变形终止温度对GCr15轴承钢显微组织的影响.pdf

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变形终止温度对GCr15轴承钢显微组织的影响1 变形终止温度对GCr15轴承钢显微组织的影响2 变形终止温度对GCr15轴承钢显微组织的影响3 变形终止温度对GCr15轴承钢显微组织的影响4 变形终止温度对GCr15轴承钢显微组织的影响5 变形终止温度对GCr15轴承钢显微组织的影响6 变形终止温度对GCr15轴承钢显微组织的影响7
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第43卷第1o期—2015年1O月第2834页材料工JournalofMaterials程EngineeringVo1.43No.10—Oct.2015PP.2834变形终止温度对GCrl5轴承钢显微组织的影响EffectofFinalDeformationTemperatureonMicrostructureofGCrl5BearingSteel李振兴,李长生,马永强,李涛,张建(1东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,沈阳110819;2抚顺特殊钢股份有限公司,辽宁抚顺113001)———LIZhenxing,LIChangsheng,MAYongqiang。,LITao,ZHANGJian(1StateKeyLaboratoryofRollingandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China;2FushunSpecialSteelCo.,Ltd.,Fushun113001,Liaoning,China)摘要:采用MMS300热模拟试验机对GCrl5轴承钢的热变形工艺进行模拟,研究变形终止温度对其显微组织的影响。℃结果表明,变形终止温度在77O~870内变化时,其显微组织均为片层状珠光体+沿晶界分布的先共析碳化物,并且先共析碳化物周围存在铁素体薄膜。随着变形终止温度的升高,晶粒尺寸和珠光体团的尺寸均增加,珠光体的片层间距略微减小,硬度增加通过回归分析获得维氏硬度与片层间距倒数的拟合方程HV一38.3S_1+92.7。变形终止温度在℃81O~870 ̄C内升高时,碳化物的网状程度增加。与810 ̄C相比,变形终止温度为7700C和790时,碳化物的网状程度较严重。关键词:GCrl5轴承钢;变形终止温度;珠光体;网状碳化物;片层间距—doi:10.1 ̄868/j.issn.10014381.2015.10.005中图分类号:TG113文献标识码:A——文章编号:1001-4381(2015)10002807Abstract:ThehotdeformationprocessofGCrl5bearingsteelwassimulatedbytheMMS3。0thermalmechanicalsimulator.Theeffectoffinaldeformationtemperatureonmicrostructurewasinvestigated.—℃—Theresultsshowthat。withintherangeof770870,themicrostructureofGCrl5bearingsteelconsistsoflamellarpearliteplusproeutectoidcarbidewhichisdistributedalongthegrainboundaryandsurroundedbyferritethinfilm.Withtheincreaseofthefinaldeformationtemperature,thegrainsizeandpearlitecolonysizebothincrease,themeaninterlamellarspacingofpearlitedecreasesslightlyand—thehardnessincreases.Bymeansofregressionanalysis,thefittedcurveofVickershardnessVSthere—ciprocalofmeaninterlamellarspacingisgivenbyHV一38.3S+92.7.Thedegreeofcarbidenet℃—workincreaseswhenthefinaldeformationtemperatureincreaseswithintherangeof810-870.Com℃paredwith810,thedegreeofcarbidenetworkismoreseriousatthefinaldeformationtemperatureof℃℃770and790.Keywords:GCr15bearingsteel;finaldeformationtemperature;pearlite;carbidenetwork;lamellarspacingGCrl5轴承钢具有优良的综合性能,是目前主要的轴承用钢口]。其作为过共析钢,热变形后的室温组织中容易出现网状碳化物,在随后的热处理过程中难以消除,影响轴承的寿命。控制热变形工艺可以改善GCrl5轴承钢的显微组织,并抑制网状碳化物的析出l4。因此,关于GCrl5轴承钢的热变形工艺的实验研究具有重要意义。Gembalova等指出热变形后采取合适的冷速,网状碳化物可以完全消除。Sun等[6]通过实验发现,热变形后直接空冷,碳化物的网状程度较严重,若先水℃冷至690后再空冷,碳化物的网状程度明显减弱。℃李胜利等_7发现,GCrl5轴承钢棒材于850终轧变℃形后,心部的快速冷却速率小于3/s时,碳化物的网状程度较严重。以上研究侧重于GCr15轴承钢热变第43卷第1O期变形终止温度对GCrl5轴承钢显微组织的影响29形后的控冷工艺,并未对变形工艺,如变形终止温度的影响进行探讨。目前,轴承钢多以棒线材供货]。对于尺寸较大的GCr15轴承钢棒材,心部的冷却速率较慢,单一的控冷难以减小碳化物的网状程度]。因此,为了减小GCr15轴承钢中碳化物的网状程度,需要进一步明确变形工艺对网状碳化物的影响。目前,关于GCrI5轴承钢变形终止温度的实验研究仍然较少。本工作采用MMS300热模拟试验机,对GCr15轴承钢的热变形工艺进行了模拟,详细研究了变形终止温度对显微组织的影响,包括晶粒尺寸、珠光体团的尺寸、珠光体的片层间距和碳化物网状程度。通过回归分析,建立了硬度与片层间距倒数的拟合方程。1实验方法实验所用的原材料为抚顺特殊钢股份有限公司提供的GCr15轴承钢。其化学成分如表1所示。热模拟实验所采用的试样尺寸为mm×15mm。实验过程中,为了控制变形温度和冷却速率,将热电偶点焊到试样的纵向中心。图1为热变形实验的工艺图。首先,试样以℃℃10/s的速率加热到1200保温3min,随后试样以℃5/s的速率冷却到相应温度进行三道次的热压缩变形。各道次的变形量分别为3O,3O,25,各道次的应变速率分别为2,5,10s_。。第一、二道次的变形℃℃温度分别为1000和880,第三道次的变形温度,即所模拟的变形终止温度,取值分别为770,790,810,℃℃830,850和870。为了使试样温度均匀,变形前试样在相应温度下保温了3s。经过三道次的变形后,试℃℃℃样以10/s的速率快速冷却至650,最后以l/s的速率缓慢冷至室温。将热变形后的试样沿中心纵向切开,并进行抛光。—经过4的硝酸酒精溶液腐蚀后,利用电子探针(JEOLJXA8530F)观察显微组织。透射试样经电解双喷减薄制成,电解液为1OoAHC1O+90无水乙醇,采用FEITecnaiG2F20透射电镜进行观察。观察碳化物的网状程度时,采用的金相显微镜为LEIcATime图1热变形实验工艺图Fig.1Theschematicofthehotdeformationexperiment—DMIRM。利用万能硬度计(KB3000BVRZSA)测量了不同变形终止温度下试样的硬度。2实验结果和讨论2.1显微组织特征和硬度采用电子探针观察了不同变形终止温度下GCr15轴承钢的显微组织,如图2所示。其中沿晶界分布,并且颜色较亮的组织为先共析碳化物。分析发现不同变形终止温度下的显微组织均为片层状珠光体+先共析碳化物,并且先共析碳化物的厚度为珠光体中渗碳体片层厚度的3~5倍。