谢港生, 邢淑清, 申丽娟,2, 麻永林, 刘永珍, 陈重毅

(1. 内蒙古科技大学 材料与冶金学院(稀土学院), 内蒙古 包头 014010;2. 河南省特殊钢材料研究院有限公司, 河南 济源 459000)

高碳铬轴承钢是我国轴承行业用量最大的钢种,占轴承行业用钢量的85%以上,而GCr15钢是该类钢中具有代表性的钢种之一,应用广泛[1],主要用于制造滚动轴承的滚动体和套圈。GCr15钢一般以热轧态交货,在轴承制造前需要进行球化退火处理。球化退火后,碳化物的形貌由片层状转变为球状,可以获得铁素体基体上均匀分布着细小的球状碳化物颗粒组织,降低轴承钢的硬度,有利于切削加工,为最终热处理(淬火+回火)做组织准备[2]。碳化物的形态(大小、数量及分布)和碳原子的扩散对轴承钢的性能产生显著影响。因此,控制碳化物的形态和碳原子的扩散,提高球化退火组织的均匀性,加快球化退火,缩短时间至关重要。

近年来,不同研究者围绕轴承钢球化退火进行了广泛的研究。邓素怀等[2]发现GCr15轴承钢热轧组织中的珠光体均匀细小、片层间距均匀时可缩短球化退火时间。Li等[3]发现对珠光体钢进行过冷奥氏体热变形及退火处理,片状珠光体的球化过程被加快。Yi等[4]提出铝元素的添加可加快高碳钢珠光体球化。Saha等[5-7]通过循环热处理使得钢的渗碳体球化加快。上述研究结果在一定程度上缩短了球化处理的时间,但是工艺复杂,对热处理条件要求严格。脉冲磁场处理是通过脉冲电流所产生的磁场来处理材料,主要在凝固处理及热处理等方面表现出良好的应用前景[8]。磁场退火在材料热处理中早已广泛应用[9],工业纯铁在螺旋管内进行700 ℃×2 h的磁场退火时弹性极限可提高20%,抗拉强度提高10%,可使铁素体细化成10-4mm厚的薄片[10]。Fe-50Co-2V合金在真空磁场退火后的矫顽力降低1/2～2/3,工件热处理后表面质量良好[11],目前还未见轴承钢球化退火阶段使用脉冲磁场的报道。本文通过在GCr15钢球化退火过程中施加脉冲磁场,分析热-磁耦合场下球化组织的演变,为促进碳原子扩散,缩短球化退火时间提供一种新思路。

1 试样制备与试验方法

以热轧态GCr15轴承钢作为试验材料,其化学成分(质量分数,%)为1.02C、1.50Cr、0.35Mn、0.28Si、0.010P、0.002S,余量Fe。试样的热轧态组织为片状珠光体和网状碳化物,如图1所示。将试验钢加工为φ8 mm×15 mm圆柱体试样,在试样上紧密连接K型热电偶用于测量试样的温度。采用可提供耦合场的管式气氛炉进行球化退火试验,试验装置如图2所示。首先在室温下将脉冲磁场施加到试样上,根据热电偶测量结果可知试样温度几乎没有变化,说明脉冲磁场对温度场的影响可以忽略不计。然后将试样在氮气的保护气氛下进行等温球化退火处理,等温球化退火是一个连续的过程[12],可分为碳化物在不完全奥氏体化阶段(即奥氏体还存在些许的未溶碳化物)溶解和在Ac1(约741 ℃)线以下冷却析出阶段(相变阶段)。将试样放入810 ℃的热-磁耦合场中,保温30 min后以4 ℃/min冷却到720 ℃保温60 min,最后以4 ℃/min冷却到650 ℃出炉,空冷至室温。为了分析冷却相变阶段脉冲磁场对碳化物析出的影响,在不完全奥氏体化阶段施加的磁场参数不变,在冷却相变阶段分别加磁0、20、40、60 min,具体球化退火工艺参数如表1所示。

图1 热轧态GCr15轴承钢的显微组织

图2 脉冲磁场管式炉示意图

表1 GCr15轴承钢的球化退火工艺参数

按照标准金相制备方法,先将球化退火试样表面打磨掉至少2 mm,进一步去除表面氧化的影响,然后用砂纸打磨,金刚石溶液抛光,再用4%(体积分数)硝酸酒精溶液腐蚀。采用Sigma300扫描电镜分析试样中碳化物的形貌,利用Image pro处理软件对试样中碳化物的微观形貌进行定量分析。从测量碳化物面积出发,假设球形,计算其等效直径。采用Zwick/Roell ZHμ显微维氏硬度计测定试样的硬度,载荷砝码为50 kg,每个试样测定10个点,取其平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 磁-热耦合场作用下的碳化物析出

GCr15轴承钢在冷却相变阶段不同加磁时间下球化退火后的微观形貌如图3所示。碳化物在冷却相变阶段的析出行为是通过观察晶粒中的碳化物颗粒进行分析的,在冷却相变阶段的析出也叫做离异共析转变,即以原有微小颗粒为核心,通过碳原子不断扩散而长大。由图3可以看出,随着加磁时间的增加,析出的碳化物颗粒越来越大,个数越来越少。

图3 球化退火冷却相变阶段不同加磁时间下GCr15轴承钢的球状碳化物形貌

使用Image pro软件对GCr15轴承钢在冷却相变阶段不同加磁时间下球化退火后的碳化物颗粒直径进行统计,为了保证统计结果的准确性,每个试样均随机选取至少3个视场进行分析,结果如图4所示。由图4可以看出,未加磁时碳化物细小,主要分布在0～0.2 μm范围内。加磁20 min时碳化物逐渐长大,与未加磁时相比,0～0.2 μm范围内的碳化物占比减少,0.2～0.4 μm范围内的碳化物占比大大提高。加磁40 min时碳化物主要集中在0.4～0.6 μm范围内。加磁60 min时碳化物主要集中在0.6～0.8 μm范围内。结果表明,随着加磁时间的变长,碳化物慢慢长大,脉冲磁场促进碳化物的形成,有利于轴承钢球化退火的离异共析转变。

