第一、二、三代軸承鋼及其熱處理技術(shù)的研究進(jìn)展(十五)

朱祖昌，楊弋濤，朱聞煒

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620； 2.上海大學(xué)，上海 200072；3.上海軌道交通檢測(cè)認(rèn)證(集團(tuán))有限公司，上海 200434)

⑤低碳亞共析鋼的熱-機(jī)械處理中雙細(xì)化組織研究

Song等[186]報(bào)道了普通低C-Mn鋼(0.22C-0.21Si-0.74Mn-0.004P-0.003S-0.29Al-0.001N,ω%)在低于珠光體完成溫度Pf(如823K)下采用大的平面應(yīng)變溫壓變形(ε=1.60)和823 K×2 h退火處理獲得的超細(xì)鐵素體F晶粒和均勻分布滲碳體Fe3C微粒組織。這是一種熱-機(jī)械處理。鐵素體F的平均晶粒尺寸為1.3 μm，分布于鐵素體F晶粒內(nèi)部和鐵素體F晶粒邊界面的微粒滲碳體Fe3C和較大的2維滲碳體Fe3C為5～90 nm和90～350 nm，顯微組織如圖118(采用JSM-6500 場(chǎng)發(fā)射SEM裝置)和圖 119(應(yīng)用Philips CM20 TEM設(shè)備)所示。圖118表示起始組織為鐵素體F+珠光體P的亞共析鋼采用大的平面應(yīng)變溫壓變形(ε =1.60)下的組織變化。圖中上面一排表示組織變化示意圖，下面一排表示SEM的組織變化。圖118中由(a)→(c)表示平面應(yīng)變溫壓變形量ε的增大。其中圖118(a)為起始組織F+P；圖118 (b)表示在受到一定變形量下，先共析鐵素體F晶粒和珠光體P區(qū)域被拉長(zhǎng)，珠光體的滲碳體片層轉(zhuǎn)向與壓縮變形的方向垂直，一些珠光體中的滲碳體片層發(fā)生碎裂，并發(fā)生溶解和球化；圖118(c)在經(jīng)受大變形量后，碎裂滲碳體球化為離散的較大顆粒，分布在鐵素體晶粒界面部位，排列于壓縮變形的垂直方向上，和阻止晶界沿這一方向的遷移，從而形成拉長(zhǎng)形狀的晶粒，同時(shí)在較大而平的鐵素體晶粒內(nèi)部出現(xiàn)亞晶和析出更為細(xì)小滲碳體微粒。這種組織在823 K進(jìn)行2 h退火后具有穩(wěn)定性。

圖118 0.22C-Mn亞共析鋼在823 K下采用大的平面應(yīng)變溫壓變形(ε =1.60)下的組織變化，上排為示意圖，下排為SEM圖Fig.118 The microstructure evolution of 0.22 C-Mn hypo-eutectoid steel deformed by large warm deforming(ε=1.60)at 823 K, upper row: schematic pictures, lower row: SEM images

他們確定臨界變形ε≈0.80，進(jìn)一步增加變形，有利于提高HAGBs的分?jǐn)?shù)和調(diào)整鐵素體F晶粒的球形形狀。圖119(a)表示0.22C-Mn亞共析鋼在大的平面應(yīng)變溫壓變形后立即進(jìn)行水淬的TEM組織，圖119(b)表示不進(jìn)行水淬隨后在823 K退火2 h后的TEM組織，為超細(xì)鐵素體F和球狀滲碳體的組織。通過(guò)比較可以看出，F(xiàn)的晶粒尺寸幾乎不變，球狀滲碳體稍有長(zhǎng)大。圖119(b)中①和②的尺寸分別為5～90 nm和90～350 nm，為鐵素體晶粒內(nèi)部的細(xì)滲碳體顆粒和在鐵素體晶粒界面上的比較粗的滲碳體粒子。鐵素體F晶粒受到拉長(zhǎng)，其形狀的縱橫比大約為2.8。圖119(c)表示該鋼在大的平面應(yīng)變溫壓變形(ε=1.60)后立即進(jìn)行水淬的TEM組織，圖119(d)表示不進(jìn)行水淬隨后在823 K退火2 h的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)TEM組織，進(jìn)行比較得到，對(duì)應(yīng)的位錯(cuò)數(shù)量變化小，HAGBs的分?jǐn)?shù)基本上相同。

