電磁能條件下球化退火過程中GCr15軸承鋼碳化物的溶解行為

申麗娟， 謝港生， 麻永林， 邢淑清

(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 河南省特殊鋼材料研究院有限公司， 河南 濟(jì)源 459000)

軸承作為現(xiàn)代機(jī)械中重要的基礎(chǔ)零件，其各項(xiàng)性能將直接影響機(jī)械裝備的精度、可靠性及使用壽命。如何進(jìn)一步提高軸承鋼的內(nèi)在質(zhì)量，一直以來都是各個(gè)國(guó)家孜孜以求的目標(biāo)。GCr15軸承鋼是軸承行業(yè)中產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛的材料[1]。碳化物的控制是軸承鋼整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最重要、最關(guān)鍵的工序，均勻分布的碳化物組織可以明顯提高軸承鋼的使用壽命[2]。因此，全國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)將軸承鋼中碳化物形態(tài)及分布控制的熱處理工藝列為“十四五”發(fā)展規(guī)劃中需要解決的關(guān)鍵共性技術(shù)問題。

球化退火處理作為軸承行業(yè)的預(yù)備熱處理工序，可以降低材料的硬度且為隨后的淬火和低溫回火處理提供良好的球化組織，是軸承鋼中碳化物形態(tài)及分布控制的熱處理工藝中最重要的組成部分[3]。軸承鋼的球化退火處理由兩相區(qū)保溫階段和冷卻相變階段兩部分組成，其中兩相區(qū)保溫階段過程中碳化物的演變對(duì)材料的最終使用性能有很大的影響[4]。本文重點(diǎn)討論兩相區(qū)保溫階段。鋼加熱時(shí)奧氏體的形成機(jī)理是固態(tài)相變理論中的一個(gè)重要組成部分，前人做了大量研究工作并取得了許多重要的進(jìn)展，臨界點(diǎn)加熱相變的研究在國(guó)外已經(jīng)做了很多工作[5]。但缺乏在電磁能處理下的相關(guān)研究。

于文霞等[6]利用電磁能技術(shù)研究了電磁能熱處理技術(shù)對(duì)鋁合金析出物的影響，在改善鋁合金性能方面有著重要的意義。鑒于固態(tài)相變經(jīng)典形核理論的統(tǒng)一性，嘗試研究電磁能熱處理技術(shù)在軸承鋼球化退火保溫階段中的作用，以期達(dá)到縮短保溫時(shí)間、降低加熱溫度、細(xì)化晶粒等目的[7]。本文利用自制脈沖電磁能裝置研究了GCr15軸承鋼兩相區(qū)球化退火中奧氏體的形成對(duì)碳化物溶解的影響，探討了脈沖電磁能條件下碳化物的分布情況及形成機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為高碳鉻系軸承鋼GCr15，化學(xué)成分見表1。軸承鋼生產(chǎn)及熱處理工藝為連鑄坯→軋制→正火處理→球化退火處理→淬火回火處理，如圖1所示。試驗(yàn)中，將φ5.5 mm的熱軋材加工成長(zhǎng)度為10 mm的試樣放入自制可控脈沖電磁能熱處理爐中按照不同工藝進(jìn)行處理。

表1 試驗(yàn)GCr15軸承鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 軸承鋼的熱處理工藝流程圖

自制可控脈沖電磁能熱處理爐如圖2所示，脈沖電磁能熱處理爐由控溫系統(tǒng)和脈沖電磁能發(fā)生系統(tǒng)兩部分組成，爐子中間位置為石英管，石英管與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向呈軸向平行的關(guān)系。本試驗(yàn)脈沖電磁場(chǎng)參數(shù)為最大脈沖電流100 A、頻率20 Hz、占空比20%，峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度為71.68 mT。試驗(yàn)過程中，當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定溫度后，將試樣迅速放入石英管中，且讓試樣置于爐子中間部位。同時(shí)按照相應(yīng)的試驗(yàn)方案設(shè)定脈沖電磁能熱處理時(shí)間，由于加熱溫度較高，為避免氧化脫碳現(xiàn)象發(fā)生，試驗(yàn)過程中采用通入氬氣的方式實(shí)現(xiàn)氣氛保護(hù)。