图4 球化退火冷却相变阶段不同加磁时间下GCr15轴承钢的球状碳化物尺寸分布

GCr15轴承钢在冷却相变阶段不同加磁时间下球化退火后的显微硬度如图5所示。由图5可以看出,球化退火后试样的硬度均在GB/T 18254—2016《高碳铬轴承钢》规定范围内。未加磁时试样的硬度约为204 HV50,加磁试样的硬度为215～220 HV50,均比未加磁试样的硬度高,这是因为磁场促进碳化物的形成,较小的碳化物不足以阻止晶界和位错的移动,使材料的硬度降低。当加入磁场以后,碳化物发生长大,有效阻止了晶界和位错的移动,使材料的硬度增强。

图5 球化退火冷却相变阶段不同加磁时间下GCr15轴承钢的硬度

3.2 脉冲磁场对碳化物的影响

3.2.1 脉冲磁场增加珠光体相变驱动力

GCr15轴承钢球化退火的冷却析出阶段是珠光体的形成阶段,目前成熟的理论是离异共析模型[13]。离异共析转变是以不完全奥氏体化条件下残存的剩余碳化物作为形核核心,并据此进一步长大完成球化的,而当奥氏体化不完全时,母相中存在大量的未溶碳化物,这些未溶碳化物的平均粒径要远远大于粒状和片状碳化物的临界形核半径,不仅增加了系统的界面面积,又为碳化物长大提供了核心,一定程度上减少了扩散型相变所需的碳原子长程扩散。因此,与完全奥氏体化后没有剩余碳化物相比,剩余碳化物的存在降低了系统总自由能。从热力学角度来看,不完全奥氏体化后的未溶碳化物降低了相变阻力,有利于离异共析转变的进行。在固态相变中,相变驱动力ΔG相变是新旧两相自由能之差:

ΔG相变=ΔG新-ΔG旧

(1)

式中:ΔG新和ΔG旧分别为新相和旧相的吉布斯自由能。当ΔG相变<0时,相变将自发地进行。对于轴承钢的球化退火来说,当温度在720 ℃时,奥氏体的自由能高于碳化物和铁素体所构成的球状珠光体的自由能,轴承钢自发地从不完全奥氏体化相变到球状珠光体。加入磁场后,由于各相间的磁各向异性导致磁化率的不同,影响了系统吉布斯自由能,从而影响各相稳定性,如图6所示。具体来说,磁场降低了珠光体中具有铁磁性特征的铁素体的自由能[14],在具有顺磁特征的奥氏体和碳化物的自由能基本不变的情况下,珠光体中铁素体相自由能的降低增大了奥氏体和珠光体的吉布斯自由能差(铁素体的自由能曲线由图6中的α线变为α′线),即增大了相变驱动力,这就是磁场提供的相变驱动力ΔG。

图6 相变驱动力示意图

3.2.2 脉冲磁场促进碳原子扩散速度

GCr15轴承钢加热到810 ℃时处于不完全奥氏体化阶段,因此组织中存在奥氏体和少量未溶碳化物。在720 ℃时,奥氏体发生珠光体转变,同时形成铁素体和碳化物相,碳原子由奥氏体内扩散到未溶碳化物与奥氏体的相界面处形成渗碳体(Fe3C),同时fcc结构的奥氏体排碳转变为bcc结构的铁素体,碳原子扩散示意图如图7所示。脉冲磁场加速碳原子的扩散,导致随着磁场时间的延长,碳原子扩散的越来越多,碳化物长的越来越大。

图7 原子扩散示意图

如果假设GCr15轴承钢球化退火时不施加脉冲磁场与施加脉冲磁场的体系中C浓度梯度是相同的,则C迁移的浓度通量取决于C在基体中的扩散系数,扩散系数D与温度T的关系遵循阿累尼乌斯(Arrhenius)方程:

(2)

式中:ED为扩散激活能;R为气体常数;D0为扩散常数。

GCr15轴承钢中C的扩散属于间隙扩散机制,当施加脉冲磁场后,其扩散系数Dm可表达为:

(3)

式中:ΔE为脉冲磁场产生的电磁能对总激活能的贡献,可表示为[15-16]:

(4)

式中:μ0为真空磁导率;M为磁化强度;xM为摩尔磁化率;H为磁场强度。

由式(2)～式(4)可知,单位摩尔的磁能小于零,说明施加磁场后扩散原子的激活能减小,从而使得扩散系数Dm增大,加速了C原子在基体中的扩散。因此脉冲磁场促进碳原子的扩散,加速离异共析转变过程中碳化物的形成。

3 结论

1) GCr15轴承钢球化退火时施加脉冲磁场可以显著促进碳化物的形成。未施加磁场时的硬度为204 HV50,碳化物直径主要分布在0～0.2 μm,施加60 min 磁场后碳化物直径主要分布在0.6～0.8 μm,硬度增加至215～220 HV50。

2) 脉冲磁场可以促进GCr15轴承钢离异共析转变,通过降低珠光体中具有铁磁性特征的铁素体自由能,为珠光体相变提供驱动力。

3) 脉冲磁场降低了碳原子的扩散激活能,使其扩散系数增大,加速了C原子在基体中的扩散,进而加速球状碳化物的析出。