喷射成形轴承钢GCr15显微组织分析

发布时间：2016-02-15
薛飞
（济钢集团共程技术有限公工司，山东济南　250101）
　　摘　要：对喷射成形轴承钢GCr15试样显微组织进行试验分析，发现喷射成形坯件沿轴向各位置均存在较多孔隙和疏松，坯件的组织为等轴晶，微观组织为珠光体团，晶界处渗碳现象明显，平均洛氏硬度值为HRC34.5。通过降低凝固速度、提高金属液过热度及降低载气量及冷/热态挤压可控制消除孔隙和疏松，并采取适当的热处理工艺减少晶界处碳化物的析出，进一步提高材料的综合性能。
　　关键词：轴承钢GCr15；喷射成形；显微组织
　　1　前言
　　喷射成形技术是由液态金属直接制取具有快速凝固组织、接近零件实际形状的高性能材料或半成品坯件的一种新型的材料制备技术[1]。该技术可细化基体组织，均匀材料成分，减少氧化和偏析，进而提升材料性能[2]。本文通过对喷射成形轴承钢GCr15显微组织形态和结构的研究分析，进一步了解喷射沉积坯的显微组织特点及其对材料性能的影响，提出相应的优化措施，对探索优化喷射成形轴承钢的生产工艺提供参考。
　　2　试验方法
　　1）试样制备。试验采用喷射成形轴承钢GCr15作为沉积坯试样。采用钼丝切割机分别在试样的上部、中部和下部各切取截面积为10mm×10mm×10mm的试样小块并编号。取样部位示意图及编号顺序见图1。

图1 试样取样示意图
　　2）试样处理。试验依次更替采用不同网目的砂纸对试样的试验面进行磨光处理。采用机械抛光，初次抛光采用氧化铬粉末配制的抛光液，二次抛光使用纯乙醇做抛光液。抛光结束后，采用浓度4%的硝酸酒精混合液作腐蚀剂对试样进行腐蚀，然后风干保存。扫描电镜观察时，采用浓度＜4%的硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀。
　　3）试样的显微组织分析硬度测量。采用金相显微镜，在不同放大倍数下观察试样的孔隙分布、组织结构及分布状况。在扫描电镜下观察试样微观组织的特征，分析微观颗粒的外形特征，确定其类型，并对试样的不同部位进行能谱分析，确定其元素含量。用洛氏硬度仪测量试样不同位置的HRC硬度值。
　　3　试验结果
　　1）图2a、b、c、d分别为试验试样上部、中部、侧部和下部孔隙分布的微观图像，可以看出沉积坯的孔隙分布散乱，孔隙形状较杂乱，上部（图2a）孔隙较少，中部（图2b）孔隙尺寸较小，侧部（图2c）和底部（图2d）孔隙较多其尺寸较大。总体孔隙率接近15%，而常规喷射成沉积坯的孔隙率在1%～7%[3]。试样的微观组织形状较为接近的等轴晶，中部和侧部的晶粒尺寸较细小，上部和下部晶粒尺寸较大。

图2 沉积坯不同部位显微组织
　　2）图3和图4分别为试样在高倍显微镜和扫描电镜下试样的显微组织照片。在高倍镜下观察到沉积坯的显微组织是片状珠光体组织[4]，晶界平均宽度在0.1μm。进一步通过扫描电镜观察，发现试样中的珠光体片层间距非常细密，平均片间距为0.2μm，并形成珠光体团，单个晶格中存在数个珠光体团。晶界处存在明亮的条状物质，晶界交界处存在孔隙，晶界内也分布着一些条状或带状物质。

图3 高倍镜下试样显微组织

图4 扫描电镜下试样显微组织
　　3）对试样进行能谱分析如图5所示，发现晶界处的化学成分与晶粒内部其他位置相比，碳元素含量明显升高，铬元素含量较低，铁、锰、硅等元素含量相差不大（见表1、表2），这说明晶界析出的物质为碳化物，晶界内也分散存在着碳化物组织。

图5 晶界成分能谱分析
表1 晶界元素成分分析结果（X-射线Ka线系）

表2 晶界内元素成分分析结果（X-射线Ka线系）
　　4）编号1-8的试样洛氏硬度测定结果分别为HRC31、32、29.5、33、28.5、34.5、32和35。可以看出，沉积坯试样不同部位的硬度值比较接近，中心部位的硬度值相对较低，平均硬度值为HRC34.5。另外，在测量中也出现一些偏小和偏大硬度值。
　　4　结语
　　1）喷射成形轴承钢GCr15在沿坯件轴向各位置均存在较多孔隙和疏松结构，其形成的主要因素有气体卷气、凝固收缩和间隙式孔隙。孔隙和疏松过多会严重影响材料的力学性能。可通过降低凝固速度，提高金属液的过热度以及降低载气量及冷/热态挤压和热处理等工艺手段来控制。
　　2）喷射成形坯件的组织为等轴晶，晶粒度在70～150μm，不存在枝晶组织，晶界处渗碳现象明显。微观组织为珠光体，并形成许多取向不同的珠光体团，紧致细密的珠光体团能有效提高轴承钢的强度和冲击韧性。但晶界处析出的碳化物会影响材料的加工性能，应采用适当的热处理工艺消除。
　　3）喷射成形坯件的平均硬度值为HRC34.5，沉积坯的切削加工性能较好。由于晶界处存在大量的碳化物，所以硬度值偏高，而存在孔隙较多的区域，硬度值相对偏低，孔隙度与硬度呈反比关系。
　　参考文献：
　　[1]王爱敏，张胤，贺友多，等.喷射成型沉积坯组织及机械性能分析[J].炼钢，2007（5）：37-38.
　　[2]崔成松，章靖国.喷射成形快速凝固技术制备高性能钢铁材料的研究进展[J].上海金属，2012（4）：43-44.
　　[3]Yang Y，Hannula S P. Soundness of spray formed disc shape tools of hot-work steels[J].Materials Science and Engineering A,2004,383：39-44.
　　[4]林一坚，罗光敏，李小军，等.细珠光体在变形中的行为[J].材料科学与工程学报，2008（3）：370-371.
来源：《山东冶金》2015年10月