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。 The Austenite phase transformation law of GCr15 bearing steel with different processes is studied by means of optical microscope and hardness tester. The experimental results show that: the critical cooling rate of pearlite phase transformation is about 3˚C/s and the Martensite transfor-mation starts when the temperature drops at about 200˚C. There will be a serious precipitation 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 becomes lower and the precipitation of net carbide decreases.
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:2016年6月27日;发布日期:2016年6月30日
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
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 [
实验采用某钢厂的Φ50 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。
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 ZHμ-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。
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,
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 |
表1. GCr15试样化学成分(质量分数,%)
冷速速度(℃/s) | 开始点Ps (℃) | 结束点Pf (℃) |
---|---|---|
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 |
表2. 静态实验测定的珠光体相变温度
图1. 热模拟试样规格示意图
图2. 静态CCT实验示意图
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。
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℃。
图3. GCr15轴承钢静态膨胀曲线图
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
图5. GCr15轴承钢静态CCT曲线图
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
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 |
表3. 静态不同冷却速度的硬度值
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 [
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 [
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。
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Effect of Cooling Rate on Microstructures and Properties of GCr15 Bearing Steel[J]. 冶金工程, 2016, 03(02): 99-105. http://dx.doi.org/10.12677/MEng.2016.32015