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    常州精密鋼管博客網(wǎng)

    第一二三代軸承鋼及其熱處理技術(shù)的研究進(jìn)展(3)?

    高碳鉻軸承鋼的熱處理技術(shù)進(jìn)展

    已經(jīng)指出高碳 Cr 軸承鋼 52100100Cr6, 100C6GCr15ЩХ15SUJ2是軸承鋼性鋼 也是一代軸承鋼主要鋼種成分常寫 成 1% C-1.5% Cr 高碳低金鋼它能滿足軸承使用中的種種性能同時在軸承制造過程中能 保持穩(wěn)定生產(chǎn)效率和良好的工藝性能如鍛造的熱性和車削磨削等冷加是一種很優(yōu) 鋼種它自研制成功至今已近 120 年,分沒有變化,其疲勞壽命卻依賴于冶金藝現(xiàn)代化 和采用爐外精煉技術(shù)提高鋼純凈度后性能獲得了成倍甚至成幾十倍增加在世界上52100 鋼 求最為嚴(yán)格一種鋼種它在經(jīng)過一般淬火和回火熱處理后能具有優(yōu)異使用性能能耐磨損, 抗疲勞接觸應(yīng)力可達(dá) 3000 ~ 4000 MPa) ,使用溫度- 45 ~ 120 ℃ ) ,尺寸和形狀穩(wěn)定性好并具有一 耐腐蝕性能但是該鋼焊接性能較差具有 形成白點(diǎn)缺陷敏感性和回火脆性傾向


    已有指出GCr15 中 Cr 加入量一般常常控制在 2% 以下為防止易粗大的 Cr7C生成鋼將α FeCr3C狀態(tài)Cr 在高碳鉻軸承鋼中 作用十分重要,FeCr3碳化物細(xì)化分布、 球化和穩(wěn)定化有利為此,其碳化物在球化退火后粒度比碳素具鋼細(xì)小和均勻37圖 中表隨著含 量增加加入 Cr 量可增加約 3.5% 左 38


    高碳鉻軸承鋼中 SiMn 加入提高淬透性如 100CrMnSi6-4100CrMnSi6-6國的高淬透性能抗 磨軸承鋼中的 號軸承鋼在我有 GCr5SiMn高淬透性時可加入 Mo 元素為防止生成難熔和 粗大的 M23C碳化物Mo 加入量一般 < 0.5% 如 100CrMo7-4100CrMnMoSi8-4-6國的高淬透性能抗磨軸承鋼 國的軸承鋼的 GCr15SiMo 中 Mo 加入量為 0.30% ~ 0.40%GCr18Mo 含 0.15% ~ 0.25% Mo( 與 100CrMo7 相當(dāng)。另外有時為降低成而降低 CCr 含量在美有 5195 和 5090M在我國的 G8Cr15,其含碳量降低為 0.80% 左右曾 經(jīng)采用的 SUJ1含鉻量較低為 0.90% ~ 1.20% 是在現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被刪去了



    高碳鉻軸承鋼有加入 Si 或 Al 至 2% 以改善回火穩(wěn)定性提高高溫強(qiáng)度和加入 0.2% V 增加沖擊韌性的,但未納入標(biāo)準(zhǔn)如 1.5% 的 Si 和 Al 單獨(dú)或 加入可成為準(zhǔn)高溫用鋼39


    現(xiàn)在人們已經(jīng)認(rèn)識到高碳鉻軸承鋼是氧化鋁氮化鈦硫化物硅酸鹽氧化物等非金屬夾雜 物體系和 Fe3CFe7C等碳化物體系以及 Fe-C-Cr 多 金體系經(jīng)過冶煉鑄造軋制和熱處理制成了高 碳含鉻低金鋼軸承材料盡管前面 個體系僅占 很小一部分但是這些體系組成成分數(shù)組織組成和形態(tài)都密切關(guān)聯(lián)著該軸承鋼材料的性能有很嚴(yán)格規(guī)定和限制這兩個體系允許出現(xiàn)范圍, 制得很高純凈度并采用最恰當(dāng)的熱處理技術(shù), 才能制取具有優(yōu)異特性軸承材料節(jié)首先闡明碳化物體系和擴(kuò)散退火正火控制軋制和控制冷卻球化退火密切關(guān)聯(lián)然后闡述熱處理淬火回火組織對鋼力學(xué)性能磨損和接觸疲勞壽命關(guān)聯(lián)最 后將闡述非金屬夾雜物純凈度和接觸疲勞壽 關(guān)系