圖119 0.22 C-Mn鋼在ε=1.60變形后立即進(jìn)行水淬(a)、(c)和不水淬在823 K退火2 h(b)、(d)的TEM組織Fig.119 TEM of 0.22C-Mn steel after large warm deforming(ε=1.60)and immediately water quench(a),(c) and subsequently annealing at 823 K for 2 h (b), (d)

鐵素體中大量存在的位錯(cuò)說(shuō)明再結(jié)晶不處于優(yōu)勢(shì)地位(即說(shuō)明位錯(cuò)的回復(fù)處于優(yōu)勢(shì)地位)，其理由為主要發(fā)生了連續(xù)再結(jié)晶，不是不連續(xù)再結(jié)晶，由于在溫壓變形中珠光體的滲碳體片層的球化，這種細(xì)化的滲碳體顆粒由于Zener釘扎以高的拖曳力，阻止晶粒界面的遷移；另一方面，在F中具有高堆垛層錯(cuò)能的位錯(cuò)回復(fù)非常快，這意味著位錯(cuò)重排為形成能量有利晶粒構(gòu)成的這種先決條件在材料各處容易達(dá)到而發(fā)生，但是在其后新形成的高角度晶界迅速由于微細(xì)粒碳化物的出現(xiàn)而被釘扎住了，則出現(xiàn)不連續(xù)再結(jié)晶。圖120表示在鐵素體基體中的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和細(xì)小碳化物顆粒，圖中的黑色箭頭指出受到碳化物顆粒釘扎的位錯(cuò)線情況。

圖120 在鐵素體基體中的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和細(xì)小碳化物顆粒，黑色箭頭指出受到碳化物顆粒釘扎的位錯(cuò)線Fig.120 The dislocation structure individual cementite particles inside ferrite matrix,the black arrows point at the cementite particles as they pin a dislocation

分離型共析轉(zhuǎn)變DET在國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用很多，也很深入。在國(guó)內(nèi)，分離型共析轉(zhuǎn)變(國(guó)內(nèi)常譯為離異共析轉(zhuǎn)變)原來(lái)主要研究于共析鋼、過(guò)共析鋼和超高碳鋼，后來(lái)拓展應(yīng)用于亞共析鋼上。顏禮功等[187]2000年首先發(fā)表冷軋絲桿用45鋼球化退火工藝研究，此后李峰等[188]、邱木生等[189]和金寶安[190]相繼發(fā)表對(duì)40Cr和60Si2Mn等亞共析低合金結(jié)構(gòu)鋼的快速球化退火的研究。雖然，還有提出的應(yīng)用論文更早一些。其中，祝海泉于1992年就提出冷擠壓用低碳鋼的等溫球化退火，1999年閔永安提出冷擠壓用20CrNi2Mo齒輪鋼的球化退火工藝研究。對(duì)上述作者研究的退火工藝列于表23中。另外，還參考了文獻(xiàn)[191-204]關(guān)于DET在國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用等。

表23 國(guó)內(nèi)分離型共析轉(zhuǎn)變?cè)趤喒参龅秃辖痄摽焖偾蚧嘶鹕系难芯繎?yīng)用Table 23 The research and applications for quick spherodizing of hypoeutectoid low alloy steels in our country by DET

國(guó)內(nèi)隨著冷作加工應(yīng)用的廣泛，這種在亞共析鋼奧氏體化兩相區(qū)加熱的球化退火工藝開(kāi)發(fā)可能還有很多。但這種工藝作為一種重要的熱處理退火工藝至今仍未很好納入教科書(shū)和相關(guān)熱處理手冊(cè)中。在美國(guó)于1982年和1995年出版的熱處理工作者導(dǎo)則(Heat Treater′s Guide-Standard Practices and Procedures for Steel)[132-133]中對(duì)適用的亞共析低合金結(jié)構(gòu)鋼種采用的獲得鐵素體+顆粒形狀滲碳體的球化退火工藝早已列入。本文對(duì)這部分內(nèi)容以表24進(jìn)行綜合介紹，以有利于這方面工作在國(guó)內(nèi)的開(kāi)展和普及。

圖121 4340鋼的TTT曲線Fig.121 The isothermal transformation diagram of 4340 steel

圖122 E52100鋼的TTT曲線Fig.122 The isothermal transformation diagram of E52100 steel

圖123 9260鋼的TTT曲線Fig.123 The isothermal transformation diagram of 9260 steel

表24 美國(guó)分離型共析轉(zhuǎn)變?cè)趤喒参龅秃辖痄摰那蚧嘶饝?yīng)用Table 24 The applications for spherodizing of hypoeutectoid low alloy steels in USA by DET

4 高碳鉻軸承鋼球化退火與國(guó)際接軌的開(kāi)導(dǎo)性研究

我們?cè)谇懊娑啻螐?qiáng)調(diào)，現(xiàn)在人們已愈來(lái)愈認(rèn)識(shí)到，組成高碳鉻軸承鋼的非金屬夾雜物體系、碳化物體系和Fe-C-Cr多元合金體系的3個(gè)體系中，前二個(gè)體系中的非金屬夾雜物組成、含量、形態(tài)分布和大小以及碳化物含量、形態(tài)分布和大小是軸承鋼質(zhì)量的極其重要的影響因素?，F(xiàn)在，隨著我國(guó)鋼冶煉技術(shù)水準(zhǔn)提高和軸承鋼純凈度的提高，非金屬夾雜物缺陷的影響已經(jīng)能夠得到很大程度改善和已能與國(guó)際逐漸接軌的情況下，碳化物體系的影響將正在占據(jù)愈益關(guān)鍵的地位。碳化物體系的影響十分明顯要通過(guò)高碳鉻軸承鋼中的碳化物均勻度的提高予以改善。實(shí)際上，高碳鉻軸承鋼的碳化物均勻度除了論文[205]指出的碳化物液析、碳化物帶狀和網(wǎng)狀碳化物外，還應(yīng)包括其球化退火后基體組織中碳化物顆粒的大小、形態(tài)和均勻分布的，這個(gè)問(wèn)題將在這一部分以高碳鉻軸承鋼預(yù)備熱處理中的球化退火作為重點(diǎn)詳細(xì)闡明。

球化退火的目的是使熱軋的層片狀珠光體組織轉(zhuǎn)變?yōu)樵诩?xì)微鐵素體基體上均勻分布細(xì)小合金滲碳體顆粒的球(粒)狀珠光體組織，以降低基體材料硬度后獲得最佳的切削可加工性，以及減小材料的流變應(yīng)力來(lái)改進(jìn)冷成形性，并控制碳化物的大小、形態(tài)和分布，為最終熱處理提供良好的原始組織，使材料在淬火回火的熱處理后得到最佳的力學(xué)性能和具備優(yōu)良的滾動(dòng)疲勞壽命。

4.1 高碳鉻軸承鋼球化退火顯微組織的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)高碳鉻軸承鋼的球化退火顯微組織的最優(yōu)良化是很重要的，這已經(jīng)是成為世界軸承研究工作者的共識(shí)。因?yàn)樵趯?duì)該鋼以后的淬火、回火工藝中對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和執(zhí)行得最好，也是沒(méi)有辦法明顯改變碳化物的大小、形態(tài)和分布的。要不然，必須要考慮增加碳化物的細(xì)化工藝[205-206]，但是因?yàn)橐黾映杀径皇艿綒g迎。

