GCr15SiMo轴承钢球化退火过程的碳化物演变

王博卉, 徐太旭, 路 明, 何志军

(1. 辽宁科技大学 材料与冶金学院, 辽宁 鞍山 114051;2. 鞍山钢铁集团有限公司 大孤山球团厂, 辽宁 鞍山 114051)

碳化物是影响轴承钢性能的重要因素之一,均匀细小的碳化物能有效改善轴承钢的性能,并提高其使用寿命。高品质轴承钢对碳化物成分、含量等各方面的要求十分严格,因此如何控制碳化物的均匀细小化是当今生产高品质轴承钢的一个重要研究方向[1-3]。GCr15SiMo轴承钢是在GCr15轴承钢的基础上通过提高Si和Mo含量进而改善淬透性和弹性极限的新型钢种[4-5]。目前,国内外对GCr15SiMo轴承钢热处理工艺研究有很多,孙小东等[6-7]研究发现,油浴淬火和盐浴淬火两种方式处理的GCr15SiMo轴承钢硬度都能满足技术要求;闫光成等[8]研究了高淬透性轴承钢GCr15SiMo贝氏体等温淬火的组织与性能,发现GCr15SiMo高淬透性轴承钢全贝氏体的冲击韧度及接触疲劳寿命优于贝氏体/马氏体复合组织的性能;谢燮揆等[9-10]研究了GCr15SiMo轴承钢的热处理工艺,发现GCr15SiMo轴承钢具有良好的抗回火性,且淬透性优于GCr15SiMn轴承钢。以上关于GCr15SiMo轴承钢的热处理工艺研究大多是针对淬火、回火工艺,而对于GCr15SiMo轴承钢退火工艺以及退火过程中碳化物演变过程的探究相对较少。

球化退火工艺是GCr15SiMo轴承钢热处理工艺中的一个重要组成部分,其目的是为了在铁素体基体上得到均匀分布的球状渗碳体,从而降低轴承钢的硬度,以此改善其切削加工性能[11-13]。球化退火工艺主要有普通球化退火、周期球化退火、等温球化退火等[14],对于不同的钢种需采用合适的球化退火工艺,其中普通球化退火适用于共析钢,等温球化退火适用于过共析钢,而周期球化退火工艺不仅对钢种类型有要求,且存在周期长和不易于控制等问题。GCr15SiMo轴承钢属于过共析钢,因此不宜采用普通和周期球化退火工艺,而应采用等温球化退火工艺,不仅可以获得较佳的球化效果,还可以节约工艺时间。

等温球化退火工艺要求将钢样加热至相变点Ac1温度以上20～30 ℃保温一定时间,然后降温至700 ℃左右等温一定时间(该时间应为保温时间的1.5倍),然后缓慢冷却至室温。本文通过调整等温球化退火工艺的奥氏体化温度、保温时间等参数,通过差示扫描量热法、扫描电铲等检测分析手段以及JMatPro热力学软件研究其对GCr15SiMo轴承钢中碳化物的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验采用GCr15SiMo高淬透性轴承钢,由工业纯铁、碳粉、铬铁、硅铁、锰铁、钼铁等原料进行配比,并在高温气氛管式炉和氩气气氛下熔炼成φ80 mm×60 mm的铸锭,其化学成分如表1所示。

表1 GCr15SiMo轴承钢的化学成分(质量分数,%)

1.2 试验设备

首先切取φ2 mm×3 mm的圆柱试样,在氩气气氛保护下将试样以10 ℃/min的升温速度加热至1000 ℃,利用NETZSCH型差示扫描量热计测得GCr15SiMo高淬透性轴承钢的DSC曲线,根据DSC曲线得出其相变点Ac1,并据此设计等温球化退火工艺:①将试样以6.5 ℃/min 的升温速度加热至790、800、810和820 ℃,保温30 min后炉冷至720 ℃,保温45 min后炉冷至650 ℃出炉空冷;②将试样以6.5 ℃/min的升温速度加热至800 ℃,保温10、20、30和40 min后炉冷至720 ℃,保温15、30、45、60 min后炉冷至650 ℃出炉空冷。具体等温球化退火工艺曲线如图1所示,退火试验在高温箱式电阻炉中进行,试样尺寸为10 mm×10mm×10 mm。