采用透射电镜进一步观察了变℃形终止温度为790时的显微组织,如图3所示。颜色较深的组织为碳化物,较浅的为铁素体,其中箭头处的显微组织为先共析碳化物。通过分析先共析碳化物的衍射斑可知,其属于正交晶系,即先共析碳化物为渗碳体。此外,可以看出先共析碳化物与珠光体中的渗碳体之间存在铁素体薄膜,即珠光体中的渗碳体不是直接在先共析碳化物上形成的_】。。。因此,可以认为GCrI5轴承钢中珠光体的有效晶核为沿先共析碳化物分布的铁素体薄膜。直线截点法常用来统计晶粒尺寸和珠光体团尺寸L1],本研究采用该方法统计了不同变形终止温度下试样的晶粒尺寸(原奥氏体晶粒尺寸)和珠光体团尺寸,如图4所示。结果表明,变形终止温度在770~℃870内增加时,试样的晶粒尺寸从16.2m增加至22.1m,珠光体团尺寸从5.2m增加至6.9m,即晶粒尺寸增加了36,珠光体团的尺寸增加了33。可以看出珠光体团的尺寸和晶粒尺寸存在正的相关性,这种相关性在一些文献中已有报道[1¨]。其原因是珠光体优先在晶界附近形核,随着晶粒尺寸的增加,单位体积内的晶界面积减小,即珠光体的形核位置减少,进而珠光体团从形成到相互碰撞所需的时间延长,最△aJ三BJ0Eo一∞一∞%l《分成n一学_詈一,l;验一—实_=c一∞5一一.d.m一一C一m一。第43卷第1o期变形终止温度对GCrl5轴承钢显微组织的影响31Ea)价.三巴c9E1n).∞C旦o‘)卫2_=c口图4不同变形终止温度下试样的晶粒尺寸和珠光体团尺寸Fig.4Thegrainsizeandpearlitecolonysizeofspecimensatdifferentfinaldeformationtemperatures的交点个数,M为图片的放大倍数口。统计结果,℃如图5所示。发现变形终止温度从770增加至℃870时,平均片层间距从0.104t ̄m减小至0.091肚m。“研究表明口],珠光体的片层间距与相变温度密切相关,两者近似满足方程(1):s一㈩式中:S为片层间距;T为相变温度;Te为共析温度;.0为密度;Q为珠光体相变过程中单位质量的相变热;为单位面积的铁素体一渗碳体界面的界面能。根据上式可知,相变温度较低时,珠光体的片层间距较小。其原因为当相变温度较低时,相变驱动力较大,并且溶质原子的扩散距离较小,使得片层间距较小。本工作通℃过测量发现,变形终止温度在770~870内变化时,珠光体的平均片层间距随着变形终止温度的升高而略微减小。这是由于变形诱导析出作用,使得珠光体的相变温度发生变化。变形终止温度较高时,变形诱导析出作用较弱,珠光体相变的初始温度较低,造成片层间距较小l】。此外,变形终止温度较低时,原奥氏体晶粒尺寸较小,使得CCT曲线向左上方移动,即珠光体相变的初始温度升高,进一步增加了片层间距。值得一提的是,为了改善加工性能,GCrl5轴承钢热轧后通常需要进行球化退火。当渗碳体片层的厚度较小时,加热过程中渗碳体溶断速率较快,有利于缩短球化时间。对于过共析钢,珠光体的片层间距S与渗碳体片层厚度丁之间近似满足T===0.15S・C,其中C为碳的质量分数【1。因此,片层间距越小,球化速度越快。本工作的测量结果表明,虽然片层间距随着≥变形终止温度的升高而减小,但变形终止温度810 ̄C时,平均片层间距变化幅度较小。因此,从提高球化速≥℃度的角度考虑,变形终止温度应810。本工作利用万能硬度计测量了不同变形终止温度下试样的维氏硬度,如图5所示,发现试样的硬度随着变形终止温度的升高而增加。这主要是因为随着变形终止温度的升高,试样的片层间距不断减小,而单位体积内的铁素体与渗碳体之间的界面面积为S===2/S_1引。因此,变形终止温度较高时,单位体积内的铁素体一渗碳体界面的面积较大,进而试样的硬度较大。实验表明,珠光体钢的维氏硬度与片层间距的倒数近似呈线性关系_1]。本文通过回归分析,获得了硬度与片层间距倒数的拟合曲线,如图6所示,可以看出实验钢的硬度与片层间距的倒数呈正比。硬度与片层间距倒数之间的拟合方程,如方程(2)所示,其相关系数约为0.97。