圖2 可控脈沖電磁能熱處理爐示意圖

軸承鋼球化退火前的組織為片狀珠光體+殘留碳化物，為了球化退火時(shí)需要有適當(dāng)量的殘留碳化物，其在球化時(shí)起到核心的作用，鋼材升溫后片狀滲碳體開始溶斷，超過相變點(diǎn)后，向顆粒狀發(fā)展。然后小顆粒碳化物開始固溶消失，大顆粒碳化物表層固溶直徑均勻化，成為后期等溫過程球化的核心[8]。

本試驗(yàn)分別采用傳統(tǒng)熱場(chǎng)處理技術(shù)和電磁能熱處理技術(shù)兩種工藝進(jìn)行軸承鋼的兩相區(qū)球化退火處理，工藝路線如圖3所示。

圖3 球化退火處理工藝示意圖

本文在790 ℃下分別進(jìn)行60 min的傳統(tǒng)熱場(chǎng)球化退火和10、20及60 min 的CEME(可控電磁能)技術(shù)球化退火處理，使用Image-J圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)不同熱處理?xiàng)l件下獲得的殘留碳化物尺寸及含量，并對(duì)殘留碳化物的形貌、數(shù)量及粒徑進(jìn)行對(duì)比，從而探索短時(shí)電磁能技術(shù)在軸承鋼熱處理方面的機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖4為不同熱處理?xiàng)l件下球化退火后軸承鋼中殘留碳化物的SEM照片。使用Image-J圖像軟件對(duì)不同熱處理工藝下獲得的殘留碳化物數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)熱場(chǎng)球化退火處理60 min后，殘留碳化物多，當(dāng)施加脈沖電磁能進(jìn)行球化退火10 min后，碳化物數(shù)量可達(dá)到傳統(tǒng)熱場(chǎng)球化退火60 min后的效果。并且隨著電磁能球化退火時(shí)間的延長(zhǎng)，殘留碳化物數(shù)量呈現(xiàn)不斷減少的現(xiàn)象，相比于傳統(tǒng)熱場(chǎng)球化退火處理具有快速溶解的特點(diǎn)。但圖4(c)中碳化物有明顯聚集現(xiàn)象，不利于后期熱處理及使用，有待進(jìn)一步研究。

圖4 GCr15軸承鋼球化退火后殘留碳化物的EPMA形貌

圖5為殘留碳化物粒子的尺寸變化情況，傳統(tǒng)熱場(chǎng)球化退火處理后碳化物粒子尺寸最大，而電磁能熱處理技術(shù)比傳統(tǒng)熱場(chǎng)處理可以獲得更細(xì)小的碳化物，這對(duì)于后期熱處理及軸承鋼的最終使用性能來說都有很重要的意義。傳統(tǒng)熱場(chǎng)處理60 min后的殘留碳化物的平均粒徑為0.226 μm，電磁能短時(shí)(10 min)球化退火處理后，殘留碳化物平均粒徑為0.220 μm，可以達(dá)到傳統(tǒng)熱場(chǎng)球化退火處理效果的97.3%。

圖5 GCr15軸承鋼經(jīng)不同工藝球化退火后殘留碳化物的粒徑

圖6統(tǒng)計(jì)了傳統(tǒng)熱場(chǎng)和電磁能技術(shù)球化退火處理后軸承鋼的殘留碳化物分布密度。從圖6可以看出，CEME技術(shù)比傳統(tǒng)熱場(chǎng)處理可以固溶更多的碳化物，并且隨著CEME處理時(shí)間的延長(zhǎng)，殘留碳化物數(shù)量明顯減少。傳統(tǒng)熱場(chǎng)處理60 min后的殘留碳化物分布密度為2.6460 μm-2，小粒徑碳化物數(shù)量最多(見圖7)；脈沖電磁能短時(shí)(10 min)處理后，殘留碳化物分布密度為2.167 μm-2，同傳統(tǒng)熱場(chǎng)處理60 min效果基本相同，但小粒徑碳化物數(shù)量有降低趨勢(shì)。當(dāng)電磁能技術(shù)處理60 min后，殘留碳化物分布密度為0.7839 μm-2。

