GCr15钢复相淬火组织及其对力学性能的影响

2013-07-21董笑鹏

轴承 2013年8期

董笑鹏

(平顶山工业职业技术学院机械工程系，河南平顶山 467001)

目前GCr15轴承钢也常用于制造模具，按其常规马氏体(M)工艺热处理，常因韧性不足而脆断，使材耗增加。若利用适量下贝氏体(Bl)提高其韧性，马氏体保证高强度,即获得马氏体+下贝氏体复相组织，则比单相的马氏体或下贝氏体更具优良强韧性。但它们之间比例多少时强韧性配合最佳，碳化物、残余奥氏体对强韧性有何影响尚不清楚。因此研究其不同比例复相组织强韧性配合热处理工艺，对理论和实际都十分必要。

1 试验内容及过程

试验使用GCr15轴承钢。对Φ20mm×12mm球化退火GCr15钢试样以不同的奥氏体化淬火温度(820，860和900 ℃)×15 min，等温淬火温度(250和300 ℃)及等温时间(1，2，5，10，15，20，30，35，40和60 min)进行热处理，得到不同比例的马氏体+下贝氏体复相组织。

采用RDM-45-13埋入式电极盐浴炉奥氏体化淬火加热，TL81-255型低温坩埚硝盐炉等温淬火；用4%硝酸酒精腐蚀金相组织，在4XCE/4XCZ卧式金相显微镜下观察并拍摄照片；用AC纸复型，XDT-10复型透射电镜测量碳化物直径，XYL-75型X射线应力仪测量残余奥氏体量；用洛氏硬度计测试硬度；用10 t液压万能试验机测试Φ10 mm×100 mm、跨距80 mm试样的抗弯强度σbb和挠度f。

马氏体、下贝氏体各相组织所占比例的测量，使用AutoCAD 2006软件，在金相组织图片中选择相应相组织封闭图形，直接输入命令area(也可以在“工具”里用“查询”中的“面积”)，即可计算图形面积，并算出在整体中的相对面积。

2 试验结果及分析

2.1 显微组织

表1为各热处理工艺金相组织及力学性能。

表1 不同热处理工艺下的金相组织及力学性能

2.1.1 奥氏体化温度对组织的影响

随着奥氏体化温度(820，860和900 ℃)的提高，下贝氏体针的宽度、长度均明显增大(图1～图3)，而残余碳化物尺寸明显变小(图4～图6)，见表2。

图1 900 ℃×15 min，250 ℃×40 min处理后的组织

图2 860 ℃×15 min，250 ℃×10 min处理后的组织

图3 820 ℃×15 min，250 ℃×1 min处理后的组织

图4 900 ℃×15 min，250 ℃×40 min，(复型)残余碳化物

图5 860 ℃×15 min，250 ℃×10 min，(复型)残余碳化物

图6 820 ℃×15 min，250 ℃×1 min，(复型)残余碳化物

表2 不同淬火温度下的组织尺寸

2.1.2 等温温度对组织形态的影响

随等温温度下降，残余碳化物尺寸、形态变化不明显(图6、图7)；而下贝氏体针的长度、宽度均趋于减小(图3、图8～图10)，见表3。

图7 820 ℃×15 min，300 ℃×1 min，复型残余碳化物

图8 900 ℃×15 min，250℃×20 min处理后的组织

图9 900 ℃×15 min，300 ℃×5 min处理后的组织

图10 820 ℃×15 min，300 ℃×1 min处理后的组织

表3 不同等温温度下的组织尺寸

2.1.3 等温时间对组织的影响

随着等温时间的延长，下贝氏体在复相组织中的比例扩大，如图1、图8及图2、图11所示，当下贝氏体小于20%时，孤立针下贝氏体清晰，下贝氏体量越少，针的尺寸有增大趋势(图8～图9)，下贝氏体量越多，草丛状下贝氏体并排聚集成堆(图1、图11)；而残余碳化物(不是下贝氏体针中的碳化物)尺寸变化甚微(图12～图14)。

图11 860 ℃×15 min，250 ℃×15 min处理后的组织

图12 860 ℃×15 min，300 ℃×2 min(复型)残余碳化物

图13 860 ℃×15 min，250 ℃×15 min，(复型)残余碳化物

图14 860 ℃×15 min，250 ℃×40 min，(复型)残余碳化物

2.2力学性能

2.2.1 奥氏体化温度对力学性能的影响

不同奥氏体化温度并在300 ℃等温淬火下，抗弯强度、挠度有峰值出现，如图15所示，在同一下贝氏体含量(10～15)%下抗弯强度、挠度在奥氏体化温度为900 ℃时最好， 820 ℃时次之， 860 ℃时最差。