HV一38.3S+92.7(2)Ea'兰0m△∞旦面E旦C∞苫图5不同变形终止温度下珠光体的平均片层间距以及硬度值Fig.5Themeanlamellarspacingofpearliteandhardnessatdifferentfinaldeformationtemperatures图6硬度与片层间距倒数的拟合曲线Fig.6Fittedcurveforhardnessandreciprocalofinterlamellarspacing2.2碳化物的网状程度为了观察碳化物的网状程度,将不同变形终止温度下的试样进行淬火+低温回火处理。淬火温度为℃℃820、保温时间为4min,低温回火温度为150、回火时间为2h。经过淬火+低温回火处理后,采用4的硝酸酒精溶液进行深腐蚀,腐蚀时间在30s左右。图7为不同变形终止温度下的试样深腐蚀后得到的金相∞一EE,scpJcsJ。l>∞∞∞一EE.旦一,scpJc协.J)Io『^第43卷第1O期变形终止温度对GCrl5轴承钢显微组织的影响33越少。因而,变形终止温度较高时,碳化物的网状程度较严重。Temperature/%图8GCrl5轴承钢不同温度下各平衡相的质量分数Fig.8ThemassfractionofeachequilibriumphaseinGCrl5bearingsteelatdifferenttemperatures在7+M。C两相区内变形时,除了奥氏体晶粒发生变形外,已析出的先共析碳化物也会发生变形,使得碳化物内形成了大量的位错。高密度位错的存在,为碳的扩散、沉积以及碳化物的溶断创造了条件,使得已析出的先共析碳化物破碎成细小、分散的碳化物颗粒。细小的碳化物颗粒可以作为新的未析出碳化物的形核点,进一步促进碳化物的弥散析出。因此,随着变形终止温度的降低,已析出的先共析碳化物大量破碎,先共析碳化物的形核点增加,使得碳化物的网状程度减小。但变形终止温度过低时,先共析碳化物已大量析出,变形只起到简单的破碎作用,并未进一步促进先共析碳化物的弥散析出,将会造成碳化物的网状程度增加。此外,GCrl5轴承钢热变形后常进行快速冷却,以缩短在先共析碳化物析出温度区间内的停留时间,而变形终止温度较低时,试样在先共析碳化物析出温度区间内的停留时间较长,也会导致碳化物的网状程度增加。℃℃℃因此,与810相比,变形终止温度为77O和790时,碳化物的网状程度较严重。实际生产中,变形终止℃温度可控制在810 ̄830内。此外,为了进一步减小碳化物的网状程度,应适当增加GCr15轴承钢于℃81O~912内的变形量,并且变形道次间的温度间隔不应过大。3结论(1)变形终止温度在770~87o ̄C内变化时,随着变形终止温度的升高,晶粒尺寸和珠光体团的尺寸不断增加,珠光体的平均片层间距略微减小,硬度逐渐增加。回归分析发现,硬度与片层间距的倒数近似呈线性关系,其拟合方程为HV=38.3S+92.7。(2)先共析碳化物属于渗碳体,并且先共析碳化物周围存在铁素体薄膜,可以认为GCr15轴承钢中珠光体的有效晶核为沿先共析碳化物分布的铁素体薄膜。—(3)ThermoCalc的计算表明,先共析碳化物的开℃℃始析出温度为912,停止析出温度为751。℃(4)变形终止温度在810~870内变化时,随着变形终止温度的升高,碳化物的网状程度增加;与℃℃℃810相比,变形终止温度为770和790时,碳化物的网状程度较严重。为了获得理想的显微组织,变形℃终止温度应控制在810~830内。参考文献—[1]ZARETSKYEV.Rollingbearingsteelsatechnicalandhistoricalperspective[J].MaterialsScienceandTechnology,2012,28—(1):5869.[2]廖舒纶,张立文,岳重祥,等.GCrl5热变形行为与流变应力模型—的研究[J].材料工程,2008,(4):810.————LIAOShulun,ZHANGLiwen,YUEChongxiang,eta1.ResearchonthermaldeformationbehaviourandflowstressofGCrl5—steel 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周大爷
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