    3.擴(kuò)散退火降低鋼錠和鋼坯碳化物液析和帶狀偏析

    不管采用模鑄或連鑄高碳鉻軸承鋼在凝固中 形成宏觀區(qū)域偏析和微觀樹枝晶偏析,引 起碳化物不均勻分布,其主要表現(xiàn)為碳化物液析、 帶狀碳化物和網(wǎng)狀碳化物組織出現(xiàn)在高碳鉻軸 承鋼按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的檢測中要求嚴(yán)格加以限制,本文會在后闡明


    3.1.碳化物液析和帶狀偏析形成

    鋼在結(jié)晶凝固凝固速度 Vcm /s和枝晶偏析 關(guān)系按 И.Н.ГОЛИКОВ 研究認(rèn)為可以用出現(xiàn)極大 曲線描述圖 423橫坐標(biāo)以 lg1 /V) 表 縱坐標(biāo)以枝晶偏析度δ F- F/f,其 中 F和 F分別為枝晶之間區(qū)域和樹枝晶干之間區(qū)碳濃度f為鋼原始碳濃度對高碳鉻軸承鋼 為 1.0%23中的左側(cè)曲線明凝固速度 較大, 在固相不能進(jìn)擴(kuò)散在液相中的擴(kuò)散也受到阻 極端情況是結(jié)晶速度極大瞬時凝固得到織為無枝晶偏析均勻固溶體這時F1F0δ0右側(cè)曲線則明凝固速度比較小時情況在液相 能充分進(jìn)擴(kuò)散在固相擴(kuò)散漸漸加強(qiáng)產(chǎn) 生枝間偏析傾向減小 這時 減小lg1 /愈 ) ,極端情況為平衡凝固將得到均勻固溶這時F1F0δ0他還提出當(dāng)鋼錠軸心與表面的距離 > 200 mm 凝固將受到右側(cè)曲線制 即對邊長之半 > 200 mm 大鋼錠凝固速度 愈慢枝晶偏析的程度愈小鋼錠一般凝固都屬于這種情況已經(jīng)強(qiáng)調(diào)高碳鉻軸承鋼在采用 模鑄或連鑄在一定凝固速度下結(jié)晶過程中形 成宏觀區(qū)域偏析和微觀枝晶偏析當(dāng)凝固速度 = 1 cm /s = 600 mm /minlg1 /V= 0這時 δ 仍有較小的數(shù)值; 如果 再加大lg1 /出現(xiàn)負(fù)值δ 則為更小 當(dāng)發(fā)生瞬時凝固F1F0δ0。 


    高碳鉻軸承鋼凝固中的樹枝晶偏析可以說明如圖 示 Fe-Cr-C 三元相圖39為倒置的 Fe-Fe3相圖方表示加入 Cr 成分對相圖影 三元共晶區(qū)為γ + Fe3C + L在 1185 ~ 1143 ℃范圍變化γ 相含碳 F點(diǎn)約 1.5% 左右圖 為 含 1.6% Cr 的 Fe-Cr-C 三元相圖垂直截40圖 GCr15 液相固相線溫度大約為 1460 和 1220 ℃二相共存區(qū)約達(dá)到 240 ℃ 范圍液固二相 共存區(qū)范圍大產(chǎn)生偏析趨勢高在 Fe-Cr-C 金凝固中,CCrSiMn 和 Mo 發(fā)生偏析偏析數(shù)分別為 0.870.050.340.16 和 0.2為此碳形 成枝晶偏析傾向最大鉻在奧氏體中的擴(kuò)散速度 鉻在固相 γ 擴(kuò)散比碳小 4 ~ 5 數(shù)量級) ,同時它是碳化物形成元素減小奧氏體擴(kuò)散系數(shù) Dc這些因素導(dǎo)致 GCr15 鋼凝固具有較大樹枝晶偏析傾向23一次奧氏體樹枝晶含有碳度為 0.6% ~ 0.7% 在共晶溫度時結(jié)晶奧氏體含 碳大約 1.3% ~ 1.4% 當(dāng)一定條件下樹枝晶偏析合 金成分在接近 1.5% C 液相接近消失這時形 成液析碳化物組織; 當(dāng)一定條件下樹枝晶偏析合 金成分在接近共晶溫度時仍保持較多液相則在凝 固態(tài)組織中會出現(xiàn)較多量萊氏體共晶呈現(xiàn)典型的 亞共晶組織; 當(dāng)一定條件下樹枝晶偏析金 在接近共晶點(diǎn)時仍保留液相最后成分接近 點(diǎn)結(jié) 鋼液發(fā)生共晶反應(yīng),獲得萊氏體共晶組織組織就出現(xiàn)粗大萊氏體共晶碳化物實際上后述的 二種情況不屬于碳化物液析但是卻有統(tǒng)稱為碳化物液析組織



