冷处理对16Cr14Co12Mo5轴承钢组织和性能的影响

发布时间：2014-01-17
郑善举1,2　杨卯生2　雷霆1　王康1 
（1.昆明理工大学冶金与能源工程学院，云南昆明 650093；2.钢铁研究总院结构材料研究所，北京 100081）
　　16Cr14Co12Mo5是一种具有高强度、高韧性、耐高温和耐蚀的高性能齿轮轴承钢，该钢经过一定的热处理工艺后会产生马氏体相变强化和第二相的析出强化，这两种强化方式相互叠加会使材料获得更好的强韧性能。16Cr14Co12Mo5的合金质量分数在30%以上，由于合金元素含量较高，经过淬、回火后其显微组织中一般都会存在一定含量的残余奥氏体，而残余奥氏体会降低材料强度且在服役过程中可能呈现不稳定状态，若在一定的应力条件下形变诱发或降温过程中会转变成马氏体组织，使零件在使用过程中尺寸发生变化，影响零件的正常使用，甚至失效。冷处理不仅能显著降低材料中残余奥氏体的含量，消除因组织演变而导致的尺寸变化所引起的零件失效，还能提高材料的强度和硬度，稳定尺寸，减小变形，具有操作简便、不破坏工件、无污染、成本低等优点。所以，冷处理已成为改善高性能轴承金属材料综合性能的有效手段而备受关注。本文对试验钢16Cr14Co12Mo5轴承钢热处理后的显微组织和力学性能进行了研究，主要研究和探讨了冷处理对16Cr14Co12Mo5轴承钢组织、性能的影响规律。
　　1　试验材料与方法
　　试验钢16Cr14Co12Mo5轴承钢是经过VIM+VAR处理后，铸成100kg钢锭，高温锻压成Φ20mm的棒料。然后加工成冲击、拉伸试样，冲击试样加工成为10mm×10mm×55mm的U型缺口试样，缺口深度为2mm；拉伸试样尺寸为55mm×65mm。16Cr14Co12Mo5的主要化学成分如表1所示。
 
表1 试验钢的化学成分　（质量分数）
　　热处理工艺：试样在1060℃高温固溶后，油淬到室温，清洗后立即装入-82℃的冷柜进行一次冷处理，到温保温2h，后在空气中放置到室温，然后在500℃下高温回火后空冷到室温。然后在相同温度下进行二次冷处理和二次回火，Z后制得试验试样。
　　2　试验结果分析与讨论
　　表2给出了试验钢经过不同热处理工艺阶段处理后的力学性能。比较力学性能数据，经过一次冷处理后，材料的强度和硬度有了明显的提高，抗拉强度增大了135MPa，特别是屈服强度的变化更明显，增大了640MPa；经过二次冷处理后材料的强度和硬度进一步提高，抗拉强度和屈服强度分别增大了140MPa和420MPa。材料的冲击功呈下降趋势，但冲击功依旧保持在75.0J以上，这主要是由于经过冷处理后残余奥氏体含量减少导致材料韧性降低。
 
表2 试验钢经不同工艺阶段处理后的力学性能
　　对16Cr14Co12Mo5试验钢经过不同热处理工艺阶段后的组织进行观察，显微组织均为板条马氏体＋残余奥氏体＋第二相。但经过不同的热处理工艺阶段后，板条马氏体含量，残余奥氏体含量、分布情况以及析出第二相的数量等都发生了较大的变化。如图1所示分别为淬火态的金相照片和SEM照片，基体组织主要为板条马氏体和较高含量的残余奥氏体，经XRD检测计算后残余奥氏体体积分数为26.0%。在淬火态下，金相照片显示组织还保留着原来的奥氏体晶界，不能看到清晰的马氏体板条组织。
 

图1 试验钢淬火态的显微组织
　　图2为16Cr14Co12Mo5轴承钢淬火态的冲击断口SEM照片，从图中可以看出断口形貌为韧窝。此时冲击断口中存在较多的大尺寸韧窝，从图2（b）中韧窝内几乎看不到沉淀相的存在，这说明淬火后材料中的第二相粒子很少，从而导致了韧窝尺寸较大。此时试样的冲击功达到181.0J。图3（a）为一次冷处理后的金相照片，图3（b）为一次冷处理后的SEM照片，从图中可以看出，经过一次冷处理后马氏体板条变得清晰，残余奥氏体由淬火态的块状转变为条状镶嵌在马氏体板条之间。经过一次冷处理后，试样的性能有所改善，表面硬度明显提高，达到47.5HRC，抗拉强度和屈服强度都明显提高。
 

图2 试验钢淬火态的冲击断口SME形貌

图3 试验钢一次冷处理后的显微组织
　　冷处理后残余奥氏体明显减少。经XRD检测，如图4（b）所示，一次冷处理后残余奥氏体体积分数为11.3%，与淬火态的残余奥氏体相比，体积分数降低了56.5%。如图4（c）所示，二次冷处理后残余奥氏体体积分数为3.1%，与淬火态相比，残余奥氏体体积分数降低了88.1%。这是由于冷处理时，由于温度T不断降低，满足热力学相变条件：
 
