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文章(zhang)出處：知(zhi)識中心 網責任編輯： 洛陽軸承(cheng) 閱讀量： 發(fa)表(biao)時間：2021-11-11 08:40:20
4、表層組(zu)織轉變控制
滲(shen)碳軸承(cheng)鋼由(you)表(biao)層向心部碳含量逐(zhu)漸降低(di)，熱處理(li)后(hou)表(biao)層不同深度(du)處的(de)組織(zhi)存在差(cha)異，淬火后(hou)滲(shen)碳軸承(cheng)鋼從(cong)表(biao)面到心部的(de)基體組織(zhi)依次為：
針狀馬氏體→針狀馬氏體＋板條馬氏體→板條馬氏體。淬火(huo)加熱溫度是馬氏體淬火中的一(yi)個(ge)重要影響因素，一(yi)方面，較高的淬火加熱(re)溫度有利于碳元素和其他合金元素在(zai)奧氏(shi)體(ti)中(zhong)擴散均(jun)勻；另一(yi)方面，在(zai)較高的淬火加熱(re)溫度下，更多(duo)的碳化物發(fa)生溶解，釘扎(zha)晶界效果減弱，將促(cu)使奧氏(shi)體(ti)晶粒長大(da)。淬火馬氏體的形貌及尺寸決定了鋼的硬度、強度和韌性等性能指標，而晶粒細化是唯一既可以提高材料強度又能提高韌性的方法，因此選取合理的淬火溫度和保溫時間非常重要(yao)。
高速鐵路軸承需要承受更大的沖擊載荷，軸承用鋼不僅要求具有高耐磨性、高抗疲勞性，還要有良好的沖擊韌性。對于滲碳(tan)軸承(cheng)鋼，選擇合理(li)的(de)二次淬火溫(wen)度(du)能獲得優異的(de)表層組(zu)織和性能。高速鐵路軸承常用的G20CrNi2Mo鋼經945 ℃滲碳后在860 ℃預冷淬火，然后進行830 ℃的二次淬火，獲得的組織如圖6所示，經二次淬火后滲碳層中的針片馬氏體變得更加細小，基體上彌散析出細小均勻的碳化物顆粒，耐磨性明顯改蓋。
圖6 G20CrNi2Mo鋼二次淬火前(qian)、后的組織對比
Fig.6 Microstructure comparison of G20CrNi2Mo steel before and after secondary quenching
殲–20戰斗機和C919大飛機的先后問世代表了我國航空工業的崛起，而飛機機動性的每一次提升主要依靠發動機推重比的增加，如今發動機主軸dn值已經達到2.4×106 mm·r·min-1，發動機主軸軸承的工作溫度逼近300 ℃，且長期承受巨大的沖擊載荷和循環疲勞應力。為適應航空軸承更高的性能要求，我國研發了第2代高溫滲碳軸承鋼G13Cr4Mo4Ni4V(ASTM M50NiL)。根據YB/T 4106——2000《航空發動機用高溫滲碳軸承鋼》規定(ding)，其經過滲(shen)(shen)碳(tan)、淬(cui)火和(he)(he)回(hui)火處(chu)理(li)后(hou)的表層(ceng)硬度可達到62~63 HRC，具有較(jiao)高的耐磨性和(he)(he)良好的抗疲勞性能，心部板(ban)條馬氏體提供(gong)了良好的沖擊韌性。圖7所示(shi)為G13Cr4Mo4Ni4V鋼常用的滲(shen)(shen)碳(tan)熱(re)處(chu)理(li)工藝，真空滲(shen)(shen)碳(tan)時的溫度一般為890 ℃，然后(hou)經1 100 ℃淬(cui)火，再545 ℃回(hui)火處(chu)理(li)3次，每次2 h。
圖(tu)7 G13Cr4Mo4Ni4V鋼(gang)的滲碳熱處理工藝示(shi)意圖(tu)
Fig.7 Diagram of carburizing heat treatment process for G13Cr4Mo4Ni4V steel
與G13Cr4Mo4Ni4V鋼相似的M50NiL鋼經過滲碳熱處理后微觀組織如圖8所示，由圖8b可以清晰看出硬化層的基體組織主要為隱晶馬氏體，而過渡區的組織中既有片狀馬氏體，也有低碳板條馬氏體，其中馬氏體板條的尺寸比心部更加細小，這是由于心部碳含量低，在高的溫度下固溶處理后奧氏體晶粒較粗大，從而導致馬氏體板條更易生長。
圖8 M50NiL鋼經滲碳熱處(chu)理后(hou)的組織形態
Fig.8 Microstructure of M50NiL steel after carburizing heat treatment
