轴承钢GCr15低温轧制组织研究

　　摘　要：利用Gleeble 2000热模拟机研究了轴承钢GCr15在不同形变温度条件下的形变奥氏体组织状态，分析了950℃的高温轧制和750℃低温轧制的室温组织区别，结果表明，高温轧制时奥氏体发生动态再结晶，室温组织珠光体晶粒较大，珠光体组织内的渗碳体片层清晰，生长有规则；低温轧制时轴承钢GCr15为奥氏体+渗碳体双相区形变，奥氏体不发生动态再结晶，同时渗碳体沿晶界发生动态析出，呈断续和球状，室温组织网状和珠光体晶粒尺寸降低，渗碳体片层生长不规则。
　　关键词：GCr15；形变奥氏体；低温轧制；珠光体；渗碳体；网状
　　轴承钢质量除与钢中氧含量和夹杂物等控制有关外，还与热轧组织有关，如轧材的网状渗碳体严重，则后续热处理工艺复杂，且渗碳体颗粒较大，致使轴承寿命短。目前，轴承行业对轧材中渗碳体均匀性的要求越来越高，国内各主要生产厂都在积极地研究并寻找解决的办法和途径^[1]。
　　棒、线材生产线运用低温精轧工艺技术可生产14-50mm棒材产品，网状级别从常规轧制工艺的2.5级降到1.8级，同时采用此工艺可使球化退火时间缩短7h^[2]。因此，现代的轧钢设备使轴承钢的控轧控冷成为可能。目前，摩根公司Z先进的线材轧制的精轧温度可降到750℃，从而可降低渗碳体网状级别、改善钢材热轧组织，并可极大地缩短球化时间、提高生产率、节能环保，所以低温精轧工艺技术极具发展前景。
　　本文通过热模拟试验研究了不同温度下轴承钢形变奥氏体以及模拟轧态组织状态，为首钢开发以控制渗碳体形态为目标的减免退火轴承钢线材提供技术支持。
　　1　试验材料和方法
　　试验材料为首钢生产的Ø20mm轴承钢圆钢，加工成Ø8mm×15mm圆柱样进行热模拟压缩变形试验。奥氏体化加热速度为10℃/s，奥氏体温度为1100℃，保温5min；轧制变形分为2道次变形：第1道次模拟粗轧，形变温度为1050℃，应变速率为1/s，形变量为20％；第2道次模拟精轧，形变温度分为别1000，950，900，850，800，750℃应变速率为10/s，形变量为40％。2道次间冷却速率为15℃/s。轧后采用与实际生产相同的冷却工艺，以12℃/s快冷至600℃，然后以4℃/s慢冷至室温。同时，采用水冷淬火保留过程样和固定奥氏体组织。
　　沿试样轴线截面线切割，经磨光和抛光处理后，用饱和苦味酸水溶液腐蚀奥氏体晶界，在截面芯部进行金相观察，用3％硝酸酒精溶液侵蚀水冷组织，在扫描电镜和金相显微镜上观察渗碳体析出和室温组织，轴承钢形变平衡转变相图由Thermol-Cal软件计算而得。
　　2　试验结果
　　轴承钢不同形变温度下室温组织的珠光体形态见图1。 　　由图1可见，在950℃形变条件下，珠光体团的尺寸在10μm以上，珠光体的片层清晰，渗碳体片层沿着某一取向有规则生长，这是典型的珠光体生长机制；在750℃形变条件下，珠光体团尺寸只有5～6μm，珠光体内片层不规则，渗碳体片层生长的一致性和方向性较差，珠光体片层出现明显的分叉现象。
　　高温形变的组织虽然采用了较快的冷却速率，但是室温组织网状仍然十分严重。不同精轧温度下室温组织的网状形态见图2。 　　由图2可见，先共析渗碳体粗大，而且沿着珠光体团形成网状（见图2a中箭头所指部位）；低温形变很好地抑制了渗碳体网的形成，先共析渗碳体数量较少，而且沿着晶界呈断续和球状析出（见图2b黑线标注区域）。
　　3　分析讨论
