含氮不锈轴承钢的孪晶碳化物及其对性能的影响

2014-07-21宋华华刘汇河李付伟仵永刚杨争

轴承 2014年12期

宋华华，刘汇河，李付伟，仵永刚，杨争

(洛阳LYC轴承有限公司，河南洛阳 471039)

目前，国内不锈轴承钢材料主要为9Cr18，9Cr18Mo高碳铬不锈钢，由于这2种钢具有较高的含碳量和含铬量，加工过程中会产生大块状的共晶碳化物。由于其碳化物分布不均匀，大部分在晶界上析出且无法在热处理过程中消除，这种组织对轴承套圈的磨削和超精工序均会产生不利的影响。当轴承承受较大载荷时，易在共晶碳化物处造成应力集中而产生疲劳裂纹源，从而导致轴承使用性能和接触疲劳寿命受到损害。对此国内外相关研究人员均进行了大量的研究，先后开发了不同类型的含氮不锈轴承钢，该类材料中均匀分布着氮和碳形成的细小粒状碳氮化合物，类似于高碳铬轴承钢的球化退火组织，但没有高碳铬不锈钢中粗大的共晶碳化物和针片状共晶碳化物。

国内开发的40Cr15Mo2VN含氮不锈轴承钢就是其中之一，但国内关于该钢种的研究和报道较少。由于40Cr15Mo2VN含氮不锈轴承钢合金元素含量高，锻造加热温度范围窄，加工难度大，极易出现由于锻造温度过高及保温时间过长造成的锻造组织粗大，甚至产生孪晶碳化物组织。下文主要分析40Cr15Mo2VN锻造过程中出现的孪晶碳化物及其对断口形貌的影响。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为40Cr15Mo2VN轴承钢，采用双真空方法冶炼，化学成分见表1。其中氮元素采用氧氮分析仪测定，其余元素则采用直读光谱法测定，按照AMS 5925A—2006标准进行评定。

表1 40Cr15Mo2VN钢化学成分 w,%

该材料经过锻造退火后进行热处理，分别取锻造退火和热处理后的试样进行显微组织观察；取锻造退火后正常和发现孪晶碳化物的淬火试样进行人工打断，获取断口。

1.2 试验方法

正常试样采用1 100 ℃进行锻造，孪晶试样采用1 250 ℃锻造。锻造后的套圈采用真空淬火炉进行淬火，用冷冻机进行冷处理，用真空回火炉进行回火。热处理工艺为：1 049 ℃×30 min淬火+ -73 ℃×120 min冷处理+177 ℃×60 min回火。

采用日本OLYMPUS倒置式金相显微镜及图像分析系统观察锻造退火及淬火后的试样组织，采用扫描电子显微镜观察断口形貌。

2 试验结果与分析

2.1 锻造退火后的孪晶碳化物组织

40Cr15Mo2VN含氮不锈轴承钢经过锻造退火后的正常组织应由均匀的球状、细粒状珠光体及少量的一次碳化物和铁素体组成，如图1a所示。含氮不锈轴承钢经过长时间高温加热后，形成的组织晶粒粗大，晶界清晰，每个晶粒内均存在有一条或多条平行分布的孪晶碳化物，每条孪晶碳化物几乎贯穿整个晶粒，其形貌如图1b所示，经测量，孪晶碳化物长度约为50～150 μm。

图1 锻造退火组织照片

2.2 淬回火后的孪晶碳化物组织

将锻造退火后存在孪晶碳化物的40Cr15Mo2VN含氮不锈轴承钢按照试验方法中的淬、回火工艺进行处理，其显微组织如图2所示。由图可以看出，孪晶碳化物在淬回火后仍然存在，说明锻造退火产生的孪晶碳化物在后续的淬回火过程中不能消除。

图2 淬、回火组织照片

2.3 孪晶碳化物组织对力学性能的影响

2.3.1 孪晶碳化物组织对断口形貌的影响

由于试样和产品的尺寸均较小，无法制成冲击试样进行冲击韧性测试，故通过人工打断试样，观察其断口形貌。通过对比含氮不锈轴承钢无孪晶碳化物和存在孪晶碳化物的人工断口形貌，判断孪晶碳化物对其性能的影响。

无孪晶碳化物存在时含氮不锈轴承钢断口宏观上无明显的塑性变形，断口平整，具有脆性断裂的特征。断口扫描电子显微形貌如图3所示，为典型的准解理断口，准解理面上有短而不连续的河流花样形貌，准解理面周围有撕裂棱，其微观形貌为韧窝。

图3 无孪晶碳化物的断口形貌

有孪晶碳化物存在时含氮不锈轴承钢的断口微观形貌如图4所示。由图可以看出，在准解理面上除了有河流花样外，断口还出现了类似解理断裂中的“舌状”花样，同时断口还有撕裂棱和韧窝出现，“舌状”花样的长度约为50～150 μm，并且呈平行方式排列，该“舌状”花样长度和排列方式与光学显微组织中的碳化物孪晶组织相吻合，说明“舌状”花样是由于显微组织中存在孪晶碳化物造成的。在断裂过程中，材料沿准解理面断裂过程中，遇到组织中的孪晶碳化物时解理表面将发生倾斜，并沿着孪晶面继续向前扩展，直至断裂。所以有孪晶碳化物存在时的断裂模式已经由准解理断裂转化为部分解理断裂，增加了材料的脆性，属于缺陷组织[1-2]。含有这种组织的材料用于轴承零件中会造成轴承的早期失效，甚至导致无任何前期征兆的断裂失效，所以在轴承加工过程中，应避免孪晶碳化物组织的出现[3]。