文獻[65]研究了貝氏體等溫淬火對G23Cr2Ni2Si1 Mo鋼滲碳層組織及性能的影響：在200 ℃下等溫8h后，滲碳層獲得了數量可觀的針狀下貝氏體(圖9a)；圖9b中可以清晰地看到，在納米級的貝氏體鐵素體板條之間存在著薄膜狀殘余奧氏體。細小的貝氏體鐵素體板條使得相界面積大幅度增加，有利于阻礙位錯滑移，抵抗塑性變形，且富碳的薄膜狀殘余奧氏體可以有效阻礙微裂紋擴展，因此有利于提高韌性和耐磨性。試驗證明，與傳統滲碳淬(cui)火(huo)(huo)相比，等溫淬(cui)火(huo)(huo)鋼(gang)的耐磨性(xing)提(ti)高(gao)了58% ,沖擊(ji)韌性(xing)提(ti)高(gao)了33.3%。
圖9 G23Cr2Ni2Si1 Mo 鋼在200 ℃等溫(wen)8 h后的滲碳層(ceng)微(wei)觀組織
Fig.9 Microstructure of carburized layer of G23Cr2Ni2Si1 Mo steel austempered at 200 ℃ for 8 hours
5、表層殘余奧氏體的控制
滲碳軸承鋼的表層碳濃度較(jiao)高，且(qie)含有大量Cr，Ni等合金元(yuan)素(su)，Cr在滲碳加(jia)(jia)(jia)熱時固(gu)溶到奧氏(shi)體(ti)(ti)中，增加(jia)(jia)(jia)了奧氏(shi)體(ti)(ti)的穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)，Ni是擴大γ相(xiang)區的合(he)金元素(su)，能與γ-Fe形成無(wu)限固(gu)溶體(ti)(ti)，進一步(bu)增加(jia)(jia)(jia)奧氏(shi)體(ti)(ti)的穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)。由(you)于Ms點的降(jiang)低，滲(shen)碳軸(zhou)承鋼表層淬(cui)火后會留下大量(liang)未轉變的過冷奧氏體，但最高殘(can)余奧氏體量(liang)一般在距邊緣0.2~0.4 mm處(chu)。奧氏體的(de)穩定化分為兩(liang)類：
1)由于(yu)鋼(gang)的淬火加熱溫度(du)一般低(di)于(yu)完全奧氏體化溫度(du)，所以奧氏體中的碳(tan)(tan)及(ji)合(he)金元素(su)是不(bu)均(jun)勻的，存(cun)在貧/富(fu)碳(tan)(tan)區，當(dang)淬冷至Ms點以下(xia)時(shi)，貧碳(tan)(tan)區將(jiang)發(fa)生(sheng)(sheng)馬氏體轉變，部(bu)分富(fu)碳(tan)(tan)區由于(yu)未達到Ms點以下(xia)溫度(du)，所以這(zhe)部(bu)分奧氏體不(bu)發(fa)生(sheng)(sheng)轉變而保(bao)留下(xia)來，也(ye)稱(cheng)為熱穩定化；
2)由于馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)的(de)比容大于奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)，所以發生馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)轉變(bian)(bian)時伴隨著體(ti)(ti)(ti)積膨(peng)脹(zhang)，存在于2個(ge)馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)板條(或馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)針)之(zhi)間的(de)奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)受到壓應力(li)作用(yong)，使得(de)奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)更(geng)難向馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)轉變(bian)(bian)，從(cong)而產生力(li)學穩(wen)定(ding)現象。在馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)轉變(bian)(bian)期間，奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)的(de)熱(re)穩(wen)定(ding)化與力(li)學穩(wen)定(ding)化是(shi)同(tong)時存在的(de)，但殘余奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)含量(liang)過高不利于表面硬度和尺寸穩(wen)定(ding)。
