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        臨界區等溫球化退火對低密度軸承鋼組織和硬度的影響
        作者:龐佳琛,王國棟,易紅亮   發布時間:2021年07月16日 點擊數:

          摘要:臨界區等溫球化退火是實現高碳軸承鋼中片狀珠光體球化的主要熱處理方式,其將片狀珠光體轉變為粒狀珠光體,改善軸承件的可加工性及組織均勻性。研究了臨界區等溫球化退火工藝對低密度含Al軸承鋼微觀組織演化及硬度的影響。研究結果表明,軸承鋼鋼中高含量Al的添加可以提高臨界區等溫球化退火溫度,縮短球化時間,將珠光體的硬度降低至300HV以下。但是,臨界區等溫球化保溫過程中有石墨顆粒形成,石墨顆粒的產生雖然能夠有效地降低球化后鋼材硬度,但是部分石墨顆粒在最終的奧氏體化過程中難以溶解進入鋼材基體,未溶解的石墨顆粒不僅增加了組織的不均勻性,而且降低了軸承鋼硬度。所以,較長時間退火保溫的臨界區球化退火方式并不適用于低密度高碳高Al軸承鋼。

          關鍵詞:低密度軸承鋼;臨界區等溫球化退火;石墨;均勻性

          前言: 高碳鋼是制備具有高強度的軸承等結構材料的主要原材料,高碳軸承鋼應用時的微觀組織為馬氏體,其高硬度及高強度能夠滿足軸承應用對耐磨性及滾動接觸疲勞性能的要求。高強的馬氏體難以實現結構件制備初期的機加工,所以為了獲得良好的可加工性,通常采用球化退火的方式將高碳鋼軟化,降低其強度及硬度。高碳鋼的鑄態或軋態組織通常由片狀珠光體及沿著原奧氏體晶界形成的網狀碳化物組成,此組織結構的高硬度及強度主要由碳化物與鐵素體的體積分數及強度決定。鐵素體的強度由其晶粒尺寸、合金元素的固溶強化作用決定;碳化物對片狀珠光體硬度的提升由其體積分數及片間距決定。

               球化退火處理是將片狀珠光體轉變為由粒狀碳化物與鐵素體組成的粒狀珠光體,增加碳化物的顆粒間距,弱化其對位錯的阻礙作用而降低硬度。臨界區等溫球化退火是實現珠光體球化的最常用的方式,其工藝過程是將鋼材加熱到Ac1以下某一溫度,退火保溫十幾小時或者幾十小時,保溫結束后冷卻到室溫。等溫球化退火的熱力學驅動力源于溫度的降低帶來的碳化物與基體間的界面能降低,動力學驅動力源于碳化物與鐵素體基體上因為不均勻的成分分布、不均勻的晶粒尺寸而產生的合金元素的擴散。臨界區等溫球化退火過程可以分為2個階段:首先是片狀結構因為溫度變化產生界面能降低逐漸割斷形成短棒狀;接下來,細小碳化物顆粒逐漸聚集形成粒狀碳化物。片狀珠光體球化效率由元素的擴散速度及片間距決定。 

                近年來,含有質量分數為4%~8%Al的高強鋼及超高強鋼因具有良好的力學性能而逐漸受到關注。含有質量分數為4%Al的δ-TIRP鋼具有良好的力學性能及焊接性能。含有質量分數為5%Al的“1.2C-1.5Cr-5Al”低密度軸承鋼鋼較常規的GCr15軸承鋼具有更高硬度及更低密度。此外,Al的加入提高了共析溫度從而提高了珠光體相變的過冷度,細化了珠光體片間距,片間距的細化能夠縮短元素擴散的時間,有效提高片狀珠光體的球化效率。易紅亮等人研究了質量分數4%的Al對高碳鋼球化效率的影響。研究結果表明,質量分數為4%Al的添加將臨界區等溫球化退火的保溫時間由32 h降低至24 h,極大地提高了球化效率。

               但是,截止到目前為止,幾乎所有含Al鋼球化的研究工作都是針對單一碳化物球化所進行的。Al含量較低時,研究了Al質量分數的變化對C質量分數為0.78%~1.5%鋼的片狀滲碳體球化的影響;當Al質量分數較高時,研究了Al的加入對C質量分數為0.55%的κ-珠光體球化的影響。對于含有高質量分數C及Al,片狀珠光體由θ-珠光體及κ珠光體組成的混合珠光體低密度鋼的球化處理卻鮮有研究。本文將研究臨界區球化退火處理方式對低密度軸承鋼球化的影響,以及球化處理對其最終硬化熱處理之后獲得的組織及性能的影響。

          結語:

         ?。?)“1.25C-5Al-1.5Cr”鋼的實際奧氏體轉變Ac1溫度在800~810℃區間內,較熱力學計算相圖計算的相變開始溫度高約20℃,以Ac1溫度點設計等溫球化退火工藝,經過臨界區等溫球化退火處理之后,片狀珠光體轉變為粒狀珠光體。

         ?。?)片狀珠光體的等溫球化效果隨著退火溫度的升高而增加。800℃下保溫10h后獲得了由鐵素體及彌散分布在鐵素體上的粒狀滲碳體及粒狀κ碳化物組成的粒狀珠光體。鋼材硬度由熱軋態時的476HV20±3HV20降低至236HV20±2HV20。

         ?。?)臨界區等溫球化退火過程中部分碳化物發生石分解形成石墨顆粒,石墨顆粒的尺寸范圍是4~10μm,其體積分數隨著退火溫度升高而增加。等溫球化過程中當退火溫度由750℃升高至800℃時,石墨的體積分數由1%升高至3.5%。

         ?。?)臨界區等溫球化退火過程中形成的石墨顆粒在最終奧氏體化熱處理過程中不能完全溶解進入鋼材基體中,奧氏體化保溫淬火后仍然有體積分數約1.3%的未溶解石墨顆粒。含有石墨顆粒時鋼材的淬火態硬度為61.9HRC±0.5HRC,較“1.2C-5Al-1.5Cr”鋼無石墨顆粒存在時的淬火態硬度65.2HRC±0.4HRC低約3HRC。

                                                                                                                                                  摘自:鋼鐵研究學報

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