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Metallurgical Engineering
冶金工程
, 2016,
3(2)
, 99-105
Published Online
June
2016 in
H
ans
.
http://www.hanspub.org/journal/meng
http://dx.doi.org/10.12677/meng.2016.32015
文章引用
:
王银国
,
孙福猛
,
董凤奎
,
何健楠
,
李祥龙
,
李世晶
.
冷却速率对轴承钢
GCr15
组织和性能的影响
[J].
冶金
工程
, 2016,
3(2):
99-105. http://dx.doi.org/10.12677/meng.2016.32015
Effect of Cooling Rate on Microstructures
and Properties of GCr15 Bearing Steel
Yinguo
Wang
1
, Fumeng
Sun
2
, Fengkui
Don
g
1
, Jiannan He
1
, Xianglong Li
2
, Shijing Li
2
1
Baosteel Special Steel
Co., Ltd.,
Shaoguan
Guangdong
2
Baosteel Group
SGIS
, Shaoguan
Guangdong
Received
: May 24
th
, 2016; accepted: Jun. 27
th
, 2016; published: Jun. 30
th
, 2016
Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers
Inc.
This work is licensed under the Creative Commons
Attribution International License (CC BY).
http://creativ ecommon s.org/l icens es/by/4.0/
Abstract
The
Austenite phase transformation law
of GCr15
bearing steel
with
different processes is st
u-
die
d by
means of
optical microscope
and
hardness test
er
. The experimental results show that:
the critical cooling rate of pearlite
p hase
transformation is about 3
˚C
/s
and the
M
artensite
trans-
formation
starts when the temperature drops at about 200
˚C
. T
here will be a serious precipita-
tion of net carbide when the cooling rate is less than 5
˚C
/s
,
and
with the increase of cooling rate
,
the pearlite
phase
transformation temperature become
s
lower and the precipitation of net car-
bide decreases.
Keywords
Bear Steel
GCr15
,
CCT
Curve
, Cooling Process, Net Carbide
冷却速率对轴承钢
GCr15
组织和性能的影响
王银国
1
,孙福猛
2
,董凤奎
1
,何健楠
1
,李祥龙
2
,李世晶
2
1
宝钢特钢韶关有限公司,广东
韶关
2
宝钢集团广东韶关钢铁有限公司,广东
韶关
收稿日期:
2016
年
5
月
24
日;录用日期:
2 016
年
6
月
27
日;发布日期:
2016
年
6
月
30
日
王银国
等
100
摘
要
本文采用光学显微镜、显微硬度等分析手段对某钢厂生产的
GCr15
轴承钢在不同冷却速度下的奥氏体相
变规律进行了研究。结果表明:发生珠光体相变的临界冷却速度约为
3
℃
/s
,当温度降至约
200
℃时,发
生马氏体转变。冷却速度小于
5
℃
/s
时,会产生较严重的网状碳化物,随冷却速度的提高,网状碳化物
析出减少,珠光体相变温度降低。
关键词
轴承钢
GCr15
,
CCT
曲线
,
冷却工艺,网状碳化物
1.
前言
GCr15
轴承钢是一种合金含量较少、具有良好性能、应用广泛的高碳铬轴承钢。经过淬火
+
回火后具
有高而均匀的硬度、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能
[1]
。研究轴承钢在不同冷却速度下的组织转变规
律对于提高轴承钢的综合性能具有重要意义。本文借助于先进的
Gleeble3800
热模拟试验机测定不同冷却
速度下的静态
CCT
曲线,并对其组织转变进行了研究,为后续优化生产工艺提供参考。
2.
实验材料和方案
2.1.
实验材料
实验采用某钢厂的
Φ
50 mm
规格热轧
GCr15
圆钢作为材料,将其机加工成如图
1
所示的热模拟试验
样,其原材料的化学成分如表
1
所示。
2.2.
实验方案
实验方案如图
2
所示,先将试样以
10
℃
/s
的升温速率加热到
1100
℃,保温
5
min
,使碳化物充分溶
解到奥氏体中,以
5
℃
/s
的冷却速率将试样冷却至
860
℃,然后按照不同冷却速度
(V = 0.5, 1.0, 1.5
,
2.0,
3.0,
3.5,
4.0
, 4.5, 5.0
,
8.0
℃
/s)
冷至室温。
使用
IsoMet 4000
砂轮切割机将试样在热电偶焊点处横向剖开,用
SimpliMet1000
镶样机进行镶嵌,
依次进行粗磨、细磨、抛光处理后用
4%
的硝酸酒精溶液进行浸蚀,用酒精清洗,将试样吹干,置于
DMILM
型
LEICA
倒置数字显微镜下观察试样的微观组织,并用型号为
Zwick ZH
μ
-A
型显微硬度计对试样进行
硬度测量,设定试验载荷为
500 gf
,试验力保持时间为
15 s
,试验温度为
21
℃,每个试样测量
3
次,然
后取平均值,观察试样硬度的变化。
在采集的膨胀量曲线上,利用切线法确定相变的开始温度和结束温度,通过金相组织确认发生的相
变类型,将不同冷速下的相变开始温度和相变结束温度绘制在温度
–
时间图上,连接同种类型的相变点,
得到静态
CCT
曲线。
3.