世界上知名的SKF和FAG公司對(duì)球化退火顯微組織作了很嚴(yán)格的規(guī)定。日本在進(jìn)入世界軸承鋼先進(jìn)行列之前的上世紀(jì)50年代后才對(duì)球化退火研究獲得實(shí)用合理的方法。我國(guó)按40多年來(lái)沿用的退火工藝方法，在對(duì)要獲得細(xì)小C化物顆粒和均勻分布實(shí)際上沒(méi)有非常重視。關(guān)于這方面的計(jì)算工作，會(huì)在下面作詳細(xì)的進(jìn)一步說(shuō)明。

在本論文連載6[206]上介紹過(guò)SEP 1520的情況。SEP 1520標(biāo)準(zhǔn)中系列CG 2的球狀碳化物大小的圖片表示于圖124。

圖124 SEP1520標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)于鐵素體、碳化物和珠光體組織的圖片F(xiàn)ig.124 Pictures of ferrites, carbide and pearlite in the SEP1520 standard

Schaeffler集團(tuán)提出的軸承鋼100Cr6的球化退火圖譜為S 261010，表示于圖125中。在Schaeffler集團(tuán)內(nèi)，對(duì)球化退火結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化程序和標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估時(shí)，適用于全球范圍內(nèi)的Schaeffler集團(tuán)現(xiàn)任成員，應(yīng)用于球化退火供貨條件下，對(duì)碳鋼和滾動(dòng)軸承鋼的碳化物尺寸的評(píng)估，如Cf53、C56E2、C80M、100Cr6和100CrMnMo8材料的軸承鋼。其數(shù)字圖表說(shuō)明中指出，SEP中碳化物尺寸的等級(jí)圖表僅對(duì)碳化物的大小分級(jí)，而不對(duì)每個(gè)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的碳化物密度分級(jí)。分級(jí)表給出了碳化物尺寸級(jí)別的精細(xì)劃分，在1000:1放大倍率下，碳化物的數(shù)量由158/400 μm2到511/400 μm2按一定的梯度呈現(xiàn)出來(lái)。在SEP 1520標(biāo)準(zhǔn)中由CG2.0～CG 2.3的級(jí)別又被細(xì)分成6級(jí)圖形，這些圖形在Schaeffler分級(jí)表中以GKZ 1～6中分別表示。其比較、配置表如表25所示(我們沒(méi)有收集到更加精細(xì)的圖片，但在自己的分析工作中已經(jīng)得到更加精細(xì)的圖片情況。)

圖125 Schaeffler集團(tuán)的軸承鋼100Cr6的球化退火圖譜S 261010Fig.125 Standard S 261010 of 100Cr6 bearing steel for FAG Group

表25 SEP和Schaeffler的比較和配置表Table 25 The comparison and disposition table for SEP and Schaeffler

我們收集到美國(guó)的“Standard Guide for Defining and Rate the Microstructure of High Carbon Bearing Steels”的ASTM A892-09(Reproved 2020)標(biāo)準(zhǔn)[99]。另外，盡管國(guó)內(nèi)沒(méi)有引進(jìn)美國(guó)的上述標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則的附件ASTM Adjunct ADJA0892的圖片，但是，我們借用S 261010標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)字作為替代，還是可以表示清楚的。

由上述測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)可以知道，評(píng)定碳化物顯微組織的級(jí)別有兩種方法：1)碳化物圖片方式，或者更加具體講為顆粒碳化物大小、分布和形態(tài)(2)碳化物密度方式，或者更加具體講為顆粒碳化物大小、分布和形態(tài)。實(shí)際上，這兩種方式最后都要關(guān)系到顆粒碳化物大小、分布和形態(tài)的。我國(guó)和前蘇聯(lián)的高碳鉻軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)的碳化物圖片相互類似，都是按碳化物圖片方式的，但是與上述的情況存在不同。