高溫回(hui)火對殘(can)余奧氏體的(de)轉變具有催化作用：
一方(fang)面，高(gao)溫(wen)回火促進碳化物從殘余奧氏體中析出并聚集(ji)長大，碳含量的降(jiang)低導致(zhi)殘余奧氏體Ms點(dian)升高(gao)，熱穩定性(xing)減弱，在(zai)空(kong)冷(leng)過(guo)程中將更容(rong)易轉(zhuan)變(bian)為馬氏體；
另(ling)一方面，高溫回(hui)火(huo)使(shi)一次馬(ma)(ma)氏體(ti)(ti)(ti)大量分解，過飽和碳原子大量析出(chu)導致馬(ma)(ma)氏體(ti)(ti)(ti)正(zheng)方度(du)減小，殘(can)余(yu)奧氏體(ti)(ti)(ti)受到周圍馬(ma)(ma)氏體(ti)(ti)(ti)的壓應力(li)作用減弱，力(li)學穩(wen)定性減弱，因此在空(kong)冷過程(cheng)中殘(can)余(yu)奧氏體(ti)(ti)(ti)更易向(xiang)馬(ma)(ma)氏體(ti)(ti)(ti)轉變(bian)。
如表⒉所示，G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼制軸承內圈表層殘余奧氏體含量的質量要求為15%~25%，原始熱處理工藝無法滿足，采用更高溫度( 215，225 ℃)進行回火處理后，殘余奧氏體含量明顯下降，215 ℃回火后的殘余奧氏體含量和表面硬度均符合要求，最終采用215 ℃作為回火溫度。除了通過提高回火溫度來降低殘余奧氏體含量以外，增加回火次數、延長回火保溫時間也有利于促進殘余奧氏體的轉變，但延長回火時間不如前2種方法更有效。
表2 G20CrNi2Mo 鋼不(bu)同滲碳熱處理后內圈滾(gun)道的殘余奧氏體(ti)含量
Tab.2 Residual austenite content of inner ring raceway after different carburizing heat treatments of G20CrNi2Mo steel
冷處理(-90 ℃)或深冷處理(-190 ℃)使殘余奧氏體在連續冷卻過程中繼續轉變為馬氏體，進一步提高基體硬度，并有助于穩定軸承尺寸精度。此外，殘余奧氏體作為一種韌性相，保留一定數量的殘余奧氏體可以延緩裂紋尖端應力，防止軸承過早出現因滑動和滾動磨損而引起凹坑、剝(bo)落等疲勞損傷(shang)。
文獻[71]對全淬硬GCr15軸承鋼進行了表面真空滲碳處理，滲碳熱處理后表層殘余奧氏體含量高達20%，顯著高于常規熱處理，但滾動接觸疲勞壽命卻比滲碳前提高了近10倍。
文獻[72]對20CrMnMoAl滲碳軸承鋼在220 ℃下等溫淬火 32 h后幾乎得到了全貝氏體組織(圖10)，TEM觀察發現，在貝(bei)氏(shi)體(ti)(ti)鐵素(su)體(ti)(ti)條之間(jian)存在著僅(jin)十幾納米(mi)厚的(de)殘(can)余(yu)奧氏(shi)體(ti)(ti)薄膜，由于Al對碳化(hua)物(wu)的(de)抑制作(zuo)用，等溫過程中(zhong)貝(bei)氏(shi)體(ti)(ti)鐵素(su)體(ti)(ti)中(zhong)的(de)碳原子大(da)量擴散至薄膜狀殘(can)余(yu)奧氏(shi)體(ti)(ti)中(zhong)，因此薄膜狀殘(can)余(yu)奧氏(shi)體(ti)(ti)的(de)穩定性更(geng)高，這對軸承尺寸精度的控制有一定益處。
圖10 20CrMnMoAl鋼等溫淬(cui)火組織TEM圖
Fig.10 TEM image of austempered microstructure of carbu-rized 20CrMnMoAl steel