    上世紀(jì) 70 代更詳細(xì)研究1% C 鋼在凝 實際冷卻速度下也發(fā)生共晶反應(yīng)圖 定量明連鑄坯和鋼錠尺寸增大冷卻速度減小大塊碳 化物尺寸和數(shù)量增加392 ~ 3 t 高碳軸承鋼錠的中偏析部位上述條件出現(xiàn)大塊碳化物示于 圖 8a和 8b) ,這種鋼件在高溫加后慢冷時仍得粗大碳化物示于圖 8c和 8d41


    液析碳化物又稱離異共晶組織形態(tài)是在奧氏體上離異析出粒狀 Fe3共晶產(chǎn)物經(jīng)軋制后被 軋成條帶狀液析碳化物具有高硬度和脆性易剝落成為磨損起源,也是疲勞失效源,所以應(yīng)該嚴(yán) 格限制作模具鋼 H13 也不允許這種液析碳化物出現(xiàn)它和軸承鋼采用一樣的方法進(jìn)鑒 我們很早已經(jīng)有專門論發(fā)表,出現(xiàn)液析碳化物 情況示于圖 942


    帶狀碳化物枝晶偏析造成了碳濃度高低不同偏析區(qū)軋變形時延伸成富集碳奧氏體區(qū) 和含碳比較低奧氏體區(qū)常常呈流線帶狀分布富碳奧氏體在冷卻過程中析出呈顆粒狀或呈網(wǎng)狀 二次碳化物和鐵素體基體經(jīng)過腐蝕后和在比較 放大倍數(shù)下呈黑色連續(xù)含碳量比較低的 部位呈白色這樣組織大多數(shù)以一條或幾條 帶寬不同連續(xù)黑白相間帶呈現(xiàn)在視場中,稱 帶狀碳化物分布圖 10 是典型帶狀碳化物形貌它往往伴生著 MnS 條狀夾雜在黑色碳化物帶 含碳量高達(dá)1.3% ~ 1.4% 含鉻量 > 2% 在隨后球化退火容易出現(xiàn)球化不完和不均勻缺 陷; 帶間含 C量較低約 0.6% ~ 0.7% Cr < 1% 在淬火后容易出現(xiàn)粗大馬氏體組織相對淬透性 比較差,會出現(xiàn)屈氏體組織造成硬度分布不均勻, 降低軸承接觸疲勞壽命帶狀碳化物級達(dá) 3 ~ 4 級時使軸承鋼零件疲勞壽命降低 30% 左右23所以它和液析碳化物一樣都受到嚴(yán)格限制


    求盡可能地降低偏析首先取含碳和于成分范圍下限鋼液應(yīng)冶煉澆注工 藝著手控制好初生碳化物形態(tài)然后在工工采用合理的擴(kuò)散退火處理( 1150 ~ 1250 ℃ ) ,能獲得減輕碳化物液析和帶狀碳化物不均勻分布好效果但是當(dāng)溫度 > 1260 ℃出現(xiàn)脆性


    模鑄中的鑄造求采用合理的鑄溫和鑄速才可能把偏析控制在最低并不易產(chǎn)生應(yīng)力裂 目前在各自生產(chǎn)條件下遵循合理的低溫慢 注原則23軸承鋼液相溫度基可分三個溫度范圍:1420 ~ 14401440 ~ 14601500 ~ 1520 ℃可以由此確定模鑄溫度或連鑄中中間包一般開澆溫度即為精煉處理結(jié)束溫度GCr15、 GCr15SiMn 為 1455 和 1448 ℃數(shù)據(jù)表開澆前溫度可以控制在 1515 ~ 1520 ℃鑄造速度鑄模內(nèi) 鋼液上升線速度分慢速150 ~ 300 mm /min速 300 ~ 500 mm /min和快速> 600 mm /min。鑄造溫度和速度最佳配合要通過大量實踐統(tǒng)計確定, 數(shù)據(jù)表鑄造溫度 1510 ~ 1520 ℃鑄造速度 239 和 219 mm /min ,合格率達(dá)到 90% ~ 100%23


    3.1.擴(kuò)散退火降低碳化物液析和帶狀偏析分23

    鋼錠和經(jīng)過開坯軋制成鋼坯在加擴(kuò)散退火 偏析元素均勻化過菲克二擴(kuò)散定律, 在笛卡爾坐標(biāo)和圓柱坐標(biāo)下偏微分方程分別為:

