳氣淬+滲碳油淬+回火,滲碳淬火+深冷+回火處理后的排序為二次滲碳油淬+深冷+回火、滲碳油淬+深冷+回火、滲碳氣淬+滲碳油淬+深冷+回火,滲碳氣淬+滲碳油淬+深冷+回火處理后軸承鋼具有最好的耐磨性能。