6、結束語(yu)
隨著我國十(shi)四五”規劃的(de)正式(shi)啟動，高鐵、航(hang)空發(fa)動機(ji)、盾(dun)構(gou)機(ji)、風(feng)電機(ji)組等高端裝備軸承是未來(lai)重(zhong)點研發(fa)項(xiang)目(mu)，針對滲(shen)碳軸承鋼，掌握“高質高效、綠色環保”的(de)先進熱(re)處理(li)技術具有重(zhong)要意義。
滲碳(tan)(tan)軸(zhou)承鋼經滲碳(tan)(tan)、淬火等熱處理工(gong)序后比(bi)全淬硬馬氏體軸(zhou)承鋼具(ju)有更(geng)高的(de)(de)抗沖(chong)擊和耐(nai)疲勞性能，但有關滲碳(tan)(tan)軸(zhou)承鋼的(de)(de)研究(jiu)還(huan)有諸多的(de)(de)問題需要深入：
1)網狀碳化物的析出控制；
2)殘余奧氏體形態和含量的控制；
3)對滲碳軸承鋼基體組織的研究。
除了細化淬火馬氏體以外，貝氏體等溫淬火展現出了極大的發展潛質，馬氏體＋下貝氏體的混合組織比任何單一的淬火組織都具有更優的使用性能，而目前國內對滲碳軸承鋼的貝氏體等溫淬火研究還不夠廣泛和深入，一些問題亟需探索和解決，如貝氏體等溫淬火溫度、時長，等溫淬火后的殘余奧氏體含量及其對尺寸穩定性的影響，等溫淬火碳化物析出對力學性能的影響規律等。
（參考文獻略）
（來(lai)源：軸承雜志社）
引文格式：
于興福，王士杰，趙文增，等.滲碳軸承(cheng)鋼的熱處理現狀[J].軸承(cheng)，2021（11）：1-9.
作者簡(jian)介
于興福，男(nan)，1976年生(sheng)，沈陽(yang)工(gong)(gong)業大學副教授(shou)，博士生(sheng)導師，主(zhu)要從事航空(kong)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼的(de)(de)熱(re)處理(li)技術(shu)(shu)、鎳基單(dan)晶(jing)/柱狀(zhuang)晶(jing)高溫(wen)(wen)合(he)金的(de)(de)制備技術(shu)(shu)、高溫(wen)(wen)合(he)金的(de)(de)冶煉技術(shu)(shu)、精密鑄造用型(xing)殼制備技術(shu)(shu)的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)工(gong)(gong)作。多(duo)(duo)年來，參與國(guo)(guo)家重點研(yan)發計劃、“兩(liang)機”專(zhuan)(zhuan)項(xiang)(xiang)、“大飛機”材料(liao)專(zhuan)(zhuan)項(xiang)(xiang)和國(guo)(guo)防科(ke)工(gong)(gong)局專(zhuan)(zhuan)項(xiang)(xiang)等(deng)(deng)多(duo)(duo)個項(xiang)(xiang)目。主(zhu)導研(yan)發了(le)航空(kong)軸(zhou)(zhou)承(cheng)用穩定化(hua)熱(re)處理(li)、強韌(ren)化(hua)熱(re)處理(li)、馬氏體+貝氏體復合(he)淬(cui)火(huo)、真空(kong)等(deng)(deng)溫(wen)(wen)淬(cui)火(huo)等(deng)(deng)熱(re)處理(li)工(gong)(gong)藝，研(yan)發的(de)(de)熱(re)處理(li)工(gong)(gong)藝被應用于多(duo)(duo)個型(xing)號軸(zhou)(zhou)承(cheng)的(de)(de)生(sheng)產和科(ke)研(yan)制造，并(bing)取得了(le)良好的(de)(de)效果。研(yan)究(jiu)(jiu)期(qi)間，申請軸(zhou)(zhou)承(cheng)相關專(zhuan)(zhuan)利(li)技術(shu)(shu)8項(xiang)(xiang)，已授(shou)權專(zhuan)(zhuan)利(li)2項(xiang)(xiang)，在國(guo)(guo)內外期(qi)刊發表研(yan)究(jiu)(jiu)論文80余篇。
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