实验结果与分析
3.1.
GCr15
静态
CCT
相变温度
通过膨胀曲线得出了
GCr15
轴承钢在不同冷速下的相变温度,见表
2
。在随后的冷却过程中,由于
过冷奥氏体绝大部分转变为珠光体,此过程中伴随着体积膨胀,故在膨胀曲线上
可以
发现较明显的拐点,
王银国
等
101
Table
1.
Chemical constitution of GCr15 smaple (Mass,
%)
表
1.
GCr15
试样化学成分
(
质量分数,
%)
元素
C Si
Mn S P Cr
Ni
Cu
实测值
0.98
0.24
0.35
0.001
0.013
1.47
0.009
0.01
标准值
0.95~
1.05
0.15~
0.35
0.25~
0.45
≤0.025
≤0.025
1.40~
1.65
≤0.30
≤0.25
Table
2.
The
temperatu r e
of
P earlite phase tran sfo r mation under s tati c test
表
2.
静态实验测定的珠光体相变温度
冷速速度
(
℃
/s)
开始点
P
s
(
℃
)
结束点
P
f
(
℃
)
0.5
701.43
610.26
1
692.31
610.90
2
677.23
604.60
3
667.83
567.15
3.5
631.15
4.5
613.21
Fig
ure
1.
Schematic illustration of thermal simulation sample size
图
1.
热模拟试样规格示意图
Fig
ure
2.
Schematic illustration of static CCT test
图
2.
静态
CCT
实验示意图
Ø6.000
81.00 mm
[3.19 in.]
+0.000
−0.025
mm
+0.000
−0.001
in.
[
]
Ø0.236
时间
/s
温度
/
℃
10
℃
/s
1100
℃
×
5min
5
℃
/s
v=0.5,1.0,1.5,2.0,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0,8.0
℃
/s
T=860
℃
王银国
等
102
不同冷却速度下的膨胀曲线如图
3
所示,
其中
Ms
点为过冷奥氏体向马氏体转变开始温度。
在膨胀曲线的拐点附近作切线,以切线与曲线部分的分离点作为相变开始或结束点,将开始点和结
束点分别连接起来,得到静态
CCT
曲线。
3.2.
GCr15
静态
CCT
相变组织
图
4
及图
5
为不同连续冷却速度下的金相组织和静态
CCT
曲线,从金相组织中可以看出,以
0.5
℃
/s
的冷却速度冷却至室温时,其组织主要为粗大的珠光体球团,珠光体片层在
500
倍下清晰可见,呈一
簇一簇的平行排列,珠光体晶界处有紧密围绕的先共析二次碳化物,这些清晰可见的二次碳化物彼此
相连呈网状。随着冷却速度的增加,珠光体球团直径有所减小,分布在晶界处的网状碳化物局部连接
处发生断裂,呈网状及半网状分布。当冷却速度达到
3
℃
/s
时,珠光体呈团絮状分布,二次碳化物厚度
变细,呈隐约可见的半网状,二次碳化物的网状趋势逐渐减弱,同时在组织中发现有马氏体生成,这
与静态
CCT
曲线测定的马氏体转变的临界冷却速度为
3
℃
/s
相符合。当冷却速度增大到
5
℃
/s
时,其组
织主要为灰白
色针状马氏体
+
黑色珠光体
+
部分亮白色残余奥氏体,没有发现呈网状或半网状的二次
碳化物。
由
CCT
曲线可以看出,珠光体相变的析出温度主要处于
567
℃
~701
℃之间,随着冷却速度不断增大,
奥氏体的过冷度逐渐增大,发生珠光体转变的温度也随之降低。当冷却速度处在
0.5
℃
/s~3
℃
/s
区间时,
珠光体转变的开始温度变化较平缓,当冷却速度增大到
3
℃
/s
及以上时,珠光体转变终止线消失,这是由
于珠光体转变不完全,只有一部分过冷奥氏体转变为珠光体,剩余的过冷奥氏体发生了马氏体转变。同
时,由静态
CCT
曲线可知:过冷奥氏体发生马氏体转变的临界冷却速度约为
3
℃
/s
,转变开始温度约为
201
℃。
Fig
ure
3.
Static dilatation curves of GCr15 bearing st eel
图
3.
GCr15
轴承钢静态膨胀曲线图
400 600 800
-0.06
-0.04
-0.02
200 400 600 8001000
-0.10
-0.05
0.00
400 600 800
-0.04
-0.02
200 400 600 800
-0.10
-0.05
0.00
610.26℃
CGauge(mm)
701.43℃
0.5℃/S
692.31℃
610.90℃
1.0℃/S
604.60℃
677.23℃
2.0℃/S
TC1(℃)
Ms=201.34℃
5.0℃/S
王银国
等
103
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig
ure
4.