　　在相同轧后控冷工艺条件下，珠光体组织状态主要取决于形变奥氏体组织，分析不同温度区间形变奥氏体发现，奥氏体的晶粒尺寸和状态截然不同。形变温度对奥氏体组织的影响见图3。 　　动态再结晶是组织细化的过程，同时也是形变过程中应力软化的过程，驱动力就是组织的形变储存能，即在高温形变条件下，组织的形变储存能以再结晶形式消耗掉^[3-4]；而在低温形变条件下，大部分形变储存能以位错和亚结构的形式保存下来，且组织内的位错和亚结构影响了随后冷却过程中珠光体的形核和生长过程：因奥氏体形变储存能高，所以珠光体的形核率也高，由此造成低温形变室温组织中珠光体团尺寸较小^[5]，同时奥氏体组织内大量的位错和亚结构改变了珠光体形核长大过程中铁素体和渗碳体之间的界面能，促使渗碳体片生长不规则或出现分叉现象^[6-7]；另外，亚结构和位错是富碳区，同时也是碳的快速扩散通道，造成渗碳体片层在生长方向偏离与铁素体特定的取向关系。不同形变温度下的渗碳体动态析出见图4。 　　由图4可见：
　　1）在750℃形变条件下，形变奥氏体晶界出现析出物，一种解释是形变过程中奥氏体发生了渗碳体动态析出现象，另一种可能是渗碳体在二道次形变前的冷却过程中已经析出，形变造成渗碳体的球化和破碎。渗碳体沿着原始奥氏体晶界呈断续状，尺寸在0.5μm左右。
　　2）在800℃形变条件下发生的现象与750℃形变条件下相同，原始的奥氏体晶界也有球状渗碳体粒子出现，渗碳体粒子的尺寸为0.1～0.3μm，相比较于750℃条件下数量明显减小。
　　3）在850℃形变条件下无渗碳体粒子出现。利用Thermol-Cal软件计算得到形变后的轴承钢平衡相图如图5所示。 　　由图5可见，形变后的轴承钢先共析渗碳体的析出温度为810℃，所以在800℃以下时从轧制理论上可以实现先共析渗碳体的动态析出。从先共析渗碳体的动态析出状态分析，渗碳体沿晶界呈球状析出，完全不同于轧后冷却过程以渗碳体网的形态析出，主要原因是800℃以下时，形变提供了附加的应变能，增加了奥氏体的自由能，降低了奥氏体的稳定性，促进了先共析渗碳体的析出过程，造成奥氏体动态析出现象^[9]；“形变”在不断提高晶体缺陷密度的同时，增加了碳的扩散通道，对满足扩散形核所需要的结构、浓度和能量起伏条件非常有利^[8]，即提高了渗碳体粒子的形核率，使渗碳体呈球状析出和断续状分布。形变温度越低，这种作用就越明显，析出的粒子尺寸和数量也会增加。
　　由于低温形变，使750℃形变条件下室温组织中先共析渗碳体沿晶界呈断续和球状，所以网状得到很好改善。低温形变条件下的珠光体片层形态见图6。 　　低温形变过程中的渗碳体动态析出，促进了过饱和的碳呈球状渗碳体析出；同时，低温形变奥氏体较高的内部亚结构和位错促进了先共析渗碳体的形核位置、降低了连续析出形成粗大渗碳体网的倾向。
　　4　结论
　　1）950℃形变过程中奥氏体发生动态再结晶，850℃时为部分再结晶，750℃时未发生再结晶。
　　2）在750℃形变条件下，奥氏体发生渗碳体动态析出现象，渗碳体沿原始奥氏体晶界呈球状和断续状分布，且随着渗碳体析出数量和尺寸形变温度降低，增加。
　　3）与较高温度相比，750℃形变条件下室温组织中珠光体团尺寸减小，渗碳体片层发生不规则生长，网状减轻。
　　参考文献
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