 δΔG/ΔδT＜0，ΔG＜0
　　式中：ΔG为此过程中的吉布斯自由能变化量，所以残余奥氏体在冷处理过程中开始转变为马氏体，致使马氏体含量增加，残余奥氏体含量减少，材料的韧性降低，冲击功由181.0J减小到100.0J。由于残余奥氏体在使用过程中可能会呈现不稳定状态而发生组织转变，从而使得材料在使用过程中由于尺寸变化而失效。进行冷处理能降低残余奥氏体的含量，可有效防止钢在使用过程中的尺寸变化。因此对钢进行冷处理，减少了钢因组织转变导致的尺寸变化，可以在保证钢韧性满足服役要求的同时，期待得到尺寸更稳定和强韧性能更好的钢。

图4 不同热处理工艺阶段下残余奥氏体的XRD检测图
　　如图5所示，从图中可以看出此时的板条马氏体已经明显细化，晶内以及晶界处的沉淀相数量增加，晶粒尺寸小于0.5µm且分布均匀，残余奥氏体呈薄膜状分布在马氏体板条之间。薄膜状残余奥氏体和马氏体板条的这种镶嵌分布保证了材料在强度、硬度提高的同时又具有相当的韧性，提高了材料的综合性能。

图5 试验钢二次冷处理后的显微组织
　　对冲击试样的断口进行SEM观察并采集照片如图6所示，此时断口仍是典型的韧性断口，存在大量韧窝，与淬火态的冲击断口相比，韧窝尺寸变小且均匀。这主要是由于此时材料中析出的第二相粒子增多，起到钉扎作用导致韧窝尺寸变小。此外，在冷处理过程中，残余奥氏体大部分转变为马氏体，从而在随后进行回火时会有更多的碳化物析出。但由于在500℃下碳原子的扩散能力有所降低，不能形成较大的碳化物，因而析出数量较多的弥散、微细的碳化物。这些析出沉淀相均匀分散、颗粒细小且相同的颗粒距离较近，对位错的钉扎作用较大，很好的阻碍了位错运动，强化了钢的基体组织，同时保持了一定的韧性，并提高了钢的强度和硬度，从而使钢具有较好的综合性能。

图6 试验钢二次冷处理后的冲击断口SEM形貌
　　在冷处理过程中会有一定量微细第二相的析出，这是由于在这个过程中，马氏体晶格会发生收缩，引起第二相析出驱动力的增加。而冷处理起到了提供驱动力驱动第二相析出的作用，并配合随后的高温回火过程中碳与合金元素的聚集并以超微细第二相的析出，所以经二次冷处理和回火后，沉淀相数量明显增加。这些微细第二相粒子能起到析出强化的作用。
　　对试样进行力学性能测试，发现二次冷处理后试样的性能进一步提高，表面硬度可达到50.7HRC，抗拉强度达到1820MPa，屈服强度达到1410MPa，相对于一次冷处理，特别是屈服强度提高了42.4%，此时试样的强度和硬度得到显著提高。
　　比较冷处理前后材料表面的硬度发现，经过二次冷处理后材料的表面硬度比淬火态的高14.7HRC，比一次冷处理的高3.2HRC。钢在冷处理中第二相析出是钢铁基体强化的物理机制，用热力学的吉布斯函数判据，证明适当的冷处理可以使钢中马氏体转变完全或含量增加。而且在低于马氏体的形成温度冷却和低温下停留一定长的时间，导致在随后的第二次回火过程中形成非常细小的沉淀相颗粒。冷处理能显著提高材料表面硬度的主要原因是淬火态下材料的残余奥氏体含量较高，而经过冷处理发生了残余奥氏体向马氏体的转变，使得材料中马氏体的含量升高，导致了材料的表面硬度大幅度提高。此外，显微组织观察显示经过冷处理后的材料组织变得细化，回火时有一定量的微细第二相的弥散析出。冷处理过程中的马氏体相变强化和回火时析出强化的相互叠加，共同提高了材料的表面硬度。
　　试验钢进行2次冷处理后，残余奥氏体转变成马氏体，提高了强度和硬度。淬火后残余奥氏体处于不稳定状态，次冷处理使不稳定的残余奥氏体转变成马氏体或处于稳定状态。然后配合500℃回火，由于第二相的析出，再次使残余奥氏体变的不稳定，二次冷处理会进一步转变残余奥氏体成马氏体，能大大提高钢的强度和硬度，强化钢的基体组织，同时析出的细小第二相起到析出强化的作用，又保证了钢的韧性能满足服役要求。
　　3　结论
　　（1）试验钢经过一次冷处理后，残余奥氏体体积分数明显减少，由淬火态下的26.0%下降到11.3%，材料的抗拉强度和屈服强度分别提高了135MPa和640MPa。
　　（2）试验钢经过二次冷处理并配合500℃高温回火后，残余奥氏体体积分数进一步降低到3.1%。高温回火时有一定量分布弥散、尺寸小于0.5µm的第二相析出，起到了析出强化的作用。
　　（3）试验钢经过二次冷处理并配合500℃高温回火后，表面硬度达到50.7HRC，抗拉强度达到1820MPa，屈服强度达到1410MPa，材料的强度和硬度得到了显著的提高，冲击功保持在75.0J，满足服役要求。
来源：《钢铁》2012年12期