图1 GCr15SiMo轴承钢球化退火工艺

1.3 检测设备

退火后的试样表面经打磨、抛光、4%硝酸酒精溶液腐蚀后,利用日立S-3400N型扫描电镜观察组织形貌,随后利用Image pro plus软件对扫描电镜观察结果进行碳化物尺寸和数量的统计。此外,利用HRS-150D型洛氏硬度计测定试样的表面硬度,结果为10个 测试点的平均值。通过对试验结果的分析得出最合适的球化退火工艺制度。

2 试验结果及分析

2.1 热力学计算与分析

利用JMatPro热力学软件计算得到GCr15SiMo高淬透性轴承钢平衡凝固过程的相图,如图2所示。可以看出,液相线温度为1446 ℃,温度降至901 ℃时开始析出渗碳体,824 ℃时开始析出M23C6相;784 ℃时M23C6相含量达到峰值,奥氏体开始向铁素体转变;764 ℃时渗碳体含量达到峰值,M23C6相含量降至最少,奥氏体消失,因此GCr15SiMo钢相变点A1温度为764 ℃。当温度降低至388 ℃时,渗碳体开始向M7C3相转变,M7C3相开始析出。

图2 GCr15SiMo轴承钢平衡凝固过程的相图

2.2 相变点的测量结果及分析

通过差示扫描量热法测出GCr15SiMo钢的DSC曲线,如图3所示,由图3分析可知,曲线上出现的第一个吸热峰对应珠光体开始向奥氏体转变,温度为779.9 ℃,因此钢的相变点Ac1温度为779.9 ℃,要稍高于图2热力学分析结果得出的A1温度。等温球化退火工艺需要将试样加热到相变点Ac1以上20～30 ℃,因此设计图1(a)中退火工艺的奥氏体化温度为790、800、810和820 ℃。

图3 GCr15SiMo轴承钢的差热分析曲线

2.3 奥氏体化温度对碳化物形态转变的影响

图4为扫描电镜观察到的GCr15SiMo钢的原始组织形貌,可以看出,轴承钢的原始组织为片层状珠光体和碳化物。

图4 GCr15SiMo轴承钢的原始组织

图5为不同奥氏体化温度保温30 min时GCr15SiMo轴承钢的碳化物形貌,可以发现,经退火后轴承钢的组织为球状珠光体和碳化物,但不同奥氏体化温度下的组织差别较大。790 ℃退火时碳化物尺寸不均匀,大部分为短棒状和形状不规则的大颗粒碳化物;800 ℃退火时碳化物呈细小、弥散分布,组织中多为小颗粒碳化物,大颗粒碳化物几乎不存在;810 ℃退火时多为小颗粒碳化物,但局部仍存在少量不规则、短棒状大颗粒碳化物;820 ℃退火时由于温度过高,大多数碳化物溶入基体,剩余的碳化物较少,碳化物的间距增加,这会使随后的冷却阶段中的碳原子难以很好地聚集,在后续形成新的片层状碳化物[8],继而出现大颗粒碳化物。由此可知,奥氏体化温度为800 ℃的退火工艺下,碳化物球化效果最佳,此时的碳化物最为均匀致密,尺寸最小。

为了进一步分析不同奥氏体化温度对碳化物球化效果的影响,利用Image pro plus软件对图5中碳化物颗粒个数、平均粒径及分布均匀性进行表征,结果如图6所示。可以看出,随着奥氏体化温度的升高,碳化物尺寸先减小后增大,数量先增多后减少。790 ℃退火时碳化物粒径分布曲线变化较为平缓,碳化物粒径分布主要集中在0.035 μm左右,因为其大尺寸碳化物相对其他温度较多,小尺寸碳化物比较少;而800 ℃退火时的碳化物粒径分布曲线的峰值最高,碳化物粒径分布主要集中在0.025 μm左右,说明含有较多小尺寸碳化物,大尺寸碳化物较少;随着奥氏体化温度的继续升高,分布曲线的峰值开始降低,这是因为奥氏体化温度过高,奥氏体形核长大成片状碳化物,与弥散分布的小颗粒碳化物存在着较大的尺寸差异,影响组织的均匀性;因此奥氏体化温度为800 ℃时,碳化物最为均匀且细小。

图5 不同奥氏体化温度保温30 min后GCr15SiMo轴承钢中碳化物形貌

图6 不同奥氏体化温度保温30 min后GCr15SiMo轴承钢的碳化物尺寸分布

由图2可知,在GCr15SiMo轴承钢的Ac1温度以上10 ℃时,其组织为M23C6相、渗碳体、奥氏体和铁素体;在Ac1温度以上20～40 ℃时,其组织为M23C6相、渗碳体和奥氏体。图7和表2为GCr15SiMo轴承钢不同奥氏体化温度下碳化物的能谱分析,可以看出,随着奥氏体化温度的变化,碳化物组成元素种类未发生改变,而碳化物组成元素的含量有一定变化,具体如表2所示。奥氏体化温度790 ℃与800、810和820 ℃相比,其碳化物组成元素含量都有较大差距,这与热力学模拟结果相一致。

