第一、二、三代軸承鋼及其熱處理技術(shù)的研究進(jìn)展(七)

朱祖昌，楊弋濤

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620； 2.上海大學(xué)，上海 200072)

3.3 高碳鉻軸承鋼的球化退火及組織均勻性的提高

我們在上文中已經(jīng)十分明確的指出，高碳鉻軸承鋼中碳化物的均勻度應(yīng)包括該鋼于球化退火后在以鐵素體為基體的組織中碳化物顆粒(Fe，Cr)3C的大小和均勻分布，這種組織均勻性優(yōu)良的熱處理預(yù)組織的獲得將是本節(jié)重點(diǎn)講述的內(nèi)容。

3.3.1高碳鉻軸承鋼中合金滲碳體和鋼中的鉻

關(guān)于鋼中Fe3C滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e3C晶胞中Fe、C原子的排列，金屬學(xué)教材早就十分明確闡明[104]。后來我們又多次在自己的論文和著作中作了更明確的說明[105,83]。在含碳量比較高的鋼中加入鉻，盡管Cr在鐵素體F(α-Fe)中能無限溶解，但是將近80%的鉻主要存在于碳化物中[106]。前蘇聯(lián)學(xué)者拉烏金[107]早就指出，含1.0% C、1.5% Cr的退火鋼中有1.1%～1.2%的Cr存在于碳化物內(nèi)。于是就出現(xiàn)合金滲碳體(Fe，Cr)3C或?qū)懗?M)3C。在高碳鉻軸承鋼中，另外含少量Mn、Si(一般Mn:Si ≈ 2:1)，Mn平均分布于鐵素體F和碳化物中，Si在鋼中(在1968年有報道含1.36% Si的1C-1.45Cr軸承鋼[108]，其使用壽命明顯高于SUJ 2，在國內(nèi)沒有這樣的資料發(fā)表)不形成碳化物(但易溶于ε-碳化物中)，固溶于奧氏體A和鐵素體F中，所以有時將合金滲碳體寫成為(Fe，Cr，Mn)3C。日本學(xué)者應(yīng)用X射線測出其結(jié)構(gòu)式為(Fe2.66Cr0.31Mn0.03)C[109]。鉻的加入及其在鋼中和在熱處理中的行為的講述對該鋼要求獲得優(yōu)良的熱處理預(yù)組織和進(jìn)一步進(jìn)行熱處理以達(dá)到高的力學(xué)性能以及長的使用壽命是十分重要的。這方面的說明在國內(nèi)尚存在有些不夠，實(shí)際上懂得和了解這些，會使我們在物理冶金學(xué)科上取得更大的提高。為了讓一些需要的讀者更加全面了解和深入加以認(rèn)識，本文從比較早期的資料開始并且結(jié)合學(xué)科的發(fā)展情況作較為全面的分析，使你能夠取得得寸進(jìn)尺的突出效果。

第1、第2、第3代軸承鋼的發(fā)展、組織轉(zhuǎn)變與性能研究中，F(xiàn)e-Cr-C合金體系是最重要的。我們首先指出Fe-Cr-C系中主要出現(xiàn)的碳化物有M3C、Cr23C6、Cr7C3和Cr3C2四種[110]，Cr3C2在Fe<10%和C>9%的情況下才形成，所以在實(shí)用含鉻的鋼中不會出現(xiàn)。前面三種碳化物的晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的正交結(jié)構(gòu)，復(fù)雜面心立方，三斜晶系。一般來說，在低Cr鋼中出現(xiàn)M3C，中Cr鋼中出現(xiàn)(Cr，F(xiàn)e)7C3，高Cr鋼中出現(xiàn)(Cr，F(xiàn)e)23C6。Fe是以固溶形式進(jìn)入后兩種碳化物的，所以寫成為(Cr，F(xiàn)e)23C6和(Cr，F(xiàn)e)7C3。前面三種碳化物中，只有Cr23C6能與鐵素體F和奧氏體A保持平衡；而M3C和Cr7C3僅僅與奧氏體A處于平衡狀態(tài)[111]。復(fù)雜的正交結(jié)構(gòu)的合金滲碳體M3C在高碳鉻軸承鋼中出現(xiàn)。