    中: 為偏析元素濃度τ 為擴(kuò)散時間h擴(kuò)散系數(shù),cm/h


    以 3 t 鋼錠為例進(jìn)分析鋼錠尺寸如圖 11 SKF 對鋼錠鑄型研究十分重視采用 3.3 t 580方) 雙錐度鑄型43可以這樣認(rèn)為對 GCr15 碳化物不均勻分布能以碳分布作為算對 在無限長圓柱體內(nèi)鑄造樹枝晶之間進(jìn)擴(kuò)散假設(shè)在擴(kuò)散過程中在樹枝晶一次晶軸上碳濃度保 持常數(shù): cτr = Rz = H c表 = 1% c心 是定長圓柱體中心區(qū)碳濃度在 τ = 0 時因為鋼錠組織存在大塊狀共晶萊氏體按 1.6% Cr 的 Fe-Fe3準(zhǔn)二元平衡相 圖可知共晶 點(diǎn)含碳量約為 4.2% 所以鋼錠組織中心的碳濃度為cτ = 0r = 0z = 0 c心 = 4.2% 由這二點(diǎn) 可以確定上述偏微分方程的邊界條件和起始條件


    無限長圓柱體由圖 12圖 13 示意長圓柱 體尺寸2H2由鋼錠或鋼坯樹枝晶尺寸確定同時令長圓柱體橫截面 向呈均勻分布則式2可簡化成


    該微分方程的起始條件為τ = 0 長圓柱體中 偏析元素濃度 沿半徑 和長度 向近似成下拋物線分布圖 13) : 

    該微分方程的邊界條件為設(shè)樹枝晶一次晶軸 上 R 和 上偏析元素濃度保持不變而予以簡 (實際過程中的碳濃度有少量增加) ,即上述的 公式

    這樣方程( 3) 的解為:


    偏析元素在 = 0= 0 處,即長圓柱體中心處的濃度變化是人們最值得關(guān)注的: 

    當(dāng) = 0 和 = 0 ??數(shù)值可取自圖 14a和圖 14b。這樣可以算求得長圓柱體心處的碳濃度隨著擴(kuò)散退火時間 τ 變化示于圖 15 爐溫變化按測量曲線記錄,鋼錠表面溫 應(yīng)正反測得溫度平均數(shù)值畫出傳 導(dǎo)方程計算求得鋼錠軸區(qū)溫度并求得不同退 火時間時擴(kuò)散系數(shù) Dτ這樣鋼錠軸區(qū)碳 濃度即圖上高濃度區(qū) c變化曲線就可以求 又按 3 t 鋼錠組織試樣片發(fā)現(xiàn)組織中的大塊共 晶碳化物在1050 ℃ 時開始溶解這時開始算擴(kuò)散退火時間于 1 h 點(diǎn)至 15 h 點(diǎn)時鋼錠軸區(qū)濃度下降為 1.999% 


    3.1.擴(kuò)散退火效果分析23

    公式7移項后示為擴(kuò)散退火 τ 時間后效 果 ψ

    由該式可見效果 ψ 取決于 Dτ 和擴(kuò)散單元體尺 寸 H

    1Dτ cm/h擴(kuò)散退火加達(dá)到溫度有關(guān),與不同擴(kuò)散時間 τ 碳濃度無關(guān)時:

    碳在 GCr15 中 D= 0.175 cm/s擴(kuò)散激活能 = 150 kJ/mol當(dāng)爐溫在 105011501200 ℃ D = Dτ 分別為 81.0×10-5210.5×10∧-5321×10-5 cm2/h


    2R 和 鋼錠大小或開坯軋制成的方尺寸相關(guān)對 3 t 鋼錠軸區(qū) 110 個枝晶尺寸測量值 平均2為 0.7936 cm最大為 1.6 cm一次晶軸長 為 2H) ,二次晶軸長度 2R 平均為 0.4718 cm最大為 0.9 cm,計算時以最大值或平均值把鋼錠軋 成 125 mm × 125 mm 樹枝晶軸沿軋制向延 偏析帶間距縮短可認(rèn)為擴(kuò)散加前在圓周向 和高度碳濃度是均勻的,這樣擴(kuò)散方程(3又 簡化成為樹枝晶軸沿軋制向延伸尺寸r為 變量) :

    初始條件τ = 0 碳沿 r向由表面至軸心 呈拋物線分布

    邊界條件無限長圓柱體表面濃度為常數(shù):