图7 不同奥氏体化温度保温30 min后GCr15SiMo轴承钢的碳化物能谱

表2 不同奥氏体化保温30 min后GCr15SiMo轴承钢的碳化物元素组成(原子分数,%)

利用洛氏硬度计对不同奥氏体化温度保温30 min时GCr15SiMo轴承钢的硬度进行测量,结果如表3所示。可见随着奥氏体化温度的升高,硬度呈先减小后增大的趋势,在奥氏体化温度为800 ℃时硬度最小。综上可以确定,GCr15SiMo轴承钢的最佳奥氏体化温度为800 ℃。

表3 不同奥氏体化温度保温30 min后GCr15SiMo轴承钢的硬度

2.4 保温时间对碳化物球化质量的影响

图8为GCr15SiMo钢退火工艺中800 ℃保温不同时间下的碳化物形貌。结合图5(b)可以看出,保温时间由10 min延长至30 min时,碳化物的尺寸逐渐变小,分布变得更加均匀、致密,短棒状等不规则碳化物逐渐消失,在30 min时碳化物球化效果达到最佳。保温时间继续延长至40 min时,碳化物的尺寸开始变大,球化效果变差。

图8 800 ℃保温不同时间下GCr15SiMo轴承钢的碳化物形貌

为了进一步分析不同保温时间对碳化物球化效果的影响,利用Image pro plus软件对图8及图5(b)进行分析,结果如图9所示。可以看出,保温时间为10 min时,曲线最高的峰值出现在0.020 μm附近;20 min时,曲线最高的峰值出现在0.030 μm附近;30 min时,曲线最高的峰值出现在0.025 μm附近;40 min时,曲线最高的峰值出现在0.030 μm附近,这说明随着保温时间的延长,碳化物尺寸先增大后变小,碳化物数量先增加后减少。相比较而言,保温时间为30 min时的曲线偏左,且峰值最大,说明小颗粒碳化物所占比例最大。由此得出最佳保温时间为30 min。

图9 800 ℃保温不同时间下GCr15SiMo轴承钢的碳化物尺寸分布

GCr15SiMo钢退火工艺中800 ℃保温不同时间后碳化物的EDS能谱如图10所示,结合图7(b)可以看出,随着保温时间的延长,碳化物组成元素类型没有改变,由表4可知元素含量也大致相同,由此可知退火保温时间对GCr15SiMo钢碳化物类型没有影响,与热力学模拟结果一致。利用洛氏硬度计对800 ℃奥氏体化不同时间下GCr15SiMo轴承钢的硬度进行测量,结果如表5所示。可以看出,随着保温时间的延长,硬度呈先减小后增大的变化趋势,保温时间为30 min时的硬度最小。综上可以确定,GCr15SiMo轴承钢的最佳保温时间为30 min。

图10 800 ℃保温不同时间后GCr15SiMo轴承钢的碳化物能谱

表4 800 ℃保温不同时间下GCr15SiMo轴承钢的碳化物元素组成(原子分数,%)

表5 800 ℃保温不同时间下GCr15SiMo轴承钢的硬度

3 结论

1) GCr15SiMo轴承钢等温球化退火工艺的奥氏体化温度对碳化物球化效果影响显著。随着奥氏体化温度的升高,小尺寸碳化物数量逐渐增多,大尺寸碳化物数量逐渐消失,使得碳化物更加均匀;但奥氏体化温度过高会导致奥氏体形核长大形成片状珠光体,使组织变得不再均匀。奥氏体化温度为800 ℃时,碳化物分布最为均匀细小,此时,0.025 μm尺寸的小颗粒碳化物所占比例最大,大尺寸碳化物几乎消失,球化效果最佳。

2) 保温时间对GCr15SiMo轴承钢的碳化物球化效果也有明显影响。随着保温时间的延长,小颗粒碳化物所占比例逐渐提高,碳化物形状更接近于球状,但保温时间过长时,碳化物发生长大,小颗粒碳化物消失,球化效果差。保温时间为30 min时,碳化物平均尺寸最小为0.025 μm,分布最为均匀,球化效果最佳。