胡伟勇1,王 峰1,黄 涛1,薛 晶1,柯锦宏1,梁小燕1,郦 剑2

(1.浙江中集轴承公司,绍兴 312600;2.浙江大学 材料科学与工程学院,杭州 310027)

摘 要:根据铬元素质量分数为1.6%时垂直截面富铁端的 Fe-Cr-C三元相图和碳、铬元素高温 扩散性能,分析了凝固结晶时材料中碳含量分布的变化过程,说明了碳化物不均匀性缺陷的形成机 理,并讨论了碳化物不均匀性缺陷对轴承接触疲劳寿命的影响。结果表明:GCr15轴承钢的碳化 物不均匀性缺陷包括网状碳化物、带状碳化物和碳化物液析等,产生原因为 相线间隔较大,导致元素偏析明显,在凝固结晶过程中产生了碳化物不均匀性 G 。 Cr15钢液相线和固

关键词:GCr15轴承钢;碳化物不均匀性;带状碳化物;网状碳化物;碳化物液析 中图分类号:TB31;TG142.1+1 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)11-0015-04

滚动轴承的摩擦系数小,起动性能、转速和承载 能力高,传动效率好,广泛应用于机床、航空、汽车、 铁路等工业机械和民用器具中,是现代化机械设备 的重要基础零件,现已实现标准化、系列化、通用化、 大批量生产。除某些工况须承受轴向推力外,滚动 轴承主要承受着周期循环的高压径向载荷,滚道和 滚动体为点接触或线接触,接触表面的局部瞬时接 触应力和接触频率较高。因此,要求轴承具有高而 均匀的硬度和耐磨性、良好的材料纯净度和均匀度。 滚动轴承正常的失效形式有:轴承接触面的点 蚀疲劳、轴承接触面的磨粒磨损以及轴承的局部塑 性变形。GCr15轴承钢属于高碳过共析钢,碳元素 的质量分数一般控制在0.95%~1.05%,显微组织 为细小而均匀的碳化物分布在隐晶马氏体基体中。 轴承常见的碳化物不均匀性缺陷有:网状碳化物、带 状碳化物、碳化物液析等。当轴承中铬元素含量偏 高时,碳化物的不均匀性增大,导致轴承的接触疲劳 强度降低,从而发生早期接触疲劳失效。 研究发现,当 GCr15轴承钢中的碳元素质量分 数从0.95%增大到1.06%时,网状碳化物平均级别 从1.10级 增 大 到 1.63 级,当 铬 元 素 质 量 分 数 从 1.35%增 大 到 1.58% 时,网 状 碳 化 物 平 均 级 别 从1.16级增大到1.68级,可见 GCr15轴承钢的碳、铬 元素含量对碳化物不均匀性的影响很大[1]。笔者研 究了碳化物不均匀性缺陷的形成机理,为控制轴承 的质量提供理论基础。

1 碳化物不均匀性缺陷的表现形式

1.1 微观形貌

GCr15轴承钢几种常见碳化物不均匀性缺陷的微 观形貌如图1所示,主要有带状碳化物、网状碳化物、 碳化物中心部位液析和链状液析等不均匀性缺陷。 1.2 物相变化 图2为铬元素质量分数(wCr)为1.6%时垂直截 面富铁端的 Fe-C-Cr三元相图[2-3],可见该相图还保 持着 Fe-Fe3C 相图的基本形态,但是单相奥氏体区 缩小,E 点碳元素质量分数降低到了1.5%,共析点 碳元素质 量 分 数 降 低 到 了 0.65%,共 析 点 温 度 升 高;共晶转变线和共析转变线展宽为三相共存区,分 别为 L+γ+(Fe,Cr)3C和γ+α+(Fe,Cr)3C。 GCr15钢的液相线温度和固相线温度分别为 1460和1220 ℃,液、固两相共存区的温度范围较 大,故 GCr15钢产生偏析的趋势大。在 Fe-Cr-C 合 金凝固过程中,碳、铬元素的偏析系数分别为0.87, 0.05,表明材料形成树枝晶偏析的倾向较大。铬元 素在奥氏体中的扩散速率较慢,减小了奥氏体中碳 元素的扩散系数。因此,GCr15钢凝固过程中具有 较大的树枝晶偏析倾向[1]。图2中碳元素质量分数 为1.0% 的 直 线 代 表 了 GCr15 钢 从 钢 液 冷 却 到 25 ℃的物相变化。