Microstructure of static in different cooling rates at 500 times
.
(a) 0 .5
˚C
/s; (b) 1.0
˚C
/s
;
(c) 3.0
˚C
/s; (d)
5.0
˚C
/s
图
4.
静态不同冷速下的金相组织照片
500
×
。
(a) 0.5
℃
/s
;
(b)
1.0
℃
/s
;
(c)
3.0
℃
/s
;
(d)
5.0
℃
/s
(V =
0.5
,
1.0, 1.5
,
2.0
,
3.0,
3.5
,
4.0, 4.5
,
5.0,
8.0
℃
/s
)
Figure 5.
Static C C T curve of GCr15 bearing steel
图
5.
GCr15
轴承钢静态
CCT
曲线图
3.3.
GCr15
轴承钢静态
CCT
显微硬度
表
3
列出了静态条件下不同冷却速度对应的显微硬度值,可见随着冷却速度的提高,维氏硬度值逐
1
10100 1000
0
100
200
300
400
500
600
700
800
P+C
A+P+C
5℃/S
3℃/S
3.5℃/s
4℃/s
2℃/s
1.5℃/s
1℃/s
4.5℃/
s
温度(℃)
时间(s)
Ms=201.34℃
0.5℃/s
8℃/s
王银国
等
104
Table
3.
The
hardness of static in different cooling rates
表
3.
静态不同冷却速度的硬度值
冷速速度
(
℃
/S)
硬度测试值
(HV)
平均值
0.5
267
277
279
271.5
1
284
282
285
281.7
2
307
311
310
307.1
3
510
533
490
513.2
5
601
597
633
610.3
8
757
749
759
757.1
Figure 6.
Vickers hardness in different continuous cooling rates
图
6.
连续冷却速度下的维氏硬度图
渐增大,其显微硬度变化趋势如图
6
所示,可以看出,当冷却速度处在
0.5
℃
/s~2
℃
/s
区间时,随着冷却
速度的增加,硬度值增加较为平缓;当冷却速度处在
3
℃
/s
以上区间时,硬度值增加较为明显。结合前面
的金相组织分析,可以发现,当冷却速度较低时,得到的室温组织为珠光体及网状碳化物,其硬度值较
低,随着冷却速度的增大,珠光体球团明显细化,片层间距减小,相界面显著增加,并且部分奥氏体转
变为硬而脆的马氏体,使材料抵抗变形的能力大大提高,在硬度上的直观表现就是硬度值逐渐增大。此
外,轴承钢
GCr15
中
C
、
Cr
等元素的扩散受温度的影响也很大,随着冷却速度的增加,奥氏体的过冷度
逐渐增大,奥氏体中
C
、
Cr
等元素的扩散系数显著减小,再加上可扩散的时间减短,
C
、
Cr
元素向晶界
处的聚集将会减弱,这将导致珠光体中
C
、
Cr
含量增加,起到强化珠光体的作用
[2]
,同时晶界处二次碳
化物形态变化构成第二相颗粒,起到强化作用,其强化机制主要为
Orowan
机制:位错绕过粒子,在粒
子周围留下一个位错环使材料得到强化的机制,第二相质点越弥散,数量越多,间距越小,位错运动阻
力越大,其强度硬度也会越高
[3]
。综上可以看出,冷却速度较低时,随着冷速的增加,硬度值上升较为
平缓;冷速再继续增加时,组织逐渐转变为马氏体,硬度值大幅度提高。当冷却速度达到
3
℃
/s
后硬度值
0123456789
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
维氏硬度(HV)
冷却速度( ℃/S)
王银国
等
105
迅速升高,结合前面的
CCT
曲线和组织分析可知,此时金相组织中已经有马氏体产生,马氏体硬度极高,
一旦有马氏体生成就会使其硬度大幅度增加。
4.
结论
1)
静态
CCT
曲线图得到的珠光体相变温度为
567
℃
~701
℃。冷却速度控制在
0
℃
/s~3
℃
/s
之间时,
室温组织为粗大的珠光体团和网状碳化物组织,冷却速度增加到
3
℃
/s
及以上时,珠光体转变终止线消失,
在
201
℃左右将发生过冷奥氏体向马氏体的转变,以大于
5
℃
/s
的冷却速度冷却时,网状碳化物明显减少,
可有效抑制网状碳化物的析出。
2)
维氏硬度随着冷却速度的增加而增加,在较低冷却速度下随着冷速的增加,珠光体片层间距减小,
球团直径明显细化,高冷速下组织以马氏体为主,还有少量残余奥氏体,由于马氏体的硬度极高,形成
马氏体使显微硬度明显升高。
参考文献
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大断面轴承钢的控制冷却
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机械工业出版社
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1998:
133
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孙艳坤
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材料科学与工艺
, 2010(2):
216
-220.
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