我國(guó)對(duì)高碳鉻軸承鋼生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在有GB/T 18254—2016、GB/T 34891—2017和JB/T 1255—2014。評(píng)價(jià)這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)、科學(xué)和合理性，并與發(fā)達(dá)國(guó)家的施行標(biāo)準(zhǔn)做出比較是一項(xiàng)十分重要的工作。目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有很好地進(jìn)行過(guò)這方面的工作，這樣就了解不了我國(guó)的這些標(biāo)準(zhǔn)與世界先進(jìn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之間的差距和落后的一面，一定程度上就不能明確自己應(yīng)該努力追趕的方向。

4.2 我國(guó)高碳鉻軸承鋼球化退火的顯微組織圖片的測(cè)定

首先從GB/T 18254—2016高碳鉻軸承鋼球化退火的顯微組織圖片的測(cè)定開(kāi)始，然后仔細(xì)論述與國(guó)外的差距。GB/T 18254—2016第5級(jí)別圖中、GB/T 34891—2017中第1級(jí)別圖中和JB/T 1255—2014中第1級(jí)別圖中，都列有高碳鉻軸承鋼球化退火的顯微組織圖片，實(shí)際上圖片都源于JB/T 1255—2014標(biāo)準(zhǔn)，并自2014年10月1日起開(kāi)始應(yīng)用。這些圖片級(jí)別由5個(gè)級(jí)別組成，標(biāo)準(zhǔn)指出其中2～4級(jí)別圖是合格的。我們應(yīng)用Photoshop(PS)方法測(cè)定圖片中碳化物顆粒的直徑大小，并仔細(xì)與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)的碳化物的形貌作出比較和分析。

測(cè)定方法很重要是抓住了圖片的像素點(diǎn)的本質(zhì)。像素可視為整個(gè)圖像中不可分割的單位，或稱為元素，這些像素決定圖像在屏幕上所呈現(xiàn)的大小。把照片放大到一定程度，會(huì)發(fā)現(xiàn)這這張照片是由無(wú)數(shù)顏色不同，濃淡不一樣的不相連的“小點(diǎn)”組成的，這些小點(diǎn)就構(gòu)成照片的像素。像素點(diǎn)的分布越密集，就能把物體的細(xì)微末節(jié)表現(xiàn)出來(lái)。一張照片的像素越高，照片就越精細(xì)，反之像素越低的照片則越粗糙，很多細(xì)節(jié)就難表現(xiàn)出來(lái)。像素點(diǎn)的分布越密集，要求拍攝圖像的設(shè)備的分辨率應(yīng)該越高。

首先采用以洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司名義出版的“滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件評(píng)級(jí)圖譜”照片版本(以下簡(jiǎn)稱照片版本金相圖譜)[206]的JB/T 1255—2014照片金相圖譜的球化退火4級(jí)組織圖片。按照下列步緒進(jìn)行操作：

1)圖片實(shí)際直徑為78 mm，確定為邏輯長(zhǎng)度；

2)開(kāi)啟Photoshop(PS)文件和打開(kāi)4級(jí)圖像圖片；

3)點(diǎn)擊圖像→分析→設(shè)置比例參數(shù)→自定，測(cè)得評(píng)級(jí)圖直徑的像素長(zhǎng)度(630 mm)；

4)之后在測(cè)量比例對(duì)話框中分別填上測(cè)量值(像素長(zhǎng)度為630，邏輯長(zhǎng)度為78，邏輯單位中將像素改為mm)，即可測(cè)得圖像的邏輯長(zhǎng)度；

5)測(cè)量比例已設(shè)置完成，再點(diǎn)開(kāi)PS右上角的導(dǎo)航器，可以將圖片任意放大，選定適合自己操作的對(duì)象，對(duì)圖片上的碳化物顆粒大小逐一加以測(cè)量；

6)點(diǎn)測(cè)量記錄可以自動(dòng)記錄測(cè)量值，直到測(cè)量完成，進(jìn)行導(dǎo)出和儲(chǔ)存。