2 碳化物的形成机理

2.1 平衡结晶过程

图2中水平线t1,t2,t3,t4 分别表示平衡结晶过 程中,GCr15钢按照时间依次达到的几个温度,c1, b2,b3,b4 以及d1,a2,a3,a4 分别为平衡结晶过程中, GCr15钢在t1,t2,t3,t4 温度下呈现的液相和奥氏体 相成分,各温度下表象点到两相区交点的距离和两相 含量成反比,即符合杠杆定律。 在平衡结晶过程中,温度以无限小的间隔下降, 合金中各元素充分扩散,包括液相内部扩散、固相内 部扩散以及液、固两相之间扩散,最终固相和液相都 达到该温 度 下 相 图 确 定 的 成 分,且 各 元 素 分 布 均 匀[4]。由图2可知:平衡结晶时,随着温度下降,液 相成分沿液相线d1 →a2 →a3 →a4 变化,固相成分 沿固相线c1→b2 →b3 →b4 变化,最后结晶完成,生 成了均匀的1.0C-1.6Cr钢。凝固后继续冷却进入 两相区,沿奥氏体晶界析出(Fe,Cr)3CⅡ ,进入三相 区,最终转变为珠光体。

2.2 实际凝固过程

在实际生产过程中,合金的凝固过程与理想状 态不同,不可能保持平衡条件。由图 2 可知:合金 Fe-1.0C-1.6Cr在温度下降到t1 时开始结晶,凝固 出成分为c1 的固体;当温度下降到t2 时,在已凝固 的c1 固体上又长出一层固体,成分为c2。温度由t1 降到t2 若是极为缓慢的平衡过程,凝固体成分应该 是均匀的b2,即原有的c1 充分扩散,达到b2,但是 t1 降到t2 的过程为非平衡过程,冷却时间短,固相 扩散速率较慢,所以当温度降到t2 时,结晶体表面 虽然是b2 成分,而内层却接近c1 成分。此时固体 平均成分就处于c1 与b2 之间,相当于图2中c2 的 位置。当温度再降到t3 时,固体又长大一层,此时 最外面表层固体成分为b3,平均成分则在c2 与b3 之间的c3 位置。依此类推,冷却结束后,晶粒内部 成分不均匀,由内到外逐层不同,内层先凝固的部分 碳元素含量较低,外层碳含量元素含量较高。这种 晶体内部成分不均匀的现象叫晶内偏析,属于显微 偏析。因为凝固温度连续下降,所以晶内偏析的碳 元素含量是逐渐连续过渡的,不是截然分层的[4]。 GCr15轴承钢一次奥氏体树枝晶的碳元素质量分 数为0.6%~0.7%,在共晶温度时结晶奥氏体的碳 元素质量分数为1.3%~1.4% [2]。 对图2中奥氏体-液相两相区的液相侧进行分 析,发现当温度下降到t1,固相刚发生凝固的瞬间 时,液相成分为合金名义成分d1(碳元素质量分数 为1%);当温度下降到t2 时,固相的碳元素经液、固 界面和液相扩散而达到a2。温度t1 冷却到t2 为非 平衡过程,冷却时间短,固相扩散速率慢,固相c2 的 碳元素含量低于相图固相平衡b2 的碳元素含量,多 余的碳元素进入液相,使d2 的碳元素含量大于相 图标志液相平衡a2 的碳元素含量。依此类推,平衡 状态液相成分线d1-a2-a3-a4 变成了d1-d2-d3-d4, 即凝固结束前,液相的碳元素含量比平衡冷却时的 碳元素含量更高。 凝固冷却到某时刻后,液相线的碳元素含量超过 E 点的碳元素含量(1.5%),达到亚共晶的碳元素含 量,且随着冷却的进行,碳元素含量越来越高。当温 度冷却至亚共晶三相区时,少量残余液相以颗粒状碳 化物、亚共晶γ+(Fe,Cr)3C状态或离异共晶状态析 出,最终在奥氏体基体形成颗粒状碳化物+少量块状 γ+(Fe,Cr)3C亚共晶+块状(Fe,Cr)3C液析,即由离 异共晶碳化物转变为离异共析碳化物。