圖6 GCr15軸承鋼經(jīng)不同工藝球化退火后殘留碳化物的分布密度

圖7 GCr15軸承鋼經(jīng)不同工藝球化退火后殘留碳化物的分布

圖7為不同工藝球化退火后軸承鋼不同尺寸殘留碳化物的分布。從圖7可以看出，隨著CEME處理時(shí)間的延長(zhǎng)，0.05 μm的小粒徑碳化物數(shù)量有明顯下降趨勢(shì)，由22%降低為15%。當(dāng)電磁能技術(shù)處理60 min后，碳化物分布規(guī)律由線性遞減模式趨向于高斯正態(tài)分布，高斯峰值為24%，說明大量粒徑為0.05 μm的小粒徑碳化物溶解，此時(shí)粒徑為0.1 μm的碳化物分布位于峰值處。

3 分析及討論

奧氏體的形成過程是由碳含量和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不同的兩個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的新相，包括C原子的擴(kuò)散重新分布和Fe原子由體心立方結(jié)構(gòu)向面心立方結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣重構(gòu)。

珠光體中鐵素體為C含量為0.0218%的體心立方結(jié)構(gòu)，滲碳體為C含量為6.69%的復(fù)雜斜方晶體結(jié)構(gòu)。通過相變轉(zhuǎn)變?yōu)楹剂繛?.77%的奧氏體。形成的奧氏體為等軸多邊形晶粒，這是因?yàn)閵W氏體形成過程中，界面能占主導(dǎo)，界面能越小意味著阻力越小，而只有球形或者等軸形晶粒的界面能最小。

本文研究的高碳鉻鋼原始組織為片狀珠光體和沿晶界分布的碳化物，在加熱過程中主要分為2個(gè)階段：片層珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變和殘留碳化物的溶解。對(duì)于這2個(gè)階段的組織轉(zhuǎn)變機(jī)理，前人開展了大量的研究工作[9-11]，但缺乏在電磁能條件下的研究。

3.1 電磁能球化退火處理?xiàng)l件下的奧氏體形核率

電磁能熱處理?xiàng)l件下，形成奧氏體時(shí)系統(tǒng)總自由能的變化為[12]：

ΔG=-ΔGV+ΔGS+ΔGe

(1)

式中：ΔGV是奧氏體與母相間的體積自由能之差；ΔGS是奧氏體形成時(shí)所需要增加的表面能；ΔGe是奧氏體形成時(shí)所需增加的應(yīng)變能。

所以，奧氏體形成的熱力學(xué)條件為ΔG<0。奧氏體在高溫階段形成，應(yīng)變能較小，可以忽略，主要考慮界面能，因此式(1)可以簡(jiǎn)化為：

ΔG=-ΔGV+ΔGS

(2)

即只有當(dāng)溫度高于臨界溫度(T0)時(shí)，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的相變驅(qū)動(dòng)力ΔGV才能克服相變阻力ΔGS，奧氏體才能自發(fā)形核。

當(dāng)體系施加脈沖磁場(chǎng)后，系統(tǒng)總自由能ΔGM可以表示為：

(3)

體系總自由能減低，導(dǎo)致T0下降，或者說實(shí)際形成的奧氏體量增多。當(dāng)體系施加脈沖磁場(chǎng)后，形成的奧氏體量增多。

固態(tài)相變中，新相的形核率可以表示為:

N=N1N2

(4)