Fe-Cr-C三元系在1000、870和700 ℃的等溫截面相圖見圖37(a)～(c)[112]，我們可以計(jì)算鋼中出現(xiàn)M3C、M23C6和M7C3碳化物時的相應(yīng)的含C量為6.67%、5.68%和～ 9%；后二種碳化物對應(yīng)的Cr含量范圍分別為59%和37%～61%以上。Cr在≤850、1000和1100 ℃在M3C的溶解度分別為9.1%、11%和15%[113]，由此可以看出，鋼中未溶合金滲碳體中的含鉻量隨著加熱溫度的提高和加熱時間的延長會進(jìn)一步提高。王軍慶等[114]最近的工作也指出這一點(diǎn)。這是因?yàn)橥嘶馉顟B(tài)時在鐵素體和碳化物之間達(dá)到平衡成分的鉻，在更加高的溫度下要求重新分配以達(dá)到新的平衡[115]。關(guān)于這一點(diǎn)在淬火熱處理時的加熱過程中也要引起注意。一些文獻(xiàn)上稱，鋼中含Cr在16%以下(也有稱在18%以下的[110,116])時，合金滲碳體中的Fe受到Cr的置換。置換的量取決于Cr原子的擴(kuò)散。高碳鉻軸承鋼中的含鉻量與合金滲碳體碳化物中含鉻量的比較，可以參見圖38，相應(yīng)的比為1.5%:7.0%～9.0%[39]，這結(jié)果與Beswick[117]測定結(jié)果相近。另外，人們可以推斷：Cr在400 ℃左右才能活躍起來參與擴(kuò)散，為此在ε-碳化物中是不含有Cr的，要求溫度升至開始形成Fe3C時，才能形成含鉻合金滲碳體M3C。

(a)1000 ℃；(b)870 ℃；(c)700 ℃

圖38 高碳鉻軸承鋼中的含鉻量與合金滲碳體碳化物中含鉻量的比較

Fe3C的硬度為1340 HV(國內(nèi)資料為1150～1340 HV[118])。合金滲碳體M3C的硬度更高，在(Fe，Cr)3C中，含10% Cr時的硬度為 1740 HV；(Fe，Mn)3C中，含20% Mn的硬度為1605 HV[119]。在合金滲碳體M3C中出現(xiàn)的合金元素的限量為，(Fe，Cr)3C：Cr<16%；(Fe，V)3C：V<0.6%；(Fe，Mo)3C:Mo<1.8%；(Fe，W)3C：W<1.3%。注意，SUJ2鋼中加入Mo的量至0.6%時會部分出現(xiàn)Mo2C碳化物相[120]。

鋼中含Cr的合金滲碳體相對于不含Cr的碳化物較難溶在奧氏體A的，一般需要采用較高的加熱溫度和較長保溫時間。拉烏金[107]指出含1.5% Cr鋼的共析轉(zhuǎn)變完成溫度將被移向750～760 ℃的較高溫度，共析成分點(diǎn)為0.7%～0.72%C，他引用資料指出，鋼中每加入0.1% Cr會使臨界溫度Ac1升高1.2 ℃。隨著學(xué)科的發(fā)展，現(xiàn)在可以將材料成分輸入計(jì)算機(jī)來求得Fe-Cr-C相圖。Luzginova等[121]應(yīng)用ThermoCale軟件求得了4種試驗(yàn)鋼中加入0.5、1.5、2.5和3.5% Cr準(zhǔn)二元Fe-C相圖如圖39所示。三相共析轉(zhuǎn)變區(qū)(F+A+M3C)的溫度A1、A1′和三相共析成分含碳量列于表15中。這樣的工作結(jié)果比以前的數(shù)據(jù)顯然要正確得多。

SKF工程和研究中心物理冶金部門主任的Beswick[21]對高碳軸承鋼中鉻的影響作了突出的工作。他作的含1.01 C、0 Cr鋼和含1.00 C、0.64 Cr鋼和含1.01 C、1.42 Cr鋼(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)在1100 ℃×30 min加熱正火和施行典型的球化退火后的光學(xué)金相組織示于圖40和41中。隨著鋼中含鉻量的增加，正火的珠光體和球化退火后的碳化物尺寸均得到明顯細(xì)化，很顯然，含1.01 C、0 Cr高碳鋼的珠光體片間距離最大，其球化效果最差。Cr對軸承鋼中M3C的球化具有重要的影響，Cr的加入能最有效地減小碳化物顆粒尺寸，順便提一下，軸承鋼中的Mn在球化退火過程中是促進(jìn)片狀珠光體形成的元素。