图15 奥氏体化温度与抗弯强度及挠度的关系

2.2.2 等温温度对力学性能的影响

从图16～图18及表4可以看出，等温温度下降，钢的硬度增加，形成的残余奥氏体量增加。从图19可知,不同等温温度下,钢的抗弯强度、挠度随着下贝氏体转变量的增加将有峰值出现，峰区约在(50%～60%)Bl处。等温温度下降，下贝氏体增加到适量时,钢的抗弯强度、挠度增高。

图16 等温时间与硬度的关系(900 ℃奥氏体化)

图17 等温时间与硬度的关系(860 ℃奥氏体化)

图18 等温时间与硬度的关系(820 ℃奥氏体化)

图19 不同等温温度及下贝氏体转变量与σbb及f的关系(奥氏体化温度为860 ℃)

表4 等温温度与残余奥氏体转变关系

2.2.3 等温时间对力学性能的影响

由图16～图18可以看出，随等温时间延长，硬度将会降低,并在一定时间后趋于稳定；而抗弯强度、挠度均有峰值，之后缓慢下降并趋于平缓。

3 讨论

3.1 复相热处理与M+Bl复相组织关系

(1)随着奥氏体化温度提高，原奥氏体晶粒增大，而下贝氏体的铁素体尺寸与原奥氏体晶粒尺寸联系密切，故下贝氏体针增大；残余碳化物不断溶解，变得更细小、均匀、弥散。

(2)下贝氏体转变属扩散型相变[1]。当等温温度下降时，下贝氏体中碳原子的扩散系数随之减小，从铁素体中脱出更困难，下贝氏体转变孕育期延长，转变速度减慢，故下贝氏体针尺寸减小；下贝氏体的长大受碳原子的脱溶控制，等温温度下降，下贝氏体针中的碳化物数量增加，尺寸减小；250 ℃比300 ℃时下贝氏体针中的碳化物量更多，更细小、规则(图12、图13)。

(3)等温时间延长，奥氏体向下贝氏体转变增多，故从针状到草丛状；下贝氏体针的碳化物逐渐长大，变粗散。

3.2 复相热处理对力学性能的影响

3.2.1 对强度和硬度的影响

提高奥氏体化温度，虽然下贝氏体尺寸增大，但溶入GCr15钢中的碳量增大，使碳原子在马氏体中的固溶强化提高；同时残余碳化物愈加细化、弥散，使强度提高，所以在900 ℃奥氏体化温度加热后等温处理，其强度及硬度最高。

随着下贝氏体等温温度的降低，下贝氏体针中的碳化物弥散度增大，下贝氏体的强度增加，250 ℃比300 ℃等温处理时的碳化物不易扩散长大，弥散度更大，易沉淀硬化，故在下贝氏体转变量较大时抗弯强度和挠度更高(图19)。在等温处理随后冷却过程中，残余奥氏体变为马氏体，体积膨胀(马氏体的比容远大于奥氏体)，使针状、草丛状下贝氏体受压产生加工硬化，故复合组织的强度高于单相的下贝氏体组织。

等温时间延长，下贝氏体量增加，马氏体量减少，但较多的下贝氏体转变量和较少的马氏体量，使韧性提高而强度不够。反之等温时间太短，形成较少的下贝氏体转变量和较多的马氏体量及残余奥氏体量，使强度、塑性均较低。故适当的等温时间可获得适宜比例的M+Bl复合组织，使强度、韧性同时最佳。

3.2.2 对韧性的影响

提高奥氏体加热温度，得到较大尺寸的下贝氏体、板条马氏体及较小尺寸的残余碳化物等组织。下贝氏体尺寸增大对提高韧性不利。板条马氏体的获得是因为GCr15钢主要合金元素为铬，铬是缩小γ区的合金元素。Fe-Cr系二元合金，缩小γ区合金元素，全部形成板条马氏体[2]，板条马氏体对韧性十分有利。较小的残余碳化物也有利于韧性提高。文献[3]认为，当残余碳化物尺寸d≤0.5 μm，有可能提高其韧性，但当残余碳化物尺寸d>1 μm，往往是破坏断裂源，对韧性不利。试验结果与文献吻合，900 ℃奥氏体化250 ℃等温淬火处理后，残余碳化物尺寸d=0.5 μm，韧性、挠度最优； 820,860 ℃奥氏体化250 ℃等温淬火处理后，残余碳化物尺寸d分别为1.8和1.5 μm，故韧性低。这表明高的奥氏体化温度有利于材料保持优良的韧性。

等温淬火温度降低，形成的下贝氏体尺寸减小，有利于韧性提高(图19)。

等温时间增加，下贝氏体量增加，韧性提高；这是因为等温处理过程中，先形成的下贝氏体量不断增加，奥氏体晶粒被分割细化，从而使随后形成的马氏体尺寸亦减小，马氏体板条被细化，如表5所示，使韧性提高。由图19可知，不同比例Bl+M复合组织，体积比为(50～60)%Bl+M时，强度、挠度出现峰值。抗弯强度从σbb=3 638 MPa提高到4 523 MPa，挠度f从2.35 mm提高到4.45 mm。