    方程9的表達(dá)式為:

    應(yīng)心 r= 0 處的碳濃度 

    假設(shè) c表 = 1% c心 為鋼錠經(jīng)擴(kuò)散退火后高濃度 區(qū)碳濃度應(yīng)值在 1220 ℃時 τ = 2.5 和 15 h 分別為 4.2% 和 1.999% 圖 15) ,中 ?Dc /1∧20圖 14a查得


    按下式求得L1× l把 L= 12.5 cm 為 坯尺寸= 50 cm 為 3 t 鋼錠邊長圖 10) ,l= 0.45 cm 為鋼坯樹枝晶二次軸長度之半代入公式求 得 = 0.113 cm


    按上述的 3 t 鋼錠1220 ℃擴(kuò)散退火保溫 2.5 h 及 15 h 兩種開坯軋制成 125 按圖 16a)擴(kuò)散退火在 < 1050 ℃ 以下加大約 1.7 h→ 1050 ~ 1060 ℃熱 0.166 h1060 ~ 1090 ℃熱 0.5 h1090 ~ 1120 ℃ 熱 0.65 h應(yīng) 1220 ℃ 保溫 2.5 h 及 15 h 的 125 ,心部高濃度 c分別由 4.0% 及 1.999% 經(jīng)過 3.862% 和 3.375% 經(jīng) 過 1.935% 和 1.776% 下降至2.708% 及 1.558% 藝條件下的心部含碳量均 > 1.55% 即在這兩藝條件下都出現(xiàn)碳化物液析和嚴(yán)重碳化物 帶狀偏析如圖 16b和 16c所示。 


    按上述的 3 t 鋼錠1220 ℃ 擴(kuò)散退火保溫 2.5 h 及 15 h 兩種開坯軋制成 125 按圖 17a)擴(kuò)散退火在 < 1050 ℃以下加大約 2 h1050 ~ 1120 ℃熱 0.5 h1120 ~ 1140 ℃ 0.5 h→ 1140 ~1160 ℃熱 0.5 h1160 ~1180 ℃熱 0.5 h, 應(yīng)于 1220 ℃保溫 2.5 h 及 15 h 的 125 ,心部高濃度含碳量分別由 4.0% 及 1.999% 經(jīng)過3.418%2.76%2.196% 經(jīng)過 1.79%1.575 和 1.391%下降至 1.745% 及 1.243% 圖 17a) ) 。該 前種部含碳量 > 1.55% 即在這時出現(xiàn)碳化物液析和碳化物帶狀偏析; 該后種部含碳 量 < 1.55% 即在這時就不出現(xiàn)碳化物液析和碳化物帶狀偏析如圖中 17b和 17c所示


    由圖 16 和 17 可見經(jīng)開坯軋制后因為擴(kuò)散間 距減小應(yīng)的擴(kuò)散效果 ψ 增加當(dāng)部含碳量 < 1.55% 不出現(xiàn)碳化物液析碳化物帶狀呈寬黑 ,其間碳化物顆粒細(xì)小分布均勻如圖 17b17c應(yīng)用微區(qū)法測定帶狀碳化物含 碳量為 1. 35% ,與 1.243% 較為接近


    上述分析結(jié)果盡管用了許多假設(shè), 算值還是較接近實際情況可見預(yù)測鋼中的碳化物偏析和碳化物帶狀組織類型特征還是有可能3t 鋼錠和軋制成的 125 鋼坯在 1220 ℃保溫 1 h擴(kuò)散效果 ψ 算值為 1.08 和 6.2823



    同時人們也可得出當(dāng)鋼錠加能力不足條件可通過軋制成鋼坯加制度調(diào)整強(qiáng)化擴(kuò)散效果即對應(yīng)鋼錠擴(kuò)散時間可以縮短一些瑞典 SKF Hofors 廠 100t 鋼包采用 3.3 t 雙 度鋼錠( 與圖 11相近) ,出鋼溫度 1535 ~ 1550 ℃澆注溫度嚴(yán)格控制在 1520 ~ 1530 ℃90% 鋼錠送均爐進(jìn)行 1250 ℃ × 3 h 高溫擴(kuò)散退火處理,認(rèn)為鋼中 Cr 均勻分布對碳化物偏析有重影 4323也有資料列舉 種 GCr15 鋼經(jīng)過 1100 ℃ × 3 h 擴(kuò)散退火可以消除碳化物液析23這些數(shù)據(jù)的提出僅提供制定藝參數(shù)時參考(未完待續(xù))


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