圖39 試驗(yàn)鋼中加入0.5、1.5、2.5和3.5%Cr準(zhǔn)二元Fe-C相圖

軸承鋼中獲得均勻細(xì)小的碳化物尺寸，有利于提高滾動疲勞壽命，這已經(jīng)越來越被全世界的軸承工作者所接受。為此，各個國家都對高碳鉻軸承鋼在退火狀態(tài)下出現(xiàn)的合金滲碳體顆粒的形態(tài)、尺寸大小和分布作出嚴(yán)格規(guī)定。本文上一節(jié)中講到的對這個問題將在這里作出重點(diǎn)詳細(xì)闡明。我們收集的關(guān)于ГОСТ801、ASTM和ISO以及SKF的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等的情況列在本節(jié)后面部分。

國內(nèi)對高碳鉻軸承鋼球化退火碳化物細(xì)化和分布方面的要求按GB/T 18254—2016、JB/T 1255—2014以及國標(biāo)GB/T 34891—2017的規(guī)定。規(guī)定中合格的最高級別為2級(參見GB/T 18254中的第5級別圖；JB/T 1255中的第1級別圖；GB/T 34891中的第1級別圖)。國內(nèi)很多軸承制造企業(yè)都稱選用軸承鋼的球化退火碳化物符合2級。實(shí)際上，國內(nèi)高碳鉻軸承鋼的球化退火碳化物顆粒尺寸大小和不均勻性普遍比國外八大軸承公司的高，碳化物的平均直徑和最大直徑都比較大，其中大顆粒的比例大約為國外的3倍[122]。我們將會在下面公布實(shí)際測定的結(jié)果，以方便作出比較。針對國內(nèi)生產(chǎn)軸承的現(xiàn)狀，我國已經(jīng)是一個世界上最大的軸承生產(chǎn)大國。從2005年起我國就已經(jīng)成為世界第3軸承大國，國內(nèi)已成為世界第4大軸承市場，但是我國軸承在國際市場上仍然是屬于低劣產(chǎn)品[123]，要求成為軸承生產(chǎn)強(qiáng)國還有很長的一段路程。我們一定要于2025年前在軸承和軸承鋼的生產(chǎn)上取得突破性的進(jìn)展。楊曉蔚[122]提得特別好：我國在瞄準(zhǔn)研究高檔軸承鋼的同時，更加應(yīng)該把注意力集中到切切實(shí)實(shí)地提高普通軸承鋼的材料質(zhì)量水平上來，在一定意義上講，這種普通軸承鋼達(dá)到國際先進(jìn)之日，才是我國實(shí)現(xiàn)軸承強(qiáng)國開端之時。李昭昆等[2]在未來我國軸承鋼的4個努力方向中提出國內(nèi)高碳鉻軸承鋼碳化物的平均尺寸目標(biāo)為小于1 μm。

(a)0%Cr；(b)0.64%Cr；(c)1.42%Cr

(a)0%Cr；(b)0.64%Cr；(c)1.42%Cr

日本學(xué)者仕幸三郎等[124]提出了在軸承鋼中含0.53% C的馬氏體基體上分布0.57 μm和0.27 μm細(xì)碳化物球試樣對應(yīng)累積頻率為99%時出現(xiàn)剝落碎片的循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到60×106以上(圖42)。即其結(jié)果表明，達(dá)到這種細(xì)化程度的碳化物球就已經(jīng)具備很高的滾動疲勞壽命。關(guān)于這一點(diǎn)，我們以后還會多次論及。按我們收集的情況認(rèn)為，這可以作為軸承鋼中相當(dāng)好的控制水平了。一些資料都提到SKF軸承的碳化物尺寸為0.56 μm[23,125]。

Beswick[21]在論文中還指出，Cr的加入在慢速度和快速度加熱條件下均提高F→A的轉(zhuǎn)變溫度，如圖43所示，(α+γ+M3C)出現(xiàn)的溫度范圍隨著含Cr量增加而展寬。同時，Cr的加入量增多對鋼的熱處理特性有重要的影響：提高淬透性，減小奧氏體晶粒長大傾向，增加碳化物球化均勻性和鋼的脫碳抗力。另外，Cr是碳化物形成元素，減小C在鋼基體中的擴(kuò)散系數(shù)，當(dāng)然減小碳化物的轉(zhuǎn)變速度。

另外，Taleff等[126]在研究1.5%和1.8% C的超高碳鋼的珠光體組織時，鋼中加入1.5% Cr，以防止發(fā)生碳的石墨化，穩(wěn)定合金滲碳體碳化物和使其難于粗化。鋼中加入Cr的這些作用是不容忽視的。

圖42 軸承鋼含0.53%C的基體中滲碳體粒子尺寸大小對鋼疲勞壽命的影響

(a)慢速度；(b)快速度

(未完待續(xù))