3 碳化物不均匀性的形成机理及分布特点

3.1 形成机理

碳化物不均匀性的形成与钢液凝固过程中发生 的宏观区域偏析和微观枝晶偏析直接相关。在凝固 起始的柱状树枝晶阶段,固相的生长速率快、碳元素 含量低,碳元素在液、固界面由固相进入液相,在液相 内形成碳元素含量梯度,并发生扩散;柱状树枝晶向 材料内部推进,液相碳元素含量不断升高,液相凝固 温度不断降低,界面处的温度梯度也随之降低,形成 了成分过冷现象。当液相成分过冷达到临界值时,固 相在剩余液相中普遍形核生长,形成等轴树枝晶区, 导致材料中心部位液相流动性降低,阻止了界面液相 碳元素扩散,生成了亚共晶组织或离异共晶液析。 柱状晶生长时,二次或三次树枝晶互相接触,形 成的密闭小空间封存了其中的液相,碳、铬及杂质元 素含量高于树枝晶主干部位,最终凝固时材料因没 有液相补缩而形成孔洞,即显微疏松,后续的轧锻过 程可以焊合显微疏松。如果轧锻操作不充分,会残 留部分显微疏松,且轧锻会造成残留显微疏松的尺 寸、形态有所变化,形成了显微空隙。与碳元素类 似,钢中低熔点合金元素和杂质元素也会富集到中 心部位等轴晶区。 在轧锻过程中,材料组织沿轧锻方向拉伸延长, 最终凝固成带状碳化物或碳化物液析,缓冷中奥氏 体析出二次碳化物,生成网状碳化物。碳化物液析 相当于亚共晶组织或离异共晶碳化物,轧锻后碎裂 为小颗粒状或块状,沿热变形方向呈孤立的断续分 布。碳化物液析通常位于带状碳化物中,与带状碳 化物混在一起。 在轧锻过程后,枝晶的富铬和富碳偏析区析出 较多的碳化物,在轴向截面上碳化物呈带状分布。 柱状晶、轴状晶相交处和轴状晶区富集了较多的碳、 铬元素,通常是近心部的带状碳化物组织比较多。 网状碳化物缺陷是在停轧温度较高、停轧后缓冷进入γ+(Fe,Cr)3C两相区及α+γ+(Fe,Cr)3C三相 区形成;均匀化退火过程中,如果温度较高也会形成 网状碳化物。网状碳化物沿奥氏体晶界析出,破坏 了钢材连续性,使钢材的冲击性能降低。

3.2 分布特点

沿 GCr15钢试样截面径向进行显微组织观察, 其中网状碳化物试样为横向磨片试样,带状碳化物、 碳化物液析试样为轴向磨片试样,取样位置如图3 所示,不同位置对应碳化物的显微组织形貌如图4 所示。由图4可知:沿径向由外至内,网状碳化物组 织的网状形态逐渐发育完整,碳化物厚度增加;沿径 向 由外至内,带状碳化物组织由细小断续的大间隔 带状形态逐渐转变为聚集形态,带间隔减小,带宽度 和连续性增加,在带状密集区有网状碳化物析出;沿 径向由外至内,碳化物液析的数量逐渐增加。

4 结论与建议

GCr15钢凝固过程中产生碳化物不均匀性缺 陷的原因为:GCr15钢液相线和固相线间隔较大, 造成元素偏析明显,在凝固结晶过程中产生了碳化 物不均匀性。碳化物不均匀性缺陷直接影响轴承滚 动接触面的接触疲劳寿命,使轴承滚动接触面在循 环接触应力作用下,因碳化物颗粒与基体界面断裂 而脱落,也可能是因碳化物本身内部开裂而脱落。 采用电渣重熔的方法改变钢材的凝固过程,调 整结晶形态,可以避免元素偏析,显著改善材料的均 匀性。

来源：材料与测试网