GCrl5球化退火行为和力学性能的研究

GCrl5球化退火行为和力学性能的研究

杨洪波1，马宝国2，朱伏先1，刘相华1

(1．东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁沈阳110004；2．宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司，上海200940)摘要：采用等温球化退火和周期球化退火工艺分别研究了常规轧制(CR)和控轧控冷(TMCP)的GCrl5钢的球化退火行为和力学性能。结果表明，轧制工艺对GCrl5钢组织影响显著；在等温球化退火处理制度下常规轧制(CR)和控轧控冷(TMCP)试样球化效果差别较小；在周期球化退火处理制度下，控轧控冷(TMCP)试样可获得细小均匀的球化组织，其球化效果明显优于常规轧制(cR)试样，且球化退火时间比宝钢特钢现行的等温球化退火工艺缩短了6 h，可显著提高生产效率。关键词：GCrl5钢；等温球化退火；周期球化退火；力学性能中图分类号：TGl42．1 文献标识码：A 文章编号：1006—9356(2008)10—0020—04 GCrl 5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[1]；而轧制工艺对GCrl5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GCrl5钢球化退火的行为，探索适合GCrl5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GCrl5钢材。其化学成分(试验炉号为750—1 417)：ω(C)=1．0％，ω(Mn)=0．31％，ω(P)=0．007％，ω(S)=0．005 9／5，ω(8i)=0．24％，ω(Ni)=0．04％，ω(Cr)=1．46％，ω(Cu)=0．08％，ω(Mo)=0．01％，ω(Ti)=0．002 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Φ12 min；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16h，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=5d0，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3。从图3(a)可见，CR热轧材网状碳化物较多，且多呈封闭状态；从图3(b)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(图

3(c))；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(图3(d))。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1。经不同轧制及不同球化退火工艺后的GCrl5钢SEM显微组织见图4。

从图4(a)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4(b)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4(c)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3．9％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程[2]见式(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；V p——第2相的摩尔体积；C p——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Ostwal d熟化机制的控制元素是碳[3]。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(图4(d))，平均尺寸及大尺寸比例都满足了GB／T18254—2002的要求。2．2 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(R m)、伸长率(A)见表2。

可见，在等温球化退火下TMCP退火材的硬度和抗拉强度明显高于CR退火材，这是因为具有细片状珠光体组织的TMCP热轧材在长达22h的等温球化退火过程中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，阻碍铁素体变形的能力增强，所以硬度和抗拉强度值都有所升高，此时的断裂伸长率也稍高于CR退火材。在周期球化退火下，TMCP退火材的硬度和抗拉强度明显低于CR退火材，这是TMCP热轧材在16h的周期球化退火下可得到理想的球化组织、细小均匀的球状渗碳体数量较多和阻碍铁素体变形的能力下降所致；而其抗断裂伸长率明显高于CR退火材，这是因CR热轧材在周期球化退火下晶界处的网状碳化物未完全消除，部分呈现为短棒状，拉伸过程中易从此处断裂，故试验钢的塑性相对较低。TMCP热轧材在16h 的周期球化退火下球化效果较理想，该试验钢的组织和力学性能均能满足GB／T18254—2002的要求，且球化退火时间缩短了6h，可显著提高生产效率。3 讨论目前，在工业生产中GCrl5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[3]。对于细珠光体组织，如果加热到A温度以上，随后缓冷到A，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