式中：N1為受形核功影響的形核率因子；N2為受原子擴(kuò)散能力影響的形核率因子。

新相形核率可表示為[13]：

(5)

式中：ED為擴(kuò)散激活能；T為溫度；R為氣體常數(shù)；N0為擴(kuò)散常數(shù)；ΔG*為形核勢(shì)壘。

(6)

式中：K為常數(shù)；σ為新相和母相的界面能；ΔGV為相變驅(qū)動(dòng)力。

(7)

(8)

(9)

從熱力學(xué)的角度進(jìn)行分析[16-17]，原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)，原子間鍵能的變化將以自由焓變的形式體現(xiàn)，可表述為：

(10)

式中：β為熵的相關(guān)量；TC為居里溫度。因此，由于電磁能的作用使形核勢(shì)壘降低。與本試驗(yàn)結(jié)果吻合。

3.2 電磁能球化退火處理下殘留碳化物的溶解速度

奧氏體的長(zhǎng)大速度(G)是指相界面推移速度，即兩側(cè)界面分別向α、滲碳體的推移速度，取決于碳原子在γ中的擴(kuò)散速度。

(11)

如果假設(shè)等溫球化時(shí)施加脈沖磁場(chǎng)處理與不處理的體系中C的濃度梯度是相同的，則C遷移的濃度通量取決于C在基體中的擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系遵循阿累尼烏斯(Arrhenius)方程：

(12)

式中：ED為擴(kuò)散激活能；T為溫度；R為氣體常數(shù)；D0為擴(kuò)散常數(shù)。

當(dāng)施加脈沖磁場(chǎng)后，間隙機(jī)制擴(kuò)散系數(shù)可表達(dá)為：

(13)

式中：D1為施加電磁能后的擴(kuò)散常數(shù)；Etot為施加電磁能后的擴(kuò)散激活能；ΔE為電磁能對(duì)總激活能的貢獻(xiàn)，可表示為[18-19]：

(14)

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；M為磁化強(qiáng)度；xM為摩爾磁化率；H為相應(yīng)焓。

由式(14)可知，單位摩爾的磁能小于零。說明施加磁場(chǎng)后擴(kuò)散原子的激活能減小。

C在γ-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)通過試驗(yàn)導(dǎo)出公式(15)[20]：

(15)

當(dāng)施加脈沖電磁能后，擴(kuò)散激活能降低，擴(kuò)散常數(shù)增大。即脈沖電磁能條件下的擴(kuò)散系數(shù)Dm增大，加速了C原子在基體中的擴(kuò)散，同樣時(shí)間脈沖電磁能處理可以溶解更多的碳化物，與本試驗(yàn)結(jié)果吻合。

關(guān)于外加磁場(chǎng)對(duì)金屬固態(tài)相變的影響機(jī)制，目前大都局限于熱力學(xué)領(lǐng)域，至今無法形成統(tǒng)一的理論，隨著基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，如何利用量子力學(xué)的理論去解釋電磁能對(duì)材料共享電子的影響[21]，仍需要進(jìn)行大量的研究工作。

4 結(jié)論

1) 傳統(tǒng)熱場(chǎng)球化退火60 min后GCr15軸承鋼中的殘留碳化物分布密度為2.646 μm-2，平均粒徑為0.226 μm；電磁能短時(shí)(10 min)球化退火后，殘留碳化物分布密度為2.167 μm-2，平均粒徑為0.220 μm；殘留碳化物分布密度和平均粒徑分別可以達(dá)到傳統(tǒng)熱場(chǎng)處理效果的81.9%和97.3%。采用電磁能技術(shù)熱處理可顯著縮短兩相區(qū)球化退火的保溫時(shí)間。

2) 傳統(tǒng)熱場(chǎng)球化退火60 min后GCr15軸承鋼中殘留碳化物分布密度為2.6460 μm-2，電磁能技術(shù)球化退火60 min后，殘留碳化物分布密度為0.7839 μm-2，該技術(shù)可以有效促進(jìn)碳化物的溶解。