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GCr15 球化退火行为和力学性能的研究

2012年03月31日

GCr15 钢是主要用于制造各种轴承的滚珠、滚柱和套圈等的传统高碳铬轴承钢。轴承
在服役过程中承受极高的交变载荷, 要求其具有较高的抗接触疲劳性能和耐磨性能, 因此轴
承钢需具有隐晶回火马氏体+ 细小渗碳体颗粒组织。
        为获得此种组织,则要求轴承钢具有良好球化的珠光体组织 ;而轧制工艺对GCr15 钢组织有显著影响,进而影响其球化过程。为此,进行了小规模工业轧制试验,热轧材分别经等温球化退火和周期球化退火工艺处理,以此来研究GCr15 钢球化退火的行为,探索适合GCr15 轴
承钢棒线材的合理球化退火工艺制度,为工业应用提供依据。
1  试验材料与方法
        试验用特殊钢分公司的GCr15 钢材。其化学成分( 试验炉号为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 %。
采用常规轧制工艺(简称“CR”,900 ℃终轧后空冷) 和控轧控冷工艺(简称“TMCP”,800 ℃终轧后水冷与风冷) 进行小规模工业轧制试验,轧制规格为<12 mm ;利用等温球化退火(宝钢特钢现行,退火时间长达22 h ,工艺规程见图1) 和周期球化退火工艺(退火时间长达16 h ,工艺规程见图2) 分别对CR 材和TMCP 材进行球化退火。
     将经上述热轧及球化退火工艺处理的试验料加工成标准拉伸试样( l0 = 5 d0 , d0 = 4 mm) 和金相、硬度试样,并通过室温拉伸试验测定常规力学性能;金相试样经4 %的硝酸酒精溶液浸蚀后在光学显微镜及扫描电镜(SEM)下观察各处理制度下的显微组织形貌,用软件计算球状珠光体中渗碳体颗粒的平均尺寸及其大尺寸颗粒所占比例(将最大几何长度大于1μm
的颗粒定义为大尺寸颗粒) ,检测试样的布氏硬度。
2  试验结果与分析
2. 1  微观组织形貌
         热轧材的光学显微组织见图 。从图 可见,CR 热轧材网状碳化物较多,且多呈封闭状态;从图可见, TMCP 热轧材仅有细小、微量的网状碳化物析出。CR 热轧材的SEM 显微组织中珠光体片层粗大松散 ; TMCP 热轧材的SEM 显微组织中珠光体片层细小致密,渗碳体呈短棒状,有些渗碳体片产生扭折甚至断开 。球化组织中渗碳体颗粒的平均尺寸、大尺寸颗粒所占比例见表。经不同轧制及不同球化退火工艺后的GCr15 钢SEM 显微组织见图。从图可见,CR 材经等温球化退火后渗碳体分布不均匀,晶界处渗碳体颗粒尺寸较大,其主要是CR 材沿晶界析出的网状碳化物较多和球化不充分所致;从图 可见,CR 材经周期球化退火后晶界处及晶粒内部仍有部分短棒状的渗碳体,这是CR 热轧材的网状碳化物较多及珠光体片层粗大而不能完全球化所致;从图可见, TMCP 材经等。
        温球化退火后大部分渗碳体颗粒很细,但分布均匀性较差,晶界处及晶粒内部存在319 %的大尺寸颗粒,其主要原因是细片状珠光体组织的TMCP 热轧材在等温球化退火过程中,一方面不断有新的片状渗碳体溶断、球化而使渗碳体颗粒更加细小,另一方面又不断有渗碳体颗粒按Ostwald 熟化机制长大而使球化的渗碳体变大,该机制熟化过程的热力学方见式(1) :
Cαr≈Cα0 1 +2σVpCp R Tr   (1)式中 Cαr , Cα0 ———分别为体积较小和较大的颗粒
周围,某一组元在α基体中的浓度;
σ ———第2 相与基体之间的比界面能;
Vp ———第2 相的摩尔体积;
Cp ———控制性元素在第2 相中的平衡摩尔浓度;
r ———第2 相的颗粒半径。
渗碳体是钢中最常见的第2 相,它的Ostwald熟化机制的控制元素是碳。由式(1) 看出,体积较小的渗碳体颗粒周围碳在基体中的浓度总是比体积较大的渗碳体颗粒周围碳在基体中的浓度要高,因此,随等温时间的延续,细小弥散的渗碳体颗粒逐渐增多,碳原子将从小颗粒周围向大颗粒附近扩散,这种扩散会破坏颗粒周围溶质浓度的平衡,导致小颗粒不断溶解收缩并最终消失,而大颗粒则将不断长大; TMCP 材经周期球化退火处理后,渗碳体颗粒均匀细小 ,平均尺寸及大尺寸比例都满足了GB/ T18254 - 2002 的要求。
212  力学性能
        轴承钢的力学性能与显微组织紧密相连,经不同球化退火工艺后,试验钢的硬度( HB) 、抗拉强度 Rm) 、伸长率( A) 见表。
3  讨论
        目前,在工业生产中GCr15 钢多采用等温球化退火处理工艺,它是利用不均匀奥氏体中未溶碳化物或奥氏体中高浓度碳偏聚区的非自发形核的有利作用来加速球化。对于细珠光体组织,如果加热到A1 温度以上,随后缓冷到A1 以下,那么这种细珠光体组织则往往会被缓冷或保温过程中形成的粗大珠光体组织所替代,其结果反而不利于碳化物的球化[4] ;同时,在保温过程中又不断有渗碳体颗粒按Ostwald 熟化机制长大,使球化的渗碳体变大。本试中,TMCP 热轧材经等温球化退火处理后的渗碳体大尺寸颗粒比例为319 %,而在周期球化退火下仅为019 %。周期球化退火是在双相区内反复对试验钢进行等温球化退火的
热处理工艺。其工艺特点是: ①钢材的奥氏体化保温时间较短,致使每一次循环的加热阶段因奥氏体成分不均匀、未溶碳化物多,加速了渗碳体的球化,而使球化退火效果更加理想,且显著缩短了工艺时间。②奥氏体向珠光体转变的冷却速度较快。冷却速度决定了过冷奥氏体转变的温度Ar1,冷却速度越快,转变温度越低,碳及铁原子的扩散就越困难,从而缩短碳化物球化时的临界距离,这样就避免细珠光体在保温或冷却过程中形成粗大珠光体。③反复处理的作用。反复加热除了进一步溶断先共析渗碳体网外,同时也加速球化过程,但该工艺对网状碳化物的球化效果不理想,如CR 在等温球化处理下有短棒状渗碳体存在。
4  结论
(1) 常规轧制的GCr15 钢热轧材网状碳化物较多,且珠光体较粗大。相对于常规轧制试样,控轧控冷试样珠光体发生退化且片层细小,渗碳体呈短棒状,部分渗碳体片产生扭折甚至断裂。
(2) 等温球化退火下常规轧制和控轧控冷试样球化效果差别较小。
(3) 周期球化退火下控轧控冷试样可获得细小均匀的球化组织,退火组织的级别及退火材的硬度均能满足GB/ T18254 - 2002 的要求。其球化效果明显优于常规轧制试样,且球化退火时间比现行的等温球化退火工艺缩短了6 h , 显著提高了生产效率。
 

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